JPH06132098A

JPH06132098A - リング，リングの四極電磁石およびその制御装置

Info

Publication number: JPH06132098A
Application number: JP4303295A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nakanishi; 哲也中西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1994-05-13
Anticipated expiration: 2015-04-24
Also published as: JP3037520B2

Abstract

(57)【要約】【目的】四極電磁石により、ビームを集束させるだけ
でなく、ビーム軌道およびクロマティシティの補正を行
えるようにする。【構成】二極磁場を発生して、ビーム軌道を補正さ
せ、六極磁場でクロマティシティを補正させるシムコイ
ル１を四極電磁石に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば荷電粒子を高
エネルギーに加速するシンクロトロン或は荷電粒子を蓄
積する蓄積リングなどのリング、このリングの四極電磁
石およびこの四極電磁石の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１６は例えば１９８４年，ＯＨＯ８
４，「高エネルギー加速器入門」に示された従来の四極
電磁石を示す概略図であり、図１７は１９８２年に分子
科学研究所出版，「ＵＶＳＯＲストレージリングの設
計」に示されたクロマティシティ補正方法を用いたスト
レージリングを示す概略図である。

【０００３】図１６において、２は四極磁場を発生させ
る主コイル、３は磁極、４はリターンヨーク、１７は四
極磁場発生用補助コイルである四極シムコイルである。
また図１７において、１８は図１６に示した四極電磁
石、１９はクロマティシティ補正用の六極電磁石、２０
は偏向電磁石で、ｘ方向ビーム軌道補正用のトリムコイ
ルが付いている。２１はｙ方向ビーム軌道補正用のステ
アリング電磁石である。

【０００４】次に動作について説明する。加速リング或
は蓄積リングなどのリングの基本構成は、ビームを曲げ
て周回運動さすための偏向電磁石２０と、ビームを集束
さすための四極電磁石１８である。四極電磁石１８は、
図１８に示すように中心からの距離ｘに比例して強くな
る磁場を発生させる。ここで、Ｒは主コイル磁場であ
り、Ｓはシムコイル磁場である。この磁場により、例え
ば水平方向ｘにビームが集束される場合は垂直方向ｙに
は発散となる。そのために、極性を変えた２種類の四極
電磁石が使われ、水平，垂直両方向にビームを集束でき
るようにする。

【０００５】四極電磁石１８は周期的に配置され、その
磁場強度は粒子の運動が周期解となるように決められ
る。その時、粒子の運動は次のように表わされる。

【０００６】

【数１】

【０００７】

【数２】

【０００８】ここで、βはリング一周にわたって変化す
るβ関数、νは一周当りの振動数（チューン）、φは回
転角である。上式からビームサイズは√βに比例する。
従って、実際のリングでβ値を測定することは重要な実
験である。βは次式で与えられる。

【０００９】 β＝４πΔν／ｋ・・・・・・（３）

【００１０】ここで、ｋは四極電磁石１８の磁場勾配の
変化量である。従って、ある四極電磁石１８の磁場強度
を変えて、νの変化を測定すればその四極電磁石１８の
位置でのβが分かる。しかし、四極電磁石１８の通電方
法は、一般には各々のグループの四極電磁石１８を直列
に接続してグループ当り１台の電源で通電する。

【００１１】そのため、その電源出力を変えてβを測定
したのでは、複数の四極電磁石１８の位置での平均しか
分からない。そこで、各四極電磁石１８に補助コイルで
あるシムコイル１７を独立に取り付け、そのシムコイル
１７に電流を流して、各位置でのβ値を測定する。この
シムコイル１７はあくまでも四極磁場を発生させるもの
である。

【００１２】一方、周回粒子はある運動量範囲の中で様
々な運動量を持つ。従って、四極電磁石１８の磁場強度
は、運動量の大きい粒子に対しては相対的に弱い集束力
となり、運動量の小さい粒子に対しては強い集束力とな
る。これはνが各々の粒子で異なることを意味し、不安
定性の原因となる。そのため、六極電磁石１９をリング
の周囲に配置して補正する。

【００１３】ここで、運動量に対するチューンの変化
（Δν／（ΔＰ／Ｐ₀））をクロマティシティ（ξ）と
いう。六極電磁石１９は磁場強度が中心から２次関数的
に強くなる電磁石である。クロマティシティはｘ，ｙ両
方向に存在するため、両方向の補正を行なうためには六
極電磁石１９は２組必要である。

【００１４】次に、ビーム軌道の補正に付いて説明す
る。四極電磁石１８の設置誤差等により、ビーム軌道
（正確には平衡軌道）は設計軌道に対して歪んだ軌道と
なる。この歪みによりビームは真空ダクトに近づくこと
になり、十分なビーム電流が得られなくなる。そのた
め、一般にこの軌道の歪みは補正される。

【００１５】補正は二極磁場で行ない、通常はステアリ
ング電磁石２１をリング周囲に配置する。図１７に示す
例では、水平ｘ方向の補正は偏向電磁石２０のトリムコ
イルで行なう。これは構造的には四極電磁石１８のシム
コイル１７と同じである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来のリングおよび四
極電磁石は以上のように構成されているので、ビームを
集束する作用しか持たず、ビーム軌道の補正或いはクロ
マティシティの補正には使えないなどの問題点があっ
た。更に、ビームの設計軌道が四極電磁石の中心軸とず
れていた場合、ビーム軌道を大きく歪ませるなどの問題
点があった。

【００１７】請求項１の発明は二極磁場によりビーム軌
道の歪を補正できる四極電磁石を得ることを目的とす
る。

【００１８】請求項２の発明はクロマティシティを補正
できる四極電磁石を得ることを目的とする。

【００１９】請求項３の発明はクロマティシティの補正
によるビーム軌道の歪を補正できる四極電磁石を得るこ
とを目的とする。

【００２０】請求項４の発明はビーム入射中でもクロマ
ティシティを任意に設定できる四極電磁石の制御装置。

【００２１】請求項５の発明は四極電磁石の移動および
シムコイル電源の出力を自動的に制御できる四極電磁石
の制御装置を得ることを目的とする。

【００２２】請求項６の発明は主コイル電源の出力変化
に対応して、ビーム軌道の歪みを補正できる四極電磁石
の制御装置を得ることを目的とする。

【００２３】請求項７の発明は主コイル電流の変化に応
じて、ビーム軌道の補正とともにクロマティシティの任
意設定を実施できる四極電磁石の制御装置を得ることを
目的とする。

【００２４】請求項８の発明は超電導偏向電磁石などの
洩れを磁場が大きい電磁石を用いた場合にも、シムコイ
ルでビームの軌道ずれを補正できるＸ線リソグラフィ用
電子蓄積リングなどのリングを得ることを目的とする。

【００２５】請求項９の発明はビームの軌道ずれととも
にクロマティシティの補正を実施できるリングを得るこ
とを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るリ
ングの四極電磁石は、六極成分を含む二極磁場を発生し
て、ビーム軌道を補正するようにしたものである。

【００２７】請求項２の発明に係るリングの四極電磁石
は、弱い六極磁場でクロマティシティを補正するシムコ
イルを設けたものである。

【００２８】請求項３の発明に係るリングの四極電磁石
は、弱い六極磁場でクロマティシティを補正するシムコ
イルを有し、かつ六極磁場発生時の二極磁場強度にもと
づいて位置をずらせて設けたものである。

【００２９】請求項４の発明に係るリングの四極電磁石
の制御装置は、シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる四極電磁石と、該四極電磁石に設けられ
て、弱い六極磁場でクロマティシティを補正するシムコ
イルとを備え、駆動機構により上記四極電磁石をビーム
の周回中でも位置を変えて上記クロマティシティを設定
するようにしたものである。

【００３０】請求項５の発明に係るリングの四極電磁石
の制御装置は、計算機にクロマティシティの設定入力に
従って、シムコイル電源の出力電流、及び二極成分を補
正するように上記四極電磁石の移動量をそれぞれ制御さ
せるようにしたものである。

【００３１】請求項６の発明に係るリングの四極電磁石
の制御装置は、計算機に、四極電磁石の主コイルに流れ
る主コイル電流の変化に対応して、シムコイルに流れる
シムコイル電流を制御して、四極電磁石の設置誤差等に
よる設計軌道上の磁場を補正させるようにしたものであ
る。

【００３２】請求項７の発明に係るリングの四極電磁石
の制御装置は、計算機に、四極電磁石の主コイルに流れ
る主コイル電流の変化に対応して、上記シムコイルに流
れるシムコイル電流を制御するとともに、上記駆動機構
により上記四極電磁石の位置を制御させるようにしたも
のである。

【００３３】請求項８の発明に係るリングは、超電導偏
向電磁石などから構成され、また、磁場測定前に決めた
設計平衡軌道上に設けられた四極電磁石と、磁場測定後
に得られる平衡軌道の設計平衡軌道からのずれにより生
じる主コイル磁場の二極成分を補正するシムコイルとを
備えたものである。

【００３４】請求項９の発明に係るリングは、四極電磁
石をシムコイル補正がクロマティシティ補正にもなるよ
うな位置に設置し、主コイルの二極成分の補正およびク
ロマティシティの補正を実施させるものである。

【００３５】

【作用】請求項１の発明におけるリングの四極電磁石
は、これに設けたシムコイルによる二極磁場によってビ
ーム軌道の補正を行わせ、この補正に必要な磁場強度は
ビーム軌道の測定値にもとづき計算によって得る。

【００３６】請求項２の発明におけるリングの四極電磁
石は、シムコイルによる六極成分の弱い磁場を利用して
クロマティシティを補正する。

【００３７】請求項３の発明におけるリングの四極電磁
石は、ビーム軌道を補正するに必要なシムコイルによる
六極磁場強度を計算し、さらに、この六極磁場を発生さ
せたときの二極磁場強度を求めて、これにもとづき位置
をずらすようにして、上記ビーム軌道を補正する。

【００３８】請求項４の発明におけるリングの四極電磁
石の制御装置は、基準台に載せた四極電磁石を駆動機構
によって、ビーム入射中にも移動して、シムコイルの磁
場を変えられるようにする。

【００３９】請求項５の発明におけるリングの四極電磁
石の制御装置は、任意のクロマティシティを設定するた
めに、四極電磁石を載せた駆動機構およびシムコイル電
源を計算機により制御する。

【００４０】請求項６の発明におけるリングの四極電磁
石の制御装置は、四極電磁石の磁場強度を変えることに
より四極電磁石の設置誤差が原因で変わるビーム軌道の
歪みを、自動的にシムコイル電源の出力電流を計算機を
用いて変える。

【００４１】請求項７の発明におけるリングの四極電磁
石の制御装置は、四極電磁石の磁場強度に関係なくリン
グのクロマティシティを一定値にするため、その磁場強
度に対するクロマティシティを計算により求めて、これ
によりシムコイル電源の出力を変えるようにし、また、
これにより生じた二極成分の変化によるビーム軌道の補
正を、四極電磁石のＸ方向移動により実施する。

【００４２】請求項８の発明におけるリングは、非常に
強い磁場を発生する電磁石を用いた場合におけるビーム
軌道の歪を、磁場分布にもとづくビーム軌道の計算位置
に四極電磁石を設置し、この四極電磁石付近の二極磁場
の発生により補正する。

【００４３】請求項９の発明におけるリングは、主コイ
ルの二極成分の補正およびクロマティシティの補正を実
施する。

【００４４】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はシムコイル付の四極電磁石の構成およびシ
ムコイルにより発生する二極磁場分布を示す断面図であ
り、図２は二極磁場の向きを９０度回転させるシムコイ
ル付の四極電磁石の断面図である。図１，図２共に磁力
線はシムコイルにより発生するものだけを描いている。
主コイルによる磁力線は従来例と同じである。図１およ
び図２において、１は二極磁場を発生するシムコイル、
２は四極磁場を発生する主コイル、３は磁極、４はリタ
ーンヨークである。

【００４５】次に動作について説明する。四極磁場を発
生する主コイル２は、通常の四極電磁石１８のように各
々の磁極３に取り付けられる。シムコイル１は主コイル
２とは電気回路的に独立に、各々の磁極３に取り付けら
れている。４つのシムコイル１は図１又は図２の矢印で
示すような磁力線が発生するように直列に接続され、１
台の電源に接続される。シムコイル１は主コイル２を囲
むように取り付けられているが、主コイル２の中にシム
コイル１が含まれていても同様の効果がある。また、一
台の四極電磁石で、図１と図２に示す両方の磁場を発生
できるように、二組のシムコイルを取付け、各々に電源
を設けても効果は同じである。

【００４６】また、磁極３の形状は、一般には双曲線が
選ばれるが、形状はここでは問題ではない。次に発生す
る磁場分布について検討する。一般的に、磁場分布は次
の式のように展開できる。

【００４７】Ｂ_y＝Ｂ_0y＋Ｂ_1yｘ＋Ｂ_2yｘ²＋Ｂ_3yｘ³＋Ｂ_4yｘ⁴…… ・・・・（４）

【００４８】例えば、理想的な四極磁場であればＢ_1y以
外の係数は全てゼロである。また、磁極形状は四回対称
であるが、理想的な磁極形状でない場合は奇数項の係数
が有限となり、特にＢ_3yが大きくなる。更に、四回対称
性もなくなれば全ての係数が有限となる。

【００４９】ここで本シムコイル１による磁場を考える
と、理想的には上下対称である。従って、Ｂ_0yの他偶数
項が有限となるが、通常の四極電磁石を考えると、高次
の項はＢ_2yが支配的になる。つまり、シムコイル１で発
生する磁場成分は二極と六極ということになる。

【００５０】六極成分を無視すると、二極成分でビーム
軌道の補正をすることができる。ビーム軌道（正確には
平衡軌道）は偏向電磁石２０と四極電磁石の設置誤差に
より歪む。それらが理想的に設置されているならば、偏
向電磁石２０では所定の角度だけビーム中心は曲げら
れ、四極電磁石ではその中心を通過するため磁場の影響
は受けない。

【００５１】ビーム中心の回りの粒子は偏向電磁石２０
と四極電磁石で磁場の影響を受けるが、それは予め集束
力として計算されている必要な力であり、ビーム中心が
通過する軌道（ここではビーム軌道と称している）の回
りを振動する。

【００５２】しかし、偏向電磁石２０が傾いて設置され
た場合、ビームは水平方向だけでなく垂直方向にも曲げ
られる。また、四極電磁石がずれて設置された場合、ビ
ーム中心も磁場の影響を受け曲げられる。このため、ビ
ーム軌道は設計値と異なり水平ｘ、垂直ｙ方向に歪んだ
軌道となる。この軌道は閉じており、ビーム中心はその
軌道上を常に周回し、ビーム中心の回りの粒子はその軌
道の回りを振動しながら周回する。

【００５３】この軌道の歪みが大きいと、ビームは真空
チェンバーに当たるなどして周回できない。そのため、
一般にステアリング電磁石と称する二極磁場を発生させ
る電磁石をリング周囲に配設することで、軌道の歪みを
補正する。当然、水平、垂直両方向の軌道を補正するた
め２種類のステアリング電磁石を配設する。

【００５４】この発明のシムコイル１を使ったビーム軌
道の補正は、シムコイル１がビーム軌道を歪める主原因
である四極電磁石に付いているため、より効果的な補正
ができる。ｘ方向の補正は、シムコイル１で図１に示す
ような向きに磁場を発生させて行い、ｙ方向の補正は、
図２に示すように磁場を発生させて行なう。補正に必要
な磁場強度は、ビーム位置モニタでビーム軌道を測定す
ることにより計算でもとまる。なお、図３および図４は
図１および図２にそれぞれ対応する磁場分布特性図であ
る。

【００５５】実施例２．シムコイル１による磁場は、二
極成分以外に六極成分が含まれることを上記実施例で示
したが、この六極成分を使ってクロマティシティを補正
することができる。リングの補正のない場合のクロマテ
ィシティをξ_x0，ξ_y0とし、リング周囲に六極磁場が存
在すると仮定すると、リングのクロマティシティξ_x，
ξ_yは次の式で表わされる。

【００５６】 ξ_x＝ξ_x0＋（1/4 π）∫２λη（ｓ）β_x（ｓ）ｄｓ・・・（５）

【００５７】 ξ_y＝ξ_y0−（1/4 π）∫２λη（ｓ）β_y（ｓ）ｄｓ・・・（６）

【００５８】 λ＝（1/2 Ｂρ）・（∂²Ｂ_y／∂ｘ²）・・・（７）

【００５９】ここで、積分はリング一周にわたった積分
であり、ηはβ_xと同じ様な関数、βρはビームの運動
量に比例した量であり、λは六極磁場の磁場勾配係数で
ある。これらの式から分かるように、１種類の六極磁場
だけではｘ，ｙ両方向のクロマティシティを補正でき
ず、極性の異なる２種類の六極磁場が必要であることが
分かる。一般にはξ_x0，ξ_y0は共にマイナスの値を持
ち、ξ_x，ξ_y共に多少プラスとなるように補正され
る。

【００６０】β_xはｘ方向集束用四極電磁石（ＱＦ、ｙ
方向には発散）の位置で最大となり、β_yはｙ方向集束
用四極電磁石（ＱＤ、ｘ方向には発散）の位置で最大と
なる。また、それらはＱＤ，ＱＦの近くで最小となる。
従って、シムコイル１による補正は、弱い六極磁場でク
ロマティシティの補正ができることになり、より効果的
である。六極磁場の極性は、通電する電流の向きを変え
ることで任意に選べる。

【００６１】ここで注意すべき事は、クロマティシティ
補正のためにシムコイル１に通電すると二極磁場も発生
し、ビーム軌道を歪めることである。このため、クロマ
ティシティは予め明らかになっているため、それを補正
するに必要なシムコイル１による六極磁場強度を計算
し、その六極磁場を発生させたときに生じる二極磁場強
度を計算し、それを補正するように四極電磁石をずらし
て設置する。図１のような磁場を発生させる場合はｘ方
向にずらす。ずらす方法は、一般に四極電磁石はボルト
等による位置の微調整機構を備えているため、それで行
なう。

【００６２】実施例３．なお、上記実施例では、シムコ
イル１を全ての磁極３に取り付ける構造としたが、図５
および図６に示すように４つの磁極３のうちの２つを使
っても同様の効果が得られる。例えば、図５では上側の
磁極３のみにシムコイル１を取り付けたが、下側の磁極
３に取り付けても同様の効果が得られる。図６について
も同様である。

【００６３】実施例４．なお、上記実施例では、ｘとｙ
両方向のクロマティシティ補正を行なうために、２種類
のシムコイル１としたが、どちらか一方のクロマティシ
ティを補正するように１種類のシムコイル１としてもよ
い。

【００６４】実施例５．なお、上記実施例では、シムコ
イル１を取り付ける四極電磁石の個数には触れていない
が、全ての四極電磁石でも１部の四極電磁石でもよい。
リングの構造に応じて選定される。

【００６５】実施例６．図７および図８は遠隔操作でき
る位置の微調整機構を備えたシムコイル付四極電磁石を
示す正面図および側面図であり、図において、５は四極
電磁石に固定された基準台、６はモータ等で基準台５を
移動さす駆動機構、７は基準台の位置を検出する位置検
出器、８は架台である。

【００６６】次に動作について説明する。シムコイル付
四極電磁石の基本動作については上記実施例における説
明と全く同じである。実施例２では、予めあるクロマテ
ィシティになるようにシムコイル１による発生磁場を決
め、それによる二極成分を補正するように四極電磁石を
ｘ方向にずらしていたため、ビーム入射中のように放射
線が発生している状態でのクロマティシティの変更はで
きない。なぜなら、シムコイル１の磁場を変えると、ク
ロマティシティは変わるが二極磁場も変わるためビーム
軌道の歪みが生じ、それを補正するため四極電磁石をず
らさなければならないが、近づくことができない。

【００６７】そこで、図７に示すように、遠隔操作でき
る駆動機構６を備え付けていれば、ビーム入射中のよう
に放射線が発生している状態でも、容易に四極電磁石の
位置を変えられるため、シムコイル１の磁場を変えるこ
とができる。また、位置検出器７を取り付けることによ
り、常に正確な位置が分かるため、二極磁場補正が容易
にできる。

【００６８】駆動機構６は基準台５を押し金具で押す構
造となっており、例えば、右側にずらす場合は右側の押
し金具を引き、左側の駆動機構６を使って押し金具でず
らす。また、駆動機構の種類は限定しないが、モータを
使った場合はモータコントローラが一般には離れた位置
にあり、それを人が制御する。

【００６９】図７に示す駆動機構６と位置検出器７は、
片面２組、計４組付けられており、ｘ方向の平行移動を
正確に行なうことができる。例えば、四極電磁石がビー
ム軸方向の中心を軸に左右に振れた場合、ビームが感じ
る磁場は最初の半分と後の半分で極性が異なるため、結
果としてビームに影響は与えない。従って、所定の距離
だけずらしたつもりが、このようにずれていれば補正し
たことにはならない。しかし、本方式により、そのよう
なミスを防止できる。

【００７０】実施例７．なお、図７および図８に示す実
施例では四極電磁石の移動方法を左右両側から押す方式
としたが、駆動機構が押すだけでなく引くこともできれ
ば、片側だけにつける方式でも同様の効果が得られる。
また、駆動機構をビーム軸方向に２個取り付けたが、台
数は限定しない。

【００７１】実施例８．次に、図９に示す実施例につい
て説明する。ここでは、任意のクロマティシティに設定
するために、四極電磁石を移動させる駆動機構及び位置
検出器、それにシムコイル電源を計算機で制御できるよ
うにしている。

【００７２】図において、９はシムコイル電源、１０は
駆動機構６のコントローラ及び切り替え器を内蔵した駆
動機構インターフェース、１１は位置検出器７の読み取
り装置及び切り替え器内蔵した位置検出器インターフェ
ース、１２はシムコイル電源を制御するための電源イン
ターフェース、１３がそれらを制御する計算機である。

【００７３】次に動作について説明する。駆動機構６は
どのような方式のものでもよいが、ここではパルスモー
タによる駆動機構を例にとり説明する。パルスモータは
コントローラが必要で、コントローラは駆動機構６の数
だけ用いてもよいし、一つ或は数個として切り換えて使
用してもよい。そのコントローラ及び切り替え器を内蔵
したものが駆動機構インターフェース１０であり、計算
機１３により駆動機構６の選択及び移動量が制御され
る。

【００７４】また、位置検出器７からの信号は、位置検
出器インターフェース１１を通してアナログであればＡ
／Ｄコンバータによりデジタルに変換して計算機１３で
読みとる。これも駆動機構６と同様、信号を切り換えて
計算機１３で読みとることも可能である。駆動機構６に
よる四極電磁石の移動は、所定の位置に移動したかどう
かを位置検出器７で測定し、所定の位置になっていない
場合は自動的に駆動機構６を駆動させ、正確に所定の位
置に移動できるようにプログラムを作ることもできる。
シムコイル電源９はシムコイル１のグループ（或は種
類）の数だけあり、各々のグループではシムコイル１は
電気的に直列に接続されている。

【００７５】これらの機構を用いると、任意のクロマテ
ィシティに設定するためにシムコイル磁場を変えた場
合、それにより変わる二極成分を補正するように四極電
磁石を自動的に移動させることができる。クロマティシ
ティの設定は、計算機１３にクロマティシティの値を入
力することにより、自動的にシムコイル電源９の出力電
流を変えるようにする方式でもよいし、シムコイル電源
９の電流を計算機１３により直接変える方式でもよい。

【００７６】シムコイル１による磁場の二極成分と六極
成分の各々の強度とシムコイル電流の関係は、予め測定
しておき計算機１３に記憶しておく。四極電磁石の主コ
イル２による磁場勾配Ｇは分かっているため、二極成分
の強度がＢとなった場合、Ｂ＝−Ｇｘとなるｘの位置に
四極電磁石を移動すればよい。

【００７７】実施例９．なお、上記実施例では位置検出
器７からの信号も計算機１３で読みとることができるよ
うにしたが、その機構は本質的なものではなく計算機で
読み取らなくても同様の効果が得られる。

【００７８】実施例１０．次に、図１０に示す実施例に
ついて説明する。これはビーム軌道調整をするためにシ
ムコイル電源と主コイル電源を計算機で制御するように
したものであり、図において、１４は主コイル電源、１
５は主コイル電源１４を計算機１３で制御するための主
電源インターフェースである。

【００７９】次に動作について説明する。シムコイル電
源９はシムコイル１の数だけあり、電源インターフェー
ス１２を通して計算機１３で制御される。また、四極電
磁石は例えばＱＦ，ＱＤのようにグループ分けされ、各
々のグループの四極電磁石は電気的には直列に接続さ
れ、各々１台の電源で通電される。従って、主コイル電
源１４は四極電磁石のグループ数だけあり、主電源イン
ターフェース１５を通して計算機１３で制御される。

【００８０】四極電磁石が理想的に設置されていた場合
は、四極電磁石の磁場強度を変えてもビーム軌道は変化
しない。しかし、一般に四極電磁石は設置誤差があるた
め、磁場強度を変えるとビーム軌道も変化する。四極電
磁石の磁場強度は、より良い運転条件を捜すために大き
く変える場合もある。

【００８１】四極電磁石の設置誤差分もシムコイル磁場
により補正する方法は実施例１で述べた通りである。主
コイル電源１４出力を変えた場合のシムコイル電源９の
変え方は次のように行なう。例えば、主コイル電流を２
０％増やした場合、各々のシムコイル電流も設定値から
２０％増やす。各々のシムコイル補正が、そのシムコイ
ル１の付いている四極電磁石の設置誤差だけであれば、
この調整だけで完全にビーム軌道を元の状態に戻せる。

【００８２】しかし、実際に偏向電磁石等によるビーム
軌道の歪みも含めてシムコイル１で補正しているため、
この調整だけでは完全にビーム軌道の補正はできない。
しかし、この調整によりビーム軌道の歪みは小さくでき
る。そこで、ビーム位置モニタでビーム軌道の歪みを測
定し、それを補正するためのシムコイル１の励磁電流を
計算し、計算値を設定することによりビーム軌道の歪み
は補正できる。

【００８３】この発明は、主コイル電源１４出力を変え
る場合に、それに連動してこれらの動作が自動的にでき
るようにしたものである。ビーム位置モニタによる測定
は多少時間がかかるため、主コイル電源１４の出力が連
続的に変化している場合は、その割合と同じように各々
のシムコイル電源９の出力を変え、主コイル電源１４の
出力が一時的に停止した場合のみ、ビーム位置モニタで
測定し、ビーム軌道を補正する方式でもよい。

【００８４】実施例１１．次に図１１に示す実施例につ
いて説明する。これは主コイル電流に連動させてビーム
軌道を補正するだけでなくクロマティシティも自動的に
任意の値に設定することができるシステムのブロック図
である。

【００８５】次に動作について説明する。各々の動作原
理に付いてはこれまで述べてきた通りである。リングの
元々のクロマティシティは、四極電磁石により生じるも
のが支配的である。従って、四極電磁石を変化させる
と、クロマティシティも変わる。つまり、ある四極電磁
石の磁場強度でクロマティシティ補正ができていても、
磁場強度を変えることによりクロマティシティが補正で
きていない状態になる。四極電磁石の各々のグループ
は、運転条件の最適化のために各々磁場強度が変えられ
る。この四極電磁石によるクロマティシティは次式で与
えられる。

【００８６】 ξ_x＝−（1/4 π）∫Ｋβ_x（ｓ）ｄｓ・・・（８）

【００８７】 ξ_y＝−（1/4 π）∫Ｋβ_y（ｓ）ｄｓ・・・（９）

【００８８】ここで、Ｋは磁場勾配に比例した量であ
り、ＱＦではｘ方向はプラス、ｙ方向はマイナス、ＱＤ
ではｘ方向はマイナス、ｙ方向はプラスと定義する。ま
た、積分はリング一周にわたるものである。例えば、ｘ
方向のクロマティシティξ_xを考えると、ＱＦはマイナ
スのクロマティシティを与え、ＱＤはプラスのクロマテ
ィシティを与えるが、β_xはＱＦで大きくＱＤで小さい
ためＱＦ，ＱＤの一組によるクロマティシティはマイナ
スとなる。

【００８９】これらの式で与えられるクロマティシティ
は、実施例２に示したリングの実際のクロマティシティ
を与える（５），（６）式のξ_x0，ξ_y0の一部である。
従って、四極電磁石の磁場強度に関係なくリングのクロ
マティシティを一定値にするためには、四極電磁石の磁
場強度に対するクロマティシティを上式から計算し、実
施例２で示した式がある一定値になるようにシムコイル
電源９の出力を変えればよい。これらを計算機１３を使
って主コイル電源１４出力に連動させ、自動的に行な
う。

【００９０】一方、シムコイル磁場を変化させると、そ
の二極成分が変化するためビーム軌道を歪める。そのた
め、実施例９で示した方法で四極電磁石をｘ方向に移動
し、二極成分の変化を補正する。これも、計算機１３を
使って主コイル電源１４出力に連動させて自動的に行な
う。また、実施例１０に示したように、四極電磁石の磁
場強度の変化に対するビーム軌道の歪みも同時に補正す
る。

【００９１】実施例１２．なお、上記実施例では四極電
磁石の磁場強度に対してクロマティシティをある一定値
に保つとしたが、四極電磁石の磁場強度に対して任意の
値に設定するようにしてもよい。

【００９２】実施例１３．次に図１２および図１３に示
す実施例について説明する。図１２は超電導偏向電磁石
の磁場分布を示し、図１３はその超電導偏向電磁石１６
を使った蓄積リングの概略平面を示す。図において、１
８Ａは四極電磁石、１６は超電導偏向電磁石である。

【００９３】次に動作について説明する。超電導偏向電
磁石１６は非常に強い磁場を発生できるため、装置を小
型にできる利点がある。そのため、Ｘ線リソグラフィ用
電子蓄積リングは殆ど超電導偏向電磁石１６を使用す
る。

【００９４】通常の偏向電磁石は鉄心を使用するため、
そのビーム軸に沿った磁場分布はほぼ矩形となる。その
ような偏向電磁石を使ったリングでは、偏向電磁石中の
ビーム軌道は完全な円弧を描き直線部のビーム軌道とつ
ながる。但し、実際には磁場分布が完全な矩形でないこ
とから、完全な円弧とはならず、直線部の軌道は多少リ
ングの外側にずれる。

【００９５】これに対して、超電導偏向電磁石１６で
は、磁場が非常に強いため鉄心が飽和し、洩れ磁場が非
常に大きくなる。図１２および図１３に示した磁場分布
はそれを極端に表わしたものである。図は超電導偏向電
磁石１６の半分のビーム軸に沿った磁場分布を示してい
る。一点鎖線Ｇ１は理想的な矩形分布を表わし、破線Ｇ
２が３次元磁場解析プログラムで計算した磁場分布、実
線Ｇ３が実際に得られる磁場分布である。計算は、鉄心
の影響や磁石近くの磁性体の影響が厳密に考慮できない
ため、精度はあまり良くない。

【００９６】このような磁場分布の違いはビーム軌道の
違いとなる。図１３には超電導偏向電磁石１６を使った
電子蓄積リングの一例を示すが、リングは２台の超電導
偏向電磁石１６と２台の四極電磁石１８Ａ（ＱＦ）から
なる。磁場分布が理想的な矩形分布であればビーム軌道
は完全なレーストラックとなる。しかし、洩れ磁場が大
きくなることにより、直線部での軌道はリング外側にず
れて行く。また、超電導偏向電磁石１６内でもビーム軌
道は変化するが、ここでは関係ない。

【００９７】ビーム軌道と四極電磁石の中心が一致して
いないと、ビーム軌道が歪められることは既に述べた。
そのため、上記のような場合、通常次の様な方式を取
る：（イ）超電導偏向電磁石１６が完成して磁場測定を
した後に、測定した磁場分布を使ってビーム軌道を計算
し、その軌道上に四極電磁石１８Ａを設置する。（ロ）
四極電磁石１８Ａは理想的軌道上或は計算した磁場分布
を使って求めた軌道上に設置し、四極電磁石１８Ａの近
辺に二極磁場を発生させるステアリング電磁石を配置し
て、最終的な軌道のずれを補正する。

【００９８】本実施例では、上記（ロ）のステアリング
電磁石の替わりに四極電磁石のシムコイルを使用する。
これにより、ステアリング電磁石が不要となりリングが
よりコンパクトになる。また、本実施例は同時に四極電
磁石の設置誤差も補正するものである。

【００９９】実施例１４．なお、上記実施例では電子蓄
積リングをレーストラック型としたものを示したが、形
状は限定されるものではない。また、それに伴い超電導
偏向電磁石１６の偏向角も上記実施例の１８０度偏向に
限定されない。

【０１００】実施例１５．また、上記の実施例１４では
超電導偏向電磁石１６を対象にしたが、常電導偏向電磁
石でも洩れ磁場が問題になるような場合には、同様にし
て対応できる。

【０１０１】実施例１６．次に図１４に示す実施例につ
いて説明する。これは実施例１４にクロマティシティ補
正も加えるための原理図で、四極磁場中で電子が受ける
力、四極磁場に対して軌道がずれた場合のシムコイル１
による補正磁場の向きを説明したものである。

【０１０２】次に動作について説明する。図１４におけ
る四極磁場において、電子は紙面を突き抜ける方向に運
動しているとする。その時、電子はローレンツ力により
ｘ方向には集束、ｙ方向には発散力を受ける。粒子が正
の電荷を持つ陽子等に対してはこの逆である。このよう
なｘ方向に集束作用を与える磁石をＱＦと称し、この逆
をＱＤと呼ぶ。実施例１４における四極電磁石１８Ａは
ＱＦである。

【０１０３】一方、クロマティシティはｘ，ｙ両方向に
存在するため、両方を補正するためには極性の異なる２
種類の六極電磁石が必要であることは既に述べた。しか
し、クロマティシティがビームに影響を与えることによ
る不安定性は、小型のリングでは一般にｘ方向が強い。
従って、ｘ方向だけのクロマティシティ補正でも効果が
ある。

【０１０４】クロマティシティは、運動量の異なる粒子
に対して集束力が異なることにより生じることは既に述
べた。一般のリングでは、運動量の大きい粒子はリング
の外側を周回し、運動量の少ない粒子は内側を周回す
る。そのため、四極電磁石の磁場が外側ほどより強く、
内側ほどより弱くなれば、四極電磁石によるクロマティ
シティはゼロにできる。一般には六極電磁石がその役割
を果たす。

【０１０５】四極電磁石で軌道がずれる場合、矢印に示
すように、リングの内側にずれるか外側にずれるかによ
り補正するシムコイル１による磁場の向きが異なる。当
然、六極成分の極性も異なり、クロマティシティをより
大きくする場合もある。図１５に示すように、磁石ＱＦ
では軌道がリング内側にずれた場合は、その点での四極
磁場強度はマイナスとなるため、それを打ち消すように
プラスのシムコイル磁場Ｍ１を発生させる。

【０１０６】この場合、シムコイル磁場の六極成分は、
四極磁場Ｍ３を外側でより強く、内側でより弱くするた
めクロマティシティを補正する極性となる。これとは逆
に軌道が外側にずれた場合は、マイナスのシムコイル磁
場Ｍ２を発生させ、クロマティシティをより大きくする
方向に働く。

【０１０７】従って、四極電磁石を予想される軌道より
も外側に設置すれば、クロマティシティ補正もできるこ
とになる。また、磁場測定により軌道が決まった後で、
四極電磁石中心が軌道の外側になるようにしても同様の
効果が得られる。

【０１０８】実施例１７．なお、上記実施例では磁石Ｑ
Ｆだけとしたが、磁石ＱＦ，ＱＤがある場合は上記実施
例とは逆向きの磁場が発生するようにＱＤのシムコイル
１を使えば、ｘ，ｙ両方向のクロマティシティの補正が
可能となる。

【０１０９】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれば
六極成分を含む二極磁場を発生して、ビーム軌道を補正
するように構成したので、ステアリング電磁石なしでビ
ームの真空チェンバへの衝突を防止できるものが得られ
る効果がある。

【０１１０】請求項２の発明によれば弱い六極磁場でク
ロマティシティを補正するシムコイルを設けるように構
成したので、このクロマティシティの補正を簡単な構成
にて容易に実施できるものが得られる効果がある。

【０１１１】請求項３の発明によれば弱い六極磁場でク
ロマティシティを補正するシムコイルを有し、かつ六極
磁場発生時の二極磁場強度にもとづいて位置をずらせて
設けるように構成したので、クロマティシティの補正に
よるビーム軌道の歪を補正できるものが得られる効果が
ある。

【０１１２】請求項４の発明によればシンクロトロン或
は蓄積リングでビームを集束させる四極電磁石と、該四
極電磁石に設けられて、弱い六極磁場でクロマティシテ
ィを補正するシムコイルとを備え、駆動機構により上記
四極電磁石をビームの周回中でも位置を変えて上記クロ
マティシティを設定するように構成したので、ビーム入
射中における上記クロマティシティの設定を容易かつ任
意に実施できるものが得られる効果がある。

【０１１３】請求項５の発明によれば計算機に、クロマ
ティシティの設定入力に従って、シムコイル電源の出力
電流、および二極成分を補正するように上記四極電磁石
の移動量をそれぞれ制御させるように構成したので、四
極電磁石の移動およびシムコイル電源の出力を自動的に
制御できるものが得られる効果がある。

【０１１４】請求項６の発明によれば計算機に、四極電
磁石の主コイルに流れる主コイル電流の変化に対応し
て、シムコイルに流れるシムコイル電流を制御して、２
極成分を補正させるように構成したので、上記主コイル
電源の出力変化に対応して、ビーム軌道の歪を補正でき
るものが得られる効果がある。

【０１１５】請求項７の発明によれば計算機に四極電磁
石の主コイルに流れる主コイル電流の変化に対応して、
上記シムコイルに流れるシムコイル電流を制御するとと
もに、上記駆動機構により上記四極電磁石の位置を制御
させるように構成したので、主コイル電流の変化に応じ
て、ビーム軌道の補正並びにクロマティシティの任意設
定を実現できるものが得られる効果がある。

【０１１６】請求項８の発明によれば、磁場測定前に決
めた設計平衡軌道上に設けられた四極電磁石とを備え、
シムコイルに磁場測定後に得られる平衡軌道の設計平衡
軌道からのずれにより生じる主コイル磁場の二極成分を
補正させるように構成したので、超電導偏向電磁石など
洩れ磁場が大きい電磁石を用いた場合にも、シムコイル
でビームの軌道ずれを補正できるものが得られる効果が
ある。

【０１１７】請求項９の発明によれば四極電磁石をシム
コイル補正がクロマティシティ補正にもなるような位置
に設置し、主コイルの二極成分の補正およびクロマティ
シティの補正を実施するように構成したので、ビームの
軌道ずれとともにクロマティシティを補正できるものが
得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１〜３の発明の一実施例による四極電磁
石を示す断面図である。

【図２】請求項１〜３の発明の一実施例による四極電磁
石のシムコイルをｙ方向の軌道補正に使用する場合の四
極電磁石を示す断面図である。

【図３】図１における磁極間の磁場分布を示す磁場分布
特性図である。

【図４】図３における磁極間の磁場分布を示す磁場分布
特性図である。

【図５】図１におけるシムコイルの取付け例を示す四極
電磁石の断面図である。

【図６】図１におけるシムコイルの他の取付け例を示す
四極電磁石の断面図である。

【図７】請求項４の発明の一実施例による四極電磁石の
制御装置を示す正面図である。

【図８】図７における四極電磁石の制御装置を示す側面
図である。

【図９】請求項５の発明の一実施例による四極電磁石の
制御装置を示すブロック図である。

【図１０】請求項６の発明の一実施例による四極電磁石
の制御装置を示すブロック図である。

【図１１】請求項７の発明の一実施例による四極電磁石
の制御装置を示すブロック図である。

【図１２】請求項８の発明における磁場強度を示す磁場
分布図である。

【図１３】請求項８の一実施例による蓄積リングを示す
概略平面図である。

【図１４】請求項９の一実施例による蓄積リングにおけ
る電子の集束および発散を示す説明図である。

【図１５】請求項９の発明におけるシムコイル磁場を示
す磁場強度特性図である。

【図１６】従来の四極電磁石を示す概略図である。

【図１７】従来のクロマティシティ補正、ビーム軌道補
正のための電磁石配置を示す電子蓄積リングの断面図で
ある。

【図１８】図１６における磁極間の磁場分布を示す磁場
分布特性図である。

【符号の説明】

１シムコイル２主コイル６駆動機構９シムコイル電源１３計算機１６超電導偏向電磁石（電磁石）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる主コイルを持った四極電磁石において、上
記主コイル上に設けられて、六極成分を含む二極磁場を
発生して、ビーム軌道を補正するシムコイルを備えたこ
とを特徴とするリングの四極電磁石。
【請求項２】シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる主コイルを持った四極電磁石において、上
記主コイル上に設けられて、弱い六極磁場でクロマティ
シティを補正するシムコイルを備えたことを特徴とする
リングの四極電磁石。
【請求項３】シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる主コイルを持った四極電磁石において、上
記主コイル上に設けられて、弱い六極磁場でクロマティ
シティを補正するように、上記六極磁場発生時の二極磁
場強度にもとづいて位置をずらして設置されるシムコイ
ルを備えたことを特徴とするリングの四極電磁石。
【請求項４】シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる主コイルを持った四極電磁石と、上記主コ
イル上に設けられて、弱い六極磁場でクロマティシティ
を補正するシムコイルと、上記四極電磁石をビームの周
回中でも位置を変えて任意のクロマティシティを設定可
能にする駆動機構とを備えたリングの四極電磁石の制御
装置。
【請求項５】シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる主コイルを持った四極電磁石と、上記主コ
イル上に設けられて、弱い六極磁場でクロマティシティ
を補正するシムコイルと、上記四極電磁石をビームの周
回中でも位置を変えて任意のクロマティシティを設定可
能にする駆動機構と、この任意クロマティシティの設定
入力に従って、シムコイル電源の出力電流、および二極
成分を補正するように上記四極電磁石の移動量をそれぞ
れ制御する計算機とを備えたリングの四極電磁石の制御
装置。
【請求項６】シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる主コイルを持った四極電磁石と、上記主コ
イル上に設けられて、弱い六極磁場でクロマティシティ
を補正するシムコイルと、上記四極電磁石の主コイルに
流れる主コイル電流の変化に対応して、上記シムコイル
に流れるシムコイル電流を制御して、四極電磁石の設置
誤差等による設計軌道上の磁場を補正させる計算機とを
備えたリングの四極電磁石の制御装置。
【請求項７】シンクロトロン或は蓄積リングでビーム
を集束させる主コイルを持った四極電磁石と、上記主コ
イル上に設けられて、弱い六極磁場でクロマティシティ
を補正するシムコイルと、上記四極電磁石をビームの周
回中でも位置を変えて任意のクロマティシティを設定可
能にする駆動機構と、上記四極電磁石の主コイルに流れ
る主コイル電流の変化に対応して、上記任意のシムコイ
ルに流れるシムコイル電流を制御するとともに、上記駆
動機構により上記四極電磁石の位置を制御する計算機と
を備えたリングの四極電磁石の制御装置。
【請求項８】超電導偏向電磁石のように洩れ磁場分布
が予め精度良く計算できない電磁石を持つリングにおい
て、磁場測定前に決めた設計平衡軌道上に設けられた主
コイルを持つ四極電磁石と、磁場測定後に得られる平衡
軌道の設計平衡軌道からのずれにより生じる主コイル磁
場の二極成分を補正するシムコイルとを設けたことを特
徴とするリング。
【請求項９】シムコイル補正がクロマティシティ補正
にもなるような位置に設置されて、主コイルの二極成分
の補正およびクロマティシティの補正を実施する四極電
磁石を備えたリング。