JPH07201498A - 常電導型偏向電磁石 - Google Patents
常電導型偏向電磁石Info
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- JPH07201498A JPH07201498A JP5337241A JP33724193A JPH07201498A JP H07201498 A JPH07201498 A JP H07201498A JP 5337241 A JP5337241 A JP 5337241A JP 33724193 A JP33724193 A JP 33724193A JP H07201498 A JPH07201498 A JP H07201498A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F7/00—Magnets
- H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
- H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
- H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
Abstract
(57)【要約】
【目的】 常電導電磁石を用いて強磁場を発生し、電子
蓄積リングの軌道半径を縮小することができる常電導型
偏向電磁石を提供する。 【構成】 磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して設け
られた一対の磁極と、前記一対の磁極にそれぞれ巻かれ
た起磁力を発生するための一対のコイルと、前記一対の
磁極及び前記間隙と共に閉じた磁路を形成するためのヨ
ークとを含む常電導型偏向電磁石であって、前記磁極の
磁路方向に沿う少なくとも一方の側面は、磁路方向に直
交する前記磁極の断面が、前記間隙から前記ヨークに向
かってしだいに広くなるように傾斜し、かつ、前記間隙
を挟んで対向する磁極面の延長との成す傾斜角が３０°
以上６０°以下である面に沿い、前記磁極面の幅は４ｃ
ｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記間隙の磁路に沿う厚さ
は１ｃｍ以上６ｃｍ以下である。
蓄積リングの軌道半径を縮小することができる常電導型
偏向電磁石を提供する。 【構成】 磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して設け
られた一対の磁極と、前記一対の磁極にそれぞれ巻かれ
た起磁力を発生するための一対のコイルと、前記一対の
磁極及び前記間隙と共に閉じた磁路を形成するためのヨ
ークとを含む常電導型偏向電磁石であって、前記磁極の
磁路方向に沿う少なくとも一方の側面は、磁路方向に直
交する前記磁極の断面が、前記間隙から前記ヨークに向
かってしだいに広くなるように傾斜し、かつ、前記間隙
を挟んで対向する磁極面の延長との成す傾斜角が３０°
以上６０°以下である面に沿い、前記磁極面の幅は４ｃ
ｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記間隙の磁路に沿う厚さ
は１ｃｍ以上６ｃｍ以下である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、常電導型ビーム偏向電
磁石に関し、特に、シンクロトロン放射光（以下、ＳＲ
光と呼ぶ）発生装置に使用される常電導型のビーム偏向
電磁石に関する。
磁石に関し、特に、シンクロトロン放射光（以下、ＳＲ
光と呼ぶ）発生装置に使用される常電導型のビーム偏向
電磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＳＲ光発生装置は、電子（陽電子を含
む。）を所定の軌道に沿って光速に近い速度で運動させ
ることにより、所定の位置からＳＲ光を取り出すように
したものであり、様々なタイプのものが提供されてい
る。特に、この種の装置は小型化の要求が強く、軌道半
径が０．５ｍ程度のものも実用化されている。
む。）を所定の軌道に沿って光速に近い速度で運動させ
ることにより、所定の位置からＳＲ光を取り出すように
したものであり、様々なタイプのものが提供されてい
る。特に、この種の装置は小型化の要求が強く、軌道半
径が０．５ｍ程度のものも実用化されている。
【０００３】図１１は、レーストラック型と呼ばれる電
子蓄積リングを用いたＳＲ光発生装置の概略構成を示
す。２つの偏向電磁石５１ａ、５１ｂで曲率Ｒの円弧状
軌道が形成され、２つの円弧状軌道の間を２本の直線軌
道で連絡して真空容器内にレーストラック型の軌道５０
が形成される。直線軌道には、４つの第１の４極電磁石
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄと、４つの第２の４極
電磁石５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄと、ＲＦ加速空
洞５４の他に、電子ビームの入射部にビーム入射用キッ
カー電磁石５５が配置されている。
子蓄積リングを用いたＳＲ光発生装置の概略構成を示
す。２つの偏向電磁石５１ａ、５１ｂで曲率Ｒの円弧状
軌道が形成され、２つの円弧状軌道の間を２本の直線軌
道で連絡して真空容器内にレーストラック型の軌道５０
が形成される。直線軌道には、４つの第１の４極電磁石
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄと、４つの第２の４極
電磁石５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄと、ＲＦ加速空
洞５４の他に、電子ビームの入射部にビーム入射用キッ
カー電磁石５５が配置されている。
【０００４】入射加速器（図示せず）でつくられた電子
ビームは、ビーム導入部５６から真空容器内に導入さ
れ、上述したＲＦ加速空洞５４及び偏向電磁石５１ａ、
５１ｂで加速あるいは所望の曲率で偏向されて軌道５０
を光速に近い速度で周回する。
ビームは、ビーム導入部５６から真空容器内に導入さ
れ、上述したＲＦ加速空洞５４及び偏向電磁石５１ａ、
５１ｂで加速あるいは所望の曲率で偏向されて軌道５０
を光速に近い速度で周回する。
【０００５】図１２、図１３は、従来の偏向電磁石の例
を示す。図１２（Ａ）は、偏向電磁石の一部の平面図、
図１２（Ｂ）は、直線Ｂ１２−Ｂ１２に沿う断面を示
す。
を示す。図１２（Ａ）は、偏向電磁石の一部の平面図、
図１２（Ｂ）は、直線Ｂ１２−Ｂ１２に沿う断面を示
す。
【０００６】図１２（Ａ）に示すように円弧状に形成さ
れた磁極６１を取り囲むようにコイル６３が巻かれてい
る。図１２（Ｂ）に示すように一対の磁極６１の間には
電子軌道が形成されるべき間隙６４が形成されている。
磁極６１、コイル６３の周囲には、磁極６１、間隙６４
とともに磁路６５を形成するためのヨーク６２が配置さ
れている。
れた磁極６１を取り囲むようにコイル６３が巻かれてい
る。図１２（Ｂ）に示すように一対の磁極６１の間には
電子軌道が形成されるべき間隙６４が形成されている。
磁極６１、コイル６３の周囲には、磁極６１、間隙６４
とともに磁路６５を形成するためのヨーク６２が配置さ
れている。
【０００７】磁束密度が磁極の飽和磁化よりも強くなる
と、コイルに必要とされる起磁力は急激に増大する。図
１２に示す形状の偏向電磁石では、磁極６１のヨーク６
２に近い部分の磁束密度が最も高くなり、起磁力を増加
していくとこの部分から磁化の飽和が進む。
と、コイルに必要とされる起磁力は急激に増大する。図
１２に示す形状の偏向電磁石では、磁極６１のヨーク６
２に近い部分の磁束密度が最も高くなり、起磁力を増加
していくとこの部分から磁化の飽和が進む。
【０００８】図１３は、図１２の偏向電磁石の間隙部の
周囲にもコイルを巻いた場合を示す。図１３（Ａ）は、
偏向電磁石の平面図、図１３（Ｂ）は、直線Ｂ１３−Ｂ
１３に沿う断面を示す。
周囲にもコイルを巻いた場合を示す。図１３（Ａ）は、
偏向電磁石の平面図、図１３（Ｂ）は、直線Ｂ１３−Ｂ
１３に沿う断面を示す。
【０００９】磁極７１、ヨーク７２、コイル７３ａ及び
間隙７４は、図１２の磁極６１、ヨーク６２、コイル６
３及び間隙６４と同様の構成である。図１２と異なるの
は、間隙７４の周囲にコイル７３ｂが巻かれている点で
ある。コイル７３ｂによって起磁力を増加させるととも
に、間隙７４内の磁場分布の一様性を改善している。
間隙７４は、図１２の磁極６１、ヨーク６２、コイル６
３及び間隙６４と同様の構成である。図１２と異なるの
は、間隙７４の周囲にコイル７３ｂが巻かれている点で
ある。コイル７３ｂによって起磁力を増加させるととも
に、間隙７４内の磁場分布の一様性を改善している。
【００１０】図１３に示す方法は、間隙７４が大きい電
磁石において特に有効である。しかし、この構成ではＳ
Ｒ光を取り出せなくなるため、ＳＲ光を取り出して利用
する電子蓄積リング形成のためには使用できない。
磁石において特に有効である。しかし、この構成ではＳ
Ｒ光を取り出せなくなるため、ＳＲ光を取り出して利用
する電子蓄積リング形成のためには使用できない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】偏向電磁石には、超電
導型のものと常電導型のものとがある。このうち超電導
型のものは、強磁場を発生することができるが、周辺機
器を含めると複雑化、大型化が避けられない。さらに、
製造に高度な技術を必要とし、製造工数も多いため製造
コストが高くなってしまう。
導型のものと常電導型のものとがある。このうち超電導
型のものは、強磁場を発生することができるが、周辺機
器を含めると複雑化、大型化が避けられない。さらに、
製造に高度な技術を必要とし、製造工数も多いため製造
コストが高くなってしまう。
【００１２】一方、常電導型のものは、電磁石を構成す
る鉄の飽和磁化がせいぜい２．１５テスラ程度に止ま
り、２．１５テスラ以上の磁束密度を発生するために
は、必要となる起磁力が急激に大きくなる。そのため、
２．１５テスラ以下で使用されるのが普通である。
る鉄の飽和磁化がせいぜい２．１５テスラ程度に止ま
り、２．１５テスラ以上の磁束密度を発生するために
は、必要となる起磁力が急激に大きくなる。そのため、
２．１５テスラ以下で使用されるのが普通である。
【００１３】ＳＲ装置の偏向電磁石における軌道半径
は、その磁場によってきまる。そのため、常電導型のも
のは超電導型のものに比べ上述した磁場の強さの制約の
ため、電子蓄積リングの小型化に限界があった。
は、その磁場によってきまる。そのため、常電導型のも
のは超電導型のものに比べ上述した磁場の強さの制約の
ため、電子蓄積リングの小型化に限界があった。
【００１４】本発明の目的は、常電導電磁石を用いて強
磁場を発生し、電子蓄積リングの軌道半径を縮小するこ
とができる常電導型偏向電磁石を提供することである。
磁場を発生し、電子蓄積リングの軌道半径を縮小するこ
とができる常電導型偏向電磁石を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の常電導型偏向電
磁石は、磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して設けら
れた一対の磁極と、前記一対の磁極にそれぞれ巻かれ
た、起磁力を発生するための一対のコイルと、前記一対
の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と共に閉じた磁
路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏向電磁石
であって、前記磁極の磁路方向に沿う少なくとも一方の
側面の少なくとも一部は、前記ヨークとの接合部におけ
る磁極幅が前記間隙を挟んで対向する磁極面の幅よりも
広くなるように傾斜し、かつ、前記磁極面の延長との成
す傾斜角が３０°以上６０°以下である傾斜に沿い、前
記磁極面の幅は４ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記間
隙の磁路に沿う高さは１ｃｍ以上６ｃｍ以下である。
磁石は、磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して設けら
れた一対の磁極と、前記一対の磁極にそれぞれ巻かれ
た、起磁力を発生するための一対のコイルと、前記一対
の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と共に閉じた磁
路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏向電磁石
であって、前記磁極の磁路方向に沿う少なくとも一方の
側面の少なくとも一部は、前記ヨークとの接合部におけ
る磁極幅が前記間隙を挟んで対向する磁極面の幅よりも
広くなるように傾斜し、かつ、前記磁極面の延長との成
す傾斜角が３０°以上６０°以下である傾斜に沿い、前
記磁極面の幅は４ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記間
隙の磁路に沿う高さは１ｃｍ以上６ｃｍ以下である。
【００１６】さらに、前記磁極の磁路方向に沿う両側面
に傾斜角が３０°以上６０°以下となる傾斜を設けても
よい。この場合は、前記磁極面の幅は４ｃｍ以上４０ｃ
ｍ以下とすることが好ましい。
に傾斜角が３０°以上６０°以下となる傾斜を設けても
よい。この場合は、前記磁極面の幅は４ｃｍ以上４０ｃ
ｍ以下とすることが好ましい。
【００１７】また、前記間隙部に磁束密度Ｂ0 〔テス
ラ〕の磁場を発生させるために、前記磁極のうち側面が
傾斜した部分の磁路に沿う高さをｙ0 〔ｃｍ〕、前記傾
斜角の正接をａ、前記間隙の磁路に沿う高さの半分をｈ
〔ｃｍ〕、前記磁極の一方の側面にのみ傾斜に沿う面が
設けられている場合は前記磁極面の幅をｗ〔ｃｍ〕、前
記磁極の両側面に傾斜に沿う面が設けられている場合は
前記磁極面の幅の半分をｗ〔ｃｍ〕、としたとき、
ｙ0 、ａ、ｈ、ｗの関係が、 B0/2.15-1/2 ×(1-h/a/w) -2(ln(1+y0/a/w)-y0/(aw+
y0))-1/2×(1-(1-h/a/w)-2)(ln(1+y0/h)-aw/h ×y0/(aw
+y0))＜1 を満足するように選択することが好ましい。
ラ〕の磁場を発生させるために、前記磁極のうち側面が
傾斜した部分の磁路に沿う高さをｙ0 〔ｃｍ〕、前記傾
斜角の正接をａ、前記間隙の磁路に沿う高さの半分をｈ
〔ｃｍ〕、前記磁極の一方の側面にのみ傾斜に沿う面が
設けられている場合は前記磁極面の幅をｗ〔ｃｍ〕、前
記磁極の両側面に傾斜に沿う面が設けられている場合は
前記磁極面の幅の半分をｗ〔ｃｍ〕、としたとき、
ｙ0 、ａ、ｈ、ｗの関係が、 B0/2.15-1/2 ×(1-h/a/w) -2(ln(1+y0/a/w)-y0/(aw+
y0))-1/2×(1-(1-h/a/w)-2)(ln(1+y0/h)-aw/h ×y0/(aw
+y0))＜1 を満足するように選択することが好ましい。
【００１８】さらに、前記間隙に磁束密度２．１５テス
ラ以上３テスラ以下の磁場を発生するために、前記磁極
内において、前記磁極面での磁束密度が２．１５テスラ
以上になり、かつ前記ヨークとの接合面での磁束密度が
２．１５テスラ以下になるように前記一対のコイルに電
流を流すための制御手段を含んでもよい。
ラ以上３テスラ以下の磁場を発生するために、前記磁極
内において、前記磁極面での磁束密度が２．１５テスラ
以上になり、かつ前記ヨークとの接合面での磁束密度が
２．１５テスラ以下になるように前記一対のコイルに電
流を流すための制御手段を含んでもよい。
【００１９】本発明の他の常電導偏向電磁石は、磁場を
発生すべき間隙を挟んで対向して設けられた一対の磁極
と、前記一対の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と
共に閉じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導
型偏向電磁石であって、前記一対の磁極の磁路に沿う少
なくとも一方の側面は、１段の段差を有する階段状に形
成されており、前記ヨーク側の磁極の幅をｗy 〔ｃ
ｍ〕、前記間隙側の磁極の幅をｗg 〔ｃｍ〕、前記間隙
側の段差をｈ1 〔ｃｍ〕とし、前記間隙の磁路に沿う高
さの半分をｈ〔ｃｍ〕としたとき、前記間隙部に磁束密
度Ｂ0 〔テスラ〕の磁場を発生させるために、ｗy 、ｗ
g 、ｈ、ｈ1 の関係が、 (wy -wg )/(wy (h+h1)) ＞B0/2.15-1 を満足するように選択されている。
発生すべき間隙を挟んで対向して設けられた一対の磁極
と、前記一対の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と
共に閉じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導
型偏向電磁石であって、前記一対の磁極の磁路に沿う少
なくとも一方の側面は、１段の段差を有する階段状に形
成されており、前記ヨーク側の磁極の幅をｗy 〔ｃ
ｍ〕、前記間隙側の磁極の幅をｗg 〔ｃｍ〕、前記間隙
側の段差をｈ1 〔ｃｍ〕とし、前記間隙の磁路に沿う高
さの半分をｈ〔ｃｍ〕としたとき、前記間隙部に磁束密
度Ｂ0 〔テスラ〕の磁場を発生させるために、ｗy 、ｗ
g 、ｈ、ｈ1 の関係が、 (wy -wg )/(wy (h+h1)) ＞B0/2.15-1 を満足するように選択されている。
【００２０】また、磁場を発生すべき間隙を挟んで対向
して設けられた一対の磁極と、前記一対の磁極にそれぞ
れ巻かれた、起磁力を発生するための一対のコイルと、
前記一対の磁極にそれぞれ接合され、前記間隙と共に閉
じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏向
電磁石であって、前記一対の磁極の磁路に沿う少なくと
も一方の側面は、前記ヨーク側の磁極幅が前記間隙側の
磁極幅よりも広くなるように形成された１段の段差を有
し、前記間隙側の磁極幅の狭い部分における磁極内の磁
束密度が２．１５テスラ以上となり、かつ前記ヨーク側
の磁極幅の広い部分における磁極内の磁束密度が２．１
５テスラ以下となるように前記コイルに電流を流すため
の制御手段を含んでもよい。
して設けられた一対の磁極と、前記一対の磁極にそれぞ
れ巻かれた、起磁力を発生するための一対のコイルと、
前記一対の磁極にそれぞれ接合され、前記間隙と共に閉
じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏向
電磁石であって、前記一対の磁極の磁路に沿う少なくと
も一方の側面は、前記ヨーク側の磁極幅が前記間隙側の
磁極幅よりも広くなるように形成された１段の段差を有
し、前記間隙側の磁極幅の狭い部分における磁極内の磁
束密度が２．１５テスラ以上となり、かつ前記ヨーク側
の磁極幅の広い部分における磁極内の磁束密度が２．１
５テスラ以下となるように前記コイルに電流を流すため
の制御手段を含んでもよい。
【００２１】また、前記一対の磁極の磁路に沿う両側面
に１段の段差を設けてもよい。
に１段の段差を設けてもよい。
【００２２】
【作用】磁極の断面積を間隙部からヨーク部に向かっ
て、徐々に広くすることにより、ヨーク部近傍の磁化の
飽和を緩和することができる。これにより、ヨーク部近
傍における磁束密度を２．１５Ｔ以下に抑えた状態で、
常電導コイルにより、間隙部に磁束密度３Ｔ程度の磁場
を発生することができる。
て、徐々に広くすることにより、ヨーク部近傍の磁化の
飽和を緩和することができる。これにより、ヨーク部近
傍における磁束密度を２．１５Ｔ以下に抑えた状態で、
常電導コイルにより、間隙部に磁束密度３Ｔ程度の磁場
を発生することができる。
【００２３】磁極の側面を、ヨーク部近傍の磁極幅が間
隙部近傍の磁極幅よりも広くなるように１段の階段状に
形成することにより、ヨーク部近傍における磁束密度を
２．１５Ｔ以下に抑えた状態で、常電導コイルにより、
間隙部に磁束密度約３Ｔ程度の磁場を発生することがで
きる。
隙部近傍の磁極幅よりも広くなるように１段の階段状に
形成することにより、ヨーク部近傍における磁束密度を
２．１５Ｔ以下に抑えた状態で、常電導コイルにより、
間隙部に磁束密度約３Ｔ程度の磁場を発生することがで
きる。
【００２４】
【実施例】図１、図２を参照して本発明の実施例の概要
について説明する。図１（Ａ）は偏向電磁石の一部の平
面図、図１（Ｂ）は直線Ｂ１−Ｂ１に沿う断面を示す。
について説明する。図１（Ａ）は偏向電磁石の一部の平
面図、図１（Ｂ）は直線Ｂ１−Ｂ１に沿う断面を示す。
【００２５】図１（Ｂ）に示すように電子蓄積リングが
形成される間隙４を挟んで一対の磁極１が配置されてい
る。それぞれの磁極の先端部には、間隙４内の磁場を一
様にするためにロゴスキー形状の磁極先端部１ａが設け
られている。磁極１の周囲には、図１（Ａ）に示すよう
に円弧状にコイル３が巻かれている。コイル３には、制
御手段５が接続されており、制御手段５によって所定の
電流が流される。
形成される間隙４を挟んで一対の磁極１が配置されてい
る。それぞれの磁極の先端部には、間隙４内の磁場を一
様にするためにロゴスキー形状の磁極先端部１ａが設け
られている。磁極１の周囲には、図１（Ａ）に示すよう
に円弧状にコイル３が巻かれている。コイル３には、制
御手段５が接続されており、制御手段５によって所定の
電流が流される。
【００２６】さらに、図１（Ｂ）に示すように磁極１、
１ａ、及びコイル３を取り囲むようにヨーク２が配置さ
れており、磁極１、１ａ、間隙４及びヨーク２によって
磁路が形成される。なお、磁極の磁路方向に沿う側面に
は、先端のロゴスキー形状部を除いて全面にコイル３が
巻かれている。
１ａ、及びコイル３を取り囲むようにヨーク２が配置さ
れており、磁極１、１ａ、間隙４及びヨーク２によって
磁路が形成される。なお、磁極の磁路方向に沿う側面に
は、先端のロゴスキー形状部を除いて全面にコイル３が
巻かれている。
【００２７】磁極１の磁極幅は、間隙４からヨーク２に
近づくに従って広くなっている。このため、磁極１のヨ
ーク近傍部分での磁束密度の飽和を緩和することができ
る。また、コイル３の断面積を大きくするためには、コ
イル３の断面形状を磁極１の側面に沿わせることが好ま
しい。また、コイル３の断面形状を磁極１の側面に沿う
ように形成することは、磁極１からの漏れ磁場をコイル
３で遮蔽して漏れ磁場を極力少なくする効果もある。
近づくに従って広くなっている。このため、磁極１のヨ
ーク近傍部分での磁束密度の飽和を緩和することができ
る。また、コイル３の断面積を大きくするためには、コ
イル３の断面形状を磁極１の側面に沿わせることが好ま
しい。また、コイル３の断面形状を磁極１の側面に沿う
ように形成することは、磁極１からの漏れ磁場をコイル
３で遮蔽して漏れ磁場を極力少なくする効果もある。
【００２８】図２は、図１に示す磁極の電子蓄積リング
内周側の側面を間隙４に面する磁極面に対して垂直に
し、電子蓄積リングの外周側にのみヨークを配置した例
を示す。図２（Ａ）は偏向電磁石の一部の平面図、図２
（Ｂ）は直線Ｂ２−Ｂ２に沿う断面を示す。
内周側の側面を間隙４に面する磁極面に対して垂直に
し、電子蓄積リングの外周側にのみヨークを配置した例
を示す。図２（Ａ）は偏向電磁石の一部の平面図、図２
（Ｂ）は直線Ｂ２−Ｂ２に沿う断面を示す。
【００２９】偏向電磁石の曲率半径が小さい場合には、
磁極の内周側はもともと磁路に垂直な断面が小さいた
め、リング内周側の斜面に傾斜を持たせても磁化飽和を
緩和する効果が少ない。
磁極の内周側はもともと磁路に垂直な断面が小さいた
め、リング内周側の斜面に傾斜を持たせても磁化飽和を
緩和する効果が少ない。
【００３０】従って、図２に示す例においても、図１と
ほぼ同様の効果を得ることができる。また、ヨークにつ
いても同様の理由からリング内周側部分は取り除いてい
る。次に、図７〜図９を参照して本発明の実施例におけ
る原理について説明する。
ほぼ同様の効果を得ることができる。また、ヨークにつ
いても同様の理由からリング内周側部分は取り除いてい
る。次に、図７〜図９を参照して本発明の実施例におけ
る原理について説明する。
【００３１】図７は、鉄の励磁特性を示す。横軸は磁場
の強さを単位エルステッドで表し、縦軸は磁束密度を単
位テスラで表している。磁束密度が２．１５テスラ以下
では磁場が強くなるに従って磁束密度は急激に増加す
る。しかし、磁束密度が２．１５テスラ以上になると空
気中の励磁特性とほぼ同様の特性を示す。すなわち、空
気中と同じ磁気抵抗になる。従って、鉄中の磁束密度が
２．１５テスラ以上になるような強磁場を必要とする場
合には、通常、超電導コイルを使用すべきと考えられて
いた。
の強さを単位エルステッドで表し、縦軸は磁束密度を単
位テスラで表している。磁束密度が２．１５テスラ以下
では磁場が強くなるに従って磁束密度は急激に増加す
る。しかし、磁束密度が２．１５テスラ以上になると空
気中の励磁特性とほぼ同様の特性を示す。すなわち、空
気中と同じ磁気抵抗になる。従って、鉄中の磁束密度が
２．１５テスラ以上になるような強磁場を必要とする場
合には、通常、超電導コイルを使用すべきと考えられて
いた。
【００３２】発明者は、偏向電磁石の形状を工夫するこ
とで、現実的な消費電力の範囲内で常電導コイルを用い
て３テスラ程度の磁束密度を発生させることができるこ
とを見いだした。
とで、現実的な消費電力の範囲内で常電導コイルを用い
て３テスラ程度の磁束密度を発生させることができるこ
とを見いだした。
【００３３】以下の考察においては、鉄の励磁特性を理
想化し、以下のように近似する。すなわち、鉄の飽和磁
束密度Ｂｓ＝２．１５Ｔ、磁束密度がＢｓ以下では磁場
の強さＨ＝０、磁束密度がＢｓ以上では磁場の強さＨ＝
Ｂ−Ｂｓとする。ここで、簡単化のため空気中の透磁率
を１としている。
想化し、以下のように近似する。すなわち、鉄の飽和磁
束密度Ｂｓ＝２．１５Ｔ、磁束密度がＢｓ以下では磁場
の強さＨ＝０、磁束密度がＢｓ以上では磁場の強さＨ＝
Ｂ−Ｂｓとする。ここで、簡単化のため空気中の透磁率
を１としている。
【００３４】まず、図８を参照して、偏向磁石の磁極の
側面を斜めにした場合について考察する。図８（Ａ）
は、偏向磁石の磁極の１／４の部分断面図を示す。磁石
は紙面に垂直な方向には無限に長いと仮定した。磁極は
Ｘ´軸に平行な磁極面を有し、Ｙ´軸に関して対称であ
る。さらにＸ´軸に関して対称な位置に他方の磁極が配
置されている。図８（Ａ）に示すように、間隙の高さは
２ｈ、間隙の幅は２ｗ、磁極の側面と磁極面との成す角
度はθである。
側面を斜めにした場合について考察する。図８（Ａ）
は、偏向磁石の磁極の１／４の部分断面図を示す。磁石
は紙面に垂直な方向には無限に長いと仮定した。磁極は
Ｘ´軸に平行な磁極面を有し、Ｙ´軸に関して対称であ
る。さらにＸ´軸に関して対称な位置に他方の磁極が配
置されている。図８（Ａ）に示すように、間隙の高さは
２ｈ、間隙の幅は２ｗ、磁極の側面と磁極面との成す角
度はθである。
【００３５】また、計算の簡単化のため、図８（Ｂ）に
示すように、空気中の磁力線はＹ方向を向き、鉄の中の
磁束密度はＸ方向に一様と仮定する。磁極の側面と磁極
面との交点を原点Ｏとする座標系を考える。磁極の側面
は、磁極面の延長（Ｘ軸）に対してθの角度をなす。側
面上の高さｙは、 ｙ＝ｘ×ｔａｎ（θ） ・・・（１） と表される。ここで、ｔａｎ（θ）＝ａとおく。
示すように、空気中の磁力線はＹ方向を向き、鉄の中の
磁束密度はＸ方向に一様と仮定する。磁極の側面と磁極
面との交点を原点Ｏとする座標系を考える。磁極の側面
は、磁極面の延長（Ｘ軸）に対してθの角度をなす。側
面上の高さｙは、 ｙ＝ｘ×ｔａｎ（θ） ・・・（１） と表される。ここで、ｔａｎ（θ）＝ａとおく。
【００３６】高さｙにおける鉄中の磁束Φ（ｙ）は、磁
極面間の間隙中の磁束密度をＢ0 、空気中の磁束密度を
ｘのみの関数と近似しＢair （ｘ）とすると、 Φ（ｙ）＝Ｂ0 ｗ＋∫ 0 x Ｂair （ｘ）ｄｘ ・・・（２） で与えられる。ここで、積分範囲は式（１）を満たすｘ
までである。
極面間の間隙中の磁束密度をＢ0 、空気中の磁束密度を
ｘのみの関数と近似しＢair （ｘ）とすると、 Φ（ｙ）＝Ｂ0 ｗ＋∫ 0 x Ｂair （ｘ）ｄｘ ・・・（２） で与えられる。ここで、積分範囲は式（１）を満たすｘ
までである。
【００３７】鉄中の磁場はＸ方向に平均化され、ｙのみ
の関数になっていると近似すると、鉄中の磁束密度Ｂ
iron（ｙ）は、 Ｂiron（ｙ）＝Φ（ｙ）／（ｗ＋ｘ） ・・・（３） と表される。
の関数になっていると近似すると、鉄中の磁束密度Ｂ
iron（ｙ）は、 Ｂiron（ｙ）＝Φ（ｙ）／（ｗ＋ｘ） ・・・（３） と表される。
【００３８】Ｂiron≧Ｂｓとなる範囲では、鉄中の磁気
ポテンシャルΨ（ｙ）は、間隙の中間点を基準として、 Ψ（ｙ）＝Ｂ0 ｈ＋∫ 0 y （Ｂiron（ｙ）−Ｂｓ）ｄｙ ・・・（４） となる。
ポテンシャルΨ（ｙ）は、間隙の中間点を基準として、 Ψ（ｙ）＝Ｂ0 ｈ＋∫ 0 y （Ｂiron（ｙ）−Ｂｓ）ｄｙ ・・・（４） となる。
【００３９】また、磁極の側面領域に着目して鉄中の磁
気ポテンシャルΨ（ｙ）を表すと、 Ψ（ｙ）＝Ｂair （ｘ）×（ｈ＋ｙ） ・・・（５） となる。
気ポテンシャルΨ（ｙ）を表すと、 Ψ（ｙ）＝Ｂair （ｘ）×（ｈ＋ｙ） ・・・（５） となる。
【００４０】式（１）を使用して式（２）〜（５）を解
くと、 Ｂair (x)=B0-1/2×Bs×ln(x/w+1) +1/2×Bs×(1-(1-h/a/w)-2) ×(ln((1+x/w)/(1+x/(h/a)))+(w-h/a)(a/h-1/(x+h/a))) ・・・（６） Ｂiron(y)=B0-1/2×Bs(1-h/a/w) -2(ln(1+y/a/w)-y/(aw+y)) -1/2×Bs(1-(1-h/a/w)-2)(ln(1+y/h)-aw/h×y/(aw+y)) ・・・（７） Ψ(y)=B0h+(B0-Bs)y-1/2×Bs(1-h/a/w) -2((y+2aw)ln(1+y/a/w)-2y) -1/2×Bs(1-(1-h/a/w)-2) ×((y+h)ln(1+y/h)-(1+aw/h)y+a2w2/h×ln(1+y/a/w)) ・・・（８） が導かれる。
くと、 Ｂair (x)=B0-1/2×Bs×ln(x/w+1) +1/2×Bs×(1-(1-h/a/w)-2) ×(ln((1+x/w)/(1+x/(h/a)))+(w-h/a)(a/h-1/(x+h/a))) ・・・（６） Ｂiron(y)=B0-1/2×Bs(1-h/a/w) -2(ln(1+y/a/w)-y/(aw+y)) -1/2×Bs(1-(1-h/a/w)-2)(ln(1+y/h)-aw/h×y/(aw+y)) ・・・（７） Ψ(y)=B0h+(B0-Bs)y-1/2×Bs(1-h/a/w) -2((y+2aw)ln(1+y/a/w)-2y) -1/2×Bs(1-(1-h/a/w)-2) ×((y+h)ln(1+y/h)-(1+aw/h)y+a2w2/h×ln(1+y/a/w)) ・・・（８） が導かれる。
【００４１】ここで、式（４）において、Ｂiron＜Ｂｓ
となる範囲では、磁気ポテンシャルΨ（ｙ）は、定数に
なる。式（７）で、Ｂiron（ｙ）＜Ｂｓとおくと、これ
を満足するｙにおいては、鉄は非飽和であり、磁気ポテ
ンシャルは定数になる。
となる範囲では、磁気ポテンシャルΨ（ｙ）は、定数に
なる。式（７）で、Ｂiron（ｙ）＜Ｂｓとおくと、これ
を満足するｙにおいては、鉄は非飽和であり、磁気ポテ
ンシャルは定数になる。
【００４２】Ｂiron（ｙ）＝Ｂｓを満足するｙをｙs と
おくと、この点の磁気ポテンシャルΨ（ｙs ）が、間隙
に磁束密度Ｂ0 を発生するために必要な起磁力となる。
すなわち、磁極の高さがｙs 以上の領域における磁束密
度は２．１５Ｔ以下である。このように、磁極の側面に
傾斜を持たせることにより、磁極のヨーク側で鉄が飽和
磁化まで達しない状態で、間隙部分に飽和磁束密度以上
の磁場を発生することができる。
おくと、この点の磁気ポテンシャルΨ（ｙs ）が、間隙
に磁束密度Ｂ0 を発生するために必要な起磁力となる。
すなわち、磁極の高さがｙs 以上の領域における磁束密
度は２．１５Ｔ以下である。このように、磁極の側面に
傾斜を持たせることにより、磁極のヨーク側で鉄が飽和
磁化まで達しない状態で、間隙部分に飽和磁束密度以上
の磁場を発生することができる。
【００４３】図９は、間隙の高さ４ｃｍ（ｈ＝２ｃ
ｍ）、鉄の飽和磁束密度（Ｂｓ）２．１５テスラとした
とき、間隙部分に２．７テスラの磁束密度Ｂ0 を発生す
るために必要な起磁力の、角度θに対する変化を示す。
曲線ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４はそれぞれ磁極面の半幅ｗ
が７ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃｍ、２０ｃｍの場合の必要
な起磁力を示す。
ｍ）、鉄の飽和磁束密度（Ｂｓ）２．１５テスラとした
とき、間隙部分に２．７テスラの磁束密度Ｂ0 を発生す
るために必要な起磁力の、角度θに対する変化を示す。
曲線ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４はそれぞれ磁極面の半幅ｗ
が７ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃｍ、２０ｃｍの場合の必要
な起磁力を示す。
【００４４】角度θが６０°以上になると、必要起磁力
の増加が著しくなる。また、磁極面の半幅ｗが大きくな
ると、必要な起磁力も大きくなる。鉄の透磁率を無限大
としたときに、磁極間間隙の高さの半分ｈが２ｃｍの場
合に磁束密度２．７テスラを発生させるために必要な起
磁力は５．４Ｔ・ｃｍ／μ air すなわち４３２００アン
ペアターンである。ここで、μair は空気の透磁率を示
す。経験的に空間、電源等の制限から、常電導コイルを
使用した偏向電磁石で現実的に発生することのできる起
磁力は１０5 アンペアターン、すなわち１２．５Ｔ・ｃ
ｍ程度までである。
の増加が著しくなる。また、磁極面の半幅ｗが大きくな
ると、必要な起磁力も大きくなる。鉄の透磁率を無限大
としたときに、磁極間間隙の高さの半分ｈが２ｃｍの場
合に磁束密度２．７テスラを発生させるために必要な起
磁力は５．４Ｔ・ｃｍ／μ air すなわち４３２００アン
ペアターンである。ここで、μair は空気の透磁率を示
す。経験的に空間、電源等の制限から、常電導コイルを
使用した偏向電磁石で現実的に発生することのできる起
磁力は１０5 アンペアターン、すなわち１２．５Ｔ・ｃ
ｍ程度までである。
【００４５】式（８）が近似による誤差を含んでいるこ
とを考慮すると、必要起磁力が１０Ｔ・ｃｍ以下になる
ように磁極を設計することが好ましい。従って、図９か
ら、磁極半幅ｗは、２０ｃｍ以下、角度θは６０°以下
とする必要がある。角度θを小さくすると磁極が大きく
なり、それに伴って磁石全体も大きくなるため、角度θ
の下限は３０°程度が現実的である。また、磁極面の幅
が狭くなると有効磁場領域がなくなり、電子軌道を制御
できなくなるため、磁極面の幅を４ｃｍ以上とすること
が好ましい。
とを考慮すると、必要起磁力が１０Ｔ・ｃｍ以下になる
ように磁極を設計することが好ましい。従って、図９か
ら、磁極半幅ｗは、２０ｃｍ以下、角度θは６０°以下
とする必要がある。角度θを小さくすると磁極が大きく
なり、それに伴って磁石全体も大きくなるため、角度θ
の下限は３０°程度が現実的である。また、磁極面の幅
が狭くなると有効磁場領域がなくなり、電子軌道を制御
できなくなるため、磁極面の幅を４ｃｍ以上とすること
が好ましい。
【００４６】磁極間の間隙の高さを増加すると、同一の
磁束密度を発生させるために必要な起磁力はほぼ間隙の
高さに比例して増大するので、間隙の高さをあまり高く
できない。間隙の高さの半分ｈが３ｃｍ以下が現実的な
値である。
磁束密度を発生させるために必要な起磁力はほぼ間隙の
高さに比例して増大するので、間隙の高さをあまり高く
できない。間隙の高さの半分ｈが３ｃｍ以下が現実的な
値である。
【００４７】電子軌道は、間隙の高さ方向に一定の振幅
で振動している。安定した電子軌道を形成するために
は、この振幅を間隙の高さの１／１０以下に抑える必要
がある。しかし、振幅を１ｍｍ以下に抑えることは困難
であるため、間隙の高さは１ｃｍ以上とすることが好ま
しい。
で振動している。安定した電子軌道を形成するために
は、この振幅を間隙の高さの１／１０以下に抑える必要
がある。しかし、振幅を１ｍｍ以下に抑えることは困難
であるため、間隙の高さは１ｃｍ以上とすることが好ま
しい。
【００４８】なお、側面の一方のみに傾斜を持たせた場
合は、磁極面の半幅を１０ｃｍ以下とすることが好まし
い。次に、図１０を参照して、磁極側面を階段状に形成
した場合について考察する。
合は、磁極面の半幅を１０ｃｍ以下とすることが好まし
い。次に、図１０を参照して、磁極側面を階段状に形成
した場合について考察する。
【００４９】図１０（Ａ）は、階段状磁極の１／４の部
分断面図を示す。磁石は紙面に垂直な方向には無限に長
いと仮定した。磁極はＹ軸に関して対称であり、さらに
Ｘ軸に関して対称な位置に他方の磁極が配置されてい
る。図１０（Ａ）に示すように、磁極間の間隙の高さは
２ｈ（ｈは、高さの半分を表す）、間隙部分の磁極幅は
２ｗ（ｗは磁極半幅を表す）、階段状部分の段差は
ｈ1 、幅はｗ1 である。コイルは、磁極幅が狭い部分の
側面から、磁極幅が広い部分の側面にかけて巻かれてい
る。
分断面図を示す。磁石は紙面に垂直な方向には無限に長
いと仮定した。磁極はＹ軸に関して対称であり、さらに
Ｘ軸に関して対称な位置に他方の磁極が配置されてい
る。図１０（Ａ）に示すように、磁極間の間隙の高さは
２ｈ（ｈは、高さの半分を表す）、間隙部分の磁極幅は
２ｗ（ｗは磁極半幅を表す）、階段状部分の段差は
ｈ1 、幅はｗ1 である。コイルは、磁極幅が狭い部分の
側面から、磁極幅が広い部分の側面にかけて巻かれてい
る。
【００５０】計算の簡単化のため、図１０（Ｂ）に示す
ように、空気中及び鉄中の磁力線の向きはＹ方向を向
き、鉄中の磁束密度はＸ方向に一様と仮定する。この仮
定の下では、Ｙ＝ｈ＋ｈ1 の平面の上下で磁束密度が不
連続に変化することになる。現実には、磁束密度が不連
続に変化することはないが、この不連続平面近傍以外の
部分では、この仮定は現実の磁場の様子に近いものと考
えられる。
ように、空気中及び鉄中の磁力線の向きはＹ方向を向
き、鉄中の磁束密度はＸ方向に一様と仮定する。この仮
定の下では、Ｙ＝ｈ＋ｈ1 の平面の上下で磁束密度が不
連続に変化することになる。現実には、磁束密度が不連
続に変化することはないが、この不連続平面近傍以外の
部分では、この仮定は現実の磁場の様子に近いものと考
えられる。
【００５１】ｙがｈ＋ｈ1 以上の磁極幅の広い領域で
は、磁束密度は鉄の飽和磁束密度以下とする。磁極間ギ
ャップ部分の磁束密度をＢ0 、鉄の飽和磁束密度をＢｓ
とすると、ｙがｈ＋ｈ1 以上の磁極幅の広い領域の磁気
ポテンシャルΨ1 は定数となり、 Ψ1 ＝Ｂ0 ｈ＋（Ｂ0 −Ｂｓ）ｈ1 ・・・（９） と表される。
は、磁束密度は鉄の飽和磁束密度以下とする。磁極間ギ
ャップ部分の磁束密度をＢ0 、鉄の飽和磁束密度をＢｓ
とすると、ｙがｈ＋ｈ1 以上の磁極幅の広い領域の磁気
ポテンシャルΨ1 は定数となり、 Ψ1 ＝Ｂ0 ｈ＋（Ｂ0 −Ｂｓ）ｈ1 ・・・（９） と表される。
【００５２】この磁気ポテンシャルによって、階段状部
分のギャップに発生する磁束密度をＢ1 とすると、 Ｂ1 ＝Ψ1 ／（ｈ＋ｈ1 ） ＝（Ｂ0 ｈ＋（Ｂ0 −Ｂｓ）ｈ1 ）／（ｈ＋ｈ1 ） ・・・（１０） となる。
分のギャップに発生する磁束密度をＢ1 とすると、 Ｂ1 ＝Ψ1 ／（ｈ＋ｈ1 ） ＝（Ｂ0 ｈ＋（Ｂ0 −Ｂｓ）ｈ1 ）／（ｈ＋ｈ1 ） ・・・（１０） となる。
【００５３】磁極間間隙領域の磁束密度Ｂ0 とヨーク側
階段状部分の間隙の磁束密度Ｂ1 が、鉄中に入っていく
ため、磁極幅の広い領域の磁束Φ1 は、 Φ1 ＝Ｂ0 ｗ＋Ｂ1 ｗ1 ・・・（１１） となる。従って、平均磁束密度Ｂironは、 Ｂiron= Φ1/(w+w1) =(B0w+B1w1)/(w+w1) =(B0w+w1(B0h+(B0-Bs)h1)/(h+h1))/(w+w1) =B0-Bsw1h1/(h+h1)/(w+w1) ・・・（１２） となる。
階段状部分の間隙の磁束密度Ｂ1 が、鉄中に入っていく
ため、磁極幅の広い領域の磁束Φ1 は、 Φ1 ＝Ｂ0 ｗ＋Ｂ1 ｗ1 ・・・（１１） となる。従って、平均磁束密度Ｂironは、 Ｂiron= Φ1/(w+w1) =(B0w+B1w1)/(w+w1) =(B0w+w1(B0h+(B0-Bs)h1)/(h+h1))/(w+w1) =B0-Bsw1h1/(h+h1)/(w+w1) ・・・（１２） となる。
【００５４】この磁束密度が、鉄の飽和磁束密度以下で
あるため、 B0-Bsw1h1/(h+h1)/(w+w1) ＜Bs ・・・（１３） を満たす必要がある。この式を書き換えると、 ｗ1 ｈ1 ／（ｈ＋ｈ1 ）／（ｗ＋ｗ1 ）＞Ｂ0 ／Ｂｓ−１ ・・・（１４） となる。
あるため、 B0-Bsw1h1/(h+h1)/(w+w1) ＜Bs ・・・（１３） を満たす必要がある。この式を書き換えると、 ｗ1 ｈ1 ／（ｈ＋ｈ1 ）／（ｗ＋ｗ1 ）＞Ｂ0 ／Ｂｓ−１ ・・・（１４） となる。
【００５５】上式の左辺は、１以下であるため、図１０
（Ａ）の形状で発生できる磁束密度Ｂ0 は、飽和磁束密
度の２倍（２Ｂｓ）以下であることがわかる。さらに強
い磁束密度を発生させるためには階段の段数を増やす
か、磁極側面に傾斜をつける方法と組み合わせる必要が
ある。階段の段数を増やす方法は、傾斜を階段で近似す
ることと等価と考えることができる。
（Ａ）の形状で発生できる磁束密度Ｂ0 は、飽和磁束密
度の２倍（２Ｂｓ）以下であることがわかる。さらに強
い磁束密度を発生させるためには階段の段数を増やす
か、磁極側面に傾斜をつける方法と組み合わせる必要が
ある。階段の段数を増やす方法は、傾斜を階段で近似す
ることと等価と考えることができる。
【００５６】式（１４）を適用する設計例として、ｈ＝
２ｃｍ、ｈ1 ＝８ｃｍ、ｗ＝ｗ1 とすると、Ｂ0 ／Ｂｓ
＜１．４すなわちＢ0 ＜３．０１Ｔとなる。Ｂ0 ＝２．
７Ｔとすると、必要な起磁力Ψは式（９）から９．８Ｔ
となる。従って、この例は実用的な大きさのコイルを使
用して実現可能な磁石といえる。
２ｃｍ、ｈ1 ＝８ｃｍ、ｗ＝ｗ1 とすると、Ｂ0 ／Ｂｓ
＜１．４すなわちＢ0 ＜３．０１Ｔとなる。Ｂ0 ＝２．
７Ｔとすると、必要な起磁力Ψは式（９）から９．８Ｔ
となる。従って、この例は実用的な大きさのコイルを使
用して実現可能な磁石といえる。
【００５７】次に、図３〜図６を参照して、本発明の実
施例の数値解析結果について説明する。図３〜図６は、
上述の考察に基づいて設計された形状を有する偏向電磁
石について、数値解析により求めた磁力線の様子を示
す。
施例の数値解析結果について説明する。図３〜図６は、
上述の考察に基づいて設計された形状を有する偏向電磁
石について、数値解析により求めた磁力線の様子を示
す。
【００５８】図３〜図６に示す偏向電磁石は、全てｘ＝
０を軸として回転対称である。リターンヨークは外周部
のみに設けられ、内周部には断面積が小さく効果が少な
いため設けられていない。コイルの断面積は図５（Ｂ）
を除いてほぼ同様である。発生する磁束密度は、磁極間
ギャップ中央で２．７Ｔとする。
０を軸として回転対称である。リターンヨークは外周部
のみに設けられ、内周部には断面積が小さく効果が少な
いため設けられていない。コイルの断面積は図５（Ｂ）
を除いてほぼ同様である。発生する磁束密度は、磁極間
ギャップ中央で２．７Ｔとする。
【００５９】図３（Ａ）は、典型的な従来の偏向電磁石
を示す。磁極先端部の両端は磁極間ギャップにおける磁
束密度を一様にするため、ロゴスキー形状としている。
この場合に２．７Ｔの磁束密度を発生するために必要な
起磁力は１．８４×１０5 アンペアターンとなり、実用
可能な１０5 アンペアターンを大幅に越えているため、
実現困難である。
を示す。磁極先端部の両端は磁極間ギャップにおける磁
束密度を一様にするため、ロゴスキー形状としている。
この場合に２．７Ｔの磁束密度を発生するために必要な
起磁力は１．８４×１０5 アンペアターンとなり、実用
可能な１０5 アンペアターンを大幅に越えているため、
実現困難である。
【００６０】図３（Ｂ）は、磁極の外周側面にギャップ
面に対して６０°の傾斜を持たせた場合を示す。この場
合の必要な起磁力は１．３５×１０5 アンペアターンと
なり、図３（Ａ）の従来例に比べて、必要な起磁力は減
少している。しかし、まだ実用可能な起磁力よりも大き
い。
面に対して６０°の傾斜を持たせた場合を示す。この場
合の必要な起磁力は１．３５×１０5 アンペアターンと
なり、図３（Ａ）の従来例に比べて、必要な起磁力は減
少している。しかし、まだ実用可能な起磁力よりも大き
い。
【００６１】図３（Ｃ）は、磁極の両側面に６０°の傾
斜角度を持たせた場合を示す。必要な起磁力は１．０４
×１０5 アンペアターンとなり、ほぼ実用可能な起磁力
にまで減少している。
斜角度を持たせた場合を示す。必要な起磁力は１．０４
×１０5 アンペアターンとなり、ほぼ実用可能な起磁力
にまで減少している。
【００６２】図４（Ａ）は、磁極の両側面に４５°の傾
斜角度を持たせた場合を示す。必要な起磁力は９．４×
１０4 アンペアターンとなる。図４（Ｂ）は、磁極の先
端を２段の階段状に形成した場合を示す。必要な起磁力
は９．９×１０4 アンペアターンとなり、図３（Ｃ）の
場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
斜角度を持たせた場合を示す。必要な起磁力は９．４×
１０4 アンペアターンとなる。図４（Ｂ）は、磁極の先
端を２段の階段状に形成した場合を示す。必要な起磁力
は９．９×１０4 アンペアターンとなり、図３（Ｃ）の
場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００６３】図４（Ｃ）は、磁極の先端を２段の階段状
に形成し、さらに、２段目の水平部分の両端に傾斜を設
けた場合を示す。必要な起磁力は８．９×１０4 アンペ
アターンとなり、さらに減少することができる。
に形成し、さらに、２段目の水平部分の両端に傾斜を設
けた場合を示す。必要な起磁力は８．９×１０4 アンペ
アターンとなり、さらに減少することができる。
【００６４】図５（Ａ）は、磁極の先端を２段の階段状
に形成し、さらに、２段目の水平部分の外周部分にのみ
傾斜を設けた場合を示す。必要な起磁力は８．７×１０
4 アンペアターンとなる。
に形成し、さらに、２段目の水平部分の外周部分にのみ
傾斜を設けた場合を示す。必要な起磁力は８．７×１０
4 アンペアターンとなる。
【００６５】図５（Ｂ）、（Ｃ）は、図５（Ａ）の外周
部の傾斜を磁極の根元まで延ばした場合を示す。図５
（Ｂ）のコイルの断面積は、図５（Ａ）に比べて小さく
なっている。必要な起磁力は、共に約８．３×１０4 ア
ンペアターンとなり、コイルの断面積を減少させた影響
は殆どない。
部の傾斜を磁極の根元まで延ばした場合を示す。図５
（Ｂ）のコイルの断面積は、図５（Ａ）に比べて小さく
なっている。必要な起磁力は、共に約８．３×１０4 ア
ンペアターンとなり、コイルの断面積を減少させた影響
は殆どない。
【００６６】図６（Ａ）は、図５（Ｃ）の斜面部分を多
段の階段で近似した場合を示す。必要な起磁力は８．８
×１０4 アンペアターンであり、図５（Ｃ）の場合に比
べて若干増加している。これは、実効的な磁極幅が減少
したためである。
段の階段で近似した場合を示す。必要な起磁力は８．８
×１０4 アンペアターンであり、図５（Ｃ）の場合に比
べて若干増加している。これは、実効的な磁極幅が減少
したためである。
【００６７】図６（Ｂ）は、図５（Ｃ）の磁極先端の階
段状部分の側面を４５°の傾斜とし、磁極先端部のロゴ
スキー形状に連続的に接続して形成した場合を示す。必
要な起磁力は８．０×１０4 アンペアターンとなり、さ
らに減少させることができる。
段状部分の側面を４５°の傾斜とし、磁極先端部のロゴ
スキー形状に連続的に接続して形成した場合を示す。必
要な起磁力は８．０×１０4 アンペアターンとなり、さ
らに減少させることができる。
【００６８】図６（Ｃ）は、階段状の部分をなくし、磁
極先端部のロゴスキー形状に角度約３７°の斜面を連続
的に接続した場合を示す。傾斜角をさらに小さくしたこ
とにより、必要な起磁力は７．７×１０4 アンペアター
ンとなり、さらに減少させることができる。ただし、傾
斜角を小さくしたことにより、磁極、及び磁石全体の大
きさは大きくなる。
極先端部のロゴスキー形状に角度約３７°の斜面を連続
的に接続した場合を示す。傾斜角をさらに小さくしたこ
とにより、必要な起磁力は７．７×１０4 アンペアター
ンとなり、さらに減少させることができる。ただし、傾
斜角を小さくしたことにより、磁極、及び磁石全体の大
きさは大きくなる。
【００６９】以上の数値解析結果からわかるように、磁
極の形状を工夫することにより、常電導電磁石を使用し
て、実用可能な起磁力の範囲内で磁束密度２．７Ｔの磁
場を発生することができる。
極の形状を工夫することにより、常電導電磁石を使用し
て、実用可能な起磁力の範囲内で磁束密度２．７Ｔの磁
場を発生することができる。
【００７０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００７１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
常電導コイルを使用して磁束密度が約３Ｔ程度の強磁場
を得ることができる。これにより、低コストで小型の電
子蓄積リングを作製することが可能になる。
常電導コイルを使用して磁束密度が約３Ｔ程度の強磁場
を得ることができる。これにより、低コストで小型の電
子蓄積リングを作製することが可能になる。
【図１】本発明の実施例による偏向電磁石の平面図及び
断面図である。
断面図である。
【図２】本発明の他の実施例による偏向電磁石の平面図
及び断面図である。
及び断面図である。
【図３】本発明の実施例による偏向電磁石における数値
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
【図４】本発明の実施例による偏向電磁石における数値
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
【図５】本発明の実施例による偏向電磁石における数値
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
【図６】本発明の実施例による偏向電磁石における数値
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
解析による磁束の様子を示すための偏向電磁石の断面図
である。
【図７】鉄の励磁特性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例の原理を説明するための磁極の
部分断面図である。
部分断面図である。
【図９】図８の磁極で２．７Ｔを発生するために必要と
なる起磁力の角度θに対する変化を示すグラフである。
なる起磁力の角度θに対する変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の他の実施例の原理を説明するため
の、磁極の部分断面図である。
の、磁極の部分断面図である。
【図１１】レーストラック形ＳＲ光発生装置の概略平面
図である。
図である。
【図１２】従来例による偏向電磁石の平面図及び断面図
である。
である。
【図１３】従来例による偏向電磁石の平面図及び断面図
である。
である。
１ 磁極 １ａ 磁極先端部 ２ ヨーク ３ コイル ４ 間隙 ５ 制御手段 ５０ 軌道 ５１ａ、５１ｂ 偏向電磁石 ５２ａ〜５２ｄ、５３ａ〜５３ｄ ４極電磁石 ５４ ＲＦ加速空洞 ５５ ビーム入射用キッカー ５６ ビーム導入部 ６１ 磁極 ６２ ヨーク ６３ コイル ６４ 間隙 ６５ 磁路 ７１ 磁極 ７２ ヨーク ７３ａ、７３ｂ コイル ７４ 間隙
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年１月２７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】本発明の他の常電導偏向電磁石は、磁場を
発生すべき間隙を挟んで対向して設けられた一対の磁極
と、前記一対の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と
共に閉じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導
型偏向電磁石であって、前記一対の磁極の磁路に沿う少
なくとも一方の側面は、１段の段差を有する階段状に形
成されており、前記ヨーク側の磁極の幅をｗy 〔ｃ
ｍ〕、前記間隙側の磁極の幅をｗg 〔ｃｍ〕、前記間隙
側の段差をｈ1 〔ｃｍ〕とし、前記間隙の磁路に沿う高
さの半分をｈ〔ｃｍ〕としたとき、前記間隙部に磁束密
度Ｂ0 〔テスラ〕の磁場を発生させるために、ｗy 、ｗ
g 、ｈ、ｈ1 の関係が、 (wy -wg )h1 /(wy (h+h1)) ＞B0/2.15-1 を満足するように選択されている。
発生すべき間隙を挟んで対向して設けられた一対の磁極
と、前記一対の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と
共に閉じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導
型偏向電磁石であって、前記一対の磁極の磁路に沿う少
なくとも一方の側面は、１段の段差を有する階段状に形
成されており、前記ヨーク側の磁極の幅をｗy 〔ｃ
ｍ〕、前記間隙側の磁極の幅をｗg 〔ｃｍ〕、前記間隙
側の段差をｈ1 〔ｃｍ〕とし、前記間隙の磁路に沿う高
さの半分をｈ〔ｃｍ〕としたとき、前記間隙部に磁束密
度Ｂ0 〔テスラ〕の磁場を発生させるために、ｗy 、ｗ
g 、ｈ、ｈ1 の関係が、 (wy -wg )h1 /(wy (h+h1)) ＞B0/2.15-1 を満足するように選択されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１０】
Claims (8)
- 【請求項１】 磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して
設けられた一対の磁極と、 前記一対の磁極にそれぞれ巻かれた、起磁力を発生する
ための一対のコイルと、 前記一対の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と共に
閉じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏
向電磁石であって、 前記磁極の磁路方向に沿う少なくとも一方の側面の少な
くとも一部は、前記ヨークとの接合部における磁極幅が
前記間隙を挟んで対向する磁極面の幅よりも広くなるよ
うに傾斜し、かつ、前記磁極面の延長との成す傾斜角が
３０°以上６０°以下である傾斜に沿い、 前記磁極面の幅は４ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、 前記間隙の磁路に沿う高さは１ｃｍ以上６ｃｍ以下であ
る常電導型偏向電磁石。 - 【請求項２】 磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して
設けられた一対の磁極と、 前記一対の磁極にそれぞれ巻かれた、起磁力を発生する
ための一対のコイルと、 前記一対の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と共に
閉じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏
向電磁石であって、 前記磁極の磁路方向に沿う両側面の少なくとも一部は、
前記ヨークとの接合部における磁極幅が前記間隙を挟ん
で対向する磁極面の幅よりも広くなるように傾斜し、か
つ、前記磁極面の延長との成す傾斜角が３０°以上６０
°以下である面に沿い、 前記磁極面の幅は４ｃｍ以上４０ｃｍ以下であり、 前記間隙の磁路に沿う高さは１ｃｍ以上６ｃｍ以下であ
る常電導型偏向電磁石。 - 【請求項３】 前記側面は、３段以上の段数からなる階
段状部分を含む請求項１または２記載の常電導型偏向電
磁石。 - 【請求項４】 前記間隙部に磁束密度Ｂ0 〔テスラ〕の
磁場を発生させるために、前記磁極のうち側面が傾斜し
た部分の磁路に沿う高さをｙ0 〔ｃｍ〕、前記傾斜角の
正接をａ、前記間隙の磁路に沿う高さの半分をｈ〔ｃ
ｍ〕、前記磁極の一方の側面にのみ傾斜に沿う面が設け
られている場合は前記磁極面の幅をｗ〔ｃｍ〕、前記磁
極の両側面に傾斜に沿う面が設けられている場合は前記
磁極面の幅の半分をｗ〔ｃｍ〕、としたとき、ｙ0 、
ａ、ｈ、ｗの関係が、 B0/2.15-1/2 ×(1-h/a/w) -2(ln(1+y0/a/w)-y0/(aw+
y0))-1/2×(1-(1-h/a/w)-2)(ln(1+y0/h)-aw/h ×y0/(aw
+y0))＜1 を満足するように選択されている請求項１〜３のいずれ
かに記載の常電導型偏向電磁石。 - 【請求項５】 さらに、前記間隙に磁束密度２．１５テ
スラ以上３テスラ以下の磁場を発生するために、前記磁
極内において、前記磁極面での磁束密度が２．１５テス
ラ以上になり、かつ前記ヨークとの接合面での磁束密度
が２．１５テスラ以下になるように前記一対のコイルに
電流を流すための制御手段を含む請求項１〜３のいずれ
かに記載の常電導型偏向電磁石。 - 【請求項６】 磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して
設けられた一対の磁極と、 前記一対の磁極のそれぞれに接合され、前記間隙と共に
閉じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏
向電磁石であって、 前記一対の磁極の磁路に沿う少なくとも一方の側面は、
１段の段差を有する階段状に形成されており、前記ヨー
ク側の磁極の幅をｗy 〔ｃｍ〕、前記間隙側の磁極の幅
をｗg 〔ｃｍ〕、前記間隙側の段差をｈ1 〔ｃｍ〕と
し、 前記間隙の磁路に沿う高さの半分をｈ〔ｃｍ〕としたと
き、 前記間隙部に磁束密度Ｂ0 〔テスラ〕の磁場を発生させ
るために、ｗy 、ｗg、ｈ、ｈ1 の関係が、 (wy -wg )/(wy (h+h1)) ＞B0/2.15-1 を満足するように選択されている常電導型偏向電磁石。 - 【請求項７】 磁場を発生すべき間隙を挟んで対向して
設けられた一対の磁極と、 前記一対の磁極にそれぞれ巻かれた、起磁力を発生する
ための一対のコイルと、 前記一対の磁極にそれぞれ接合され、前記間隙と共に閉
じた磁路を形成するためのヨークとを含む常電導型偏向
電磁石であって、 前記一対の磁極の磁路に沿う少なくとも一方の側面は、
前記ヨーク側の磁極幅が前記間隙側の磁極幅よりも広く
なるように形成された１段の段差を有し、 前記間隙側の磁極幅の狭い部分における磁極内の磁束密
度が２．１５テスラ以上となり、かつ前記ヨーク側の磁
極幅の広い部分における磁極内の磁束密度が２．１５テ
スラ以下となるように前記コイルに電流を流すための制
御手段を含む常電導型偏向電磁石。 - 【請求項８】 前記一対の磁極の磁路に沿う両側面に１
段の段差が設けられている請求項７記載の常電導型偏向
電磁石。
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|---|---|---|---|
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| EP94120691A EP0661913B1 (en) | 1993-12-28 | 1994-12-27 | Normal conducting bending electromagnet |
| DE69420695T DE69420695T2 (de) | 1993-12-28 | 1994-12-27 | Normalleitender Ablenkelektromagnet |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5337241A JP2908220B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 常電導型偏向電磁石 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10122306A Division JP3065988B2 (ja) | 1998-05-01 | 1998-05-01 | 常電導型偏向電磁石 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07201498A true JPH07201498A (ja) | 1995-08-04 |
| JP2908220B2 JP2908220B2 (ja) | 1999-06-21 |
Family
ID=18306776
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5337241A Expired - Fee Related JP2908220B2 (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 常電導型偏向電磁石 |
Country Status (4)
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|---|---|
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| EP (1) | EP0661913B1 (ja) |
| JP (1) | JP2908220B2 (ja) |
| DE (1) | DE69420695T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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