JPS63221597A - リタ−ンヨ−ク付き偏向電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、荷電粒子を閉軌道上で回転させて加速あるい
は蓄積する荷電粒子加速蓄積装置としての蓄積リングす
なわちＳＯＲ露光装置の偏向電磁石の構造に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来のシンクロトロンや蓄積リングは高エネルギー物理
実験（主に電子と陽電子、陽子と反陽子との衝突実験に
よる素粒子の相互作用および新粉子の発見等のための実
験）のために製作されており、概して大型であった（直
径数十ｍ〜数十ｋｍ）。

このように従来の蓄積リングは大型で、多数の偏向電磁
石で構成されており、個々の偏向電磁石はほぼ直線状の
構造であったため、電子が長時間周回するために必要な
条件である磁場の均一度を確保するための磁極構造最適
化は２次元の磁場解析で充分であった。

これに対して、最近、電子あるいは陽電子が周回する時
に放出されるＳＯＲ光を、光電子分光等の表面分析や半
導体ＬＳＩを製造する時のＸ線リソグラフィー用光源と
して利用することが注目されている。これら半導体産業
にこのＳＯＲ光源が導入されるためには従来よりも小型
で専用に設計された蓄積リングが必要となる。このため
世界中で蓄積リングを小型化しようとする試みが行なわ
れている。

小型化の１つの有力な方向は、偏向電磁石を超伝導化し
、１つの偏向電磁石で１８０度電子を偏向し、電子の軌
道半径を数十ｃｍ程度のオーダにする方向である。これ
は、例えば「ホイバーガ著、固体工学、９３頁、１９８
６．２月（Ａ、Ｈｅｕｂｅｒｇｅｒ、　５ｏｌｉｄＳｔ
ａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＋ｐ、９３．Ｆｅｂｒｕ
ａｒｙ　１９８６）Ｊに記載されている。

従って、従来の２次元解析では不充分であり、３次元解
析の取扱いが必須となるが、必要な磁場の均一度を電子
の通る軌道軸に沿ってそれに垂直な平面の広い領域に確
保する具体的な磁石構造は未だ実現されていない。また
、磁性体を含んだ３次元解析には膨大な計算機パワーを
必要とし、上記ホイバーガ（Ａ、Ｉ（ｅｕｂｅｒｇｅｒ
）等の偏向電磁石も空芯型であり、鉄は使用されていな
い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一方、蓄積リングを小型化する試みの中で、電子を円形
のリングの中で３６０度偏向させようという試みもある
。このことは、例えば（高橋著。

日本学術振興会、結晶加工と評価技術、第１４５委員会
、Ｂ分科会（放射光利用）、第９回研究会資料１７頁）
に記載されている。この例の場合、磁性を使用している
が円形構造のため２次元の解析で十分であった。しかし
、１８０度偏向で磁性体を含む構造では、上記のように
膨大な計算機パワーを要する３次元の解析が必要になり
、現在まで具体的構造は提案されていない。

また、従来の超電導偏向電磁石は上記素粒子実験用に製
作されて、おり、構造も直線状でＳＯＲ先取出し用スペ
ースのない、いわゆるｃｏｓθ巻きのコイル構造で、２
次元の磁場解析により電子の通る軌道軸およびそれに垂
直な面内で磁場の均一領域を確保していたが、これをそ
のままＳＯＲ光利用装置の電磁石とすることはできない
。

すなわち、従来の問題点は、蓄積リングの小型化と電子
軌道に沿っての均一な磁界分布とが実現されていないと
いうことである。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、半導体産業用に小型化したＳＯ
Ｒ露光装置のための偏向電磁石を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、真空ダクト
の水平断面がほぼ扇形の形状を有する荷電粒子加速蓄積
装置の前記真空ダクトに偏向磁場を発生させるリターン
ヨーク付き偏向電磁石において、前記真空ダクトに沿っ
た内側と外側に反対方向の電流が流れるようにループを
形成した励磁コイルを前記真空ダクトを挟んで上下に一
対以上置き、前記励磁コイルと真空ダクトを取り囲む磁
性体を備え、前記外側コイルの上下間ギャップを内側コ
イルの上下間ギャップよりも大きくなるように配置した
ものである。

〔作用〕

本発明においては、小型蓄積リングおよび電子軌道に沿
っての均一な磁界分布を実現することかで１きる。

〔実施例〕 まず、本発明の特徴について述べる。本発明は、１個の
偏向電磁石で１８０度電子を偏向させ、電子の通る軌道
軸およびそれに垂直な平面内の広い領域に均一な磁場を
実現したことを最も主要な特徴とする。

また、ＳＯＲ光を取り出す領域を確保しつつ超電導化す
ることにより、軌道半径を数十ｃｍ程度と小さくした３
次元的コイル構造を磁性体（リタ−ンヨーク）を含めて
明確化した。

さらに、磁性体をコイルの回りに配置したため、コイル
の起磁力を空芯の時と比較して３割も低減させ、なおか
つコイルにかかる軸方向の電磁力を半分以下に低減した
も主要な特徴とする。

従来の小型蓄積リングを実現しようとする試みにおいて
は、上記のように１８０度偏向では空芯型、３６０度偏
向では磁性体を含む構造となっている。今回１８０度偏
向で磁性体を含む具体的な構造を提案したものである。

今回、磁性体を含んだ３次元の磁場解析を実行し、ＳＯ
Ｒ光取出しを容易にしたコイル配置、磁性体の構造を実
現できた。以下、上記コイル配置、磁性体の構造につい
て説明する。

第１図（ａ）、　（ｂ）は本発明による鉄のリターンヨ
ークの構造とコイルの位置を示したものであり、１は内
側コイル、２は外側コイル、３は渡りの部分のコイル、
４はリターンヨークである。第２図〜第５図はコイルの
詳細な配置を示した図であり、（ａｌは実際のコイル巻
線の外形、山）は上記コイルの中心線と真空ダクト５の
外形を示す。実際の磁場計算では、この線電流モデルに
より計算するだけで充分な精度がある。

第６図〜第８図は、リターンヨーク４の中にあるコイル
のみを取り出した時、そのコイルを上（±２方向）と横
（±Ｘ方向）から見たコイル切詰配置図であり、コイル
の中心線のみを示したものである。第７図のＸ≧０．ｙ
≧Ｏ，ｚ≧０の空間におけるコイルの中心線は、ｚ＝Ｄ
Ｉ、ｘ２＋ｙ”＝Ｒ１”の円弧とｚ＝Ｄ２．ｘ”＋ｙ２
＝Ｒ２２の円弧（ただし、ＤＩ＞Ｄ２＞０．Ｒ１＞Ｒ２
＞Ｏ）のα≦θＸ≦９０度（第７図（ａ）参照）の部分
である。すなわち、コイルの中心線は所定の範囲で円弧
と一致する。ここで、α、θＸは３次元円柱座標の角度
を表し、αはＯ度≦α≦９０度の間にある一定値である
。この例ではα≠０である。第８図は、ｚ＝Ｄｌ、ｘ”
＋ｙ”＝Ｒ１２の円弧と２＝Ｄ２．ｘ”＋ｙ”＝Ｒ２”
の円弧のｙ≧ａの部分である。ここで、ａは０≦ａ＜Ｒ
２を満足する一定値で、この例ではａ≠Ｏである。第７
図、第８図のいずれにおいても、内側コイル１と外側コ
イル２の中心線をその中に含む平面はｚ＝Ｑの平面と３
０度±１５度の角度で交差し、交線はｙ＝ｔａｎα・Ｘ
あるいはｙ＝αに平行である。第６図は、第７図のα＝
Ｏまたは第８図のａ＝Ｏの場合に相当する。

以下、第１図〜第４図の実施例について詳細に述べる。

リターンヨーク４を付加することにより、空芯型のコイ
ルで最適化された配置では均一度は出なくなる。新たに
パラメータサーベイにより得られたコイル配置は以下の
通りである。

第２図〜第５図に示されたコイルの配置構造により、電
子の軌道半径を数十ｃｍ（この例では５２．３．８ｃｍ
である。これは３．５Ｔ、５５０ＭｅＶの軌道半径に相
当する）とした。電子の通る軌道軸に沿って均一な領域
を確保するために、内側コイル１より外側コイル２の方
を高くし、なおかつその２つのコイルを結ぶ渡りの部分
のコイル３を外側に成る一定の角度だけ跳上げた構造に
なっている。詳細なコイル配置を下記に示す（第１０図
参照）。

外側コイル中心の半径Ｒ１＝７８４．９ｍｍ外側コイル
中心の高さＤ　１　＝　１６　ｊ、３ｍｍ　　　。

内側コイル中心の半径Ｒ２＝２６８．４ｍｍ内側コイル
中心の高さＤ２＝１２４．８ｍｍ渡りの部分のコイルの
跳上げ角度＝３０度ここで、コイルの太さは、起磁力お
よびコイルに流すことのできる最大電流密度によって規
定され、線材の特性・コイル内経験磁場・励磁速度等の
因子によって異なる。

第９図（ａｌ〜（Ｊｌは、上記のコイル配置の時、電子
軌道軸に沿ってそれに垂直な面内の磁場の均一度の分布
である。同図は、上から電子軌道軸に沿ってθＸ方向に
９０度（ｙ軸）〜Ｏ度（Ｘ軸）までの１０度毎の各断面
について磁場の均一度（ｔｌｎｔｆ−ｏｒｍｉｔｙ、以
下ｒＵＪと略称する）を示している。

図中横軸は電子の軌道軸に垂直な断面をとった時の動径
方向の位置を示している（単位はｃｍ）。

縦軸は均一度Ｕを表わし、実線、鎖線、一点鎖線、二点
鎖線の各曲線は、電子軌道軸に垂直な方向の高さｚ＝Ｑ
ｃｍ、１ｃｍ、　　２ｃｍ、３ｃｍの位置パラメータに
対する均一度Ｕを示す。ここで、均一度Ｕとは、横軸と
パラメータで決定される位置における磁場の２成分ＢＺ
Ｏ値と、ｚ＝Ｏｃｍで電子の平衡軌道の位置（図中横軸
のＯの位置）にあたるＢＺの値ＢＺＯのから次の式で定
義される量である。

Ｕ＝　（ＢＺ−ＢＺＯ）／ＢＺＯ 第９図の縦軸の均一度Ｕは真中がＯであり、１目盛が±
０．５Ｘ　１０−’である。すなわち、この図は、電子
の軌道軸に沿ってそれに垂直な平面の１０ｃｍＸ６ｃｍ
（高さ方向については系の対称性からｚ＝３　ｃｍｘ２
＝６　ｃｍ）の広い領域でほぼ±５Ｘ１０−’の均一度
を達成していることを示している。この値は、従来の電
子蓄積リングの偏向電磁石に要求されている磁場精度（
均一度）とほぼ同等の値である。このように補正コイル
を付加することなく、外側コイル２の上下間ギャップが
内側コイル１の上下間ギャップより大きくなるように配
置され、ｘ＝０の面に対して面対称の形状を存するコイ
ルがｚ＝０の面に対して面対称に配置され、なおかつ２
＝０の面に対して面対称な形状の磁性体を含む構造で、
電子軌道軸に沿ってそれに垂直°な平面の高さおよび動
径方向の広い領域にこれだけの磁場精度を達成したもの
である。これらの計算はビオ・サバールの法則および有
限要素用による磁性体を含めた３次元の磁場解析の結果
であり、上記のコイル配置もこのプログラムによるパラ
メータサーベイの結果得られた値である。

次に渡りの部分のコイル３の跳上げ角度および内側コイ
ルｌ、外側コイル２の配置精度の影響について述べる。

、上記の磁性体である鉄は、シールドおよびリターンヨ
ークとしての役割しか持っておらず、飽和の度合も少な
く電子軌道軸から離れている。すなわち、このタイプの
リターンヨーク構造では、外部電源から供給される電流
と電子軌道軸上の磁場の大きさが比例し、磁場の均一度
分布も励磁率（電流値）によって殆ど変化することなく
、はぼ空芯の性質をそのまま保持している。

従って、コイル配置精度は空芯の時の値と同様と考えて
よい。すなわち、第１０図の四辺形斜線部に示された値
となる。

次に磁性体を使用することの効果について述べる。磁性
体を使用することにより、次に示す各効果が表われる。

■コイルの起磁力を完全空芯の場合と比較して３割程度
軽減させることができる。具体的には３．５Ｔの磁場を
出すために必要な起磁力を３．０ＭＡＴに減らすことが
できる。この時、上側のリターンヨークをコイルに近づ
けてやれば起磁力を更に軽減することはできるが、鉄が
強く飽和し始め磁場の分布を乱す可能性があるので、適
度な値に離しておくことが必要である。

■起磁力（励磁率）を変化させた時、鉄の飽和効果が殆
どない、あるいは一部飽和していても、その鉄が電子軌
道軸から離れているために影響が小さい。すなわち、は
ぼ完全空芯のコイルの性質である磁場と外部電源との線
形性をそのまま保つ。

具体的に言うと、磁場の均一度を示す分布が励磁率を変
化させても殆ど変化しない。あるいは渡りの部分の磁場
の軌道軸方向分布が励磁率によって変化しない。このた
め電源トラッキングが容易であるという特徴がある。

■鉄のリターンヨークは飽和を避けるためコイルから離
して置かれている。このため、ＳＯＲ光のビームライン
を通すためにシールド側面に穴を開けても均一度分布に
与える影響は殆どない。

■軸方向電磁力が半分以下になり、カラーおよびクライ
オスタンドの構造を、たわみ量が小さくなり、更に小さ
くできる。

■漏れ磁場を著しく軽減することができる。

■コイル経験磁場を小さくでき、超電導磁石の設計がや
り易くなる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、真空ダクトに沿った内側
と外側に反対方向の電流が流れるようにループを形成し
た励磁コイルを真空ダクトを挟んで上下に一対以上置き
、励磁コイルと真空ダクトを取り囲む磁性体を備え、外
側コイルの上下間ギャップを内側コイルの上下間ギャッ
プよりも太き（なるように配置したことにより、小型蓄
積リングの実用化を図ることができるので、半導体ＬＳ
Ｉのリソグラフィ一工程での微小パターンの形成が可能
になり、半導体工場で小型蓄積リングをＳＯＲ露光装置
として設置することが可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は本発明に係わるリターンヨー
ク付き偏向電磁石の一実施例を示す配置図、第２図〜第
５図は種々の角度から見たコイルの詳細配置を示す配置
図、第６〜第８図はコイル切詰配置図、第９図は磁場の
均一度を示すグラフ、第１０図はコイル中心線の配置の
許容範囲を示す説明図である。 １・・・内側コイル、２・・・外側コイル、３・・・渡
りの部分のコイル、４・・・リターンヨーク、５・・・
真空ダクト。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空ダクトの水平断面がほぼ扇形の形状を有する
   荷電粒子加速蓄積装置の前記真空ダクトに偏向磁場を発
   生させるリターンヨーク付き偏向電磁石において、前記
   真空ダクトに沿った内側と外側に反対方向の電流が流れ
   るようにループを形成した励磁コイルを前記真空ダクト
   を挟んで上下に一対以上置き、前記励磁コイルと真空ダ
   クトを取り囲む磁性体を備え、前記外側コイルの上下間
   ギャップを内側コイルの上下間ギャップよりも大きくな
   るように配置したことを特徴とするリターンヨーク付き
   偏向電磁石
2. （２）外側コイルと内側コイルを結ぶ渡りの部分のコイ
   ルを外側に跳上げた構造にすることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のリターンヨーク付き偏向電磁石。
3. （３）真空ダクトの外側を通る磁束のパスの磁気抵抗と
   内側を通る磁束のパスの磁気抵抗を均等にするように磁
   性体を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のリターンヨーク付き偏向電磁石。
4. （４）偏向電磁石を構成するコイルが超電導コイルであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のリター
   ンヨーク付き偏向電磁石。