JPS63266800A - 荷電粒子加速蓄積装置 - 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】 発明の属する技術分野 本発明は、荷電粒子を周回軌道上に周回させ加速または
蓄積する荷電粒子加速蓄積装置に関するものでちゃ、特
に、超電導偏向磁石を用いて荷電粒子加速蓄積Ｖ装置の
小型化・経済化をはかる際に重大な問題となる、超電導
偏向磁石端部での磁場のだれによる周回軌道のずれ及び
局長の変動を効果的に補正する技術に関するものである
。

従来の技術 従来の荷電粒子加速蓄積装置は、高エネルギー物理実験
（主に高エネルギーに加速した電子等の粒子同士の衝突
によシ物質の究極の構造を探ろうという実験）のために
開発されたものである。また、シンクロトロン放射光（
電子が荷電粒子加速蓄積装置内で偏向をうける際進行方
向に放出する光・Ｘ線等の電磁波・・・・・・以下「８
０１（光」と略称する）の利用を目的とし７１！子加速
蓄積装置も建設されているが、いずれも、汎用で大型（
直径数十ｍ〜数十−）の装置である。

一方、上記ＳＯ几先は、軟Ｘ線領域において従来にない
強力な光源でおり、かつ平行性も良いことから、Ｘ線リ
ングラフィに最適とされている。しかし、超Ｌ８Ｉのｎ
産という工業目的への利用のためには、小型で安価の電
子加速ｇ積装置の開発が必要不可欠となる。それには、
超電導偏向磁石の強力な偏向磁場を用いて軌道半径を小
さくシ（〜０．５ｍ）、同時に電力料等の維持費を低減
する方法が有利と考えられる。しかし、超電導偏向磁石
を実用化する場合には、超電導磁石固有の強大な電磁力
をいかに軽減するかが重要な課題とされており、この対
策として、磁性体を超電導磁石に使用することにより、
磁束の一部を磁性体Ｖ６収させ、電磁力の軽減を図る方
法が有望視されつつちる。

と０ろでＸこれらの荷電粒子加速蓄積装置においては、
複数の偏向磁石を用いてリング−周で閉じた軌道を形成
し、荷電粒子の周回する周期と同期した高周波を用いて
、加速（蓄積時にはエネルギーの補給）を行う。偏向磁
場が設計１直からずれると、周回軌道のずれ及び局長の
変動を招き、真空壁との衝突、加速周期からのずれ等に
ょフ、ビーム損失の原因となる。

従来の大型加速器では、このような周回軌道のずれの原
因として、偏向磁石間の励磁量のばらつき（水平面内で
のずれを生ずる）、偏向磁石の傾き（垂直方向のずれを
生ずる）、４極磁石の設置誤差（両方向のずれを生ずる
）等の、ランダムな誤差によるものが支配的であった。

ここで、水平方向とは、電子の回転する軌道面内のこと
をいう。

このような周回軌道のずれに対し、水平方向については
主に偏向磁石に巻いた補正用コイル、ル直方向について
は軌道補正用磁石を用い、実際のビー、位置測定に基づ
いて最適な補正条件を求めることにより補正を行った。

水平方向の補正に軌道補正用磁石を用いる場合もあるが
、この場合偏向磁石の存在しない直線部での補正に用い
るのが普通である。゛また、軌道補正用磁石の設置位置
としては、補正効率の良い場所（岳直方向は発散用４極
磁石の近傍、水平方向は集束用４極磁石の近傍）が選ば
れていた。これらの技術に関しては、文献１）〜ＩＶ）
に記載されている。

一方、偏向磁石の磁場分布形状によっても、水平方向の
周回軌道のずれが生ずる。即ち、偏向磁石端部での軌道
方向（軌道に沿う方向の）磁場分布は、設計上は理想的
な階段関数状を仮定しているが、実際には１だれ１（フ
リンジ磁場）が存在するため、周回軌道のずれの構造的
な要因となる。

特に、超電導偏向磁石を用いて装置の小型化をはかる場
合には、このフリンジ磁場が重大な問題となる。第１図
（Ａ）に、超電導偏向磁石が発生する磁場分布の一例を
示す。設計上の理想的な磁場ａに対して、超電導偏向磁
石が発生する磁場すは磁極端部において顕著な１だれ″
を生じている。偏向磁石に必要な機能は、偏向軌道全長
にわたる磁場の積分値を理想磁場の積分値と一致させる
こと１すなわち第１図（Ａ）において、理想磁場と実際
の偏向磁場との偏差（Ｃ領域の面積−ｄ領域の面積）を
零にしうろことである。偏向磁石が低エネルギー電子を
入射して高エネルギーまで加速し、最終エネルギーまで
加速し終えた電子をそのｉま蓄積する加速蓄積リングの
場合は、加速過程で刻々変化する励磁状態のいずれにお
いても、上記の特性が要求される。但し、この偏差を零
とした場合も、”だれ”そのものによシ周回軌道のずれ
は生じる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の常電導偏向磁石においては、磁性体を磁場の非鉋
和１＋Ｊｉ域で使用する。このため常電導偏向磁石の磁
場分布は、磁性体の形状を工夫することにより、励磁量
が変化しても各励磁条件において、上記の偏差をほとん
ど無くすることが可能であった。′まだ、軌道半径が大
きく、常電導磁石では“だれ″そのものも小さいため、
１だれ“の影響は相射的に小さく１加速円高周波周波数
の微細な調整等によシ対応可能でめった。従って、従来
の大型リングではフリンジ磁場の影響は、さほど問題と
はなっていない。

これに対して、超電導偏向磁石では、磁性体の磁気飽和
領域（２テスラ前後）を越える磁場を用いるため、磁性
体の形状による磁場分布の最適化は不可能である。従っ
て、磁性体を用いずコイルの位置そのもので最適な磁場
分布を得るか、磁性体の形状とコイルの位置の組合せに
よシ最適化をを行う必要がある。しかしこのような手法
によっても、超電導偏向磁石の゛だれ″自体は大きくな
９、また、磁場の実効的な長さを設計値と一致させるこ
とはほとんど不可能となる。しかも、超電導磁石に磁性
体を用いた場合、その非線形な飽和特性により、フリン
ジ磁場分布を精度良く求めるための実績ある３次元磁場
解析コードが存在しないこと、偏向磁石の励磁ｊｋ＜電
子のエネルギー）に応じて７りンジ磁場分布が変動する
こと、の２点も大ぎな問題であった。さらに、超電導磁
石を用いた小型リングでは、軌道半径が小さいためフリ
ンジ磁場の効果が相対的に大きい。また、偏向磁石１ヶ
当りの偏向角を大きくする（偏向磁石の分割数を減らす
）ことが超電導化には有利なため、フリンジ磁場の偏差
による偏向磁石内部での周回軌道のずれ及び局長の変動
が大きくなる。

以上に述べたごとく、超電導偏向磁石は・ル子加速′８
積リングを工業化する上での重要なキーテクノロジーで
ある反面、超電導磁石の有するフリンジ磁場対策が、工
業化への避けて通れない必須の課題であった。

〔問題点を解決す・るための手段〕

発明の目的 本発明は、超電導偏向磁石を用いて電子加速蓄積装置の
小型化を図る際に重大な問題となる、上記のフリンジ磁
場による周回軌道のずれを、効果的に補正するためのも
のでめる。

発明の画成 本発明の主要な特徴は、補正用偏向磁場発生装置を偏向
磁石のフリンジ部近傍に配置し、偏向磁石本体とは独立
してフリンジ磁場の最適化を可能とした点にある。これ
により、７りンジ磁場に起因する水平方向の周回軌道の
ずれを、偏向磁石本体と偏向磁場発生装置という閉じた
系の内部に抑え、かつ、局長を設計値と一致させるとい
う効果的な補正が可能となった。また、励磁量によるフ
リンジ磁場の変動も、この系の内部で吸収することが可
能である。本発明の必要性は、超電導磁石を用いた小型
電子加速蓄積装置の開発において、フリンジ磁場の最適
化が困難であり、フリンジ磁場が周回軌道のずれ及び局
長の変動という重大な影響を及ばず点からきている。

これに対し、従来の常電導磁石による大型の装置では、
フリンジ磁場そのものが小さく、最適化も容易でらるこ
とから、むしろ、偏向磁石ごとの励磁量のばらつきや４
極磁石の設置誤差が周回軌道のずれの支配的要因であっ
た。このため、偏向磁石に巻いた補正用コイルや軌道補
正用磁石等により補正を行っていた。但し、水平方向の
軌道補正用磁石は）偏向磁石の存在しない直線部で軌道
の補正を行う場合に用い、しかも、補正効率の点から集
束用４極磁石の近傍に配置するのが普通であった。

しかし、偏向磁石の補正用コイルを用いる方法では、偏
向′磁石間の励磁量のばらつきによる周回軌道のずれは
補正可能でちっても、フリンジ磁場に起因するずれは補
正が不可能である。また、直線部の集束用４極磁石近傍
に配置した軌道補正用磁石では、フリンジ部から陥れて
いるため、補正後もある程度の周回軌道のずれが残り、
フリンジ磁場の補正効果には限界があった。

実施例 〔実施例１〕 第２図（Ｉ３）は、本発明に関わる電子加速蓄積装置の
一実施例を示す。１は偏向角１８０’の超′ＴｔＬ４偏
向磁石、また２、３は電子に集束・発散のレンズ作用を
与える４極磁石である。すでに述べたように、超電導偏
向磁石１の磁極端部には顕著なフリンジ磁場が発生して
おシ、電子の周回軌道を乱す原因トなっている。フリン
ジ磁場によりずれた電子軌道ｇ？：第２図（Ａ）に示す
。これに対処するため、超電導偏向磁石１の磁極端部に
近接して、超電導偏向磁石１とは独立に偏向作用を有す
る偏向磁場発生装置４を設ける。偏向磁場発生装置４に
よる磁場分布り及び補正用偏向磁場発生量量の状態を第
１図（Ｂ）に示す。なお、超電導偏向磁石１には、コイ
ルに働く電磁力を軽減し、起磁力（励磁に必要な電流値
）を稼ぎ、もれ磁場をシールドする目的で、鉄材等の磁
性体を使用するのが有効である。

補正用偏向磁場発生装置の作用について説明する。

第１図（Ａ）のｂに示すような磁場分布を持つ偏向磁石
を用いた場合、理想磁場からの偏差（Ｃの面積−ｄの面
積）により、第２図（人）のｇに示したように大きな周
回゛軌道のずれを発生する。そこで、偏向磁場発生装ｆ
４を用いて、鬼の面積＋Ｃの面積−ｄの面積〜０となる
よう補正用偏向磁場りを発生する（第２図（Ｂ）参照）
ことに、！：９、周回軌道のずれは、第２図（Ａ）のｇ
　、Ｅり第２図（１１）のｆのごとく効果的に補正され
る。但し、正価な捕正用偏同磁場発生盆は、ｃ、ｄ領域
の面積だけでなく、フリンジ磁場すの形状、補正用偏向
磁場りの発生位置（偏向磁石端からの距離）まで考慮し
て、軌道計算によｐ求める必要がある。°また、ここで
は、Ｃの面積くｄの面積となる例を示したが、ｃｏ面積
〉ｄの面積の場合も、補正用偏向磁場の向きを逆転させ
ることにより、全く同様にして補正を行うことが可能で
ある。

偏向磁場発生装置４により補正用偏向磁場を発生し、超
電導偏向磁石１のフリンジ部における偏向磁場の誤差（
８ｇ１図（人）におけるＣの面積とｄの面積の差）を相
殺することで、周回軌道のずれの効果的な補正が可能と
なる。但し、正？１ｆｉｔな補正用偏向磁場の発生量は
、その発生位置と偏向磁場の“だれ”まで考慮した軌道
計算によシ求める必要がある。こうして補正された実際
の電子の軌道が、第２図（Ｂ）のｆ（−で示す）である
。偏向磁場発生装置４の外側（直線部）では、実際の軌
道が設計上の軌道ｅ（・・・・・・・・で示す）とほぼ
一致し、同時に一周の軌道の長さも設計値とほぼ等しく
なるよう補正されていることがわかる。

この例では、〜超電導偏向磁石４に磁性体を用いたため
、フリンジ磁場分布は励磁量によ〕変動するが、この変
動の影響も、補正用偏向磁場の励磁量を調整することに
より、同様に補正することが可能である。

゛また、偏向磁場発生装置４の配置として、第２図（＋
３＞においては、超電導偏向磁石１の磁極端部４ケ所に
対して対称となる位置を選んである。このような対称な
位置に偏向磁場発生装置４を配置することにより、偏向
磁場発生装置として同一のものが使用できるために経済
化をはかることができ、′また同一の励磁条件で作動さ
せることができるため制御系の簡素化が可能である。さ
らに、各偏向磁場発生装置４のコイルを直列に接続し、
単一の電源で駆動させることもできる。しかし、偏向磁
場発生装置４を対称に配置することは必ずしも本発明の
内容を拘束するものではなく、配置の対称性がくずれて
も本発明の効果はなんら阻害されない。

なお、本発明で必要な補正用偏向磁場の発生量は、従来
の加速器における軌道補正用磁石と比べ、かなり強いも
のとなる。これは、従来の軌道補正用磁石は、ランダム
な誤差による周回軌道のずれを補正するものでお９、誤
差の発生要因を抑えることによって必要な補正量を低減
することが可能であったのに対し、本発明で補正するの
は、偏向磁場の１だれ１とその励磁量による変動という
構造的な要因によるものであって、必要な励磁量を減ら
すことが困難なためである。従って、経済性の面からこ
の偏向磁場発生装置についても超電導磁石の採用が望′
ましい。また、加速時には、エネルギー及び磁場分布の
変動に応じて偏向磁場の発生量を精度良く追随させる必
要がある。特に、低エネルギ一時の精度を得るためには
、容量の異なる電源を用意し、加速途中で切り換える方
法が有利である。

〔実施例２〕 第３図には、第２図（Ｂ）における偏向磁場発生装置４
として、従来の加速器において軌道補正用磁石等に用い
られている窓枠型偏向磁石５を使用した例を示す。

超電導偏向磁石本体からは、リターン・ヨークの磁気飽
和によシもれ磁場が発生するが、特に、電子軌道上への
もれ磁場は電子の運動に悪影響を及ぼす。偏向磁場発生
装置として窓枠型偏向磁石等の磁性体を用いた磁石を用
いることにより、このようなもれ磁場のシールド効果が
もたらされる。

さらに、第３図に示したように、偏向磁場発生装置のリ
ターン・ヨークを超電導偏向磁石と同程度の大きさにす
ることで、もれ磁場は一層低減される。これによフ、超
電導偏向磁石本体のリターン・ヨークを最小限に抑え、
軽量化することが可能となる。

〔実施例３〕 第４図に、偏向磁石と偏向磁場発生量６同一ノリターン
・ヨークを共有している例を示す。この場合、装置全体
の小型化と偏向磁場発生装置の起磁力の低減を同時に達
成することが可能である。

叩ら、超電導偏向磁石を最大限励磁した場合、リターン
・ヨークの磁気抵抗が増し、偏向磁場発生装置に（それ
自身は励磁しなくても）逆方向の磁場が発生する。従っ
て、リターン・ヨークの大キさ・形状等の調整により、
偏向磁場発生量を最適化すれば、偏向磁場発生装置のコ
イルは不要となる３、また、コイルを用いて偏向磁場発
生装置の励磁量を調整する場合も、必要な起磁力は大幅
に低減される。

以上の説明においては、１８０°超電７７Ｉｔ偏向磁石
を用いた電子加速蓄積装置を対象として収９上げてきた
。しかし、本発明の有効性は１８０°超電導偏向磁石の
フリンジ磁場対策に限定されるものではない。従来の荷
電粒子加速蓄積装置に使用されている常１１Ｅ４偏向磁
石においても、程度の差はあるもののフリンジ磁場は存
在しており、すでに説明したように磁性体の形状を工夫
することによって対応してきた。しかしながら、本発明
を適用すれば、磁極の形状加工には何らの注意をはらう
必要もなくなシー単に常電導偏向磁石の磁極線部に偏向
磁場発生装置を設けるだけで、偏向磁石の複雑な形状加
工と同等の効果をもたらすことが可能となる。

発明の効果 本発明は、周回軌道のずれという観点から、超電導偏向
磁石の端部に発生する偏向磁場分布の誤差を、その誤差
の発生する場所の近くで補正用偏向磁場な発生させるこ
とにより、効果的に補正するものである。

本発明により、偏向磁石本体とは独立に７りンジ磁場分
布の最適化が可能となり、超電導偏向磁石そのものの設
計・製作が容易となる。また、フリンジ磁場による偏向
磁石内部での周回軌道のずれを抑えられることから、偏
向磁石に要求される有効磁場空間（磁場の均一な領域）
の大きさも必要最小限に抑えられるため、偏向磁石の経
済的な設計が可能となる。一方、超電導偏向磁石と偏向
磁場発生装置の外側では、フリンジ磁場の影響による周
回軌道のずれは殆ど現れないため、周辺機器への影響を
最小限にすることができる。例えば、真空ｔヤンパ・４
極磁石等が必要最小限の大きさで設計可能となり、リン
グ立ら上げ時の入射用偏向器の位を調整が不要となる。

このほか、周回軌道のずれに起因する予測困難なトラブ
ルの発生を最小限に抑えることができ、装置運転時の煩
雑さが著しく改善される。

また、偏向磁場発生装置として、窓枠型偏向磁石等の磁
性体を用いた磁石を用いることにょシもれ磁場のシール
ド効果がもたらされるため、超電導偏向磁石本体のリタ
ーン・ヨークを最小限に抑え、Ｈ！１ｆｉｋ化すること
が可能となる。

一方、偏向磁石発生装置の作用としては、従来の荷電粒
子加速蓄積装置における軌道補正用磁石と同等であるこ
とから、各偏向磁石発生装置を独立に励磁可能とするこ
とで、通常の軌道補正機能を持たすことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（λ）は、従来技術による電子軌道に沿った超電
導偏向磁石の偏向磁場を示し、第１図ＣＢ）は、本発明
による偏向磁場分布を示す。 第２図（Ａ）は、従来技術によりフリンジ磁場よりずれ
た電子軌道ｇを示し、第２図（１１）は１８０°超電導
偏向磁石を用いた本発明の電子加速蓄積リングの設計例
を示す。 第３図は、偏向磁場発生装置として窓枠型偏向磁石を用
いた例、 第４図は、偏向磁石と偏向磁場発生装置が同一のリター
ン・ヨークを共有している例が示しである。 ａ・・・設計上の理想的な軌道方向磁場分布ｂ・・・超
電導偏向磁石の軌道方向磁場分布ｅ　ｗ　ｄ・・・超電
導偏向磁石の軌道方向磁場分布の設計値からのずれ ・・・・設計上の電子軌道 ｆ・・・本発明を用いた場合の実際の電子軌道ｇ・・・
電子軌道（フリンジ磁場よりのずｎ）１・・・超電導偏
向磁石 ２・・・集束用４極磁石 ３・・・発散用４極磁石 ４・・・偏向磁場発生装置 ５・・・窓枠型偏向磁石

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）偏向磁石の偏向作用により、荷電粒子を周回軌道
   上に周回させる荷電粒子加速蓄積装置において、偏向磁
   石の磁極端部の近傍に、該偏向磁石とは別に荷電粒子を
   偏向する機能を有する偏向磁場発生装置を設けたことを
   特徴とする荷電粒子加速蓄積装置。
2. （２）前記偏向磁石または偏向磁場発生装置は、超電導
   磁石であることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項
   記載の荷電粒子加速蓄積装置。
3. （３）前記偏向磁場発生装置は、磁性体を用いた電磁石
   であることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載
   の荷電粒子加速蓄積装置。
4. （４）前記磁性体を用いた電磁石は、窓枠型電磁石、も
   しくはＨ型電磁石、もしくはＣ型電磁石であることを特
   徴とする前記請求の範囲第３項記載の荷電粒子加速蓄積
   装置。
5. （５）前記偏向磁石と偏向磁場発生装置は、同一のリタ
   ーン・ヨークを共有していることを特徴とする前記特許
   請求の範囲第１項記載の荷電粒子加速蓄積装置。