TW409488B - Hybrid wiggler - Google Patents

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409486 A7 B7 五、發明说明（1 ) 發明之背景= 本發明與一種嶄新之插入裝置有關，或者，尤其涉及 一種擺動器，該擺動器被插入電子加速器或電子儲存環的 線性部分以便發射高輝度之同步輻射。 經濟部中央樣準局負工消费合作社印装 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 插入裝置含有兩組以對立方式面對面的陣列，此兩陣 列之間具有間隙空間且各該陣列由永久磁塊形成，或者該 插入裝置含有各由永久磁塊，成形之兩組陣列以及諸如鐵或 鐵鈷合金等軟磁性鐵磁材料之塊件的組合。隨附圖式之第 6 A圖說明僅由兩組永久磁塊之陣列構成的插入裝置之示 意性透視視圖，其中出現於各磁塊之側表面的小箭號指明 塊件之磁化方向。此插入裝置被插入電子加速器或電子儲 存環的直線形部分，其插入方式使得插入裝置如第6 A圖 中所示地在磁陣列之間夾住真空室而如第6 B圖中所示地 在磁陣列之間的真空室內產生正弦曲線之週期性磁場。當 在電子加速器內作接近光速之迴旋的電子沿著磁陣列之z 方向被引入該擺動或波動式磁場內時，電子束便使得依第 6 A圖中之箭號e所指之方向作穿過間隙的曲折動作如第 6 C圖所示意顯示地從各曲折點處發射同步輻射R。 如上所述，用來產生正弦曲線之週期性磁場的插入裝 置能如1 9 8 7年3月之科學儀器評論（Review of Scientific Instruments )第 5 8 ( 3 )卷及 1 9 8 3 年之核 能儀器與方法（Nuclear Instruments and Methods )第 2 8 8卷第1 1 7頁至第1 2 5頁所揭示地被歸類爲含有 永久磁塊與軟磁性鐵磁材料之塊件之組合的複合型式和僅 本紙張尺度適用令國圏家標準（CNS)A4規格< 210X297公釐） -4- 409488 A7 B7 五、發明説明（2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 含有永久磁塊的荷氏（Halbach)型式。第7圖爲依X軸方 向所觀視的荷氏型插入裝置中之磁塊陣列的示意性側視視 圖，此插入裝置僅含有永久磁塊4 1、4 2，各該永久磁 塊4 1或4 2依其側表面上之各個小箭號所指之方向被磁 化。正弦曲線之週期性磁場的週期相應於四個相鄰之永久 磁塊所形成之長度P。 複合型插入裝置中，如.第8 A圖中的依y軸方向觀視 之示意性平視視圖所說明地，各磁陣列含有用來使磁通收 斂的軟磁性鐵磁材料之極件4 3和永久磁塊4 1的交替列 置。此案例中的正弦曲線之週期性磁場之週期P係兩個永 磁體4 1與兩個極件4 3所形成之長度。上述兩種型式之 插入裝置中所達成的磁場之強度和分布大體上完全一致且 無性能上之特殊差異，但複合型式者因與荷氏型式者相比 時能節省永磁體之總數而有經濟上之優點。 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印製 這些型式之插入裝置亦能視變數K之値地被歸類爲波 動器或擺動器，該變數K係週期長度P與磁場強度的函數 。即，當K値約爲1或較小時或者當K値大體上大於1時 ，則插入裝置分別爲波動器或擺動器。 本發明與一種複合型插入裝置有關，或較明確地涉及 一種複合式擺動器=複合型擺動器之中，如第8 A圖和第 8 B圖之示意性平視和側視視圖中所分別說明地 > 磁陣列 中之各極件4 3被夾在兩個永久磁塊4 1之間，各該永久 磁塊之磁化方向係沿著陣列方向或沿著中心軸線C地與最 近之磁塊的磁化方向相反且磁通被收斂至各個極件4 3以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 5 - 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印製 409488 a7 __B7____ 五、發明説明（3 ) 致於在間隙空間內產生強力磁場，該間隙空間之距離係兩 陣列之永磁體4 1與極件4 3之間的d。如於第8A圖中 所示地，各極件4 3之X軸方向的尺度小於永久磁塊4 1 之X軸方向的尺度以便使磁通易於轉換至電子所行經之中 心軸線C上。 既然擺動器被用來產生極高能量或高透力X射線之輻 射，則磁塊陣列之間的間隙茇間內所產生之磁場必須夠強 。雖然減小磁塊陣列間之距離d能增加磁場，但使間隙空 間之距離ςΐ減小至大體上小於1 0 m m以確保留下真空室 之空間卻係不實際之方式。使用體積增加之永久磁塊雖能 將磁場增加至某種程度，但此機構並未提出解決問題之道 ，其原因爲複合型擺動器中之極件4 3隨著永久磁塊4 1 之體積增加而磁飽和以致於限制了磁場，且荷氏型擺動器 中僅中心軸線C附近之永久磁塊的體積部分能有助於增加 磁場而遠離中心軸線C之體積部分則幾乎沒有助益。 據估計，中等大小之同步輻射儀器中若欲使用高透力 X射線的話則儀器中之擺動器需要產生至少2 T之磁場作 爲週期性磁場之峰値。無庸置喙的是，既然能提供較寬之 能量範圍的同步輻射，則增加儀器中之擺動器所產生之磁 場便能增加任何同步輻射儀器之可利用性。 發明之槪述： 本發明之目標因而欲提出一種複合型擺動器，此擺動 器能產生無法得自習知技術之擺動器的高週期性磁場。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )久4说格（210X297公釐) . , I1— — ΐ衣 I n ^ I nm (請先M讀背面之注意事項再填寫本買) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 —-----攸 五、發明説明（4 ) 於是’本發明提出一種複合型式之擺動器，此擺動器 含有一雙成對之以對立方式面對面的陣列，該陣列之間具 有間隙空間且眾多之主要永久磁塊與當作極件之眾多軟磁 性鐵磁材料（諸如鐵或鐵鈷合金等）之塊件被交替地列置 於陣列之縱向方向而形成各該陣列，一組陣列中之各主要 永久磁塊面對另組陣列中之主要永久磁塊之其中之一且一 組陣列中之各極件面對另組.陣列中之極件之其中之一，其 中各極件之側表面被一雙成對之輔助永久磁塊夾住。 *· 圖式之簡單說明： 第1 A圖係在X — z平面上觀視的本發明之複合式擺 動器的X — Z橫斷剖面視圖。 第1 B圖係沿著第1 A圖中之箭號I B - I B所指之 平面剖切並觀視的本發明之相同複合式擺動器的橫斷剖面 視圖。 第2圖係本發明之複合式擺動器中所使用的磁場調整 機制之橫斷剖面視圖。 第3 A圖係範例中備製的本發明之複合式擺動器之縱 向橫斷剖面視圖。 第3 B圖係沿著第3 A圖中之箭號I I I B -I I I B所指之方向剖切而觀視並於第3 A圖中加以說明 的本發明之複合式擺動器的橫斷剖面視圖。 第3 C圖係沿著第3A圖中之箭號I I 1C — I I I C所指之方向剖切而觀視並於第3 A圖中加以說明 -----^----种衣-------ΐτ------^ I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -7- 40948s A1 B7 五、發明説明（5 ) 的本發明之複合式擺動器的橫斷剖面視圖。 第4圖係顯示沿著範例中說明的本發明之複合式擺動 器中之中心軸線的磁場分布之座標圖。 第5圖係顯示週期性磁場之峰値爲間隙距離d之函數 的座標圖。 第6 A圖係習知技術之插入裝置的示意性透視視圖。 第6 B圖顯示第6 A圖，中說明的插入裝置之間隙空間 內的正弦曲線之週期性磁場。 第6 ς圖顯示經過第6 A圖中說明的插入裝置之間隙 空間的曲折之電子軌道》 第7圖係沿著縱向方向之荷氏型擺動器之示意性y — z側視視圖。 第8 A圖係習用之複合式擺動器的示意性X — 2平視 視圖。 第8 B圖係習用之複合式擺動器的示意性y _ Z平視 視圖。 經濟部中央橾準局負工消費合作社印製 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 主要元件對照表 1 主 要 磁 體 2 輔 助 磁 體 3 極 件 4 7 8 固 持 器 5 推 力 螺 絲 6 磁 體 壓 件 7 基 板 9 安 全 片 10 開 □ 1 1 螺 栓 11 -1 6 主要磁 體之端 表 面 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公釐）-8 -

40948S A7 __B7_ 五、發明説明（6 ) 21-26 輔助磁體之端表面 31，36 極件之端表面 較佳實施例之詳細說明： 如於上述給定之說明中所知悉地，本發明之複合式擺 動器的最具特徵性之特色在於陣列中之兩個相鄰之主要永 久磁塊之間所設置的各軟磁，性極件之側表面被一雙成對之 輔助永久磁塊夾住，藉此之助使得兩組陣列之間的間隙空 間內能產f.出乎意料之強磁場。 下文中，參照隨附圖式地詳細說明本發明之複合式擺 動器。 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印装 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1 A圖係在X- z平面內剖切的本發明之複合式擺 動器中之磁塊陣列的橫斷剖面視圖且第1 B圖係沿著第 1A圖中之箭號I B — I B所指之線剖切的y_z平面內 之同一複合式擺動器的橫斷剖面視圖。如可於這些圖式中 知悉地，複合式擺動器基本上含有一雙成對之以對立方式 面對面的磁塊陣列，該陣列之間留有距離爲d之間隙空間 G，與第8 A圖和第8 B圖中說明的習用之複合式擺動器 相同的是，以下歸屬爲主要磁體的眾多永久磁塊1、1和 以下歸屬爲極件的眾多軟磁性鐵磁材料之塊件3、3依交 替方式被列置於陣列之縱向方向而形成各該陣列。主要磁 體1、1之磁化方向爲沿著z軸之方向，即沿著磁塊陣列 之縱向方向，但這些主要磁體如各橫斷剖面1、1中寫明 之小箭號所指地以交替而相反方向之方式被磁化。間隙空 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) 格（210Χ297公釐） -9 - 409488 A7 _B7_ 五、發明説明（7 ) 間G內所產生之週期性磁場主要得力於主要磁體1、1和 極件3、3。 與習用之複合式擺動器中的磁塊陣列不同的是，各極 件3、3之側表面被以下歸屬爲輔助磁體的一雙成對之輔 助永久磁塊2、2夾住。即，各極件3被四個永久磁瑰包 圍·，其中兩個該永久磁塊係沿著陣列之縱向方向夾住極件 3的主要磁體1、1而另兩.個該永久磁塊係夾住極件3之 側表面的輔助磁體2、2。輔助磁體之磁化方向垂直於z 軸且位於y z平面內但某一輔助磁體2之磁化方向相反 於夾住極件3之對立之輔助磁體2的磁化方向並相反於最 接近之一雙成.對之輔助磁體2、2的磁化方向。藉這些輔 助磁體2、2之助，便能大大地加強間隙空間G內的正弦 曲線之週期性磁場。 經濟部中央橾準局員工消費合作杜印製 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 較佳的是分別面對間隙空間G的主要磁體1、輔助磁 體2和極件3之端表面1 1、2 1和3 1大體上共平面而 本質上共平面的主要磁體1和輔助磁體2的面向外側之端 表面1 6、26卻不與極件3、3的面向外側之端表面 3 6共平面，該端表面3 6如第1 B圖中之左半部所示地 成凹進狀。此列置之各個塊件1、2、3的重要性爲防止 磁通洩至擺動器系統以外並使磁通收斂朝向間隙空間G。 插入裝置中，槪括地極需將磁場分布中之變動減至最 小以致於在磁塊陣列完成組裝以後通常一定得作磁場之調 整。已知有數個方法被用來調整此磁場，包括在面對間隙 空間G的各永久磁塊之端表面附著軟磁之磁性材料之薄板 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐）-10- 409486 a7 B7 五、發明説明（8 ) 的方法以及在永久磁塊陣列之外側設置由軟磁之磁性材料 製成且具有磁場調整作用之構件的方法。方法中之前者不 可應用於本發明之複合式擺動器的原因爲永久磁塊之端表 面無可用之空間作上述磁性薄板之附著且方法中之後者亦 不實際之原因爲固持磁塊陣列之框架中需要繁複之結構。 第2圖以X — y平面內之橫斷剖面說明之框架之型式 ，該框架包含固持永久磁塊、2的固持器4和固持極件 3的固持器8，極件3之固持方式係藉推力螺絲5之轉動 而可在以對立方式面對而的輔助磁體2'2之間作滑動且 可相對於主要永久磁塊和包圍主要永久磁塊之輔助永久磁 塊1、1 、2、2地作鉛垂方向之移位。既然極件3之定 位大大地影響間隙空間G內之磁場，則即使推力螺絲5作 相當小之調整轉動亦能獲得磁場調整之完全作用。 形成極件3之磁性材料係諸如鐵和鐵基合金等軟磁性 鐵磁材料，其中之鐵鈷合金因其高飽和磁化而較佳。 以下藉舉例之方式詳細說明本發明之複合式擺動器。 範例： ' 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 備製第3 A圖、第3 B圖和第3 C圖中以橫斷剖面視 圖所說明之複合式擺動器。圖式中給定之尺度單位皆爲毫 米（mm)。第3A圖係依含有中心軸線C之y—ζ平面 內所剖切的磁塊陣列組裝件之鉛垂橫斷剖面視圖。第3 B 圖之橫斷剖面視圖係沿著第3A圖中之箭號I I IB — I I I B所指之線剖切而觀視的橫斷剖面視圖。第3 C圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 409486 A7 ____B7_____ 五、發明説明（9 ) 之橫斷剖面視圖係沿著第3 A圖中之箭號I I I C 一 I I I C所指之線剖切而觀視的橫斷剖面視圖。 用作主要磁體1 ' 1和輔助磁體2、2的永磁材料係 鈸鐵硼磁體，此鈸鐵硼磁體具有1 2 . 9仟高斯（kG) 之剩磁B r及1 2 . 9仟奧斯特（kOe )之矯頑磁力 1 H c ( N 4 2 Η，Shin-Etsu化學公司之產品），且極件 3、3由鐵鈷合金製成，此.鐵鈷合金之飽和磁感應強度爲 2 3 . 1仟高斯（Cemendur，Tokin公司之產品）。三個 極件3、β組裝成距離爲1 0 〇毫米的各組磁塊陣列。磁 塊陣列之間的間隙距離d爲3至3 0毫米的可變距離。 各組磁塊陣列含有藉非磁性固持器4和8之助而組裝 的四個主要磁體1、1與三個極件3、3，各該極件之側 表面皆被一雙成對之輔助磁體2、2夾住，此磁塊陣列受 到保護性安全片9之保護並藉螺栓11之助被磁體壓件6 固定而裝設於基板7上，該基板具有插置推力螺絲5所用 的開口 1 0，該推力螺絲係用作極件3之定位微調。 上述備製之複合式擺動器係實際之複合式擺動器的1 / 2縮尺之測試模型。例如，此測試模型中的5毫米之間 隙空間距離d相應於實際模型中的1〇毫米之間隙空間距 離。 第4圖係顯示沿著間隙距離d爲3 . 5毫米（實線） 或5 . 0毫米（點線）的上述備製之測試擺動器之中心軸 線C所獲得的y軸方向之週期性磁場B y之量測結果的座 標圖，其中以沿著z軸之距離z當作橫軸座標。應注意的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-12 - ------.----抽衣------ΪΤ------^ • . > (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 409488 _B7_ 五、發明説明（1t)) 是上側峰2之値略小於下側峰1之値。此因上側峰被夾在 指向下方的峰磁場之間。此情況異於週期數較大的實際擺 動器，該實際之擺動器中的峰磁場之値約爲當作中心峰之 峰2之値。 第5圖係顯示當間隙空間距離d變動至3 0毫米時的 峰1 (曲線1 )和峰2 (曲線2 )之磁場的峰値（絕對値 )。當間隙空間距離d爲5.0毫米或3.5毫米時峰2 之峰値分別爲2 · 8特斯拉（T )和3 · 0特斯拉，該間 隙空間距pd分別相應於實際擺動器中的10毫米與7毫 米之間隙空間距離。 , ^ 裝 訂 線 (请先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾隼局員工消費合作社印裝 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公釐）-13 -

Claims (1)

1. 409486 含! D8 々、申請專利範圍 1 _ —種複合型擺動器，含有以對立方式面對面的一 雙成對之陣列，該陣列之間具有間隙空間且眾多之主要永 久磁塊與當作極件之眾多軟磁性鐵磁材料之塊件被交替地 列置於陣列之縱向方向而形成各該陣列，一組陣列中之各 主要永久磁塊恰面對另組陣列中之主要永久磁塊之其中之 一且一組陣列中之各極件恰面對另組陣列中之極件之其中 之一，其中各該極件之側表面被一雙成對之輔助永久磁塊 夾住。 2 .m申請專利範圍第1項之複合型擺動器，其中各 該極件設置有機械機構以便使極件能在一雙成對之主要永 久磁塊和一雙成對之輔助永久磁塊所包圍之空間內沿著與 陣列縱向方向垂直之方向作滑動。 3 ·如申請專利範圍第1項之複合型擺動器，其中形 成極件的軟磁性鐵磁材料係鐵和鈷之合金。 4.如申請專利範圍第1項之複合型擺動器，其中主 要永久磁塊之磁化方向平行於陣列之縱向方向且反向於最 接近之主要永久磁塊之磁化方向，該主要永久磁塊與該最 接近之主要永久磁塊之間插置有極件。 5 ·如申請專利範圍第1項之複合型擺動器，其中輔 助永久磁塊之磁化方向垂直於陣列之縱向方向，而夾住極 件的一雙成對之兩個輔助永久磁塊以彼此相反之方向的方 式.被磁化。 6 .如申請專利範圍第1項之複合型擺動器，其中面 對間隙空間的陣列中之輔助永久磁塊、主要永久磁塊和極 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) Α4ϋ格（210X297公釐） _ ·|4 _ —i.------„---^--装--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本f ) ，1T 線 經濟部智慧財產苟員工消費合作杜印製 409486 ¥ C8 D8 六、申請專利範圍 件的端表面皆大體上共平面。 7 .如申請專利範圍第1項之複合型擺動器，其中遠 要 主 之 間 空 隙 間。 離進 遠凹 於成 對作 相式 以方 面的 表面 端表 之端 件之 極塊 的磁 間久 空永 隙助 間輔 離及 —ί—‘/---„---:丨裝-------訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局员工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家揉率（CNS ) Α4说格（210X297公釐） -15 -