WO2015155853A1 - ６列型アンジュレータ及びその制御方法 - Google Patents

６列型アンジュレータ及びその制御方法 Download PDF

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WO2015155853A1
WO2015155853A1 PCT/JP2014/060284 JP2014060284W WO2015155853A1 WO 2015155853 A1 WO2015155853 A1 WO 2015155853A1 JP 2014060284 W JP2014060284 W JP 2014060284W WO 2015155853 A1 WO2015155853 A1 WO 2015155853A1
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undulator
rows
transverse
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和浩 上田
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株式会社日立製作所
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H05H2007/041—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof for beam bunching, e.g. undulators

Definitions

  • the present invention relates to a six-row undulator and a control method thereof, and in particular, is installed in a straight portion of an X-ray free electron laser or an electron storage ring for generating emitted light, and generates electromagnetic waves such as X-rays with high brightness. It relates to a column type undulator.
  • the synchrotron radiation experimental facility has been developed as a major feature of high brightness and variable wavelength.
  • a conventional white light source that uses a deflecting electromagnet as the source does not provide sufficient brightness. Therefore, an undulator is installed as an insertion light source in the straight line between the deflecting electromagnets of the electron storage ring. Is being promoted.
  • the X-ray free electron laser has a structure in which a plurality of undulators are arranged in series downstream of the electron accelerator in order to make the light source more bright than the synchrotron ring.
  • An undulator is, for example, a permanent magnet or a magnet composed of a permanent magnet and a ferromagnetic material (iron-cobalt alloy) whose NS changes periodically, as in the examples described in Non-Patent Documents 1 to 3.
  • Patent Document 1 also describes a vacuum sealed undulator that generates a vertical magnetic field.
  • the vertical magnetic field created by the undulator magnetic field makes a sinusoidal periodic motion in a horizontal plane perpendicular to the magnetic field, and radiated light is generated from each meander point.
  • an undulator mode the case where radiated light generated at each meandering point interferes
  • a wiggler mode the case where it is superimposed.
  • the generated radiated light is superimposed, so that radiated light having a brightness about 10 to 100 times higher than the radiated light generated by the deflection electromagnet can be obtained.
  • the undulator mode since the radiated light generated at each meander point interferes, the luminance is proportional to the square of the number of meander points, and high-luminance radiated light about 100 to 1000 times can be obtained.
  • An undulator has quasi-monochromaticity and coherence that generate only high directivity and fundamental energy (and its integral multiple) because the radiated light generated at each meandering point interferes.
  • the magnet cycle length ⁇ u is designed according to the energy used, and the gap d is changed to change the energy of the emitted light.
  • a normal undulator uses a fundamental wave, a third harmonic wave, and a fifth harmonic wave to widen the energy range covered by one undulator.
  • variable deflection undulator is a six-row undulator in which two or three magnet rows are arranged above and below, but the period length ⁇ u of the magnet rows is the same for the purpose of creating a helical magnetic field.
  • Patent Document 3 discloses a six-row undulator that can create a “zero magnetic field mode” by moving the relative positional relationship of six-row magnets in the horizontal direction. That is, the invention of Patent Document 3 is an atmospheric type in which one of the transverse magnetic field / longitudinal magnetic field can be set to zero magnetic field by relatively moving the inner and outer magnet rows having different magnet periodic lengths ⁇ u in the horizontal direction. It is a variable polarization undulator.
  • the 6-row variable polarization undulator can create a longitudinal magnetic field, a transverse magnetic field, a right spiral magnetic field, and a left spiral magnetic field by changing the relative positional relationship of the magnet rows, horizontal polarization, vertical polarization, right circular polarization, Left-hand circularly polarized radiation can be generated.
  • a six-row undulator requires a z-axis that changes the gap (gap) between the upper and lower magnet rows and a six-axis y-axis that changes the magnet rows relatively. Since it is difficult to incorporate the y-axis drive device in a high vacuum, this variable polarization type undulator is not used in a vacuum sealed undulator in which magnet rows are arranged in a vacuum. That is, the variable polarization undulator is used only for an atmospheric undulator that generates X-rays up to soft X-rays, in which a magnet array can be arranged outside the vacuum chamber.
  • one undulator since one undulator has only a magnet cycle length in which the design basic energy is K ⁇ 1, it cannot cover a wider energy range. For this reason, normally, undulators having different magnet cycle lengths are respectively installed on different (plurality) beam lines. However, it may be required to measure a wide energy range with the same measuring device. This case is dealt with by installing two undulators having different magnet cycle lengths on the same straight line portion, that is, on the beam line (see FIG. 6 of Patent Document 3). However, since the length of the undulator is halved, the intensity is 1 ⁇ 4 or less, and the installation location of the undulator is different. For this reason, it is not suitable for an experimental apparatus such as an X-ray microscope that requires high-brightness and high-precision optical system design.
  • the main problem of the present invention is to provide a six-row undulator that can cover a wide energy range with a single unit and is compatible with vacuum sealing.
  • the six-row undulator includes two upper and lower central magnet rows extending along the electron beam axis direction, and four upper and lower horizontal magnets arranged on both outer sides of the central magnet row along the electron beam axis direction.
  • a central magnet driving device that moves the upper and lower two central magnet rows in a double-opening manner, and a horizontal magnet driving device that moves the upper and lower four horizontal magnet rows in a double-opening manner in the vertical direction;
  • the central magnet row is installed in a vacuum chamber, and the central magnet driving device and the horizontal magnet driving device are configured to set the interval between the central magnet row and the interval between the horizontal magnet rows in the vertical direction. It is configured to be controllable independently of each other.
  • a six-row undulator can be mounted as a vacuum-sealed undulator, and a vacuum-sealed undulator capable of generating radiated light of significantly different energy such as hard X-rays and soft X-rays is possible. .
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the overall configuration of a vacuum-sealed undulator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an external perspective view of the main part of the six-row undulator of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a magnet array of a six-row undulator according to Embodiment 1.
  • 6 is a table showing a control method for a gap of a six-row undulator according to high and low energy modes in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a magnet array when a longitudinal magnetic field is generated in Example 1.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a magnet array when a transverse magnetic field is generated in Example 1.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a configuration of an undulator combining a vacuum sealing type and an atmospheric type according to Example 2 of the present invention.
  • the block diagram of the undulator which connected the undulator of Example 1, 2 based on Example 3 of this invention in series. 10 is a table showing a control range of an undulator according to high and low energy modes in the third embodiment.
  • the base of the present invention is a six-row undulator in which three rows of magnets are arranged one above the other.
  • the six-row undulator is characterized in that a longitudinal magnetic field is generated by the central magnet row and a transverse magnetic field is generated by the remaining four magnet rows.
  • the gap axis for changing the interval between the central magnet rows and the gap axis for changing the interval between the outer four magnet rows are used as independent two drive shafts, so that the strength of the longitudinal magnetic field can be set as the gap axis for the longitudinal magnetic field.
  • the strength of the transverse magnetic field can be made variable by the transverse magnetic field gap axis.
  • the magnet cycle length is increased so that the K value of the transverse magnetic field becomes about 1. That is, the magnet cycle length of the outer four magnet rows that generate the transverse magnetic field is made longer than the magnet cycle length of the central magnet row of the six-row undulator magnet row.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of a vacuum-sealed undulator according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an external perspective view of the main part of the undulator of FIG.
  • the undulator 100 is a six-row undulator composed of three rows of magnets and upper and lower groups. That is, two upper and lower central magnet rows (magnet row 1 and magnet row 2) installed in the vacuum chamber 7 for generating a vertical magnetic field are connected to the central magnet row drive base 9 via the second straight introduction shaft 8. Fixed / held.
  • the central magnet row driving table 9 is driven by a central magnet driving device and moves in a double-opening manner up and down.
  • the outer two horizontal magnetic field generating magnet arrays (magnet array 3 to magnet array 6) are fixed and held on the horizontal magnet array driving table 10 via the first linear guide shaft 8.
  • the transverse magnet drive base 10 has a hole so as not to interfere with the second linear guide shaft 8 holding the central magnet row (magnet row 1 and magnet row 2).
  • the transverse magnet row driving table 10 is also driven by the transverse magnet driving device and moves up and down in a double-open manner.
  • the periphery of each linear guide shaft 8 that enters and exits the vacuum chamber 7 is covered with an expandable / contractible bellows.
  • the inside of the vacuum chamber 7 is decompressed to an ultrahigh vacuum by a vacuum pump 17.
  • the transverse magnet drive device includes a drive shaft (ball screw) 11 that is screwed into a nut of the transverse magnet row drive base 10 and a first drive shaft 11 that moves the transverse magnet row drive base 10 up and down by rotating the drive shaft 11 in the forward and reverse directions.
  • One drive motor 13A and motor driver 14 are provided.
  • the polarity of the ball screw is reversed up and down, so that the upper and lower magnet rows perform a double-opening type opening and closing movement.
  • the central magnet drive unit moves the central magnet row drive base 9 up and down by rotating a drive shaft (ball screw) 12 screwed into the nut of the central magnet row drive base 9 and rotating the drive shaft 12 in the forward and reverse directions.
  • a second drive motor 13B and a motor driver 14 are provided.
  • the motor driver 14 of the magnet drive device (lateral magnet drive device and central magnet drive device) is connected to a control device (controller and computer 16).
  • the computer 16 of the control device includes a processor (CPU), a memory, a database, an input / output unit, a communication interface, and the like.
  • the processor executes the program stored in the memory, thereby operating the undulator in the controller 15.
  • the motor driver 14 is controlled to realize a function of sending a command for driving each magnet driving device.
  • information such as gap values between the upper and lower central magnet rows and the upper and lower horizontal magnet rows necessary to generate radiated light with a predetermined energy in the undulator according to the high and low energy modes is stored in advance. Has been.
  • information for controlling the motor driver 14 in order to set the gap of the six-row undulator to a predetermined value is also held in the database.
  • the magnet drive device has two upper and lower central magnet rows (magnet row 1 and magnet row 2) and four upper and lower row magnetic field generating magnet rows (magnet row 3 to magnet row 6). Although it is movable in the (z-axis) direction, it is configured to be unmovable in both the front-rear (y-axis) direction and the left-right (x-axis) direction.
  • the magnet driving device has a function of individually controlling the gaps (upper and lower positions) of the central magnet row and the magnet row for generating the transverse magnetic field. It goes without saying that the present invention is not limited to such a configuration.
  • the undulator 100 drives the two sets of drive shafts 11 and 12 in accordance with the high and low energy modes, so that the upper and lower central magnet rows (the magnet row 1 and the magnet) are arranged around the electron beam axis 20. With respect to the row 2) and the upper and lower four horizontal magnet rows (magnet row 3 to magnet row 6), the interval between the center and the outer magnet rows can be individually opened and closed in a parallel state.
  • the main feature of the undulator frame of the present invention is that the gap (d) between the two upper and lower central magnet rows and the four upper and lower horizontal magnet rows can be driven separately around the electron beam axis 20. It is.
  • the upper and lower two magnet rows 1 to 6 are composed of a number of permanent magnets in the magnetization directions indicated by arrows in accordance with a magnet arrangement called a Halbach magnetic circuit.
  • a neodymium magnet was used as the permanent magnet.
  • the magnet arrays 1 to 6 a so-called hybrid type magnetic circuit in which a high-permeability magnetic body is disposed as a magnetic pole between permanent magnets may be employed.
  • Equation (2) E is the energy of electrons passing through the undulator, ⁇ u is the period length of the undulator magnet array, and parameter K is defined by the following equation (2).
  • B0 is the magnetic field intensity at the electron orbital position, and can be approximated by the following equation (3) in the case of a normal type undulator.
  • the magnetic field intensity at the electron beam axis by this magnet decreases in a 1 / R 2 relationship.
  • the distance between the transverse magnet rows is set to the maximum distance d2max.
  • the magnetic field intensity on the electron beam axis is an integral value of the magnetic field intensity corresponding to the distance from each point of each magnet to the electron beam axis.
  • R1 is d1V / 2 or a value close thereto. That is, by setting L, R1, and R2 to predetermined values, the magnetic field strength by the transverse magnet row can be made negligible compared with the magnetic field strength by the longitudinal magnet row, and only the longitudinal magnetic field is applied to the electron beam axis. Can be generated.
  • the distance (gap) d1 between the upper and lower central magnet rows and the distance d2 between the upper and lower horizontal magnet rows are individually changed to set the parameter K
  • the basic energy ⁇ 1 of 1) can be changed to switch between the high energy mode and the low energy mode. This provides a six-row undulator that can cover a wide energy range with a single unit.
  • FIG. 4 is a plan view of the magnet array of FIG. 3 developed with the electron beam axis 20 (y-axis) as a folding line.
  • Table 18 in FIG. 5 shows the concept of the gap control method by the horizontal magnet driving device and the central magnet driving device of the six-row undulator according to the high and low energy modes. That is, when it is desired to obtain high energy, the central magnet driving device narrows the gap d1 of the central magnet row, and the transverse magnet driving device widens the gap of the outer four magnet rows to the maximum value d2max. To do. When the distance in the x direction from the electron beam axis to the horizontal magnet row is L, d2max is set to a value larger than L. That is, d1 ⁇ d2max and L ⁇ d2max.
  • the central magnet driving device widens the gap of the central magnet row to the maximum value d1max, and the transverse magnet driving device narrows the gap d2 of the outer four rows of magnet rows. To do. That is, d2 ⁇ d1max and L ⁇ d1max.
  • the maximum gap values d1max and d2max between the magnet rows in the central magnet row and the horizontal magnet row are such that the strength of the magnetic field generated between the magnet rows is relative to the strength of the magnetic field generated between the other magnet rows. Therefore, it is set as a value that becomes small and can be ignored.
  • the computer database holds more detailed control parameters and numerical values for each energy mode corresponding to Table 18.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a magnet array when a longitudinal magnetic field is generated.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the magnet array when the longitudinal magnetic field is generated, and
  • FIG. 8 is a distribution diagram of the magnetic field in the electron beam axis direction when the longitudinal magnetic field is generated.
  • the gap d1 of the central magnet row is set to the longitudinal magnetic field gap axis (linear guide) so that only the longitudinal magnetic field is substantially generated on the electron beam axis 20.
  • a variable control (d1v) is performed that narrows the shaft 8) and adjusts the magnitude to a value at which a desired energy can be obtained.
  • the gap d2 of the outer four magnet rows is widened to the maximum value (d2max) with the gap axis for the transverse magnetic field (linear guide shaft 8).
  • d2max the maximum value
  • the central magnet row (1, 2) is positioned near the electron beam axis 20, and the relative positional relationship between the upper and lower central magnet rows (1, 2) is The relationship is such that NS or SN is opposite to each other. Thereby, a longitudinal magnetic field is generated between the central magnet rows.
  • d1v is preferably about 12 [mm] to 20 [mm]. If the gap is too wide, the magnetic field becomes weak, and the required magnetic field strength cannot be obtained with the electron beam axis.
  • d2max is set to 100 [mm] or more.
  • a transverse magnetic field is formed between the left and right transverse magnet rows (3, 5) and (4, 6).
  • the intensity of the transverse magnetic field in the electron beam axis 20 by the transverse magnet array is higher than the intensity of the longitudinal magnetic field by the center magnet array. And become so small that it can be ignored.
  • the distribution of the magnetic field on the electron beam axis substantially becomes a distribution of only the vertical magnetic field (Bz) as shown in FIG.
  • the electrons travel in the y-axis direction while meandering in a minute range of about 0.1 [mm] or less on the xy plane around the intersection of the x-axis and the z-axis. That is, by controlling the gaps d1 and d2 so that only the longitudinal magnetic field (Bz) acts on the electron beam without affecting the transverse magnetic field, an undulator having a K value corresponding to the period length of the central magnet array. Can be realized, and horizontally polarized radiation can be generated.
  • the gap of the central magnet row (1, 2) is widened to the maximum value (d1max) by the linear conducting shaft 8, and the horizontal magnet row (magnet row 3) is obtained.
  • Control is performed so that the gap of the magnet array 6) is narrowed by the linear guide shaft 8 and its size is variable (d2v).
  • the upper and lower longitudinal magnetic fields are erased, and substantially only the transverse magnetic field (Bx) as shown in FIG.
  • the electrons travel in the y-axis direction while meandering in a minute range of about 0.1 [mm] or less on the y-z plane around the intersection of the x-axis and the z-axis. That is, by controlling the electron beam so that the longitudinal magnetic field does not affect the electron beam and only the transverse magnetic field acts, an undulator with a K value corresponding to the period length of the outer four magnet rows can be realized. It is possible to generate polarized radiation.
  • the magnet cycle length of the transverse magnet row (3-6) is longer than the magnet cycle length of the central magnet row (1, 2).
  • the K value of the transverse magnetic field is set to about 1.
  • the gap of the central magnet row is narrowed by the vertical magnetic field gap axis so that only the vertical magnetic field is generated, and the gap of the outer four magnetic rows is set to the transverse magnetic field gap axis.
  • the undulator with a K value corresponding to the period length of the central magnet row can be realized, and the horizontally polarized radiation can be generated.
  • the K value corresponding to the periodic length of the outer four magnetic rows An undulator can be realized, and vertically polarized radiation can be generated.
  • a six-row undulator can be mounted as a vacuum-sealed undulator, and a vacuum-sealed undulator capable of generating radiated light of significantly different energy such as hard X-rays and soft X-rays can be realized.
  • a vacuum-sealed undulator capable of generating radiated light of significantly different energy such as hard X-rays and soft X-rays can be realized.
  • two undulators having different magnet cycle lengths by dividing one linear portion into two parts are necessary. It can be realized with a stand, and the length of the undulator can be secured twice or more, and the brightness can be increased by four times or more.
  • the PF-AR ring and SPring-8 synchrotron ring in the High Energy Accelerator Research Organization are 8 GeV electron storage rings.
  • the minimum values of d1v and d2v were 12 [mm].
  • the magnetic field at this time is a magnetic field in the z direction (longitudinal).
  • the maximum K value of this undulator is 2.24, and X-rays of 4.4 to 13 keV can be generated as basic energy.
  • the period length ⁇ u 160 mm [mm] of the magnet array 3 to magnet array 6 for generating the transverse magnetic field
  • the x-direction distance L 16 [mm] to the electron beam axis
  • the size of the neodymium magnet is 30 mm x 40 mm
  • the maximum value of the magnetic field is 0.4 mm [T] mm.
  • the magnetic field at this time is a magnetic field in the x direction (lateral) as shown in FIG.
  • the maximum K value of this undulator is 5.97, and X-rays of 0.2keV to 1.1keV can be generated as basic energy. If one undulator is used from basic energy to fifth-order light energy, it is possible to obtain radiated light of 0.2 keV to 5.5 keV in the transverse magnetic field and 4.4 keV to 65 keV in the longitudinal magnetic field.
  • the longitudinal magnetic field can be generated between the central magnet rows, and an undulator having a K value corresponding to the periodic length of the central magnet rows can be realized. Can be generated. Further, an undulator having a K value corresponding to the period length of the outer four magnet rows can be realized, and vertically polarized radiation can be generated. Further, according to this embodiment, it is possible to provide a vacuum-sealed undulator that can generate radiated light having greatly different energy such as hard X-rays and soft X-rays. Furthermore, two magnet arrays with different magnet cycle lengths that share one beam line of a single six-row undulator can be realized, so that the undulator length can be secured more than twice compared to the conventional method, and brightness Can achieve 4 times higher brightness.
  • FIG. 12 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a configuration of a six-row undulator 200 used in combination with a vacuum atmosphere according to the second embodiment.
  • the magnet row 1 and the magnet row 2 for generating the longitudinal magnetic field installed in the vacuum chamber 7 are connected to the central magnet row drive base 9 through the linear guide shafts 8.
  • This central magnet row drive base 9 is connected to a magnet drive device (13A, 14-16) that performs double-open movement.
  • a magnet array for generating a transverse magnetic field (magnet array 3 to magnet array 6) is installed in an air atmosphere outside the vacuum chamber and is connected to the transverse magnet array drive base 10.
  • the transverse magnet drive base is perforated so as not to interfere with the linear magnet shaft 8 connecting the central magnet array drive base and the magnet array 1 and the magnet array 2.
  • the transverse magnet row drive base 10 is also connected to a magnet drive device (13B, 14-16) that moves in a double-opening manner.
  • a magnet drive device 13B, 14-16
  • the vacuum chamber 7 has a small-diameter portion extending left and right along the x-axis direction that passes through the electron beam axis 20 and is perpendicular to the axis, and magnet rows for generating upper and lower transverse magnetic fields (magnet rows 3 to 6). Are opposed to each other across the small diameter portion, and one end of the small diameter portion is connected to the vacuum pump 17.
  • the transverse magnetic field generating magnet array (3 to 6) is outside the small diameter portion of the vacuum chamber 7, the minimum width d2 of the undulator gap is larger than that of the vacuum sealed type.
  • the minimum value of Gap (d1) of the magnet row 1 and the magnet row 2 for generating a vertical magnetic field is 12 [mm].
  • the periodic length ⁇ u of the magnet row 1 and the magnet row 2 is 32 [mm]
  • the size of the neodymium magnet is 35 ⁇ 8 ⁇ 35 [mm]
  • the maximum value of the magnetic field is 0.5 [T].
  • the magnetic field at this time is a magnetic field in the z direction (longitudinal).
  • the maximum K value of this undulator is 1.40, and X-rays of 10 keV to 19 keV can be generated as basic energy.
  • the minimum value of Gap (d2) is 30 [mm]. That is, the value of the distance L in the x direction is the sum of the margin between the central magnet row and the vacuum chamber, the margin between the horizontal magnet row and the vacuum chamber, and the thickness of the vacuum chamber wall. 4 mm wider than the value of the specific example when all the magnet rows are put in the vacuum chamber.
  • the minimum value of the upper and lower gaps (d2) of the upper and lower magnet rows for generating the transverse magnetic field is, for example, the vacuum part in the small diameter part of the vacuum chamber is (16 mm), and the thickness of the vacuum chamber wall, the upper and lower The margin between the magnet and the vacuum chamber, the margin of the corner bend, etc. are added.
  • the maximum value of the magnetic field is 0.3 mm [T] mm.
  • the magnetic field at this time is a magnetic field in the x direction (lateral) as shown in FIG.
  • This undulator has a maximum K value of 9, and can generate X-rays of 50 to 170 eV as basic energy. Even with this 6-row undulator, if we consider using from basic energy to fifth-order light energy, we can obtain synchrotron radiation of 50 eV to 860 eV in the transverse magnetic field and 10 keV to 96 keV in the longitudinal magnetic field.
  • a column type undulator can be provided.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a six-row undulator 300 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the undulator 300 a vacuum undulator and a vacuum atmosphere combined undulator are connected in series. That is, the six-row undulator 300 is configured by arranging the six-row undulator 100 of the first embodiment and the six-row undulator 200 of the second embodiment in series on the common beam axis 20.
  • Each central magnet row (magnet row 1 and magnet row 2) of each of the undulators 100 and 200, and each horizontal magnetic field generating magnet row (magnet row 3 to magnet row 6) are moved up and down (z Although it is movable in the (axis) direction, it is configured to be unmovable in both the front-rear (y-axis) direction and the left-right (x-axis) direction.
  • FIG. 14 is a table showing the control range of the six-row undulator 300 according to the high and low energy modes in the third embodiment.
  • Table 19 the left side is a high energy region and the right side is a low energy region.
  • the longitudinal magnetic field generated by the central magnet array (magnet array 1 and magnet array 2) of the undulator 100 or the central magnet array of the undulator 200 is used, and the light energy is either primary, tertiary or quintic.
  • high energy radiation light of 4.4 keV to 65 keV or more can be obtained.
  • the light energy of any one of the first, third, and fifth orders can be used to obtain 50 eV. It is possible to obtain low energy synchrotron radiation of up to 5.5 keV.
  • an undulator capable of generating radiant light with greatly different energy can be generated with one device.
  • the present invention is not limited to the six-row undulator, but can be applied to an eight-row type to which a drive shaft is further added.
  • Central magnet row 2 Central magnet row 3: Horizontal magnet row 4: Horizontal magnet row 5: Horizontal magnet row 6: Horizontal magnet row 7: Vacuum chamber 8: Linear conducting shaft 9: Central magnet row drive stand 10: Horizontal magnet row drive stand 11: Drive shaft of transverse magnet drive 12: Drive shaft of central stone drive 13A: First drive motor 13B: Second drive motor 14: Motor driver 15: Controller 16: Computer 17: Vacuum pump 20: Electron beam axis 100: Vacuum sealed undulator 200: undulator with vacuum atmosphere 300: Series undulator.

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Abstract

　電子ビーム軸方向に沿って延びる上下2列の中央磁石列と、前記電子ビーム軸方向に沿って、前記中央磁石列の両外側に配置された、上下4列の横磁石列と、前記上下2列の中央磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる中央磁石駆動装置と、前記上下4列の横磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる横磁石駆動装置とを備え、前記中央磁石列は、真空槽内に設置されており、前記中央磁石駆動装置と前記横磁石駆動装置は、前記上下方向における前記中央磁石列の間隔及び前記横磁石列の間隔を、互いに独立に制御可能に構成されている6列型アンジュレータ。

Description

６列型アンジュレータ及びその制御方法
　本発明は、6列型アンジュレータ及びその制御方法に係り、特に、X線自由電子レーザーや放射光発生用電子蓄積リングの直線部に設置し、輝度の高いX線等の電磁波を発生させる、6列型アンジュレータに関する。
　放射光実験施設は、高輝度、波長可変であることが大きな特徴として発展してきている。しかし更なる高輝度化に従い、従来の偏向電磁石を発生源とする白色光源では、十分な輝度が得られないため、電子蓄積リングの偏向電磁石間の直線部に挿入光源としてアンジュレータを設置し、光源とすることが進められている。特にX線自由電子レーザーは、放射光リングより更に高輝度な光源とするため、電子加速器の下流に複数台のアンジュレータを直列にならべた構造となっている。
　アンジュレータは、例えば、非特許文献1～3に記載の例のように、永久磁石または、永久磁石と強磁性体（鉄・コバルト合金）で構成された周期的に、N－Sが変化する磁石列で上下から電子蓄積リング中の電子を挟み、電子を蛇行させ放射光を発生させる装置である。特許文献1にも、垂直磁場を生成する真空封止型アンジュレータが記載されている。
　電子がアンジュレータ内を移動する際、アンジュレータの磁場列が作る垂直磁場により磁場に垂直な水平面内で正弦波状の周期運動を行い、各蛇行点から放射光が発生する。このとき、各蛇行点で発生した放射光が干渉する場合を、アンジュレータモード、重畳される場合をウィグラーモードと呼ばれる。ウィグラーモードの場合、発生した放射光が重畳されるため、偏向電磁石で発生する放射光より10～100倍程度高輝度な放射光が得られる。一方アンジュレータモードの場合、各蛇行点で発生した放射光が干渉するため、輝度は蛇行点数の2乗に比例することになり、100～1000倍程度の高輝度な放射光が得られる。アンジュレータでは、各蛇行点で発生した放射光が干渉するため、高い指向性と基本エネルギー（とその整数倍波）だけが発生する準単色性、コヒーレンス性がある。
　アンジュレータはK＝1付近で輝度が最大となるため、主に使うエネルギーに合わせて、磁石周期長λｕを設計し、ギャップdを変えて、発生する放射光のエネルギーを変化させる。通常のアンジュレータでは、基本波、3倍波、5倍波迄を用い、1台のアンジュレータがカバーするエネルギー範囲を広くしている。
　また、特殊なアンジュレータとして、特許文献2に記載された、垂直磁場／水平磁場を作ることができる可変偏光アンジュレータがある。この可変偏向アンジュレータは2列、または3列の磁石列を上下に配置した6列型アンジュレータであるが、螺旋磁場を作る都合上、磁石列の周期長λｕは同じである。
　特許文献3には、6列磁石の水平方向における相対位置関係を移動させることで「ゼロ磁場モード」が作れるようにした6列型アンジュレータが開示されている。すなわち、特許文献3の発明は、磁石の周期長λｕが異なる内外の磁石列を水平方向に相対移動させることにより、横磁場／縦磁場の一方を0磁場とすることが可能な、大気型の可変偏光アンジュレータである。
特開2009-4388号公報 特開2000-123999号公報 特開2014-13658号公報
Halbach, Nucl. Instr. and Math. 187, pp109 (1981) Sasaki, et. al. Nucl. Instr. and Math. A347, pp83 (1994) Tanaka, et. al. Rev. Sci. Instrum. 70, pp4153 (1999)
　6列型の可変偏光アンジュレータは、磁石列の相対位置関係を変化させることで縦磁場、横磁場、右螺旋磁場、左螺旋磁場を作ることができ、水平偏光、垂直偏光、右回円偏光、左回円偏光の放射光を発生させることができる。しかし、6列型のアンジュレータは、上下磁石列間隔（ギャップ）を変更するz軸と、磁石列を相対的に変化させる6軸のy軸が必要である。真空中に磁石列を配置する真空封止型アンジュレータには、y軸駆動装置を高真空中に組込むことが困難なため、この可変偏光型のアンジュレータは用いられていない。すなわち、可変偏光アンジュレータは、磁石列が真空槽の外側に配置可能な、軟X線までのX線を発生させる大気型のアンジュレータにしか利用されていない。
　また、1台のアンジュレータは、設計基本エネルギーでK≒1となる磁石周期長しか持たないため、更に広いエネルギー範囲をカバーすることができない。このため、通常は異なる（複数の）ビームラインに、各々、異なる磁石周期長のアンジュレータを設置して対応している。しかし、同一の計測装置で幅広いエネルギー範囲を計測することが求められる場合もある。この場合は、同一直線部に、すなわちビームラインに、磁石周期長の異なる2台のアンジュレータを設置する事で対応している（特許文献3の図6参照）。しかし、アンジュレータの長さが半分になるため、強度が1／4以下になり、アンジュレータの設置場所が異なるため、放射光の発生点（発光点）が異なることになる。このため、X線顕微鏡のような、高輝度で高い精度の光学系設計が必要な実験装置には不向きである。
　本発明の主たる課題は、1台で広いエネルギー範囲をカバーでき、かつ、真空封止に対応可能な、6列型のアンジュレータを提供することにある。
　本発明の代表的なものの一例を示すと、次の通りである。6列型アンジュレータは、電子ビーム軸方向に沿って延びる上下2列の中央磁石列と、前記電子ビーム軸方向に沿って、前記中央磁石列の両外側に配置された、上下4列の横磁石列と、前記上下2列の中央磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる中央磁石駆動装置と、前記上下4列の横磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる横磁石駆動装置とを備え、前記中央磁石列は、真空槽内に設置されており、前記中央磁石駆動装置と前記横磁石駆動装置は、前記上下方向における前記中央磁石列の間隔及び前記横磁石列の間隔を、互いに独立に制御可能に構成されていることを特徴とする。
　本発明によれば、真空封止型アンジュレータとして6列型アンジュレータが実装可能となり、硬X線と軟X線のように大きく異なるエネルギーの放射光が発生可能な真空封止型アンジュレータが可能になる。
本発明の実施例1に係る、真空封止型のアンジュレータの全体構成を示す縦断面図。 図1の6列型アンジュレータの主要部の外観斜視図。 実施例1に係る6列型アンジュレータの磁石列を示す斜視図。 図3の磁石列を、電子ビーム軸（ｙ軸）を折りたたみ線として展開した平面図。 実施例1における、高低のエネルギーモードに応じた、6列型アンジュレータのギャップの制御方式を示すテーブル。 実施例1における、縦磁場発生時の磁石列の模式図。 縦磁場発生時の磁石列の説明図。 縦磁場発生時における、電子ビーム軸方向の磁場の分布図。 実施例1における、横磁場発生時の磁石列の模式図。 横磁場発生時の磁石列の説明図。 横磁場発生時における、電子ビーム軸方向の磁場の分布図。 本発明の実施例2に係る、真空封止型と大気型を組み合わせたアンジュレータの構成を示す縦断面図。 本発明の実施例3に係る、実施例1、2のアンジュレータを直列接続したアンジュレータの構成図。 実施例3における、高低のエネルギーモードに応じた、アンジュレータの制御範囲を示すテーブル。
　まず、本発明の概要について述べる。本発明のベースは、3列の磁石列を上下に配置した6列型アンジュレータである。6列型アンジュレータは、中央磁石列で縦磁場を、残り4列の磁石列で横磁場を発生させることに特徴がある。
　すなわち、本発明では、中央磁石列の間隔を変えるギャップ軸と、外側4磁石列の間隔を変えるギャップ軸を独立2軸の駆動軸とすることで、縦磁場の強さを縦磁場用ギャップ軸で、横磁場の強さは横磁場用ギャップ軸で可変とすることが実現できる。また、駆動軸を2つのギャップ軸だけとすることで、高真空中に駆動装置を入れること無く6列の磁石列が組み込まれた、真空封止型アンジュレータが実現できる。
　また、縦磁場と比較して横磁場の電子軌道位置での最大磁場強度が小さくなるため、横磁場のK値が1程度になるように磁石周期長を長くする。すなわち、6列型のアンジュレータ磁石列の中央磁石列の磁石周期長より、横磁場をつくる外側4磁石列の磁石周期長を長くする。
　なお、大気型の6列型アンジュレータでは、相対位置関係を調整する事で、縦磁場：横磁場＝1：1とし、螺旋状に磁場が旋回する磁場も形成可能である。しかし、6列型アンジュレータは磁石の相対位置関係を変えるy軸が6軸必要であり、先に示したように、これを真空封止アンジュレータに利用する事はできない。
　本発明の実施例1を、図に従って説明する。図1に、本発明の実施例1に係る、真空封止型のアンジュレータの全体構成を示す。図2は、図1のアンジュレータの主要部の外観斜視図である。アンジュレータ100は、3列の磁石列、上下組からなる6列型アンジュレータである。すなわち、真空槽7内に設置された縦磁場発生用の上下2列の中央磁石列（磁石列1および磁石列2）は、第二の直線導入軸8を介して中央磁石列駆動台9に固定・保持されている。この中央磁石列駆動台9は、中央磁石駆動装置により駆動され、上下に両開き型の移動をする。外側の上下2列の横磁場発生用の磁石列（磁石列3～磁石列6）は、第一の直線導軸8を介して横磁石列駆動台10に固定・保持されている。横磁石駆動台10は、中央磁石列（磁石列1および磁石列2）を保持している第二の直線導軸8と干渉しないように、穴が開いている。横磁石列駆動台10も、横磁石駆動装置により駆動され、上下に両開き型の移動をする。真空槽7に出入りする各直線導軸8の周囲は、各々、伸縮可能なベローズにより覆われている。真空槽7内は、真空ポンプ１７により超高真空に減圧される。
　横磁石駆動装置は、横磁石列駆動台10のナットに螺合するドライブシャフト（ボールネジ）11と、このドライブシャフト11を正逆方向に回転させて横磁石列駆動台10を上下に移動させる第一の駆動モータ13Ａ及びモータドライバ14を有している。ボールネジの極性は上下で反転しており、これにより、上下の磁石列が両開き型の開閉運動を行う。また、中央磁石駆動装置は、中央磁石列駆動台9のナットに螺合するドライブシャフト（ボールネジ）12と、このドライブシャフト12を正逆方向に回転させて中央磁石列駆動台9を上下に移動させる第二の駆動モータ13Ｂ及びモータドライバ14を有している。
　磁石駆動装置（横磁石駆動装置及び中央磁石駆動装置）のモータドライバ14は、制御装置（コントローラおよびコンピュータ16）に接続されている。制御装置のコンピュータ16は、プロセッサ（ＣＰＵ）やメモリ、データベース、入出力部、通信用インタフェース等を備えており、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを実行することで、コントローラ15に、アンジュレータを稼動すべき高低のエネルギーモードに応じて、上記モータドライバ14を制御して各磁石駆動装置を駆動するための指令を送る機能を実現させる。データベースには、高低のエネルギーモードに応じてアンジュレータで所定のエネルギーの放射光を発生させるために必要な、上下の中央磁石列間及び上下横磁石列間のギャップの値等の情報が予め、保持されている。また、6列型アンジュレータのギャップを所定の値に設定するために、モータドライバ14を制御するための情報もデータベースに保持されている。
　なお、上記磁石駆動装置は、上下2列の中央磁石列（磁石列1および磁石列2）、及び、上下４列の横磁場発生用の磁石列（磁石列3～磁石列6）を、上下（ｚ軸）方向には移動可能であるが、前後（ｙ軸）方向、及び、左右（ｘ軸）方向には、何れも移動不可に構成されている。
　上記磁石駆動装置は、中央磁石列と横磁場発生用の磁石列の各ギャップ（上下位置）を個別に制御する機能を有するものであり、この機能を有する限りにおいて、実施例に示した具体的な構成に限定されないことは言うまでもない。
　本実施例のアンジュレータ100は、高低のエネルギーモードに応じて2セットのドライブシャフト11、12を駆動することにより、電子ビーム軸20の周囲において、上下2列の中央磁石列（磁石列1および磁石列2）、及び、上下４列の横磁石列（磁石列3～磁石列6）に関して、平行状態で中央とその両外側の磁石列間の間隔を個別に開閉することができる。このように、電子ビーム軸20を中心として、上下2列の中央磁石列と上下４列の横磁石列のギャップ（d）を別々に駆動できるようにすることが本発明のアンジュレータ架台の大きな特徴である。
　次に、アンジュレータの心臓部である磁石列に関して、図3を用いて説明する。上下2列の磁石列1～磁石列6は、ハルバッハ磁気回路と呼ばれている磁石配置に従って、矢印で示された磁化方向の多数の永久磁石から構成されている。本実施例において、永久磁石としてはネオジム磁石を用いた。なお、磁石列1～磁石列6として、永久磁石と永久磁石の間に高透磁率磁性体を磁極として配置したいわゆるハイブリッド型とよばれる磁気回路を採用しても良い。
　本発明のアンジュレータは、中央磁石列と横磁石列の周期長λｕが異なる。すなわち、中央磁石列の周期長λｕ2よりも、横磁場をつくる外側4磁石列の周期長λｕ1が長い。図3の例では、λｕ1／λｕ2＝6／5となっている。
　この周期長の差により、縦磁場発生時は、中央の磁石列1と磁石列2のギャップ8を狭め、左側の磁石列3と磁石列4、右側の磁石列5と磁石列6のギャップを広げる。これにより、中央磁石列の作る縦磁場が大きく、左右磁石列で作る横磁場を十分小さくすることができる。すなわち、1台のアンジュレータのみで大きな縦磁場を効率良く発生させることができる。
　逆に、横磁場発生時は、縦磁場発生用の磁石列1および磁石列2のギャップを広げ、左側の磁石列3と磁石列4、右側の磁石列5と磁石列6のギャップを狭めることで横磁場を作ることができる。すなわち、1台のアンジュレータのみで大きな横磁場を効率良く発生させることができる。
　ここで、アンジュレータが発生する放射光の基本エネルギーε1は次式（1）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　Eはアンジュレータ中を通過する電子のエネルギー、λｕはアンジュレータ磁石列の周期長であり、パラメータKは次式（2）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　B0は電子軌道位置での磁場強度であり、通常型のアンジュレータの場合、次式（3）で近似できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　C, Dは磁石の材質、形状よって定義される・するであり、dはアンジュレータ磁石列間の距離（ギャップ）である。アンジュレータはパラメータK＝1付近で輝度が最大となるため、主に使うエネルギーに合わせて、磁石周期長λｕを設計し、ギャップdを変えて、発生する放射光のエネルギーを変化させる。
　また、１つの磁石から電子ビーム軸までの距離をＲとすると、この磁石による電子ビーム軸における磁場強度は、1／Ｒ2の関係で減少する。例えば、電子ビーム軸に縦磁場のみを生成させたい場合、横磁石列間の距離を最大距離ｄ2maxに設定する。電子ビーム軸から横磁石列までのx方向距離をＬ、電子ビーム軸から横磁石列までの直線距離をＲ2とすると、Ｒ22＝Ｌ2＋（ｄ2max／2）2の関係となる。電子ビーム軸における磁場強度は、各磁石の各々の点から電子ビーム軸までの距離に応じた磁場強度の積分値となる。
　ここで、電子ビーム軸から縦磁場発生用の磁石列1および磁石列2までのｚ軸方向の直線距離をＲ1とすると、Ｒ1はｄ1V／2、若しくはそれに近い値となる。すなわち、Ｌ、Ｒ1、Ｒ2を所定の値とすることで、横磁石列による磁場強度を、縦磁場磁石列による磁場強度に比べて、無視できる程度に小さくでき、電子ビーム軸に縦磁場のみを生成できる。
　このように、本発明では、上下2列の中央磁石列間の距離（ギャップ）d1と上下4列の横磁石列間の距離d2を、個別に変えてパラメータKを設定することで、(式1)の基本エネルギーε1を変化させ、高エネルギーモードと低エネルギーモードとを切り替えることができる。これにより、1台で広いエネルギー範囲をカバーすることができる6列型アンジュレータを提供するものである。
　図4は、図3の磁石列を、電子ビーム軸20（ｙ軸）を折りたたみ線として展開した平面図である。なお、ここでは、中央磁石列（1、2）の磁石周期長λｕ2と横磁石列（3～6）の磁石周期長λｕ1が、λｕ1／λｕ2＝4／1の例を示している。
　図5の表18は、高低のエネルギーモードに応じた、6列型アンジュレータの横磁石駆動装置及び中央磁石駆動装置によるギャップの制御方式の概念を示したものである。すなわち、高エネルギーを得たい場合には、中央磁石駆動装置が中央磁石列のギャップｄ1を狭くし、横磁石駆動装置が外側4列の磁石列のギャップを最大値ｄ2max迄広くした高エネルギーモードとする。なお、電子ビーム軸から横磁石列までのx方向距離をＬとしたとき、ｄ2maxはＬよりも大きな値とする。  
　すなわち、ｄ1≪ｄ2max、Ｌ＜ｄ2max　とする。  
　一方、低エネルギーを得たい場合には、中央磁石駆動装置が中央磁石列のギャップを最大値ｄ1max迄広くし、横磁石駆動装置が外側4列の磁石列のギャップｄ2を狭くした低エネルギーモードとする。  
　すなわち、ｄ2≪ｄ1max、Ｌ＜ｄ1max　とする。  
　なお、中央磁石列及び横磁石列における各磁石列間のギャップ最大値ｄ1max、ｄ2maxは、その磁石列間に生成される磁場の強度が、他の磁石列間に生成される磁場の強度に対して、無視できる低度に小さくなる値として、設定される。
　このようにして、1台で、広いエネルギー範囲をカバーするアンジュレータを提供することができる。
　なお、磁石駆動装置を制御するために、コンピュータのデータベースには、表18に対応する、エネルギーモード毎のより詳細な制御パラメータや、数値等が保持されている。
　図6は、縦磁場発生時の磁石列の模式図である。また、図7は、縦磁場発生時の磁石列の説明図、図8は、縦磁場発生時における、電子ビーム軸方向の磁場の分布図である。
　図6に示したように、高エネルギーを得たい場合には、電子ビーム軸20上に実質的に縦磁場だけを発生させるように、中央磁石列のギャップｄ1を縦磁場用ギャップ軸（直線導軸8）で狭め、かつ、その大きさを所望のエネルギーが得られる値に調節する可変制御（ｄ1ｖ）を行う。
　一方、外側4列の磁石列のギャップｄ2を横磁場用ギャップ軸（直線導軸8）で、最大値（ｄ2ｍａｘ）迄広げる。これにより、電子ビーム軸20の近傍には、図7に示すように、中央磁石列（1、2）のみが位置し、かつ、上下の中央磁石列（1、2）の相対位置関係を、N－S 若しくはS－Nが相対向するような関係とする。これにより、中央磁石列間には縦磁場が発生する。ｄ1ｖは、実用上、12[mm]～20[mm]程度とするのが望ましい。ギャップを広げすぎると、磁場が弱くなり、電子ビーム軸で、必要な磁場強度が得られない。一方、ｄ2ｍａｘは、100[mm]以上とする。
　なお、左右の横磁石列（3、5）、（4、6）間にも、微弱ながら、横磁場が形成される。しかし、横磁石列間のx方向距離が大きいため、横磁場の強度は、上下の中央磁石列間の縦磁場の強度に比べて遥かに小さいものとなる。すなわち、電子ビーム軸20から横磁石列までのx方向距離をＬ、電子ビーム軸20から横磁石列までの直線距離をＲ2とすると、Ｒ22＝Ｌ2＋（ｄ2max／2）2の関係にある。ｄ1ｖに比べてｄ2ｍａｘが遥かに大きく、しかも横磁石列は中央磁石列よりも外側にあるので、横磁石列による電子ビーム軸20における横磁場の強度は、中央磁石列による縦磁場の強度に対して、無視できる低度に小さくなる。
　一例として、Ｌ＝12[mm]、ｄ1ｖ＝12[mm]、ｄ2ｍａｘ＝100[mm]とすると、Ｒ12＝36、Ｒ22＝Ｌ2＋（ｄ2max／2）2＝2644となる。従って、Ｒ12／Ｒ22＝36／2644＝0.0136となる。すなわち、Ｒ1、Ｒ2と横磁石列による磁場強度は、縦磁場磁石列による磁場強度に比べて、無視できる程度に小さくなり、電子ビーム軸に縦磁場のみを生成できる。
　その結果、電子ビーム軸上の磁場の分布は、実質的に、図8示したように、横磁場が消去され、縦磁場（Ｂｚ）のみの分布となる。この時、電子は、ｘ軸とｚ軸の交点を中心として、x-y平面で0．1[mm]以下程度の微小な範囲で蛇行しながら、ｙ軸方向に進む。すなわち、電子ビームに対して、横磁場は影響を及ぼさず、縦磁場（Ｂｚ）のみが作用するようにギャップｄ1、ｄ2を制御することで、中央磁石列の周期長に対応したK値のアンジュレータが実現でき、水平偏光の放射光を発生させることが可能となる。
　一方、低エネルギーを得たい場合には、図9に示したように、中央磁石列（1、2）のギャップを直線導軸8で最大値（ｄ1ｍａｘ）迄広げ、横磁石列（磁石列3～磁石列6）のギャップを直線導軸8で狭め、かつ、その大きさを可変（ｄ2ｖ）とする制御を行う。
　これにより、電子ビーム軸20の近傍には、図10に示すように、横磁石列（3～6）のみが位置し、かつ、相対応する上下の横磁石列（3、4）、（5、6）の相対位置関係を、N－N、若しくは、S－Sが相対向するような関係となる。一方、相対応する左右の横磁石列（3、5）、（4、6）の相対位置関係は、N－S 若しくはS－Nが相対向するような関係となる。電子ビーム軸20から横磁石列までのx方向距離をＬ、電子ビーム軸20から横磁石列までの直線距離をＲ2とすると、Ｒ22＝Ｌ2＋（ｄ2ｖ／2）2の関係にある。その結果、ビーム軸20上の磁場の分布は、左右の横磁石列間に、上磁石列（5－3）、下磁石列（6－4）間の磁束の向きが同じ方向に重畳された、横磁場が発生する。
　一方、ｄ2ｖに比べてｄ1ｍａｘは遥かに大きいので、中央磁石列による電子ビーム軸20における縦磁場の強度は、横磁石列による横磁場の強度に対して、無視できる程度に小さくなる。
　すなわち、上下の縦磁場は消去され、実質的に、図11示したような、横磁場（Ｂｘ）のみとなる。この時、電子は、ｘ軸とｚ軸の交点を中心として、y-z平面で0．1[mm]以下程度の微小な範囲で蛇行しながら、ｙ軸方向に進む。すなわち、電子ビームに対して、縦磁場は影響を及ぼさず、横磁場のみが作用するように制御することで、外側4列の磁石列の周期長に対応したK値のアンジュレータが実現でき、垂直偏光の放射光を発生させることが可能となる。
　なお、縦磁場と比較して横磁場の電子軌道位置での最大磁場強度が小さくなるため、中央磁石列（1、2）の磁石周期長よりも横磁石列（3～6）の磁石周期長を長くして、横磁場のK値が1程度になるようにしている。
　本実施例の真空封止型アンジュレータによれば、縦磁場だけを発生させるように、中央磁石列のギャップを縦磁場用ギャップ軸で狭め、外側4列の磁石列のギャップを横磁場用ギャップ軸で広げることで、中央磁石列の周期長に対応したK値のアンジュレータが実現でき、水平偏光の放射光を発生させることが可能となる。また、中央磁石列のギャップを縦磁場用ギャップ軸で広げ、外側4列の磁石列のギャップを横磁場用ギャップ軸で狭めることで、外側4列の磁石列の周期長に対応したK値のアンジュレータが実現でき、垂直偏光の放射光を発生させることが可能となる。
　本実施例によれば、真空封止型アンジュレータとして6列型アンジュレータが実装可能となり、硬X線と軟X線のように大きく異なるエネルギーの放射光が発生可能な真空封止型アンジュレータが可能になる。また、磁石周期長の異なるアンジュレータを1つのビームラインで利用するには、1つの直線部を2分割して磁石周期長の異なる2台のアンジュレータが必要であったが、本発明によれば1台で実現可能であり、アンジュレータの長さが2倍以上確保でき、輝度で4倍以上の高輝度化が実現できる。
　次に、本実施例の6列型アンジュレータ100の、より具体的な実施例について述べる。  
　高エネルギー加速器研究機構（大学共同利用機関法人）内のＰＦ-ＡＲリングやＳＰｒｉｎｇ-8放射光リングは、8ＧｅVの電子蓄積リングである。このリング用に、本実施例に基づく真空封止アンジュレータを設計した場合、ｄ1ｖ、ｄ2ｖの最小値は12[mm]となった。縦磁場発生用の中央磁石列（磁石列1および磁石列2）の周期長λｕ＝40 [mm]とすると、ネオジム磁石の大きさが35 x 20 x 35 [mm]、磁場の最大値は0.6 [T]となる。この時の磁場は図6に示すように、ｚ方向（縦）の磁場である。このアンジュレータの最大K値は2.24 となり、4.4keV～13keVのX線を基本エネルギーとして発生させることができる。
　また、横磁場発生用の磁石列3～磁石列6の周期長λｕ＝160 [mm]とし、電子ビーム軸までのx方向距離Ｌ=16[mm]、ネオジム磁石の大きさを30 x 40 x 35 [mm]とすることで、磁場の最大値は0.4 [T] となる。この時の磁場は、図9に示すようにx方向（横）の磁場である。このアンジュレータの最大K値は5.97となり、0.2keV～1.1keVのX線を基本エネルギーとして発生させることができる。このアンジュレータ1台でも基本エネルギーから5次光エネルギーまで利用する事を考えれば、横磁場で0.2keV～5.5keV、縦磁場で4.4keV～65keVの放射光を得ることができる。
　従来のアンジュレータの場合、このような幅広いエネルギー範囲の放射光を得るには2台のアンジュレータが必要である。9[m]の直線部に2台アンジュレータを入れる場合でも、電子軌道制御系の電磁石等の必要性から、3[m]のアンジュレータを2台設置するのが限度である。しかし、本発明を用いた場合、1台、7[m]のアンジュレータで幅広いエネルギー範囲の放射光を得る事が可能となる。この場合の輝度は3[m]のアンジュレータ1台と比較して約5.5倍となる。
　以上述べたように、本実施例によれば、中央磁石列間に縦磁場だけを発生させることができ、中央磁石列の周期長に対応したK値のアンジュレータが実現でき、水平偏光の放射光を発生させることが可能となる。また、外側4列の磁石列の周期長に対応したK値のアンジュレータが実現でき、垂直偏光の放射光を発生させることも可能となる。  
　また、本実施例によれば、1台で、硬X線と軟X線のように大きく異なるエネルギーの放射光が発生可能な真空封止型アンジュレータを提供することができる。  
　さらに、1台の6列型アンジュレータの1つのビームラインを共用する、磁石周期長の異なる2つの磁石列を実現できるので、従来方式に比べて、アンジュレータの長さを2倍以上確保でき、輝度で4倍以上の高輝度化が実現できる。
　次に、本発明の第2の実施例について説明する。図12は、実施例2に係る真空大気併用の6列型アンジュレータ200の構成を示す縦断面図である。
　真空大気併用6列型アンジュレータ200では、真空槽7内に設置された縦磁場発生用の磁石列1および磁石列2は直線導軸8を介して中央磁石列駆動台9に接続されている。この中央磁石列駆動台9は両開き型の移動をする磁石駆動装置（13Ａ、14－16）に繋がっている。横磁場発生用の磁石列（磁石列3～磁石列6）は真空槽の外側の大気雰囲気中に設置され横磁石列駆動台10に接続されている。横磁石駆動台には中央磁石列駆動台と磁石列1および磁石列2を接続している直線導軸8と干渉しないように穴が開いている。横磁石列駆動台10も両開き型の移動をする磁石駆動装置（13Ｂ、14－16）に繋がっている。なお、ここでは、図2に示したドライブシャフト11、12は図示を省略している。真空槽7は、電子ビーム軸20を通り該軸に直角なｘ軸方向に沿って左右に延びる径小部を有し、上下の横磁場発生用の磁石列（磁石列3～磁石列6）は、この径小部を挟んで相対向し、この径小部の一端が真空ポンプ１７に接続されている。
　この実施例の場合、横磁場発生用磁石列（3～6）が真空槽7の径小部の外側にあるため、アンジュレータギャップの最小幅ｄ2が真空封止型より大きくなる。
　本実施例の真空大気併用6列型アンジュレータ200の、より具体的な実施例について述べると次の通りである。  
　8ＧｅVの電子蓄積リング用に本発明の別の実施例を設計した場合、垂直磁場発生用の磁石列1と磁石列2のGap(d1)の最小値は12[mm]となる。磁石列1および磁石列2の周期長λｕ＝32[mm]とすると、ネオジム磁石の大きさが35 x 8 x 35 [mm]磁場の最大値は0.5 [T]となる。この時の磁場は図6に示すように、ｚ方向（縦）の磁場である。このアンジュレータの最大K値は1.40 となり、10keV～19keVのX線を基本エネルギーとして発生させることができる。
　また、横磁場発生用の磁石列3～磁石列6の周期長λｕ＝320 [mm]とし、電子ビーム軸までのx方向距離Ｌは真空槽の厚みと磁石駆動装置のマージンにより20[mm]となり、Gap(d2)の最小値は30[mm]となる。すなわち、x方向距離Ｌの値は、中央磁石列と真空槽の間のマージン、横磁石列と真空槽の間のマージン、及び、真空槽の壁の厚みの和であり、実施例１のように磁石列の全部を真空槽に入れた場合の具体例の値よりも、4ｍｍ広くなっている。また、横磁場発生用の上下の磁石列の上下のGap(d2) の最小値は、例えば、真空槽の径小部における真空部分を(16mm)とし、これに真空槽の壁の厚み、上下の磁石と真空槽の間のマージン、角の曲がり部分のマージン等を加えて、決定されている。
　ネオジム磁石の大きさを30 x 80 x 35 [mm]とすることで、磁場の最大値は0.3 [T] となる。この時の磁場は図9に示すようにx方向（横）の磁場である。このアンジュレータの最大K値は9となり、50eV～170eVのX線を基本エネルギーとして発生させることができる。この6列型アンジュレータ1台でも、基本エネルギーから5次光エネルギーまで利用する事を考えれば、横磁場で50eV～860eV、縦磁場で10keV～96keVの放射光を得ることができる。
　本実施例によれば、真空大気併用の6列型アンジュレータとすることで、1台の装置で、広範囲の高低のエネルギーモードを設定することができ、大きく異なるエネルギーの放射光が発生可能な6列型アンジュレータを提供することができる。
　次に、図13は、本発明の実施例3に係る6列型アンジュレータ300の構成図である。アンジュレータ300は、真空アンジュレータと真空大気併用アンジュレータとが直列接続されている。すなわち、6列型アンジュレータ300は、実施例1の6列型アンジュレータ100と実施例2の6列型アンジュレータ200を、共通のビーム軸20上に、直列に配置したものである。アンジュレータ100及び200の各中央磁石列（磁石列1および磁石列2）、及び、各横磁場発生用の磁石列（磁石列3～磁石列6）は、共通の磁石駆動装置を、上下（ｚ軸）方向には移動可能であるが、前後（ｙ軸）方向、及び、左右（ｘ軸）方向には、何れも移動不可に構成されている。
　図14は、実施例3における、高低のエネルギーモードに応じた、6列型アンジュレータ300の制御範囲を示すテーブルである。テーブル19において、左側は高エネルギー、右側は低エネルギーの領域とっている。高低のエネルギーモードに応じて、アンジュレータ100の中央磁石列（磁石列1および磁石列2）又はアンジュレータ200の中央磁石列による縦磁場を用い、1次、3次、5次の何れかの光エネルギーを利用することにより、4．4keV～65keV、あるいはそれ以上の高エネルギーの放射光を得ることができる。
　一方、アンジュレータ100の横磁場発生用の磁石列又はアンジュレータ200の横磁場発生用の磁石列による横磁場を用い、1次、3次、5次の何れかの光エネルギーを利用することにより、50eV～5．5keV程度の低エネルギーの放射光を得ることができる。
　このように、本実施例によれば、真空アンジュレータと真空大気併用アンジュレータを直列に接続した6列型アンジュレータとすることで、1台の装置で、大きく異なるエネルギーの放射光が発生可能なアンジュレータを提供することができる。すなわち、2つのアンジュレータ100、200を直列に配置する事で、50eV程度の低エネルギーから96keVまでの高エネルギーに至る、非常に幅広いエネルギー範囲を2台のアンジュレータでカバーすることが可能となる。
　なお、本発明は、6列型アンジュレータに限定されるものではなく、駆動軸をさらに追加した8列型などにも適用可能である。
1：中央磁石列
2：中央磁石列
3：横磁石列
4：横磁石列
5：横磁石列
6：横磁石列
7：真空槽
8：直線導軸 
9：中央磁石列駆動台
10：横磁石列駆動台
11：横磁石駆動装置のドライブシャフト
12：中央石駆動装置のドライブシャフト
13Ａ：第一の駆動モータ
13Ｂ：第二の駆動モータ
14：モータドライバ
15：コントローラ
16：コンピュータ
17：真空ポンプ
20：電子ビーム軸
100：真空封止型アンジュレータ
200：真空大気併用アンジュレータ
300：直列型アンジュレータ。

Claims (15)

  1. 　電子ビーム軸方向に沿って延びる上下2列の中央磁石列と、
    　前記電子ビーム軸方向に沿って、前記中央磁石列の両外側に配置された、上下4列の横磁石列と、
    　前記上下2列の中央磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる中央磁石駆動装置と、
    　前記上下4列の横磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる横磁石駆動装置とを備え、
    　前記中央磁石列は、真空槽内に設置されており、
    　前記中央磁石駆動装置と前記横磁石駆動装置は、前記上下方向における前記中央磁石列の間隔及び前記横磁石列の間隔を、互いに独立に制御可能に構成されている
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  2. 　請求項1において、
    　前記中央磁石駆動装置及び前記横磁石駆動装置を制御する制御装置を有し、
    　前記中央磁石駆動装置及び前記横磁石駆動装置は、
    　前記中央磁石列及び横磁石列における各磁石列間のギャップを、その磁石列間に生成される磁場の強度が他の磁石列間に生成される磁場の強度に対して無視できる低度に小さくなる、最大値に設定可能に構成されている
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  3. 　請求項2において、
    　前記電子ビーム軸から前記横磁石列までのx方向距離をＬとしたとき、
    　前記ギャップの最大値は、前記Ｌよりも大きな値である
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  4. 　請求項3において、
    　前記中央磁石駆動装置により前記中央磁石列のギャップを狭くし、前記横磁石駆動装置により前記横磁石列のギャップを前記最大値迄広くすることにより、前記電子ビーム軸上の磁場の分布を、横磁場が消去され、縦磁場のみの分布とする
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  5. 　請求項3において、
    　前記中央磁石駆動装置により前記中央磁石列のギャップを前記最大値迄広くし、前記横磁石駆動装置により前記横磁石列のギャップを狭くすることにより、前記電子ビーム軸上の磁場の分布を、縦磁場が消去され、横磁場のみの分布とする
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  6. 　請求項２において、
    　前記横磁石列は、前記真空槽内に設置されており、
    　前記横磁石列は、第一の直線導入軸を介して前記真空槽外の大気雰囲気に設けられた横磁石列駆動台に固定・保持されており、
    　前記中央磁石列は、第二の直線導入軸を介して前記真空槽外の大気雰囲気に設けられた中央磁石列駆動台に固定・保持されており、
    　前記横磁石駆動装置は、大気雰囲気に設けられ前記横磁石列駆動台を上下に移動させる第一の駆動モータを有し、
    　前記中央磁石駆動装置は、大気雰囲気に設けられ前記中央磁石列駆動台を上下に移動させる第二の駆動モータを有する
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  7. 　請求項２において、
    　前記真空槽は、前記電子ビーム軸を通り該軸に直角なｘ軸方向に沿って左右に延びる径小部を有し、
    　前記上下の横磁石列は、前記径小部を挟んで、該真空槽外の大気雰囲気に設置されており、
    　前記横磁石列は、第一の直線導入軸を介して大気雰囲気に設けられた横磁石列駆動台に固定・保持されており、
    　前記中央磁石列は、第二の直線導入軸を介して前記真空槽外の大気雰囲気に設けられた中央磁石列駆動台に固定・保持されており、
    　前記横磁石駆動装置は、大気雰囲気に設けられ前記横磁石列駆動台を上下に移動させる第一の駆動モータを有し、
    　前記中央磁石駆動装置は、大気雰囲気に設けられ前記中央磁石列駆動台を上下に移動させる第二の駆動モータを有する
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  8. 　請求項2において、
    　前記中央磁石列の周期長よりも前記横磁石列の周期長が長い
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  9. 　請求項8において、
    　前記中央磁石列は、前記電子ビーム軸から見た場合の前記上下の中央磁石列の相対位置関係が、N－S 若しくはS－Nが相対向するような関係となっている
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  10. 　請求項8において、
    　前記横磁石列は、前記電子ビーム軸から見た場合の前記上下の横磁石列の相対位置関係が、N－N、若しくは、S－Sが相対向するような関係とし、かつ、相対応する左右の前記横磁石列の相対位置関係は、N－S 若しくはS－Nが相対向するような関係となっている
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  11. 　真空封止型アンジュレータと、真空大気併用アンジュレータとが共通の電子ビーム軸上に、直列に配置されており、
    　前記真空封止型アンジュレータ及び前記真空大気併用アンジュレータは、各々、
    　前記電子ビーム軸方向に沿って延びる上下2列の中央磁石列と、
    　前記電子ビーム軸方向に沿って、前記中央磁石列の両外側に配置された、上下4列の横磁石列と、
    　前記上下2列の中央磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる中央磁石駆動装置と、
    　前記上下4列の横磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる横磁石駆動装置とを備え、
    　前記各中央磁石列は、真空槽内に設置されており、
    　前記真空封止型アンジュレータの前記横磁石列は、前記真空槽内に設置されており、
    　前記真空大気併用アンジュレータの前記横磁石列は、前記大気雰囲気中に設置されており、
    　前記各中央磁石駆動装置と前記各横磁石駆動装置は、各々、前記上下方向における前記中央磁石列の間隔及び前記横磁石列の間隔を、互いに独立に制御可能に構成されている
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  12. 　請求項11において、
    　前記真空封止型アンジュレータ及び前記真空大気併用アンジュレータは、
    　前記中央磁石駆動装置及び前記横磁石駆動装置を制御する制御装置を有し、
    　前記中央磁石駆動装置及び前記横磁石駆動装置は、
    　前記中央磁石列及び横磁石列における各磁石列間のギャップを、その磁石列間に生成される磁場の強度が、他の磁石列間に生成される磁場の強度に対して、無視できる低度に小さくなる最大値に設定可能に構成されている
    ことを特徴とする6列型アンジュレータ。
  13. 　6列型アンジュレータの制御方法であって、
    　前記6列型アンジュレータは、
    　電子ビーム軸方向に沿って延びる上下2列の中央磁石列と、
    　前記電子ビーム軸方向に沿って、前記中央磁石列の両外側に配置された、上下4列の横磁石列と、
    　前記上下2列の中央磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる中央磁石駆動装置と、
    　前記上下4列の横磁石列を前記上下方向に両開き型に移動させる横磁石駆動装置と、
    　前記中央磁石駆動装置及び前記横磁石駆動装置を制御する制御装置を備え、
    　前記中央磁石列は、真空槽内に設置されており、
    　前記制御装置は、
    　高エネルギーが要求される場合には、
    　前記中央磁石駆動装置により前記中央磁石列のギャップを狭くし、前記横磁石駆動装置により前記横磁石列のギャップを最大値迄広くして、前記電子ビーム軸上の磁場の分布を、横磁場が消去され、縦磁場のみが分布する高エネルギーモードとし、
    　低エネルギーが要求される場合には、
    　前記中央磁石駆動装置により前記中央磁石列のギャップを最大値迄広くし、前記横磁石駆動装置により前記横磁石列のギャップを狭くすることにより、前記電子ビーム軸上の磁場の分布を、縦磁場が消去され、横磁場のみが分布する低エネルギーモードとする
    ことを特徴とする6列型アンジュレータの制御方法。
  14. 　請求項13において、
    　前記ギャップの最大値は、前記電子ビーム軸から前記横磁石列までのx方向距離をＬとしたとき、該Ｌよりも大きな値である
    ことを特徴とする6列型アンジュレータの制御方法。
  15. 　請求項14において、
    　前記横磁石列は、前記真空槽内に設置されており、
    　前記横磁石列は、第一の直線導入軸を介して前記真空槽外の大気雰囲気に設けられた横磁石列駆動台に固定・保持されており、
    　前記中央磁石列は、第二の直線導入軸を介して前記真空槽外の大気雰囲気に設けられた中央磁石列駆動台に固定・保持されており、
    　前記横磁石駆動装置は、大気雰囲気に設けられ前記横磁石列駆動台を上下に移動させる第一の駆動モータを有し、
    　前記中央磁石駆動装置は、大気雰囲気に設けられ前記中央磁石列駆動台を上下に移動させる第二の駆動モータを有する
    ことを特徴とする6列型アンジュレータの制御方法。
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