JPH02201899A - 荷電粒子装置用偏向電磁石 - 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］ この発明は、荷電粒子装置用偏向、ｔ＆ａ石に関し、特
に、主コイルが発生する誤差磁界の補正手段を備＾た荷
電粒子装置用偏向電磁石に関するものである。

［従来の技術］ 第３図は、例えば、日本化学技術情報センター１９８４
年９月発行の、ヨシカズ　ミャハラ（Ｙｏｓｈｉｋａｚ
ｕ　Ｍｉｙａｈａｒａｌ　、コーリ　クカタ（Ｋｏｊｉ
Ｔａｋａｔａｌおよびテツヤ　ナカニシ（Ｔｅｔｓｕｙ
ａ　Ｎａｋａ−ｎｉｓｈｉ）によるｌ５ＳＰの技術報告
（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔｏｆ　ｌ５ＳＰＩＮ
ｏ、２１．　ｒシンクロトロン放射のための超ｆ！１４
レーストラック電子蓄積リングおよび共存インジェクタ
・マイクロトロン（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＲ
ａｃｅｔｒａｃｋ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｓｔｒａｇ
ｅ　　Ｒｉｎｇ　　ａｎｄ　　Ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｔ　
Ｔｎｊｅｃｔ、ｏｒ　Ｍｉｃｒｏｔｒｏｎ　ｆｏｒ　５
ｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　ＲａｄｉａＬｉｏｎｌＪに記載
された従来の荷電粒子装置を示し、図において、（１）
は荷電粒子をＭ晴する荷電粒子装置としての蓄積リング
、矢印（２）は荷電粒子（例えば電子）を蓄積リング（
１）内に導くための入射部ビームラインである。超電導
の偏向電磁石（３）は荷電粒子を偏向して平衡軌道（４
）を形成するためおものであり、後述する偏向コイルの
組合わせからなっている。

矢印（５）は荷電粒子を陥向電磁石（３）で偏向する際
に発生する放射光を取出すための放射光ビームラインで
ある。この放射光は、シンクロトロン放射光、または５
ＯＲ（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　０ｒｂｉｔａｌＲａｄ
ｉａＬｉｏｎ）と呼ばれ、外部に取出されてすνグラフ
ィなどに利用される２一般に、放射光ビームライン（５
）は、装置の利用効率を高めるため、偏向電磁石（３）
に沿って多数設けられているが。

ここでは各偏向電磁石（３）にそれぞれ１本のみを示し
、他は省略している。

Ｖ３極′Ｒ磁石（６）は蓄積リング（１）内の荷電粒子
を集束させる。Ａｍ電磁石（７）は偏向電磁石（３）の
非線形磁場またはクロマティシティを補正する。高周波
空洞（８）は放射光の放出にょ浴 る荷電粒子の工髪１ルギ損失を補い、所定のエネルギに
加速する。ギッヵ（９）はｒ′Ｒ電粒子粒子射ビームラ
イン（２）から入射させる際に平衡軌道（４）をずらせ
て入射を助けるためのものである。真空ドーナツ（１０
）は荷電粒子の通路となる。

インフレクタ（１１）は荷°電粒子を入射部ビームライ
ン（２）から蓄積リング（１）内に入射させるためのも
のであり、真空ポンプ（１２）は真空ドーナツ（１０）
内を高真空に保つ。以上の各成分は平衡軌道（４）に沿
って配設されている。

なお、真空ドーナツ（１０）は機械的強度が高く。

かつ、ベーキングが容易なステンレス材で形成さエネル
ギを失いその寿命が短くなることを防止している。

第４図〜第８図は上記の偏向電磁石（３）を示し、第４
図において、（１３）郁よび（１４）は偏向電磁石（３
）を形成する１対の超電導の偏向主コイルであり、（１
３）は上皇コイル、（１４）は下止コイルで、レースト
ラックコイルを偏向曲率で曲げたバナナ形になっている
。なお、上、下止コイル＋１３１．　（１４１は高起磁
力を有しているので、鉄心を用いない空心構造となって
いる。矢印ｍ　Ｈ、ｍ　ｚは上、下止コイル（１３１，
ｆ１４）にそれぞれ流れる電流の方向、矢印Ｓは平衡軌
ｉ！（４）上の電子ビームの進行方向を示している。

また、第５図および第６図から明らかなように、平衡軌
道（４）は、横座ｆｉＲθ（Ｚ＝０１のＰ。

平面上に半径−の半円と、この半円の前徨にっながる直
線とで示される。ρ１．ρ瀧は、バナナ形状の上、下止
コイルｆ１３１．　＋１４１＄それぞれ内側半径と外側
半径である。

さらに、第７図は、主コイルｆｌｌｌ　、　口４）、主
コイルが発生する」差磁界を発生する四極シムコイル（
１５）、六（シムコイル（２ｏ）の形状を示し、ｆｌＧ
ｌ、　　Ｈ７１は四極シムコイル（１５）のうち、」二
側コイル巻線、　＋１８１．　　＋１９１は下側コイル
巻線を示す。

（２１）〜（２３）は大極シムコイル（２ｏ）のうち、
上側コイル巻線、　１２４１〜（２６）は下側コイル巻
線を示す。

第８図は主コイルｆ１３１．　　＋１４１に四極シムコ
イル（Ｉ５）を組み込んだ図である。六陽シムコイルは
図が複雑になるため省略した。第８図（ａｌ　に示す１
１３ａ＋　は主コイル巻線のうら主コイル巻線端部を示
す。

以上の構成により、入射面ビームライン（２）から蓄積
リング（１）内に入射された荷電粒子は、インフレクタ
（１１１によりパルス的に偏向され、かつ、キッカ（９
）により軌道がずらされる。従って７荷電粒子は、最初
に平衡軌道（４）になる、この平衡軌道（４）は、偏向
電磁石（３）および四極電磁石（６）の配置により決定
される。

なお、ｍｌ、ｍ、方向の電流により、上、下止コイルｆ
１３１．　　＋１４１で発生する主磁場は−ｚｆ−ｙ１
方向となり、平衡軌道（４）に流れる電流は、電子ビー
ム方向Ｓとは逆方向となる。従って１、Ｆ、下止コイル
ｆ１３１．１１４１間を通過する荷Ｍ拉子、すなわち電
子ビームは、フレミングの左手の法則により−Ｒ１゜ の方向にｔＦｉｉ力を受け、これにより弔径−の曲率で
曲げられる。この平衡軌道（４）の半径−は以下の０式
で惇えられる。

Ｐ。

一＝Ｐ／（ｅ・Ｂｙ　ｌ　　・・■ ただし、Ｐ・電子の運動麗 ｅ：電子の電荷 Ｂｙ二上、下主コイルｆ１３１．　＋１４１のｙ軸方向
における発生磁界 ここで、ｙ軸は、平衡軌道（４）に関するＺ軸と平行な
軸であり、Ｘ軸は平衡軌道（４）に関する曲座標の半径
Ｒと同方向の軸である。

一方、高周波空洞（８）は荷電粒子を加速し。

大極＠磁石（７）は、偏向ｔＭ１石（３）の半径方向の
１ｉｆｌ場の不均一を補正したり、クロマティシティの
補正を行う。

こうして平衡軌道（４）に沿って周回する荷電粒子は、
偏向電磁石（３）の磁界により偏向を受けると、制動放
射による電磁波を放射光とし、放射光ビームライン（５
）から平衡軌道（４）の接線方向に放射される。

ところで、電子ビームは平面軌道（４）の周囲にベータ
トロン振動をしているので、一般に、電子ビームの進行
方向Ｓに直交する方向（主としてＲ方向、すなわちＸ軸
方向）に関し、中心軌道の周囲に数（４以上の範囲にわ
たってｉｏ−’へｌＯ程度の均一な磁界分布（良磁界領
域）が必要となる。超電導偏向主コイルでなるし、下止
コイル目３）、（目）の磁界分布が不均一の場合、電子
ビームの平衡軌道（４）は上、下主コイル（１３１，［
１４１の中心からずれるが、このずれ量が所定値より太
き（なると、電子ビームが真空ドーナツ（１０）当たり
電子ビームが失われてしまうことになる。この均一な磁
界分布はビーム進行方向に対しても必要である。

そこで、均一な磁界分布を得るために、主コイルの作る
１次成分、２次成分等の誤差磁界を補正するためのシム
コイルが使用される。第７図において、　＋１５１は四
極シムコイルであり、Ｘ（またはＲ）の増加とともに上
記１次成分に比例して増加するＹ軸方向の磁界を発生す
る。　＋２０１は内極シムコイルであり、Ｘ（またはＲ
〕の増加とともに上記２次成分に比例して増加するＹ軸
方向の磁界を発生する。

第８図は主コイル［１３１，口４）に四極シムコイル（
１５）を組込んだ態様を示し、コイルのスペースを小さ
くするために、シムコイルを主コイルの間、すなわち第
８図ｆｂｌ　に斜線で示す部位に配置することが望まし
い、内極シムコイル（２０）は第８図で省略したか、且
コイルｆ１３１．　　＋１４１の発生する１次、２次成
分を打消すように、各シムコイルの出力Ｕｎ界、すなわ
ちシムコイル電流値を決めてやることにより、均一な磁
界分布を得ることが可能となる。

ところで、ビームの進行方向をＳ方向とし、第８図に示
す主コイル＋１：１１．　　＋１４）および四極シムコ
イル（１５）の、平行軌道上での１次成分のＳ方向分布
をＯに関して示したものが第９図ｆａｌ　ｆｂｌである
。この図の例では、θ＝０において主コイルと四極シム
コイルの１次成分が同じになるように四極シムコイル（
１５）の電流値を決めた。同図ｆａｔに示すように、θ
＝０°からθ＝０１の範囲では、主コイルの１次成分は
ほぼ一定の値であるが、θ＝０１〜９０°の範囲では、
第８図の主コイル４部（ｉ３ａ）の作る磁界が第８図ｉ
ａｌ　に示すＯ＝０°〜θ１の範囲の主コイルの作る磁
界と異なるため、１次成分は一定でなくなる。第９図ｆ
ａｌの例では、θ＝０１〜９０′の間に大きな負の１次
成分をもつ、一方、第９図ｆｂｌ　に示す四極シムコイ
ル（＋５）のＳ方向分布では、θ＝０°〜θ、の範囲で
ほぼ一定の１次成分をもつが、０２０１以上になると四
極シムコイル（１５）は存在しないため、四極シムコイ
ル（１５）の出力磁界、すなわち１次成分は零になる。

したがって、θ＝０１〜９０°の範囲では、１次成分の
補正は全くできず、大きな誤差磁界が依然として存在す
ることになる。

内極シムコイルについても全く同様に考えることができ
る。

［発明が解決しようとする課題１ 従来の荷電粒子装置用偏向電磁石は以上のように構成さ
れているので、主コイル端部に大きな誤差磁界成分が発
生するという問題慨があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、主コイル端部に均一な＆ａ磁界分布発生でき
る荷電粒子装置用偏向電磁石を得る１：とを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る荷電粒子装置用偏向電磁石は主コイル巻
線を上下方向に分割し、分割された主コイルのうち平衡
軌道面に近い主コイルの開き角を小さく、平衡軌道面か
ら遠い主コイルの開き角を大きくとることにより、平衡
軌道面から遠い主コイルと平衡軌道面の間に空間を設け
、この空間に端部補正用シムコイルを設置したものであ
る。

［作用］ この発明においては、端部補正用シムコイルにより主コ
イル端部が生じる１次成分・２次成分等の誤差磁界成分
を補正する。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、（４）は平衡軌道、　＋２７１は２分割さ
れた上皇コイル巻線のうち平衡軌道面に近い主コイル巻
線、　（２８）は平衡軌道面から遠い主コイル巻線、（
２９）は同様に２分割されたＴ１コイル巻線のうち平衡
軌道面に近い主コイル巻線。

（３０）は平衡軌道面から遠い主コイル巻線である。

（３１）は端部補正用四極シムコイルで、コイル巻線（
３２）〜（３５）からなっている。

以上の構成において、主コイル端部に生じろ誤差磁界成
分を減少させるには、誤差磁界を発生するｔ要因である
１主コイル端部（２月およびＴ１コイル端１１１Ｓ　１
２８１の巻線を分散させることが効果的である。端部巻
線を分散させることにより、端部巻線の作る磁界強度の
絶対値（即ち、これは誤ＭＦａ界の強度に比例する）を
減少させることが可能である。ただし、誤差磁界が生じ
る範囲が広がる。

具体的には、第１図に示すように、主コイルを上下方向
に分割しく図の例では２分割）、平衡軌道面に近い主コ
イル１２７）　（２９１の開き角θ１を小さく取り、平
衡軌道面から遠い主コイル＋２８１　＋３０１の開き角
θ、を大き（とることにより可能である。このタイプの
主コイルの平衡軌道（４）上の１次成分Ｓ方向分布は第
２図ｆａｌのようになる。第９図ｔａｌの従来のものの
１次成分Ｓ方向分布と比較すると、θ＝θ、〜９０°間
の負方向の１次成分の絶対値が減少していることがわか
る。ただし、範囲は広がっている。ところで、主コイル
端部での１次成分をさらに減少させるには、端部の誤差
磁界を補正するためのシムコイル（本例では端部補正用
四極シムコイル＋３１１　）を端部に設置することが必
要である。この端部補正用四極シムコイルには、少ない
アンペアターンで大きな出力磁界（大きな１次成分）を
得ることが望まれるが、これにはコイル巻！１１　＋３
２１〜（３５）を平衡軌道面に極力近づけることが必要
である。主コイルは小さなアンペアターンで大きな磁界
を得るため、平衡軌道面に最も近い位置に設置されてい
る。ただし、ビームが通る真空ドーナツ（１０）等を設
置するために上止コイル下面と平衡軌道との間に、第１
図に示すｄだけの間隔がおいている。端部補正用シムコ
イルにおいてもシムコイル巻！ｊｉ　＋３２１　（３３
）下面と平衡軌道面との距離を最小間隔ｄにすることが
望まれるが、従来は主コイル端部が存在するため８面上
にシムコイル巻線（３２）（３３）下面を設置できなか
った。しかし、この実施例においては、主コイルを上下
方向に分割し、さらに平衡軌道面に近い主コイル（２７
）（２９）の開き角を小さくとっているため。

第１１２（ｂ）でわかるように、平拘軌道面から遠い！ 主コイル巻線端部下にす態量が生じる。このすき間に端
部補正用四極シムコイル（３１）をに設置てきる。、ｔ
５２図（ｂ）に、Ｖｑ極クシムコイルθ＝ｏ”の１次成
分を主コイルのθ＝０°の１次成分と等しくなるよう、
四極シムコイルの電流を：Ａ整した場合の四極シムコイ
ル及び端部補正用四極シムコイルの１次成分合計出力の
Ｓ方向分布を示す。実際の補正では、第２図（ｂ）に示
す１次成分とは絶対イ直 位置の大きさか回し・て逆の符号を持つ１次成分を主コ
イルに加える。補正後の１次成分を第２図（（：）に示
す。＠２図（ａ）に比べ良・ぐ１次成分が補正されてい
ることかわかる。

なお、上記実施例では主コイルか上下方向に２分割され
た場合について述べたか、主コイルかｎ分割された場合
においてもよく、同様の効果を奏する。また、上記実施
例では四極シムコイルの例について述べたか、大極シム
コイル巻ル他の高次のシムコイルでもよく、同様の効果
を奏する。さらに、上記実施例では上下方向に分割され
た主コイルのうち平衡軌道面に近い方の主コイルの開き
角をより小さくすると述べたが、逆に平衡軌道面に遠い
方の主コイルの開き角をより小さくすることも可能であ
る。この場合、端部補正用シムコイルは下面軌道面に近
い主コイルの上に端部補正用シムコイルがのることにな
る。そうして、端部補正用シムコイルの出力磁界は多少
減少することになるが、均一磁界を得ることは可能であ
る。また、上記実施例では、コイル線材について特に指
定しなかったが、ＪＴＪ材を用いれば簡単に強力な磁界
を発生できる偏向電磁石を得ることが可能である。

［発明の効果１ 以りのように５この発明によれば、主コイルを上下方向
に分割し１分割された主コイルのうち平衡軌道面に近い
主コイルの開き角をより小さ（することにより、芋衡軌
道面から遠い主コイルと平衡軌道面との間に空間を設け
、この空間に端部補正用シムコイルを設置するようにし
たので、端部補正用シムコイルの出力磁界が大きくなり
１．端部にＳける主コイルの発生する誤差磁界を容易に
補正することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例の１部平面図、同図
（ｂ）　（ｃ）はそれぞれ同図（ａ）のＢ−Ｂ線および
Ｃ−Ｃ線に沿う平面による断面図、第２１３？ｌは第１
図のものの磁界分布特性線図である。第３図〜第９図は
従来の技術に関するもので、第３図は荷電粒子装置の概
略平面図、第４図は主コイルの斜視図、第５図および第
６図は第４図のものの平面図およ正面図、第７［Ａは主
ソイルとシムコーイルを分解して示した斜視図、第８図
は第７図のものの組み立て平面図、第９図は磁界分布特
性線図である。 （３）・・・・偏向電磁石、（４）・・・・平衡軌道、
（Ｉ５）・・・・シムコイル、（２７）（２９）・・・
・上下方向に分割された主コイルのうち平衡軌道面に近
い主コイル、（２８）（：１（１）・・・・上下方向に
分割された主コイルのうち７衡軌道面に遠い主コイル、
　（３１１・・・・端部補正用シムコイル。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代　　理 人 四 我 道 照 ４　子衝ａｌｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　荷電粒子が周回する平衡軌道をはさんで配置された１
   対の上下主コイルと、これらの主コイルが発生する誤差
   磁界成分を補正する端部補正用シムコイルとを備えた荷
   電粒子装置用偏向電磁石において、前記主コイルの巻線
   を上下方向に分割し、分割された前記主コイルのうち平
   衡軌道面に近い前記主コイルの開き角を小さく、前記平
   衡軌道面から遠い前記主コイルの開き角を大きくとるこ
   とにより、前記平衡軌道面から遠い前記主コイルと前記
   平衡軌道面の間に空間を設け、この空間に配設された前
   記端部補正用シムコイルを備えてなることを特徴とする
   荷電粒子装置用偏向電磁石。