JPH02230699A - 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電磁石に関し、もう少
し詳しくいうと、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，下主コイルを備えた荷電粒子装
置用偏向電磁石に関するものである。

［従来の技術コ 第３図は、例えば、日本化学技術情報センタ１９８４年
９月発行の、ヨシ力ズ　ミャノ＼ラ（Ｙｏｓｈｉｋａｚ
ｕ　Ｍｉｙａｈａｒａ）　、コージ　タカタ（Ｋｏｊｉ
Ｔａｋａｔａ）およびテツヤ　ナカニン（Ｔｅｔｓｕｙ
ａ　Ｎａｋａ−ｎｉｓｈｉ）による＋ＳＳＰの技術報告
（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ　ｏｆ　ＩＳＳＰ）
　Ｎｏ．２１、「シンクロトロン放射のための超電導レ
ーストラック電子蓄積リングおよび共存インジエクタ・
マイクロトロン（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　　
Ｒａｃｅｔｒａｅｋ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｓｔｒａ
ｇｅ　　Ｒｉｎｇ　　ａｎｄＣｏｅｘｉｓＬｅｎｔ　Ｉ
ｎｊｅｃｔｏｒ　Ｍｉｃｒｏｔｒｏｎ　［’ｏｒ　Ｓｙ
ｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　　　　　　　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ
）　ｊに記載された従来の荷電粒子装置を示し、図にお
いて、（１）は荷電粒子を蓄積する荷電粒子装置として
の蓄積リング、矢印（２）は荷電子粒子（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）を形成するためのものであり、後述す
る偏向コイルの組合わせからなっている。

矢印（５）は荷電粒子を偏向電磁石（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Ｓ
　Ｏ　Ｒ　（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　Ｏｒｂｉｔａｌ
Ｒａｄｉａｔ．ｉｏｎ）と呼ばれ、外部に取出されてリ
ングラ７イなどに利用される。一触に、放射先ビームラ
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。

四極電磁石（６）は蓄積リング（１）内の荷電粒子を集
束させる。六極電磁石（７）は偏向電磁石（３）の非線
形磁場または夕ロマティシティを補正する。高周波空洞
（８）は放射光の放出による荷電粒子のエネルギー損失
を補い、所定のエネルギに加速する。キッカ（９）は荷
電粒子を入射ビームライン（２）から入射させる際に平
衡軌道く４）をずらせて入射を助けるためのものである
。

真空ドーナノ（ｌＯ）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
、真空ボンブ（ｌ２）は真空ドーナツ（１０）内を高真
空に保つ。これらは平衡軌道（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れていて、
その内部は真空ボンブ（１２）により超高真空に保たれ
て、荷電粒子が気体分子に衝突して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、（ｌ３）および（ｌ４）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）は上主コイル、（１４）は下主コイルで、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，下主コイル（１３），　（１４）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，，ｍｔ．は上，下主コイル（１３）．　
（１４）にそれぞれ流れる電流の方向、矢印Ｓは平衡軌
道（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、極座標Ｒθ（２＝０）の平面上に半径ρ。

の半円と、この半円の前後につながる直線とで示される
。ρ．ρ，は、バナナ形状の上、下主コイル（１３），
　（１４）のそれそれ内側半径と外側半径である。

さらに、第７図は、主コイル（１３），（１４）　、主
コイルが発生する誤差磁界を補正する四極シムコイル（
１５）、六極シムコイル（２０）を示し、（１６），　
（１７）は四極シムコイル（１５）のうち、上側コイル
巻線、（１ｇ），　（ｌ９）は下側コイル巻線を示す。

（２１）〜（２３）は六極シムコイル（２０）のうち、
上側コイル巻線、（２４）〜（２６）は下側コイル巻線
を示す。

第８図は主コイル（１３），　（１４）に四極シムコイ
ル（１５）を組み込んだ図である。六極シムコイルは図
が複雑になるため省略した。第８図（ａ）に示す（２７
）は主コイル巻線のうち主コイル巻線端部を示す。

以上の構成により、入射部ビームライン（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
（１１）によりパルス的に偏向され、かつ、キツカ（９
）により軌道がずらされる。従って、荷電粒子は、最初
は平衡軌道（４）から少しずれた軌道上を周回し、何周
回か後に、平衡軌道（４）上を矢印Ｓ方向に周回し続け
るようになる。

この平衡軌道（４）は、平衡電磁石（３）および四極電
磁石（６）の配置により決定される。

なお、ｍ，，ｍ＝方向の電流により上，下主コイル（１
３），　（１４）で発生する主磁場はーｚ（−ｙ）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、上，下主コイル（１３
），　（１４）間を通過する荷電粒子、すなわち電子ビ
ームは、フレミングの左手の法則により一Ｒの方向に電
磁力を受け、これにより半径ρ。の曲率で曲げられる。

この平衡軌道（４）の半径ρ。は以下の■式で与えられ
る。

ρｏ　　＝　　Ｐ／　（ｅ−Ｂｙ）　　　・・■ただし
、Ｐ：電子の運動量 龜；電子の電荷 Ｂｙ＋上，下主コイル（１３），　（１４）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）に関する極座標の半径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、六極電磁
石（７）は、偏向電磁石（３）の半径方向の磁場の不均
一を補正したり、クロマ↑イシティの補正を行う。

こうして平衡軌道（４）に沿って周回ナる荷電粒子は、
偏向電磁石（３）の電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て、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、電子ビームは平衡軌道（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ｃｍ以上の範囲にわ
たって１０−４〜１０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上，下主
コイル（１３），　（１４）の磁界分布が不均一の場合
、電子ビームの偏向軌道（４）は」二，下コイル（１３
），　（１４）の中心からずれるが、このずれ量が所定
値より大きくなると、電子ビームが真空ドーナ“／　（
１０）に当たり、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
フイルが使用される。第７図の７ムコイルにおいて、（
１５）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。（２０）は六極シムコイルであり、Ｘ（
またはＲ）の増加ととも上記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（１３），　（１４）に四極ンムコイ
ル（ｌ５）を組み込んだ態様を示し、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（ｂ）に斜線で示す部位に配置することが望
ましい。六極シムコイル（２０）は第８図で省略したが
、主コイル（１３）．　（１４）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磁界、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
す主フイル（１３）（１４）および四極シムコイル（１
５）の、平衡軌道上での１次成分のＳ方向分布をθに関
し。て示したちが第９図（ａ）（ｂ）である。この図の
例では、θ一〇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、四コイルの１次成分はほぼ一
定の値であるが、θ一θ，〜９０゜の範囲では、第８図
の主コイル端部（１３ａ）の有る磁界が第８図（ａ）に
示すθ・０゜〜θ１の範囲の主コイルの作る磁界と異る
ため、１次成分は一定でなくなる。第９図（ａ）の例で
は、θ＝θ１〜９０゜の間に大きな負の１次成分をもつ
。

一方、第９図（ｂ）に示す四極シムコイル（１５）のＳ
方向分布では、θ一〇゜〜θ，の範囲ではほぼ一定の１
次成分をもつが、θ一０１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（ｌ５）の
出力磁界、すなわち１次成分は零になる。したがって、
θ一θ，〜９０゜の範囲では、１次成分の補正は全くで
き黒、大きな誤差磁界が依然として存在することになる
。

六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。

さらに、主コイル端部（２７）の作る誤差磁界を減少さ
せる手段として、端部（２７）を平衡軌道から遠ざける
方向に持ち上げた構造のものが知られている。この形状
の主コイルを第１０図に示す。第ｌＯ図では主コイルの
形状を簡略に表現するため、コイルを線で表わした。こ
の形状の主コイルでは、主コイル端部巻線が平衡軌道に
対しより遠方に位置するため、端部（２７）の作る磁界
が弱められる。

つまり、誤差磁界が減少する。ただし、この形状の主コ
イルはコイル形状が複雑になり、巻きにくいという欠点
がある。

［発明か解決しようとする課題］ 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。また、この誤差磁界成分を減少させるために端
部を打ち」ユげると、主コイルの形状が複雑になり、巻
線が慢雑になる等の問題点があった。

この発明は上記の様な問題点を解消するためになされた
もので、主コイル端部に容易に均一な磁界分布を発生す
ることができる荷電粒子装置用偏向電磁石を得ることを
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、端部巻線
に隣接して端部巻線とは甲行かつ逆方向の電流が流れる
補助コイルが設置されている。

［作　用］ この発明においては、端部巻線と補助コイルの電流方向
が平行かつ反対のため、端部巻線の作る磁界が打ち消さ
れる。

［実施例コ 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、（３）は主コイル、（４）は平衡軌道、（
１３）は上主コイル、（２７）は上主コイル端部巻線、
（２８）は主コイル端部とは互いに平行でかつ、逆方向
の電流方向をもつ補助コイル巻線、（２９）は浦コイル
リターン巻線、（３０）は平衡軌道面、（３ｌ）は補助
コイルリターン巻線が作る平面即ち補助コイル平面であ
る。

以上の構成により、補助コイル巻線（２８）と主コイル
端部巻線（２７）が近接して設置され、しかも電流の方
向が互いにＷ行で逆のため、主コイル端部巻線（２７）
の作る磁界は打ち消される。補助コイル＠ｌ’，＊（２
８）と主コイル端部巻線（２７）の位置が多少ずれてい
るため、平衡軌道（４）上で端部巻線（２７）の作る磁
界を打ち消すには、補助コイル巻線（２８）の電流値を
主コイル（３）より多少」二昇させることが有効である
。補助コイル巻線（２８）のリターン電流の作る磁界を
減少させるには、補助コイルリターン巻線（２９）の平
面（補助コイル平面）と平衡軌道（４）に平行な面との
なす角度φを９０゜に選ふとよ１゛。φを９０’　に選
ぶことにより、リタン巻線のうちｙ方向平行部は、ｙ方
向磁界を発生しなくなる。ψをＯ゜に選ぶと補助コイル
リタ巻線（２９）がｙ方向に最大の誤差磁界を発生する
ため、φを０゜に選ぶことは避けた方が良い。

補助コイルリターン巻線（２９）はどのような形状でも
良いが、レーストラック形状にすると巻線が容易になる
。Δた、Ｂｍａｘを下げる場合は、補助コイルリターン
巻線（２９）の曲率がなるべく大きくなる様な補助コイ
ル形状を選ぶ。第２図に、第１図の偏向電磁石の誤差１
次磁界成分のＳ方向分布を示す。

なお、上記実施例ではコイル巻線について指定しなかっ
たが、ＨｉＴｃ線材でコイル巻線を作れば、チッ素温度
で容易に先力な磁界を発生できる。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば、補助コイル巻線と主
コイル端部の電流が互いに反対方向であるため、主コイ
ル端部の作る磁界が打ち消され、端部の磁界均一度が向
上する。また、補助コイル巻線を設置したため、主コイ
ルの巻線が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図はこの発明の一実施例を示し、同図（ａ）は要部
概略平面図、同図（ｂ）は動作説明のための一部概略平
面図、同図（Ｃ）は同図（ａ）のＣＣ線に沿う平面によ
る断面図、第２図は第１図のものの誤差磁界分布線図、
第３図〜第１０図は従来の技術に関し、第３図は荷電粒
子装置の概略平面図、第４図〜第６図は偏向電磁のそれ
ぞれ斜視図２平面図および正面図、第７図は主コイルと
ンムコイルを分解して示した斜視図、第８図（ａ）は第
７図のものの組立平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ
−Ｂ線に沿う平面による断面図、第９図は誤差磁界分布
線図、第１０図（ａ）は別の主コイルの概略平面図、同
図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う平面による断面
図である。 （３）・・主コイル、（４）・・平衡軌道、（２７）・
・主コイル端部巻線、（２８）・・主コイル端部巻線と
平行で反対方向の電流が流れる補助コイル巻線部、 （３０）・ ・平衡軌道面、 （３ｌ）・ ・補助コ イル平面。 なお、 各図中、 同一符号は同一または相当部分 を示す。 代 理 人 曾 我 道 照 ３・　支コイｌム ４．〒摺テＴＰ遵 ３１・才角゛劾フイＩｔ〒ｌｆｌ 悪２図 不３図 昂１０図 （ｂ） −−−一と一−−．．．−− ／一−一一一一

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，下主コイルを備えた荷電子装置用偏向電磁石にお
   いて、主コイル端部巻線に隣接して設置され前記主コイ
   ル端部巻線とは互いに平行にかつ逆方向の電流が流れる
   巻線部を含む補助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。