JPH04154100A

JPH04154100A - 粒子加速器用パルス電磁石装置

Info

Publication number: JPH04154100A
Application number: JP27535490A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tanabe; 田邊　義雄
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-16
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1992-05-27

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は粒子加速器に係り、特に加速される粒子の入射
、出射に用いられる粒子加速器用パルス電磁石装置に関
する。

（従来の技術）粒子加速器は電子、陽子、イオンなどのビームを１０億
電子ボルト（Ｉ　Ｇ　ｅＶ）以上の高エネルギ状態に加
速するものである。この加速器の一例としでは、素粒子
の研究分野で大形のものとして直径１−以上のものか建
設されている。最近の加速器として直径１０ｍ程度の小
形のものが建設されており、この加速器は例えば電子か
らの放射光（ＳＯＲ光といわれる）を利用した超ＬＳＩ
微細加工（リソグラフィ）など新しい分野に応用されて
いる。なお、加速粒子が電子、陽子、イオン等と異なっ
てもその加速原理は同一なので、以下は電子用加速器に
ついて説明する。

ところで、加速器には多くの電磁石が用いられており、
その中にパルス電磁石がある。このパルス電磁石は電子
を入射するときに電子の軌道を曲げたり、又加速され定
格エネルギーとなった電子を出射するときに電子軌道を
曲げたりするのに用いられる。電子はほぼ光速に近い速
度で加速器に対して入射及び出射するので、電子軌道を
曲げるにはパルス的に磁場を印加する必要がある。この
磁場の立上り時間は短かいもので１００ナノ秒、長いも
のでも数マイクロ秒と短時間なので、磁場の印加に非常
に速い応答が要求される。

第７図はかかる粒子加速器用パルス電磁石装置の断面図
である。上、下一対の磁極体１．２が設けられるととも
に、これら磁極体１．２に対して両端にそれぞれ継鉄３
．４が設けられている。そして、各継鉄３．４が設けら
れた側にはそれぞれ絶縁物５．６により電気絶縁された
各銅帯７．８か設けられている。各磁極体１．２及び継
鉄３．４はパルス磁場か印加されるので高周波磁気特性
の良好なフェライトにより形成されている。又、各銅帯
７．８は励磁コイルを形成しており、外部の図示しない
銅帯及びパルス電源に接続されている。これら銅帯７．
８は巻回数が多いとインダクタンスか大きくなって励磁
電源の電圧を高くしなければならないので、巻回数は通
常１ターンである。

一方、パルス電磁石の内側には電子ビームか通過するた
めに超高真空に保持されたレーストラック形状の真空ダ
クト９、この真空ダクト９をへ一キングするためのヒー
ター１０及び断熱材１１が一体的に配置されている。な
お、真空ダクト９内に設置されるパルス電磁石もあるか
、設置位置は本発明に影響を与えないので、ここでは真
空ダクト９外へ設置されているとして説明する。

かかる構成において、例えば左側の銅帯７に図面の表側
から裏側に向かう方向のパルス電流を流し、これと共に
右側の銅帯８にその逆方向のパルス電流を流すと、同図
破線に示すようなパルス磁場Ｂが発生する。

このパルス磁場Ｂは第８図に示すような解析結果の磁力
線を現す。同図では磁力線が対称性を現すので、電磁石
装置全体の左斜め上方４分の１を解析対象として示して
いる。同図により磁力線の間隔は同一となり、磁場分布
は均一となる。ここで、長さ方向の寸法を４００　ｍｍ
とすると、インダクタンスは１．３マイクロヘンリー（
μＨ）、中心で１キロガウス（ｋＧ）を得るための電流
は４７８０Ａとなる。従って、１００ナノ秒で磁場１ｋ
Ｇまで上げようとすると、Ｌ　（ｄｉ／ｄｔ）　＝　　１．３Ｘ１０−６Ｘ　（４
７８０／　　１００ＸＩＯ−９）−６２，Ｉ　ＫＶの電圧が必要となる。実際には電源回路の浮遊インダク
タンスかあるため、この値よりは大きくなるか、浮遊イ
ンダクタンスはケーブル長やケーブルの配置法などで大
きく異なり、ここでは考慮しない。

以上の解析結果から真空ダクト９内部のＹ方向座標「０
」面上におけるＸ方向の磁場分布Ｂｙはほぼ均一となっ
ている。電子は真空ダクト９内を図面表裏の方向に運動
し、パルス磁場ＢによりＸ軸方向（水平方向）の力を受
ける。これにより、電子の軌道は水平方向に曲げられる
。なお、パルス磁場Ｂにより真空ダクト９にはうず電流
が流れるために、このうず電流を小さ（抑えるか、又は
全く流さなくするために真空ダクト９は薄板ベローズ製
、又はセラミックス製により形成されている。

（発明か解決しようとする課題）ところで、パルス電磁石は前述のように非常に速い立上
りが要求される。銅帯７．８のインダクタンスをＬ１励
磁電流の変化率をｄｆ／ｄｔとすると、銅帯７．８への
印加電圧はＬ　ｄｉ／ｄｔで与えられる。例えば、印加
電圧は１００ナノ秒の立上りとすると、数１０ｋＶの高
電圧となる。このため大きな高電圧電源が必要となるば
かりか、絶縁物３や図示しない電流導入端子の絶縁破壊
をまねき、パルス電磁石は加速器の構成機器の中で最も
こわれやすい機器の一つとなっている。

そこで本発明は、パルス電磁石の機能を損うことなくイ
ンダクタンスを小さくできて低い印加電圧で動作できる
粒子加速器用パルス電磁石装置を提供することを目的と
する。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、中央部及び両端側にそれぞれ切欠き部が形成
された一対の磁極体と、これら磁極体に取付けられて磁
気回路を形成する継鉄と、磁極体の両端側の各切欠き部
内に固定され電気絶縁物で巻かれた銅帯とを備えて上記
目的を達成しようとする粒子加速器用パルス電磁石装置
である。

（作用）本発明においては、磁極体の中央部及び両端側にそれぞ
れ切欠き部を形成し、かつ磁極体の両端側の各切欠き部
内に電気絶縁物で巻かれた銅帯を設けるので、粒子加速
器用として必要な領域の磁場は均一で、かつ磁極体を通
る磁束量は減る。

これにより、インダクタンスが低減し、低い印加電圧で
の運転が可能となる。

（実施例）以下、本発明の第１実施例について図面を参照して説明
する。なお、第７図と同一部分には同一符号を付してそ
の詳しい説明は省略する。

第１図は粒子加速器用パルス電磁石装置の断面構成図で
ある。一対の磁極体２０．２１及び各継鉄３．４により
磁気回路か形成されている。これら磁極体２０．２１に
はそれぞれ中央部及び両端部にそれぞれ切欠き部２２．
２３．２４及び２５．２６．２７が形成されている。こ
れら切欠き部２２．２３．２４及び２５．２６．２７は
長手方向、つまり図面の表裏の方向に形成されている。

そして、これら切欠き部２２．２３・・・のうち両端側
の各切欠き部には２３．２４及び２６．２７にはそれぞ
れ絶縁物２８．２９．３０．３１により電気絶縁された
銅帯３２．３３．３４．３５が固定配置されている。こ
れら銅帯３２と３４及び３３と３５はそれぞれ左右の対
で１ターンの励磁コイルを形成しており、それぞれパル
ス電磁石装置の外部において図示しない銅帯により並列
接続されている。又、各銅帯３２．３３．３４．３５は
各継鉄３．４をできるだけ真空ダクト９側へ近づけコン
パクトにするために上、下つまり銅帯３２と３４．３３
と３５に配置し、かつ三角断面部を設けて必要導体断面
積を確保し、さらに磁極体２０１２１の左右の切欠き部
２３．２４．２６．２７に対して固定し、磁力線を中心
部に寄せて全体の磁束量を低減させている。従って、各
銅帯３２．３３．３４．３５の横方向の幅を変えること
によっても磁場均一領域の大きさを調整できる。

以上の構成により真空ダクト９、ヒーター１０及び断熱
材１１は各磁極体２０．２１と接触するとともに各継鉄
３．４と接触して配置される。

かかる構成において、例えば銅帯３３．３５に紙面の表
側から裏側に向かう方向の電流を流し、これとともに銅
帯３２．３４にその逆方向の電流を流すと、第１図中の
破線で示すパルス磁場Ｂが発生する。

第２図はかかるパルス磁場Ｂの解析の磁力線図であり、
図中の実線が磁力線である。尚、同図では、磁場発生の
対称性から全体の１／４を解析対象としている。又、第
３図はＹ方向の座標「０」面のＹ方向磁場ＢＹのＸ方向
分布を描いたもので±５０ｍ＋ｉの領域で均一な分布と
なっている。（Ｘ−〇のＢｙを１として規格化しである
。）同図の磁場解析結果から中央部は磁力線の間隔が同
一で均一磁場となるが、中央部からずれた両端側では磁
場が若干乱れていることが分かる。第３図にＹ方向座標
「０」面での磁場ＢｙのＸ方向分布を示す。この解析例
では２２〜２３ｍｍまでは均一磁場となっているが、そ
れ以上で均一性が悪くなっている。しかし、パルス電磁
石の使い方にもよるが通常２０〜３０關まで均一性があ
れば十分であり、従来装置はどの磁場均一性は必要とし
ない。さらに磁場の均一領域が広く必要とするときは、
各切欠き部２３．２４．２５．２６の深さや形状を変え
ればよい。第２図に示すように寸法は第・８図に示す従
来装置より小さくなっている。

これは全体の磁束量が従来装置より小さくなったためで
、継鉄３．４や磁極体２０．２１内の磁場の大きさは本
装置と従来装置とを比較してもほぼ同一の値となってい
る。

又、第２図に示すように長さ方向の寸法を４００　ｍｍ
とすると、インダクタンスは０．８９μＨで従来装置の
６８％である。なお、中央部の切欠き部１３のため同一
の磁場（中心で１ｋＧ）を得るための電流値は若干上が
って、５０４ＯＡであった。従って、従来装置と同様に
１００ナノ秒で１　　ｋＧまで上げようとするとＬ　（ａｉ／ｄｔ）　−０，８９ｘ　ｔｏ−６Ｘ　（５
０４０／　、１ｆ）ＯＸ　１Ｏ−９）−４４，５ＫＶとなり、従来装置の７２％まで減少する。

このように上記第１実施例においては、一対の磁極体２
０．２１の中央部及び両端側にそれぞれ切欠き部２３．
２４．２５．２６を形成し、かつ各切欠き部２３．２４
．２５．２６内に各銅帯３２．３３．３４．３５を設け
たので、インダクタンスを小さくてき、低い印加電圧で
パルス電磁石を所定の磁場まで立上げることかでき、し
かも粒子加速器により要求される領域内は磁場の均一性
を確保できて磁場発生の無駄か無くなる。さらに磁極体
２０．２１及び継鉄３．４は小型化されるので、軽量で
廉価とすることができる。従って、この状態で電子ビー
ムの入射、出射の際に電子ビームを曲げることかできる
。

次に本発明の第２実施例について説明する。

磁場の均一度は中央部の各切欠き部２２．２５の深さや
幅に大きく依存するが、又その形状にも大きく依存する
。第４図は切欠き部を台形の断面形状に形成したもので
ある。このように切欠き部を台形の断面形状に形成する
と、磁場の均一領域を広くできる。第５図はかかる台形
断面での磁場解析の磁力線図を示す。同図に示すように
台形のテーパ一部より垂直に磁場か出射するため均一領
域か長くなる。Ｙ方向の座標「０」面におけるＸ方向の
磁場分布Ｂ３／を第３図に図示する。同図に示すように
均一磁場の領域が３０ｍｍまでひろかっており、広い磁
場領域が必要なパルス電磁石に向いている。ただし、第
５図に示す磁場の解析結果では全磁束量は変わらず、従
ってインダクタンスは第２図の解析結果と同一となる。

なお、同実施例においても上記第１実施例と同様の効果
を奏することは言うまでもない。

第６図は中央部の切欠き部の他の実施例を示し、三角形
の断面形状にすることにより、磁場の均一領域を大きく
する例である。かかる切欠き部の形状であっても上記各
実施例と同様の効果を奏することかできる。

従って、上記各実施例によれば、パルス電磁石の磁極形
状を所定のものとすることにより、従来よりかなり低い
電圧でパルス磁場を印加できる。

パルス電磁石はその高い印加電圧のため絶縁破壊を起こ
しやすく、加速器の構成機器の中でも信頼性に欠けるも
のであったが、本発明により絶縁破壊が防止でき、信頼
性か向上する。さらにフェライトの鉄心か小型となるの
でパルス電磁石の低廉化が図れ、かつパルス電源も安価
となる。

この結果、信頼性の高い高性能のパルス電磁石装置か提
供でき、加速器全体としても高性能化、高信頼性化、低
廉化が図れる。

［発明の効果コ以上詳記したように本発明によれば、パルス電磁石の機
能を損うことなくインダクタンスを小さくできて低い印
加電圧で動作できる粒子加速器用パルス電磁石装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の粒子加速器用パルス電磁石装置の第１
実施例を示す断面図、第２図は同装置の磁場解析の磁力
線図、第３図は中心面上での磁場分布を示す図、第４図
は本発明装置の第２実施例の切欠き部を示す断面図、第
５図は同切欠き部の形状での磁場解析の磁力線図、第６
図は本発明装置の他の実施例の切欠き部を示す断面図、
第７図は従来装置の断面図、第８図は同装置の磁場解析
の磁力線図である。２０．２１・・・磁極体、３，４・・・継鉄、２２２３
．２４，２５，２６．２７・・・切欠き部、２８゜２９
．３０．３１・・・絶縁物、３２，３３．３４３５・・
・銅帯、９・・・真空ダクト、１０・・・ヒーター１１
・・・断熱材。

Claims

【特許請求の範囲】

中央部及び両端側にそれぞれ切欠き部が形成された一対
の磁極体と、これら磁極体に取付けられて磁気回路を形
成する継鉄と、前記磁極体の両端側の各切欠き部内に固
定され電気絶縁物で巻かれた銅帯とを具備したことを特
徴とする粒子加速器用パルス電磁石装置。