JPH0521197A - 二極電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２つの磁極を磁極間隙を介して対向させた二
極電磁石の磁極対向面の傾きによる磁極間隙や磁極端面
の幾何学的な形状を可変として、発生する磁場による影
響を変えることにある。 【構成】 横断面の形状が略々Ｃ字状とされ開口部上下
面に相対向する２つの可動磁極５２，５３を設けた２極
電磁石５０で、これら可動磁極５２，５３の対向面を前
記横断面内で傾けて磁極間隙５４の幾何学的な形状を変
え、磁路６０の長さを変えて磁場５８を均一にしたり、
４極磁気成分５９を任意に変えることができるようにし
ている。これにより、シンクロトロンの偏向電磁石に適
用して磁場の均一度の向上や電子ビームの収束に利用で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、２つの磁極を磁極間
隙を介して対向させた二極電磁石に関し、磁極間隙や磁
極端面の幾何学的な形状を可変として、発生する磁場を
変えることができるようにしたものであり、シンクロト
ロンなどの粒子加速器等用として好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】電磁石を主要な構成要素とする機器の一
つにシンクロトロンがあり、近年、小型のシンクロトロ
ン放射光（ＳＯＲ）装置として構成し、これにより、超
々ＬＳＩ回路の作成、医療分野における診断、分子解
析、構造解析等様々な分野への適用が期待されている。

【０００３】このシンクロトロンでは、電磁石で発生す
る磁場によるローレンツ力を利用して電荷を持つ粒子を
偏向したり、収束させて所定の軌道内に閉じ込めるよう
にしている。たとえば、図７にシクロトロン放射光装置
の概要を示すように、電子発生装置（電子銃等）１０で
発生した電子ビームは線型加速器（ライナック）１２で
光速近くに加速され、ビーム輸送部１４の偏向電磁石１
６で偏向されて、インフレクタ１８を介してシンクロト
ロン２０の真空容器２２内に入射される。真空容器２２
に入射された電子ビームは高周波加速空洞２１でエネル
ギを与えられながら収束電磁石２３で収束され、シンク
ロトロン２０の偏向電磁石２４で偏向されて真空容器２
２中を回り続ける。偏向電磁石２４で偏向される時に発
生するシンクロトロン放射光はビームチャンネル２６を
通して、たとえば露光装置２８に送られて超々ＬＳＩ回
路作成用の光源等として利用される。

【０００４】このようなシンクロトロン放射光装置で使
用される電磁石には、収束電磁石２３、偏向電磁石２４
など機能の異なるものがあるが、粒子の進む方向を変え
る偏向電磁石２４としては、２つの磁極を磁極間隙を介
して対向させた二極電磁石が用いられている。従来から
使用されている偏向電磁石２４（二極電磁石）の構造
は、図８に斜視外観を、図９に横断面構造をそれぞれ示
すように、断面略々Ｃ字状のコア３０を有し、磁極間隙
３３を介して磁極３２，３４を対向配置し、磁極３２，
３４には、コイル３６，３８が巻かれ、磁極３２，３４
間に磁場を生じさせて、真空容器２２中の電子ビームに
水平方向への偏向力を与える。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この偏向電磁石２４で
は、コア３０先端の相対向する磁極３２，３４の幾何学
的な形状が決まると、磁極間隙３３内に形成される磁場
４０の分布が定まり、たとえば磁極３２，３４の先端を
平坦面とし磁極間隙３３を平行な２面とした場合には、
コア３０によって形成される磁路４１の長さが磁極３
２，３４の外側と内側で異なり、これにより、磁気抵抗
に差が生じるため、図９中に示すように、磁場分布４０
は外側が弱く、内側が強くなって、いわゆる四極磁場成
分４２が発生する。このため、偏向電磁石２４で電子ビ
ームの水平面内での偏向だけを行なう場合、図９中に破
線４０ａで示すような、これに必要な均一な磁場が得ら
れないという問題がある。

【０００６】一方、偏向電磁石２４で発生する四極磁場
成分４２を積極的に利用して電子ビームを収束させよう
とする場合、偏向電磁石２４の電源を制御すると、偏向
に必要な磁場と収束に必要な磁場が同時に変化してしま
い、それぞれを独立して変えることができないとうとい
う問題がある。

【０００７】さらに、偏向電磁石２４では、磁極３２，
３４の対向部分の形状だけでなく、電子ビームの軌道方
向の両端部の平面形状によっても磁場が変化する。たと
えば、図８中にコア３０の端部３１の平面形状を実線Ａ
の場合と破線Ｂの場合について、それぞれのコア端部３
１における電子ビーム軌道に垂直な面内での水平方向各
位置の磁場分布４３，４３ａを矢印で示すように、コア
端部３１の形状Ａ，Ｂによって電子ビームの入口または
出口に形成される磁場分布４３，４３ａが変化する。こ
のため、電子ビームの軌道の中心より外側と内側の磁場
の違いによって電子ビームに水平方向の偏向力や収束・
発散力が作用し、たとえばＡの場合に比べＢの場合の方
が大きな発散力が作用するが、この場合にも、偏向電磁
石２４の端部３１の幾何学的な形状が決まってしまう
と、偏向電磁石２４の電源を制御することによっては、
これらの偏向力や収束・発散力を独立して変えることが
できないという問題がある。

【０００８】この発明は、前記従来の技術における問題
点を解決して、磁極間の磁場の均一度の向上や任意の４
極磁場成分を形成することができる二極電磁石を提供し
ようとするものである。また、この発明は、偏向力と独
立して収束・発散力を任意に変えることができる二極電
磁石を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、横断面の形
状が略々Ｃ字状とされ開口部上下面を相対向する磁極と
しこれら磁極間の磁極間隙内に磁場を発生させる二極電
磁石において、前記磁極の開口部上下面に磁極の対向面
を前記横断面内で傾けて磁極間隙を可変とする可動磁極
を設けたことを特徴とするものである。また、この発明
は、横断面の形状が略々Ｃ字状とされ開口部上下面を相
対向する磁極としこれら磁極間の磁極間隙内に磁場を発
生させる二極電磁石において、前記磁極の略々Ｃ字状と
された横断面と直交する方向の両端部にこれら磁極の端
面形状を可変とする可動端面磁極を設けたことを特徴と
するものである。

【００１０】

【作用】この発明の二極電磁石によれば、横断面の形状
が略々Ｃ字状とされ開口部上下面に相対向する２つの可
動磁極を設けて磁極の対向面を前記横断面内で傾けて磁
極間隙の幾何学的な形状を変えるようにしており、これ
により前記横断面内での磁路の長さを変えて磁場を均一
にしたり、４極磁気成分を任意に変えることができるよ
うにしている。また、この発明の２極電磁石によれば、
磁極の略々Ｃ字状とされた横断面と直交する方向の両端
部に可動端面磁極を設けて磁極両端部の幾何学的な形状
を変えることができるようにしており、磁極端面での磁
場の影響を変え、これにより偏向力と独立して収束・発
散力を任意に変えることができる。したがって、１つの
二極電磁石で偏向と収束の独立した両機能を持たせるこ
とができる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の二極電磁石の実施例を図面
に基づき詳細に説明する。図１及び図２はこの発明の２
極電磁石の一実施例をシンクロトロンの偏向電磁石に適
用した場合の横断面図及び磁極部分の分解斜視図であ
る。この偏向電磁石５０は横断面が略々Ｃ字状で平面形
状が矩形をなすコア５１を有し、開口部上下に、たとえ
ばコア５１と同じ材料で作られた可動磁極５２，５３が
設けられ、横断面内で可動磁極５２，５３の先端面の傾
きを変えて磁極間隙５４を変えることができるようにな
っている。

【００１２】このためコア５１の開口部上下は、たとえ
ば開口部下側を図２に示すように、横断面が円弧状の凹
部５５が形成されるとともに、この凹部５５の偏向電磁
石５０の周方向中央部に蟻ほぞ５６が形成してある。こ
の開口部上下に配置される可動磁極５２，５３は、その
横断面形状がほぼ半円状とされ、その長さが偏向電磁石
５０の周方向長さに等しく形成され、その中央部にはコ
ア５１に形成した蟻ほぞ５６と嵌合される蟻みぞ５７が
形成してある。したがって、コア５１の開口部上下の蟻
ほぞ５６に可動磁極５２，５３の蟻みぞ５７を嵌合する
ことで、コア５１と可動磁極５２，５３を密着させた状
態で可動磁極５２，５３を、図１に示すように、その背
部の円弧面に沿って回動することができる。可動磁極５
２，５３の基端部のコア５１部分には、コイルが巻か
れ、可動磁極５２，５３に磁束を生じさせて、真空容器
内の電子ビームに水平方向への偏向力などを与える。

【００１３】このような偏向電磁石５０では、可動磁極
５２，５３の先端面で形成される磁極間隙５４の傾きを
変えて幾何学的な形状を変えることができ、これら可動
磁極５２，５３間の磁極間隙５４部分に形成される磁場
５８を、図１中に実線で示す均一磁場としたり、図１中
に破線で示す４極磁場成分５９を発生させたり、その大
きさを変えることができる。すなわち、この磁極間隙５
４の幾何学的な形状とこれら可動磁極５２，５３間の磁
極間隙５４に形成される磁場５８は、図９で説明したよ
うに、磁路の長さの相違による磁気抵抗で変化すること
から、たとえば図３（ａ）に示すように、下側の可動磁
極５３を動かしてコア５１の内側の磁路６０の間隙中磁
場と外側の磁路６０の間隙中磁場とが等しくなるように
すれば、磁極間隙５４に形成される磁場５８を均一にす
ることができる。また、図３（ｂ）に示すように、上下
の可動磁極５２，５３を動かしてコア５１の内側の磁路
６０の間隙中磁場と外側の磁路６０の間隙中磁場とが一
層異なるようにすれば、磁極間隙５４に形成される４極
磁場成分５９を一層大きくすることができる。

【００１４】このような可動磁極５２，５３の移動によ
る傾きの変更によって磁極間隙５４の幾何学的な形状を
変えることで、この磁極間隙５４間に形成される磁場５
８を変えることができ、磁場５８の均一度を向上した
り、４極磁場成分５９を任意に変えることができる。こ
れにより、１つの電源を備えた１つの偏向電磁石５０
で、均一磁場によってシンクロトロンの電子ビームの偏
向だけを行うことができるとともに、４極磁場成分を利
用して電子ビームの収束を行うこともでき、電源の制御
と可動磁極５２，５３の移動の組合わせによって電子ビ
ームの偏向力と収束力を独立して制御することができ、
従来偏向電磁石のほかに設置した４極電磁石を省略する
ことも可能となり、シンクロトロンの小形化を図ること
もできる。

【００１５】次に、この発明の二極電磁石の他の一実施
例について説明する。図４及び図５はこの発明の二極電
磁石の一実施例をシンクロトロンの偏向電磁石に適用し
た場合の平面図，横断面図及び磁極の端面部分の斜視図
である。この偏向電磁石７０は横断面が略々Ｃ字状で平
面形状が環状の一部をなすコア７１を有し、開口部上下
が互いに突き出すように形成されて磁極７２，７３とさ
れ、これら磁極７２，７３間が磁極間隙７４となってい
る。

【００１６】このコア７１の横断面に直交する方向の両
端部には、磁極７２，７３の端面形状を変えるため、た
とえば磁極７２，７３と同じ材料で作られた可動端面磁
極７５，７６が配置されており、偏向電磁石７０に入射
・出射される電子ビームに対する電磁石端面での収束・
発散力を変えることができるようになっている。すなわ
ち、磁極７２，７３の両端部には、下側磁極７３を抽出
した図５に示すように、電子ビームのほぼ軌道上に中心
軸を有する円柱のほぼ１／４を成す切欠部７５が形成さ
れており、これら切欠部７５に半円柱状の可動端面磁極
７５，７６がコア７１に軸止めされ、磁極７２，７３と
密着した状態で垂直軸回りに回動できるように装着され
ている。したがって、図４及び図５に示すように、可動
端面磁極７５，７６を回転して動かすことで、磁極７
２，７３の端面に対して可動端面磁極７５，７６の一部
をを突き出し他の部分を凹んだ状態にすることができ
る。そして、磁極７２，７３の基端部の可動端面磁極７
５，７６と干渉しないコア７１部分には、コイルが巻か
れ、磁極７２，７３に磁束を生じさせて、真空容器内の
電子ビームに水平方向への偏向力などを与える。

【００１７】このような偏向電磁石７０では、可動端面
磁極７５，７６により電磁石の横断面に直交するエッジ
を幾何学的に変えることができ、図６に磁極７２，７３
の端面における電子ビーム軌道に垂直な面内での水平方
向各位置の磁場分布を矢印で示すように、磁極７２，７
３の端面での磁場７７よる影響を変え、偏向電磁石７０
の入口及び出口での電子ビームの収束・発散力を任意に
調整することができる。 すなわち、この偏向電磁石７
０の磁極７２，７３の端面の幾何学的な形状を可動端面
磁極７５，７６によって変えることによる磁場の影響
は、図８で説明したように、水平面内での電子ビームの
軌道を中心として内側と外側で磁場から受ける力の相違
によって生じることから、たとえば図６（ａ）に示すよ
うに、偏向電磁石７０の入側において、可動端面磁極７
５を動かして電子ビームの軌道中心より外側を突き出
し、内側を凹むようにすると、電子ビームへの軌道中心
より外側の磁場７７の影響が強くなって偏向電磁石７０
の中心軌道に向かってより強く電子ビームを収束させる
ような収束力が作用する。

【００１８】また、図３（ｂ）に示すように、偏向電磁
石７０の入側において、可動端面磁極７５を磁極７２，
７３の端面と同一平面を成すようにすれば、従来の偏向
電磁石と同様に機能する。さらに、図６（ｃ）に示すよ
うに、偏向電磁石７０の入側において、可動端面磁極７
５を動かして、同図（ａ）とは逆に、電子ビームの軌道
中心より内側を突き出し、外側を凹むようにすると、電
子ビームへの軌道中心より内側の磁場７７の影響が強く
なって偏向電磁石７０の中心軌道からより強く電子ビー
ムを発散させるような発散力が作用する。なお、偏向電
磁石７０の出側において同様に可動端面磁極７６を動か
すようにすれば、入側と同様に収束力や発散力を与える
ことができるとともに、これらの大きさを調整すること
ができる。

【００１９】このような可動端面磁極７５，７６の移動
によって磁極端面の幾何学的な形状を変えることで、偏
向電磁石７０の入側と出側で電子ビームに収束力や発散
力を与えることができるとともに、その大きさを移動量
で任意に調整することができ、４極電磁石と同様の機能
を持たすことができる。これにより、１つの電源を備え
た１つの偏向電磁石７０によって、入側と出側で電子ビ
ームに任意の大きさの収束力や発散力を与えながら、中
間部で従来と同様の偏向力を電源で制御しながら与える
ことができ、それぞれを可動端面磁石７５，７６の移動
と電源の制御とで独立して制御することができ、従来偏
向電磁石のほかに設置した４極電磁石を省略することも
可能となり、シンクロトロンの小形化を図ることもでき
る。

【００２０】前記実施例では、この発明を粒子加速器の
偏向電磁石に適用した場合について説明したが、他の二
極電磁石に広く適用することができる。また、可動磁極
の可動構造や可動端面磁極の可動構造は前記各実施例に
限定するものでなく、他の構造に変えることも可能であ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上、実施例とともに具体的に説明した
ようにこの発明の二極電磁石によれば、横断面の形状が
略々Ｃ字状とされ開口部上下面に相対向する２つの可動
磁極を設けて磁極の対向面を前記横断面内で傾けて磁極
間隙の幾何学的な形状を変えるようにしたので、磁路の
長さを変えて磁場を均一にしたり、４極磁気成分を任意
に変えることができ、１つの二極電磁石に偏向と収束の
独立した両機能を持たせることができる。これにより、
シンクロトロンの偏向電磁石に適用すれば、収束用の４
極電磁石を廃止して偏向電磁石だけで偏向と収束を行
い、シンクロトロンの小形化を図ることができる。

【００２２】また、この発明の２極電磁石によれば、磁
極の略々Ｃ字状とされた横断面と直交する方向の両端部
に可動端面磁極を設けて磁極両端部の幾何学的な形状を
変えることができるようにしたので、端面での磁場の影
響を変えることで、偏向力と独立して収束・発散力を任
意に変えることができ、１つの二極電磁石で偏向と収束
の独立した両機能を持たせることができる。これによ
り、シンクロトロンの偏向電磁石に適用すれば、収束用
の４極電磁石を廃止して偏向電磁石だけで偏向と収束を
行い、シンクロトロンの小形化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の二極電磁石の一実施例をシンクロト
ロンの偏向電磁石に適用した場合の横断面図及び磁場分
布図である。

【図２】この発明の二極電磁石の一実施例をシンクロト
ロンの偏向電磁石に適用した場合の磁極部分の分解斜視
図である。

【図３】この発明の二極電磁石の一実施例をシンクロト
ロンの偏向電磁石に適用した場合の可動磁極と磁場の関
係の説明図である。

【図４】この発明の二極電磁石の他の一実施例をシンク
ロトロンの偏向電磁石に適用した場合の平面図及び横断
面図である。

【図５】この発明の二極電磁石の他の一実施例をシンク
ロトロンの偏向電磁石に適用した場合の磁極の端面部分
の斜視図である。

【図６】この発明の二極電磁石の他の一実施例をシンク
ロトロンの偏向電磁石に適用した場合の可動端面磁極と
磁場の影響の関係の説明図である。

【図７】この発明の二極電磁石が適用されるシンクロト
ロンの概要を示す平面図である。

【図８】この発明の二極電磁石が適用されるシンクロト
ロンの偏向電磁石の外観斜視図及びその端面形状と磁場
分布を示す平面図である。

【図９】この発明の二極電磁石が適用されるシンクロト
ロンの偏向電磁石の横断面図及びその磁場分布図であ
る。

【符号の説明】

２０ シンクロトロン ２４ 偏向電磁石 ５０ 偏向電磁石（二極電磁石） ５２，５３ 可動磁極 ５４ 磁極間隙 ５８ 磁場 ５９ ４極磁場成分 ７０ 偏向電磁石（二極電磁石） ７２，７３ 磁極 ７５，７６ 可動端面磁極 ７７ 磁場

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横断面の形状が略々Ｃ字状とされ開口部
   上下面を相対向する磁極としこれら磁極間の磁極間隙内
   に磁場を発生させる二極電磁石において、前記磁極の開
   口部上下面に磁極の対向面を前記横断面内で傾けて磁極
   間隙を可変とする可動磁極を設けたことを特徴とする二
   極電磁石。
2. 【請求項２】 横断面の形状が略々Ｃ字状とされ開口部
   上下面を相対向する磁極としこれら磁極間の磁極間隙内
   に磁場を発生させる二極電磁石において、前記磁極の略
   々Ｃ字状とされた横断面と直交する方向の両端部にこれ
   ら磁極の端面形状を可変とする可動端面磁極を設けたこ
   とを特徴とする二極電磁石。