JPH06267700A - αアンジュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子ビームを短周期で偏向して放射光を取出
せる構造も簡単なアンジュレータを提供する。 【構成】 磁石１と磁石２を平行に配置して磁束の向き
が同じで、電子ビームの進行方向に対して共に垂直な磁
場Ｂ１とＢ２をｄ離れた位置に発生させる。この状態で
電子ｅ^- をθの入射角で第１磁場Ｂ１に進入させると電
子ｅ^- はここで（１８０−θ）°偏向された後第２磁場
Ｂ２に入り、ここで（１８０＋２θ）°偏向されて再度
θの角度で第１磁場Ｂ１に入る。この動作の繰り返しで
電子の移動軌跡は図のようになって波のピッチ（周期
長）λｗが短かくなる。使用磁石数が少ないので小型化
や構造の簡素化も図れる。また、θは自由に変更でき、
これによりλｗが可変になるなどの利点もある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームをその移動
軌跡がα文字の繰り返しとなるような状態に偏向して放
射光を取出すαアンジュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアンジュレータは、電子ビームの
進路上に交番磁界を発生させ、この交番磁界により電子
の運動にうねりを生じさせて電磁波を発生させている。
このようなアンジュレータの具体例としては、例えば、
月刊フィジクスＶｏ１１．４Ｎｏ．５、１９８３に自由
電子レーザ用アンジュレータについての詳しい記述があ
る。

【０００３】この文献に示されているアンジュレータを
図８に示す。同図（ａ）に示すように、極性の異なる磁
石Ｍを交互に上下２段に配列すると上下の対向磁極面間
に発生する磁界が交互に逆向きになり、同図（ｂ）に示
すように、電子ｅ^- がＹ軸〔図８（ａ）参照〕に対して
垂直な面内でＸ軸方向に振れて蛇行し、シンクロトロン
軌道放射と同じ理屈で放射光が発生する。

【０００４】なお、このアンジュレータの原理は、現在
も図８のものと基本的には大して変わっていない。例え
ば、本出願人が特願平４−２０７９１７号で提案してい
るものも交番磁界を用いて電子ビーム波打たせる方法を
採っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のアンジュレータ
は、交番磁界を作るために電子ビームの進路上に図８に
示すように異極性の磁石を一定ピッチで交互に並べてい
る。このため、電子の波のピッチλ₀ 〔図８（ｂ）〕を
短かくするには物理的限界があり、なおかつそのλ₀ が
磁石の配列ピッチと同じ値に固定されると云う問題があ
った。

【０００６】また、多数の磁石を使用するため、磁石の
保持構造なども非常に複雑になっている。本発明は、こ
れ等の問題点を無くすことを課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明においては、２組の対向磁極面間に磁束の向
きが同一であり、かつ、電子ビームの進行方向に対して
共に垂直である第１磁場と第２磁場を発生させる。そし
て、第１磁場に入射角θで進入させた電子ビームを第１
磁場中で（１８０−２）°偏向して第２磁場に向かわ
せ、さらに、この第２磁場にθの角度で進入した電子ビ
ームを（１８０＋２θ）°偏向して１つ手前の第１磁場
への進入点からλｗ離れた位置で第１磁場にθの角度で
再進入させ、この動作を繰り返して放射光を取出す構成
にする。

【０００８】なお、このαアンジュレータにおける２組
の対向磁極面は、２組の磁石を用いてそれぞれの磁石に
別々に形成してもよいし、１つの磁石に一体的に形成し
てもよい。また、１つの磁石に形成する場合には、１組
の対向磁極面間に電子ビームの通路を有する磁気シール
ド材を配置し、この磁気シールド材の左右に前記対向磁
極面の一部を張り出させる方法でも作り出すことができ
る。

【０００９】また、本発明のαアンジュレータは、第２
磁場の電子ビーム入射点における第１磁場からの離反量
を階段状に変化させる構成のものも考えられる。その階
段状変化は、第１、第２磁石を用いて前者で第１磁場
を、後者で第２磁場を各々発生させる場合には、第２磁
石を電子ビームの進路方向に複数に分割することができ
るので、分割磁石に位置調整機構を付随させて変化量を
可変にすることが可能である。

【００１０】このほか、本発明で使用する磁石は、永久
磁石、電磁石のどちらかであってもよい。

【００１１】

【作用】電子ビームは、第１磁場中で（１８０−２θ）
°、第２磁場中で（１８０−２θ）°偏向され、１周期
の合計偏向角が１８０°になる。そのため、電子の飛行
軌跡はαの文字を繰り返して画くような形になり、これ
によって短周期のアンジュレータが実現される。

【００１２】また、第１、第２磁場間の距離、磁場に対
する電子ビーム入射角のどちらかを変えると入射ピッチ
（＝周期長）λｗが変わり、従って、全体の周期長も可
変になる。

【００１３】さらに、第２磁場の電子ビーム入射点にお
ける第１磁場からの離反量ｄを階段状に変化させると、
同一アンジュレータ内で部分的に周期長が変化し、その
ため、基本設計を大きく変えずに仕様の異なるアンジュ
レータを作ると云ったことも可能になる。

【００１４】このほか、使用する磁石の数が従来のもの
に比べて少なくて済むので保持機構等の複雑化も回避で
きる。なお、作用の詳細は、実施例の項で述べる。

【００１５】

【実施例】図１〜図５に本発明のαアンジュレータの実
施例を示す。

【００１６】図１のアンジュレータは、２組のＣ型断面
の磁石１、２を、図のように平行に向かい合わせ、図中
の座標系でＸ軸方向にｄ離反させて台３にねじ止めして
いる。各磁石１、２はＹ軸方向に着磁されており、その
極性は同一である。この磁石１、２が作り出す磁場の強
さは同一である必要はない。

【００１７】このαアンジュレータは、ここでは磁石１
が第１磁場を作るようにしてあり、従って、ライナック
等の加速器から取出された電子ｅ^- は図のように入射さ
れる。θは中心軸Ｃを基準にした第１磁場への電子入射
角度を示している。なお、実際には電子は真空ダクト内
を飛行するが、図はそのダクトを省略している。

【００１８】図２のαアンジュレータは、図１のＣ型断
面の磁石１、２を、それぞれ２個の長方形断面の磁石
４、５に置き換えたものであって、機能は図１のものと
同じである。

【００１９】図３のαアンジュレータは、磁石１、２間
の間隔（＝第１、第２磁場間の間隔）ｄを階段状に変化
させたものを示している。ここでは、長手方向途中の間
隔ｄ₁ を（ｄ＋ａ）にしてある。この構成にすると、図
１、２のアンジュレータとは異なる効果がもたらされ
る。

【００２０】間隔ｄの変化量ａは、固定、可変のどちら
にもすることができる。ここでは、台３に設ける固定ボ
ルトの挿入穴（図示せず）をＸ軸方向の長穴とし、その
長穴の許容範囲で３分割した磁石２をそれぞれＸ軸方向
に動かして固定できるようにしている。図３は中央の分
割磁石のみをａ動かしているが、ｄの値は電子の入口側
から出口側に向かって段々と変わっていくように設定し
てもよい。変化量ａを１つの値に固定にする場合には、
可変調整機構は勿論不要であるし、磁石を分割すること
自体も必須ではなくなる。

【００２１】図２のαアンジュレータも、同様にして離
反量ｄを階段状に変化させることができる。

【００２２】図４のαアンジュレータは、第１磁場を作
る対向磁極面と第２磁場を作る対向磁極面を１つの磁石
６に一体に形成したものである。このアンジュレータ
は、磁石の保持が簡単であり、第１、第２磁場の平行度
も出し易い。

【００２３】図５のαアンジュレータも、同様に１つの
磁石によって第１、第２の磁場を作り出すものである。
磁石７は１組の幅の広い対向磁極面を有し、その磁極面
間の空間に一様な磁場を発生させる。その対向磁極面間
に図のように磁気シールド材８を挿入すると、この磁気
シールド材の左右にはみ出た対向磁極面間に図５（ｃ）
に示す第１磁場Ｂ１、第２磁場Ｂ２が作り出される。磁
気シールド材８は磁性体で形成されており、その胴部に
は図５（ｂ）に示すようにＹ軸と直角な面内でＸ、Ｚの
２軸方向に延びる貫通穴８ａがあけられている。

【００２４】貫通穴８ａは、電子ビームの通路として利
用するものであり、磁気シールド材８の働きによってこ
の穴内には磁場が形成されない。即ち、図５（ｃ）に示
すように、対向磁極面間に磁気シールド材８を挿入する
と、矢線で示す磁束は磁気シールド材の内部を流れるた
め、貫通穴８ａ内は図１の磁石１、２間の空間部と同様
に磁場０の空間となり、このため、電子は貫通穴８ａ内
を直進することができ、図５のものと実質的に差のない
アンジュレータとなる。

【００２５】なお、例示のαアンジュレータに用いた磁
石はいずれも永久磁石であるが、これは電磁石に代えて
もよい。

【００２６】以下に、本発明のαアンジュレータの作用
を詳しく述べる。図６は、図１のαアンジュレータにお
いてＹ軸と直角な平面上をＸ、Ｚ軸方向に飛行する電子
の動きを示している。ここでは、磁石１、２がそれぞれ
Ｂ１、Ｂ２なる磁場を発生させているとする。電子ｅ^-
偏向半径は磁場の強さＢと電子のエネルギーＥにより決
まり、それ等の間にはＥ（ＧｅＶ）＝０．３Ｂ（Ｔ）×
ｒ（ｍ）なる関係がある。そこで、今、磁石１での偏向
半径をｒ₁ 、磁石２ではｒ₂ とする。

【００２７】ライナックなどの加速器から取出された電
子ｅ^- は図の左側から先ず、第１磁場Ｂ１に角度θで進
入し、同磁場中でｒ₁ の半径により（１８０−２θ）°
偏向される。そして角度θで第１磁場から出た後、磁石
１、２間の空間を直線的に飛行して第２磁場Ｂ２に向か
う。磁石１、２は平行であるので第２磁場Ｂ２に対して
もやはり角度θで進入する。この第２磁場Ｂ２中ではｒ
₂ の半径で（１８０＋２θ）°の偏向が行われる。その
後、角度θで第２磁場から出て第１磁場Ｂ１に向かい、
角度θで第１磁場Ｂ１に再進入する。この動作を繰り返
すことにより、第１磁場Ｂ１内では図中右向きにピッチ
λｗで電子が入射し、同一条件での偏向が何度も行われ
る。

【００２８】電子が偏向される際には接線方向に光を放
射する。その放射光のうち、図中Ａ点で発生する光はＢ
点で発生する光と重なり合い、従来のアンジュレータと
同様の状態になる。なお、第２磁場Ｂ２内では、電子を
左向きにλｗの周期で波打たせて進行させるアンジュレ
ータと類似した状態が作り出されるが、この第２磁場Ｂ
２では放射光の発生方向が電子の全体的な進行方向とは
異なり、電子の加速、減速の状態が第１磁場側のそれと
は一致しないため、同じ物理現象として解釈することは
できない。

【００２９】本アンジュレータの波の周期長（ピッチ）
λｗは、ｒ₁ ＝ｒ₂ のとき、即ち、磁場Ｂ１、Ｂ２の強
さが同じであるなら、下式で表される。

【００３０】 λｗ＝２×（ｒ₁ ＝ｒ）cos θ＋２ｄ×tan （９０−θ）……… ＝２ｄ×tan （９０−θ） このように、波の周期長λｗは主に磁場間距離ｄ、電子
の入射角θに依存している。このうち、特に、入射角θ
は、磁石形状等による変更制限を受けない。即ち、図１
の磁石間距離ｄの決定後でも波の周期長λｗは入射角θ
を変えることで自由に変化させて任意の値に設定でき
る。

【００３１】次に、図３の構成、即ち、磁石１に対する
磁石２の離反距離ｄを階段状に変化させたアンジュレー
タの効果について述べる。

【００３２】図７はＹ軸と直角な平面内でＸ、Ｙ軸方向
に飛行する電子の動きを示している。ここでは、第２磁
場Ｂ２に電子ｅ^- が最初に入射する位置の離反距離ｄ、
次に入射する位置の離反距離をｄ₁ 、その次に入射する
位置の離反距離をｄ₂ と次第に大きくしており、これに
伴い、第１磁場Ｂ１内での波の周期長λｗも２ｄtan
（９０−θ）→２ｄ₁ tan （９０−θ）→２ｄ₂ tan
（９０−θ）と次第に大きくなっていくことが判る。こ
れは、上の式でλｗがｄにも依存していることを利用
したものであって、この機能を利用すれば、オプティカ
ルクライストロンも全体の形状を大きく変更すること無
く形成し得る。

【００３３】図２、図４、図５のαアンジュレータも、
図１と同様の磁場分布となるので図６で述べたのと同様
の作用になる。また、これ等のαアンジュレータもｄを
部分的に変化させれば図７で述べた周期長可変の効果が
得られる。

【００３４】なお、ｄを階段状に変化させる場合の入射
角θの自由変更範囲はｄを変化させない場合よりも狭く
なる。図５のαアンジュレータも、貫通穴８ａの大きさ
による制限が生じるので、入射角θの自由変更範囲が狭
くなる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁束の向きが同一であり、かつ電子ビームの進行方向に
対して共に垂直である第１磁場と第２磁場を平行位置に
生じさせ、この２つの磁場で電子を１周期の偏向角が１
８０°になるように偏向して第１磁場中で放射光を取出
すようにしたので、交番磁界を用いて電子を蛇行させる
従来のアンジュレータと違って波のピッチを短縮する上
での物理的限界がなくなり、短周期のアンジュレータを
実現できる。

【００３６】また、第１磁石（第１磁場）に対する第２
磁石（第２磁場）の離反距離を変えると同一アンジュレ
ータ内で部分的に周期の変化したアンジュレータが得ら
れ、設計や仕様変更等の自由度も高まる。

【００３７】さらに、磁場に対する電子入射角を変える
だけで従来存在しなかった全体周期長が可変のアンジュ
レータになるので、使用法等にも自由度が生じる。

【００３８】このほか、多数の磁石を使用する必要がな
く、短周期化も可能なため、全体サイズの小型化や全体
構造の簡素化等も併せて実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のαアンジュレータの一例を示す斜視図

【図２】第２実施例の斜視図

【図３】第３実施例の斜視図

【図４】第４実施例の斜視図

【図５】（ａ）：第５実施例の斜視図 （ｂ）：磁気シールド材の詳細を示す斜視図 （ｃ）：磁気シールド材の働きを示す斜視図

【図６】本発明のαアンジュレータの磁石配列を示す図

【図７】磁場間の階段状距離変化で波の周期が変化する
様子を示す図

【図８】（ａ）：従来のアンジュレータの磁石配列を示
す図 （ｂ）：交番磁界による電子の波を示す図

【符号の説明】

１、２ Ｃ字断面の磁石 ３ 台 ４、５ 長方形断面の磁石 ６ ２組の対向磁極面をもつ磁石 ７ １組の対向磁極面をもつ磁石 ８ 磁気シールド材 ８ａ 貫通穴 Ｂ１ 第１磁場 Ｂ２ 第２磁場

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁束の向きが同一であり、かつ、電子ビ
   ームの進行方向に対して共に垂直である第１磁場と第２
   磁場を各々の対向磁極面間に発生させる２組の磁石を並
   行に離して配置し、第１磁石が作る第１磁場に入射角θ
   で進入させた電子ビームを第１磁場中で（１８０−２
   θ）°偏向して第２磁石が作る第２磁場に向かわせ、さ
   らに、この第２磁場にθの角度で進入した電子ビームを
   （１８０＋２θ）°偏向して１つ手前の第１磁場への進
   入点からλｗ離れた位置で第１磁場にθの角度で再進入
   させ、この動作を繰り返して放射光を取出すαアンジュ
   レータ。
2. 【請求項２】 第１磁石に対する第２磁石の第２磁場へ
   の電子ビーム入射点における離反量ｄを階段状に変化さ
   せた請求項１記載のαアンジュレータ。
3. 【請求項３】 第２磁石を電子ビームの進路方向に複数
   に分割し、その分割した磁石に前記離反量ｄの可変調整
   機構を具備させた請求項２記載のαアンジュレータ。
4. 【請求項４】 第１、第２磁場を作る２組の対向磁極面
   を１つの磁石に形成し、この磁石を請求項１記載の２組
   の磁石と置き換えてあるαアンジュレータ。
5. 【請求項５】 １つの磁石の対向磁極面間に電子ビーム
   の通路を有する磁気シールド材を配置し、この磁気シー
   ルド材の左右に張出させた対向磁極面間に第１、第２磁
   場を発生させて請求項１記載のαアンジュレータと同様
   の作用で放射光を取出すようにしたαアンジュレータ。