JPH0883698A - 高周波アンジュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、小さい高周波電力の入力で十分な磁
場強度を確保することができると共に、等価的電磁界周
期をより小さくして短波長のアンジュレータ光を得るこ
とを最も主要な目的としている。 【構成】本発明は、高周波空洞による高周波電磁界を用
いて電子を蛇行させ、発生する放射光を干渉させてアン
ジュレータ光を発生させる高周波アンジュレータにおい
て、上記高周波空洞として、超電導高周波空洞を用いる
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放射光を利用する加速
器に設置されるアンジュレータに係り、特に高周波空洞
による高周波電磁界を用いて電子を蛇行させ、発生する
放射光を干渉させてアンジュレータ光を発生させる高周
波アンジュレータの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、高エネルギー状態の電子が円
運動や振動をする時に、種々の電磁波を放射することが
知られてきており、その放射の一つとしてシンクロトロ
ン放射がある。

【０００３】このシンクロトン放射は、数億電子ボルト
（数百ＭｅＶ）以上の高エネルギー状態に加速されて真
空中をほぼ光速で運動する電子が、偏向磁場によりその
軌道が曲げられると、その軌道の接線方向に放射光と呼
ばれる光が放射される現象である。

【０００４】このようなシンクロトロン放射による放射
光は、その波長が数オングストロームから数千オングス
トロームまでの連続光であり、積分した放射パワーは極
めて大きい。

【０００５】しかしながら、使用する波長以外の光は被
照射体に損傷を与えてしまうことから、狭い波長範囲を
選択して使用したいという要求がある。そして、この要
求に応えるために、波長に選択性を持たせると、今度は
放射光の強度が低下して、高輝度な光源とならない。

【０００６】そこで、このような波長選択性、高輝度化
の要求を満足させるために、最近では、挿入型光源の一
つであるアンジュレータによるアンジュレータ放射が研
究され、使用されてきている。

【０００７】すなわち、このアンジュレータは周期的磁
場発生装置であり、アンジュレータ中に電子を入射して
蛇行運転を行なわせ、各蛇行毎に放射される放射光を干
渉させることによって、偏光性を有する高輝度な放射光
を発生することができる。

【０００８】このアンジュレータの周期磁場は、通常
は、永久磁石の周期的な配列を、電子ビーム通過部を挟
み込むように配置して得ている。図２は、永久磁石を用
いた従来のアンジュレータの永久磁石配列の一例を示す
模式図である。

【０００９】図２において、１１は永久磁石であり、そ
の磁化方向は矢印にて示されている。ビームの通過部を
挟むように上下に設けられた周期的な永久磁石１１の配
列は、上下ともに９０度ずつ磁化方向の異なる永久磁石
１１が４つで１周期をなしている。図２に示すような永
久磁石１１の磁化方向を用いることにより、ビーム通過
部に周期磁場を形成することができる。

【００１０】この周期磁場は、永久磁石１１の残留磁化
に限界があるため、各周期のピーク磁場強度はおよそ数
百ガウス〜数キロガウス程度が限界であり、また周期長
は４つの永久磁石１１の大きさであるから４〜５ｃｍ程
度が限界で、それよりも小さくすることは難しい。

【００１１】図２に示すようなアンジュレータの場合、
この周期磁場の分布は、λを磁場の周期長、Ｂ_Oyを周期
磁場のピーク値として、 Ｂ_y ＝Ｂ_0yｓｉｎ（２πｚ／λ） …（１） と表わすことができる。

【００１２】また、アンジュレータ放射の特性を示す量
として、Ｋパラメータと呼ばれるものがある。これは、
放射光の特性を示す量であり、以下のような式で定義さ
れる。

【００１３】 Ｋ〜９３．４×λ（ｍ）・Ｂ（Ｔ） …（２） そして、アンジュレータ放射は、このＫパラメータの値
が１以下の時に発生する。

【００１４】一方、アンジュレータとしては、上記のよ
うな永久磁石を用いたもの以外に、最近では、高周波空
洞により発生する高周波の電磁界を用いる高周波アンジ
ュレータと呼ばれるものがある。

【００１５】この高周波アンジュレータの例としては、
例えば文献“ＭｉｃｒｏｗａｖｅＵｎｄｕｌａｔｏｒ”
（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ７ｔｈ Ｍ
ｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｌｉｎｅａｒ Ａｃｃｅｌｅｒａ
ｔｏｒｓ，１９８２，Ｐ．８４〜Ｐ．８６）に示すよう
なものが提案されてきている。

【００１６】図３は、この文献に示された高周波アンジ
ュレータの構成例を示す断面模式図である。これは、例
えば銅等で製作された常電導の高周波空洞を用いたもの
であり、高周波電源から供給される高周波エネルギーに
よって共振電磁界を励起し、この電磁界により横方向に
周期的に蹴る力を与えてビームを蛇行させ、アンジュレ
ータ光を発生する。

【００１７】図３に示す高周波アンジュレータは、断面
形状が長方形の空洞にリッジ電極１２を備えたリッジ型
と呼ばれるものである。すなわち、図３において、図示
しない高周波電源から、高周波パワーが結合孔１３を介
して高周波アンジュレータ１′に供給される。また、ビ
ームを蛇行させるための電磁界のモードとしては、通
常、方形導波管のＴＥ_10N モードと呼ばれるものを用い
る。このモードは、電子ビームが通過する軸上に、電界
と磁界がともに存在するモードである。

【００１８】図４は、図３の高周波アンジュレータ内に
おける電磁界分布とこの高周波アンジュレータ内でのビ
ームの蛇行軌道の一例を示す模式図である。図４におい
て、Ｎはビーム通過方向に存在する電磁界分布のピーク
の数を示している。このモードにおいて、軸上の電磁界
は、

【００１９】

【数１】 と表わすことができる。

【００２０】ここで、Ｂ_Ox、Ｅ_0yは、磁界１４および電
界１５のピーク値であり、またλ_gは管内波長と呼ば
れ、このモードの場合、高周波アンジュレータ１´の長
さをＬとして、 λ_g ＝２Ｌ／Ｎ …（５） で表わすことができる。

【００２１】この（５）式より、電界はｘ方向成分、磁
界はｙ方向成分のみを持つことが明らかであるが、この
双方が電子ビームを垂直方向に蹴ることがわかる。そし
て、上記文献によれば、電磁界の位置的な周期λ_g を、
このモードの共振周波数に対する波長λに近くなるよう
設計することにより、通過する電子ビームが受ける電磁
力は周期的になることが知られている。この時、電子ビ
ームは、前述した従来の永久磁石を用いたアンジュレー
タの場合と同様に、図４の１６に示されるように、垂直
面（ｙｚ平面）内を蛇行運動してアンジュレータ光を発
生する（電子ビーム軌道）。

【００２２】これが、高周波アンジュレータの原理であ
る。そして、この際の等価電磁界周期長λ_eqは、 λ_eq＝（λ・λ_g ）／（λ＋λ_g ） …（６） として与えられる。

【００２３】高周波アンジュレータのビームを蛇行させ
る共振モードの共振周波数を高くすれば、λが小さくな
り、またλ_g もλと近くなるように定められるため、必
然的にλ_eqの値も小さくなり、電磁場の周期長は短くな
り、前述した従来の永久磁石を用いたアンジュレータの
場合よりも、一層短周期のビーム軌道の蛇行を行なわせ
ることが可能である。

【００２４】しかしながら、従来の永久磁石を用いたア
ンジュレータにおいては、磁場の周期が永久磁石の大き
さによって制約されるため、４〜５ｃｍよりも小さくす
ることは困難であり、結果として短波長のアンジュレー
タ光を得ることが困難である。

【００２５】一方、高周波アンジュレータにおいては、
アンジュレータ光の短波長化の可能性はあるが、十分な
磁場強度を確保することが困難であるという問題点があ
る。すなわち、前記文献によれば、永久磁石アンジュレ
ータの４３０ガウスに相当する磁場強度を得るために
は、ＲＦアンジュレータでは、２８５６ＭＨｚで３００
ｋＷの高周波電力を必要としている。これは、相当に大
きな値であり、連続運転（以下、ＣＷ運転と称する）を
行なおうとしても、発熱が大き過ぎて不可能であり、パ
ルス運転に限定されてしまう。さらに、このような高周
波電力を供給するための高周波電源や高周波伝送系は、
技術的に実現することが容易ではない。

【００２６】また、この際の磁場周期は約５５ｍｍであ
り、さらにこれよりも短周期磁場を得るために、共振周
波数を高くしようとすると、この文献のようなリッジ型
空洞では、リッジ電極１２間のギャップが小さくなり過
ぎて現実的ではなくなるため、別のタイプの空洞、例え
ば円型空洞等を用いなければならない。

【００２７】しかしながら、この円型空洞では、リッジ
型空洞と比べて空洞軸上への電磁界の集中が弱まるため
に、効率が低下し、同じような強度の磁場を得るために
は、さらに大きな高周波電力を必要とする。

【００２８】従って、従来の高周波アンジュレータを用
いて、永久磁石を用いたアンジュレータよりもさらに短
波長のアンジュレータ磁場を得ようとする場合、大電力
化、そしてパルス運転は不可避となる。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
アンジュレータにおいては、短波長のアンジュレータ光
を得ることが難しいとか、十分な磁場強度を確保するの
に大電力を必要とするというような問題があった。

【００３０】本発明の目的は、小さい高周波電力の入力
で十分な磁場強度を確保することができると共に、等価
的電磁界周期をより小さくして短波長のアンジュレータ
光を得ることが可能な高周波アンジュレータを提供する
ことにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では、高周波空洞による高周波電磁界を用い
て電子を蛇行させ、発生する放射光を干渉させてアンジ
ュレータ光を発生させる高周波アンジュレータにおい
て、上記高周波空洞として、超電導高周波空洞を用いて
成る。ここで、特に上記超電導高周波空洞としては、円
筒型の空洞を用いるようにしている。

【００３２】

【作用】従って、本発明の高周波アンジュレータにおい
ては、高周波アンジュレータに使用する高周波空洞を超
電導にすることにより、高周波空洞の空洞壁における損
失が、前述の銅等で製作された常電導の高周波空洞と比
較して４桁から５桁程度小さくなる。

【００３３】よって、数Ｗ〜数＋Ｗ程度の小さい高周波
電力の入力で、数百ガウス程度の十分な強度のアンジュ
レータ磁場を得ることができる。また、この程度の入力
であれば、ＣＷ運転する上で全く問題はない。

【００３４】さらに、従来の場合よりもはるかに短周期
だが磁場強度が同程度かあるいはそれ以上のアンジュレ
ータ磁場を用いて、従来よりも短波長の連続アンジュレ
ータ光を得ることができる。

【００３５】

【実施例】本発明は、前述した高周波アンジュレータに
おいて、高周波アンジュレータに用いる高周波空洞を、
超電導の高周波空洞とするものである。以下、上記のよ
うな考え方に基づく本発明の一実施例について、図面を
参照して詳細に説明する。

【００３６】図１は、本発明による円筒型の高周波アン
ジュレータの構成例を示す断面図である。すなわち、図
１において、１は超電導高周波アンジュレータであり、
例えばニオブのような超電導体で製作されている。この
超電導高周波アンジュレータ１は、特に本例において
は、前記文献に示されたリッジ型空洞よりも高い周波数
が得られる円筒型の空洞を用いている。

【００３７】また、２は超電導高周波アンジュレータ１
にビームを通過させるためのビームポートである。そし
て、このビームポート２の一方には、超電導高周波アン
ジュレータ１に高周波電力を供給するためのアンテナ３
が設けてあり、真空窓４を介して図示しない高周波電源
へと接続されている。

【００３８】さらに、５は超電導高周波アンジュレータ
１を冷却して超電導状態に保つための液体ヘリウム容器
であり、液体ヘリウム６は、液体ヘリウム注入ポート７
より注入されて超電導高周波アンジュレータ１を浸すよ
うになっている。なお、８は気化したヘリウムを回収す
るための気体ヘリウム回収ポートである。

【００３９】一方、９は液体ヘリウム容器５を断熱する
ための真空容器であり、この真空容器９と液体ヘリウム
容器５との間には、磁気的に超電導高周波アンジュレー
タ１をシールドするため例えば鉄のような磁性金属で製
作され、さらに断熱を一層効果的にするために図示しな
い液体窒素パイプを表面に這わせた液体窒素断熱および
磁気シールド１０が設けられている。この液体窒素断熱
および磁気シールド１０は、本実施例においては、液体
窒素断熱シールドと磁気シールドを兼ねるシールドを用
いている。

【００４０】また、ビームポート２は、液体ヘリウム容
器６内にある部分については超電導体で製作され、その
外部は、常電導体であるステンレス系材料等を用いてい
る。次に、以上のように構成した本実施例の高周波アン
ジュレータにおいては、高周波空洞として、円筒型の超
電導高周波空洞を用いていることから、高周波アンジュ
レータを超電導化することができる。

【００４１】これにより、前述した従来の常電導高周波
アンジュレータの数万分の１程度、すなわち数Ｗ〜数＋
Ｗ程度の高周波電力の入力で、数百ガウス以上の十分な
アンジュレータ磁場を得ることができる。また、ＣＷ運
転も行なうことができる。

【００４２】さらに、前述した従来の永久磁石を用いた
アンジュレータでは達成が困難であった、極めて短周期
のアンジュレータ磁場を得ることができる。さらにま
た、超電導高周波アンジュレータを用いていることか
ら、前述した従来の永久磁石を用いたアンジュレータよ
りも、磁場の強いアンジュレータ磁場も得られる可能性
がある。

【００４３】以上により、小さい高周波電力の入力で十
分な磁場強度を確保することができると共に、等価的電
磁界周期をより小さくして短波長のアンジュレータ光を
得ることが可能となる。

【００４４】上述したように、本実施例では、高周波空
洞による高周波電磁界を用いて電子を蛇行させ、発生す
る放射光を干渉させてアンジュレータ光を発生させる高
周波アンジュレータにおいて、上記高周波空洞として、
円筒型の超電導高周波空洞を用いるようにしたものであ
る。

【００４５】従って、超電導高周波アンジュレータ１を
用いて、十分な大きさのアンジュレータ磁場を得ること
ができるばかりでなく、従来の常電導高周波アンジュレ
ータでは不可能であったＣＷ運転を行なうことも可能と
なり、従来よりもはるかに短周期であるが磁場強度が同
程度かあるいはそれ以上のアンジュレータ磁場を用い
て、従来よりも短波長の連続アンジュレータ光を得るこ
とが可能となる。

【００４６】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、次のようにしても同様に実施できるものであ
る。 （ａ）上記実施例においては、超電導高周波アンジュレ
ータの高周波空洞として、円筒型の空洞を用いる場合に
ついて説明したが、これに限らず、超電導高周波アンジ
ュレータの高周波空洞として、円筒型の以外の形状の高
周波空洞を用いるようにしても何ら差支えない。

【００４７】（ｂ）上記実施例においては、液体窒素断
熱および磁気シールド１０として、液体窒素断熱シール
ドと磁気シールドを兼ねるシールドを用いる場合につい
て説明したが、これに限らず、この２つは独立していて
も何ら差支えない。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
周波空洞による高周波電磁界を用いて電子を蛇行させ、
発生する放射光を干渉させてアンジュレータ光を発生さ
せる高周波アンジュレータにおいて、上記高周波空洞と
して、超電導高周波空洞を用いるようにしたので、小さ
い高周波電力の入力で十分な磁場強度を確保することが
できると共に、等価的電磁界周期をより小さくして短波
長のアンジュレータ光を得ることが可能な高周波アンジ
ュレータが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による円筒型の高周波アンジュレータの
一実施例を示す断面図。

【図２】従来の永久磁石を用いたアンジュレータの永久
磁石配置の一例を示す模式図。

【図３】従来の高周波アンジュレータの構成例を示す断
面模式図。

【図４】図３の高周波アンジュレータ内における電磁界
分布とこの高周波アンジュレータ内でのビームの蛇行軌
道の一例を示す模式図。

【符号の説明】

１…超電導高周波アンジュレータ、１′…（従来の常電
導）高周波アンジュレータ、２…ビームポート、３…ア
ンテナ、４…真空窓、５…液体ヘリウム容器、６…液体
ヘリウム、７…液体ヘリウム注入ポート、８…気化ヘリ
ウム回収ポート、９…真空容器、１０…液体窒素断熱お
よび磁気シールド、１１…永久磁石、１２…リッジ電
極、１３…結合孔、１４…磁界、１５…電界、１６…電
子ビーム軌道。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波空洞による高周波電磁界を用いて
   電子を蛇行させ、発生する放射光を干渉させてアンジュ
   レータ光を発生させる高周波アンジュレータにおいて、 前記高周波空洞として、超電導高周波空洞を用いて成る
   ことを特徴とする高周波アンジュレータ。
2. 【請求項２】 前記超電導高周波空洞としては、円筒型
   の空洞を用いるようにしたことを特徴とする請求項１に
   記載の高周波アンジュレータ。