JPH11144896A

JPH11144896A - 荷電粒子用電磁石装置

Info

Publication number: JPH11144896A
Application number: JP30428697A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Matsuda; 哲也松田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気シールドと超電導コイルとの間に設けら
れるコイルサポートからの超電導コイル部への熱侵入を
低減できる装置を得る。【解決手段】磁気シールド５に設けられるビームポー
ト２３用の貫通穴２４を、上記磁気シールド５の対称軸
２５に対して対称に開ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は主に荷電粒子ビー
ム用の電磁石装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は文献「ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣ
ＴＩＯＮＯＮＡＰＰＬＩＥＤＳＵＰＥＲＣＯＮＤ
ＵＣＴＩＶＩＴＹ」（ＶＯＬ．３，ＮＯ．１，Ｍａｒｃ
ｈ，１９９３，Ｐ８２３，Ｆｉｇ６）に示された従来の
荷電粒子用電磁石装置を示す斜視図である。図３におい
て、１は超電導電磁石である。２は荷電粒子ビームを偏
向させるための超電導バナナ型主コイル、３は４極コイ
ル、４は６極コイル、５は磁気シールドである。６はビ
ーム軌道、７はビーム軌道面であり、図において、ビー
ム軌道面７はビーム軌道６が存在するＸ’Ｙ’平面に等
しい。更に８は超電導主コイル端部、９はビーム進行方
向であり、ｓ方向ともいう。また、図において、ビーム
進行方向９に垂直で水平方向をｘ方向、上下方向をｙ方
向とする。これは、ビーム軌道６を原点としたｘ，ｙ方
向の座標系である。更に、超電導電磁石１を中心とした
座標系では、図３に示すように、上下方向をＺ’方向と
した。

【０００３】図４は主コイル２のみを描いた図である。
図において、１０はバナナ型主コイル外側コイル、１１
はバナナ型主コイル内側コイルである。バナナ型主コイ
ル２は、外側コイルのみならず内側コイルもビーム軌道
６に沿って湾曲しており、かつ上下に２分割以上された
コイルである。

【０００４】図５は超電導電磁石１の平面図である。図
において、２１はＳＲ光、２２はビームチェンバ、２３
はビームポート、２４はビームポート用の貫通穴、２５
は対称軸である。これらの構成要素は超電導主コイル２
の上下間ギャップに挿入される。図では超電導電磁石１
を中心とした座標系Ｘ’、Ｙ’を示した。対称軸２５は
Ｘ’軸に等しい。対称軸に対し、ビームポートの貫通穴
２４を除き、磁気シールド５及び主コイルは対称である
ことが分かる。但し、図５では図が複雑になるため、主
コイル２を省略した。

【０００５】図６は超電導電磁石１の平面図である。図
６ではコイル部の断面を示した。なお、ここでは超電導
主コイル２のみ描き、４極コイル、６極コイルを省略し
た。図において、３１はコイル容器、３２はＹ’方向コ
イルサポート、３３はＹ’方向電磁力である。５は磁気
シールドであり、３４は磁気シールド５の曲線部、３５
は磁気シールド５の直線部である。超電導主コイル２は
コイル容器３１に収納され、コイル容器３１は常温部で
ある磁気シールド５とＹ’方向コイルサポート３２を介
して接続される。更に、Ｙ’方向コイルサポート３２は
磁気シールド５と超電導主コイル２間に生じるＹ’方向
電磁力３３を支持する働きもある。

【０００６】図７は超電導電磁石１が配置された荷電粒
子蓄積リングであり、図において、４１は蓄積リング、
４２は荷電ビーム輸送系のビームライン、４３は蓄積リ
ングの常電導電磁石である。

【０００７】次に動作について説明する。ここではま
ず、荷電粒子蓄積リング４１、特に電子ビーム蓄積リン
グについて述べた後、荷電粒子ビーム用超電導電磁石１
について述べる。電子ビーム蓄積リング４１は半導体パ
ターン転写用のＳＲ光源として使用される。このＳＲ光
は磁界中で電子ビームが曲げられた場合に接線方向に発
生する（ＳＲ光については図５の２１を参照）。電子ビ
ームの蓄積リング４１では前記磁界の発生源として電磁
石を用いるが、小型化が必要な場合は超電導電磁石を用
いるのが望ましい。この電子ビーム用超電導電磁石（荷
電粒子ビーム用超電導電磁石）１では電子ビームを１８
０度曲げるため、これを２台組み合わせ、他の機器（例
えば常電導電磁石４３）と併せて図７に示す蓄積リング
４１を形成する。図７に示すように、蓄積リング４１に
は超電導電磁石１が２台配置されている。電子ビームは
電子ビーム輸送系のビームライン４２を通って蓄積リン
グに入射される。超電導電磁石１の位置で電子ビームは
偏向される。電子ビーム軌道が閉軌道を形成するように
超電導電磁石を励磁すれば、電子ビームは周回し、電子
ビームの長期の蓄積が可能となる。

【０００８】次に電子ビーム用（荷電粒子ビーム用）超
電導電磁石１の構造について述べる（図３〜図６参
照）。超電導主コイル２は電子ビームを偏向させる偏向
磁界を発生する。４極コイル３は電子ビームの収束用で
ある。また、６極コイル４は主コイル２が発生する６極
成分を補正する。更に、超電導主コイル２はビーム進行
方向に沿って両端の超電導主コイル端部８の直線部がビ
ーム軌道面７に対し、不均一な磁界を作る。従って、超
電導主コイル端部８をビーム軌道面７から離すために、
ビーム軌道面７に対し端部が跳ね上げられた構造になっ
ている。これにより、超電導主コイル端部８がビーム軌
道面７に作る磁界が弱くなり、良好な磁界均一度を得て
いる。磁気シールド５は超電導主コイル２が発生する磁
界を遮蔽するためのものであり、強磁性体で構成されて
いる。通常は鉄を使用する。ところで、超電導主コイル
２はバナナ型コイルと呼ばれる形状をしている。このバ
ナナ型コイルの磁気シールドは図３あるいは図５のよう
なほぼＤ型形状をしており、この形状が単純でかつバナ
ナ型コイルの収納可能な構造である。但し、必ずしもＤ
型形状である必要はなく、磁気シールドの曲線部（図６
の３４）に一部直線部を含んだり、Ｄ型の直線部（図６
の３５）に曲線部を入れたりしても良い。ところで、蓄
積リングでは電子ビーム（荷電粒子ビーム）を長時間保
持するために、電子ビーム軌道６付近を超高真空に保持
する必要がある。図５において、ビームチェンバ２２は
電子が通過する電子ビーム軌道付近を超高真空に保持す
る。更に、電子ビームが周回するとその接線方向にＳＲ
光２１が発生する。このＳＲ光を使い、半導体のパター
ン転写などを行う。このＳＲ光を取り出すのが図５のビ
ームポート２３である。磁気シールド５にはビームポー
ト用の貫通穴２４が開けられている。また、超電導主コ
イル２は超電導状態に保持するために液体ヘリウムが充
填されたコイル容器（図６の３１）に挿入されている。
ところで、超電導主コイル２は３Ｔから４Ｔの大きな磁
界を発生する。この磁界により磁性体である磁気シール
ド５との間に大きな電磁力が発生する。この電磁力の一
例が図６のＹ’方向電磁力３３である。この電磁力３３
を支持するためにコイル容器３１と常温部の磁気シール
ド５間にはコイルサポート３２が必要である。図６では
Ｙ’方向のサポート３２のみを示したが、実際には
Ｘ’，Ｚ’方向のサポートも必要である。ところで、超
電導主コイル２は液体ヘリウムで冷却されているが、高
価な液体ヘリウムの蒸発量を極力少なくするため、サポ
ート３２は熱侵入を低減させる必要がある。即ち、なる
べく細いサポートにする必要がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の荷電粒子用電磁
石装置は以上のように構成されており、磁気シールド５
は磁性体であるため、前述のように、超電導主コイル２
との間に吸引電磁力が働く。図６から分かるように、対
称軸２５に対し、ビームポート貫通穴２４を除き磁気シ
ールド５及び主コイル２は対称である。ビームポート貫
通穴２４が開いていない場合には磁気シールド５の作る
磁界分布は対称軸２５に対し対称になる。仮に、主コイ
ル２が対称軸であるＸ’軸に対称に配置されており、
Ｙ’方向へのずれがないとすると、超電導主コイル２が
感じる図６のＹ’方向の電磁力３３は対称軸２５に対し
反対方向の力で同じ値になるので、電磁力は打ち消しあ
い、超電導主コイル２を剛体と考えると超電導主コイル
２全体にはほとんどＹ’方向の力はかからない。しかし
ながら、図５あるいは図６に示すように、上記対称軸２
５に対し、非対称にビームポートの貫通穴２４を開ける
と磁気シールド５の作る磁界分布が対称軸２５に対し非
対称になり、超電導主コイル２にかかかるＹ’方向電磁
力３３は対称軸２５に対し非対称な力となり、超電導主
コイル２全体には大きな電磁力がかかる問題点があっ
た。この電磁力を支持するには図６のＹ’コイルサポー
ト３２を大きくする必要があり、サポートが大きくなる
と、ヘリウム温度に冷却された主コイルへの熱侵入が増
加する問題点が生じた。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、Ｙ’方向の不均衡電磁力を
低減し、サポートからの熱進入を低減できる装置を得る
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の構成に
係る荷電粒子用電磁石装置は、磁気シールドに設けられ
るビームポート用の貫通穴を、上記磁気シールドの対称
軸に対して対称に開けたものである。

【００１２】また、この発明の第２の構成に係る荷電粒
子用電磁石装置は、磁気シールドに設けられるビームポ
ート用の貫通穴を、上記磁気シールドの対称軸から離れ
た位置では上記対称軸に対して対称に開け、対称軸近傍
では非対称に開けたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１を示す平面図であり、荷電粒子用電磁石装
置の内、磁気シールド部を示した図である。従来の磁気
シールド５は、図５に示すように、対称軸２５に対して
非対称に貫通穴２４が開けられていたため、非対称の
Ｙ’方向の電磁力が生じた。これに対し、本実施の形態
１では、図１に示すように、上記対称軸２５に対し、対
称に貫通穴２４が開けられており、対称軸２５に対し、
Ｙ’＞０とＹ’＜０で磁気シールド５の形状が完全に対
称になる。この場合、磁気シールド５の作る磁界分布が
対称になり、対称軸２５に対し、主コイル２には対称な
力が加わり、コイルを剛体とするとコイルに加わるＹ’
方向の電磁力（図６の３３）をほぼ零にできる。これに
より、Ｙ’方向コイルサポート（図６の３２）を最小化
でき、サポートからの熱進入を低減できる。

【００１４】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２を示す平面図であり、荷電粒子用電磁石装置の内、
磁気シールド部を示した図である。上記実施の形態１で
は貫通穴２４を完全に対称に開けているため、対称軸２
５近傍の貫通穴２４は磁性体の充填率が悪くなり、漏れ
磁界が増加する問題点が生じる。更に、磁気シールド５
自体もシールド効果のみならず、ビーム軌道面に対し磁
界を発生しているため、μが低下し、磁気シールド５が
ビーム軌道６上に発生する磁界が減少し、超電導コイル
の電流が多く必要になる問題点も生じる。実施の形態２
はこのような点を改良したものである。即ち、対称軸２
５の近傍の非対称性によるＹ’方向の電磁力の発生は小
さいので、図２に示すように、貫通穴２４が多数存在す
る対称軸２５近傍はなるべく貫通穴２４を少なくするた
めに非対称に開けている。また、非対称の部分は対称軸
２５近傍のみであるため、Ｙ’方向の電磁力の増加の影
響は小さい。

【００１５】なお、図１及び図２ではコイルの形状は示
していないが、コイル形状は図３のバナナ型主コイル２
でも他の形状のコイルでも同様の効果がある。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、この発明の第１の構成に
よれば、磁気シールドに設けられるビームポート用の貫
通穴を、上記磁気シールドの対称軸に対して対称に開け
たので、対称軸と垂直な方向の電磁力を最小化でき、上
記方向のコイルサポートの耐荷重が低減できるため、コ
イルサポートからの超電導コイル部への熱侵入を低減で
きる。

【００１７】また、この発明の第２の構成によれば、磁
気シールドに設けられるビームポート用の貫通穴を、上
記磁気シールドの対称軸から離れた位置では上記対称軸
に対して対称に開け、対称軸近傍では非対称に開けたの
で、対称軸に垂直な方向の電磁力への影響が小さく、か
つ漏れ磁界を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係わる磁気シール
ドを示す平面図である。

【図２】この発明の実施の形態２に係わる磁気シール
ドを示す図である。

【図３】従来の荷電粒子用電磁石装置を示す斜視図で
ある。

【図４】従来の荷電粒子用電磁石装置の主コイルを示
す斜視図である。

【図５】従来の荷電粒子用電磁石装置の磁気シールド
部を示す平面図である。

【図６】従来の荷電粒子用電磁石装置の磁気シールド
部を示す平面図である。

【図７】従来の荷電粒子蓄積リングを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１電磁石装置、２超電導バナナ型主コイル、３４
極コイル、４６極コイル、５磁気シールド、６ビ
ーム軌道、７ビーム軌道面、８超電導主コイル端
部、９ビーム進行方向、１０バナナ型主コイル外側
コイル、１１バナナ型主コイル内側コイル、２１Ｓ
Ｒ光、２２ビームチェンバ、２３ビームポート、２４
貫通穴、２５対称軸、３１コイル容器、３２コ
イルサポート、３３Ｙ’方向電磁力、３４磁気シー
ルドの曲線部、３５磁気シールドの直線部、４１蓄
積リング、４２ビームライン、４３常電導電磁石。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビームを偏向させる主コイル
と、上記主コイルが発生する磁界を遮蔽する磁気シール
ドと、上記荷電粒子ビームの偏向により接線方向に発生
するＳＲ光を取り出すビームポートと、上記磁気シール
ドに設けられたビームポート用の貫通穴とを有する荷電
粒子用電磁石装置において、上記貫通穴を、上記磁気シ
ールドの対称軸に対して対称に開けたことを特徴とする
荷電粒子用電磁石装置。
【請求項２】荷電粒子ビームを偏向させる主コイル
と、上記主コイルが発生する磁界を遮蔽する磁気シール
ドと、上記荷電粒子ビームの偏向により接線方向に発生
するＳＲ光を取り出すビームポートと、上記磁気シール
ドに設けられたビームポート用の貫通穴とを有する荷電
粒子用電磁石装置において、上記貫通穴を、上記磁気シ
ールドの対称軸から離れた位置では上記対称軸に対して
対称に開け、対称軸近傍では非対称に開けたことを特徴
とする荷電粒子用電磁石装置。