JPH11144899A - 荷電粒子用電磁石装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コイル構成の簡単な荷電粒子用電磁石装置を
得る。 【解決手段】 外側コイル１０と内側コイル１１を有
し、荷電粒子ビームを上記各コイルに沿って偏向させる
主コイル２を有する荷電粒子用電磁石装置１において、
ビーム進行方向９に垂直な断面における、外側コイル１
０と内側コイル１１の中心間距離βとビーム軌道面７か
らの各コイル中心の高さαとの比α／βを、０．２６か
ら０．２９の範囲とし、主コイル２の発生する６極磁界
成分のビーム進行方向積分値をほぼ零になるように構成
する。

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６は文献「ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣ
ＴＩＯＮ ＯＮ ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤ
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６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６に示すように、上下方向をＺ’方向と
した。

【０００３】図７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８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８では図が複雑になるため、主
コイル２を省略した。

【０００５】図９は超電導電磁石１の平面図である。図
９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１０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８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１０に示す蓄積リン
グ４１を形成する。図１０に示すように、蓄積リング４
１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６〜図９参
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６あるいは図８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９
の３４）に一部直線部を含んだり、Ｄ型の直線部（図９
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８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８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９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９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９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、前述したよう
に、超電導主コイル２は６極成分などの多極成分を発生
するため、６極コイル４で６極成分を補正する必要があ
った。これについて詳細に述べる。６極成分とは図１１
に示すように、ビーム軌道面７上でＸ方向に２次比例し
て増加する磁界である。図１１の座標系はビーム軌道６
をＸ＝０とするものであり、更に電磁石のビーム進行方
向中央部位置、即ち図８のｓ＝０でのＸ方向分布を示し
た。この６極成分をほぼゼロにする、あるいは所定の値
を発生させることが必要である。もし、仮にこれが所定
の値でない場合、荷電粒子ビームの共鳴振動が生じ、荷
電粒子ビームは失われてしまう。従って、６極成分をゼ
ロ、あるいは所定の値にするために、従来、超電導主コ
イル２とは逆方向の多極成分を発生するコイルを組み込
み、超電導主コイル２の発生する多極成分とを合計して
６極成分をゼロ、あるいは所定の値にするように構成し
ていた。このコイルが図６の６極コイル４である。この
ように、６極コイル４が存在することにより、超電導主
コイル２が発生する６極成分の補正が可能であるが、超
電導主コイル２に６極コイル４を組み込むことにより、
コイル形状が複雑になり、超電導電磁石の製作上のコス
トアップの原因になっていた。なお、今まではｓ＝０上
のみに限定して説明したが、実際にこの６極成分はビー
ム進行方向に沿って存在する。従って、６極成分はビー
ム進行方向の中心のｓ＝０のみならず、ビーム進行方向
の全域に亘って６極成分が零であることが望ましい。

【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、６極コイルが省略できる、
コイル構成の簡単な荷電粒子用電磁石装置を得ることを
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、外側コイルと内側コイル
を有し、荷電粒子ビームを上記各コイルに沿って偏向さ
せる主コイルを有する荷電粒子用電磁石装置において、
ビーム進行方向に垂直な断面における、外側コイルと内
側コイルの中心間距離とビーム軌道面からの各コイル中
心の高さとの比を、主コイルの発生する６極磁界成分の
ビーム進行方向積分値をほぼ零になるように構成したも
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、外側コイルと内側コイルの中心間距
離とビーム軌道面からの各コイル中心の高さとの比が、
０．２６から０．２９の範囲であるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
一実施の形態を示す超電導主コイル２の断面構成図であ
る。即ち、主コイル２は図６と同様の形状をしている。
図１では図６のＸ’軸方向、即ちｓ＝０の主コイルの断
面形状を示したものである。図において、１２はコイル
中心間距離であり、主コイル２を構成する外側コイル１
０と内側コイル１１の中心間距離を示す。１３はビーム
軌道面からのコイル中心高さであり、外側コイル１０及
び内側コイル１１の中心とビーム軌道面間の高さを示
す。１４は超電導主コイル２の断面である。また図では
コイル中心間距離１２をβ、ビーム軌道面からのコイル
中心高さ１３をαとした。

【００１４】図２は主コイル２と磁界分布を同時に示し
た図である。即ち、図２ではコイル位置とコイルが作る
磁界分布を同じ図に示した。従って、縦軸は磁界Ｂ、あ
るいはＹ方向となる。図２（ａ）はコイル中心高さ１３
が高い場合の磁界分布である。図２（ｂ）はコイル中心
高さ１３が低い場合の磁界分布である。図２（ａ）では
Ｘ＝０の中心付近で負の２次で増加する磁界分布、即ち
負の６極成分が発生しており、図２（ｂ）ではＸ＝０の
ビーム軌道中心付近で正の２次で増加する磁界分布、即
ち正の６極成分が発生していることが分かる。この様
に、コイルの位置が下がれば正の６極成分が増加し、コ
イルの位置が上がれば負の６極成分が増加する。この６
極成分の値は、図３に示すように、α／β＝０．２８の
ときに零となり、α／βの値を０．２８より大または小
とすることによって負または正の６極成分を発生させる
ことができる。ところで、従来例の説明では６極成分が
ビーム進行方向の全域にわたって零であることが望まし
いと述べた。しかしながら、６極成分はビーム進行方向
のすべての位置で零である必要はない。超電導電磁石の
ある位置に６極成分が発生していても、ビーム進行方向
の他の位置に逆極性の６極成分が発生していて、ビーム
進行方向に沿って６極成分の積分値が零であればビーム
にとって悪影響はない。コイルの端部では正または負の
６極成分が発生し、その合計は通常負の値となるが、前
述のα／βの値を適切に設定することにより、コイル中
央部に逆極性の６極成分を発生させて相殺し、ビーム進
行方向に沿った積分値を零にすることができる。

【００１５】図４に６極磁界成分のビーム進行方向分布
を示した。ｓ＝０位置を始点としてビーム進行方向角度
ｓの９０度分の磁界分布を示した。また、９０度を超え
るビームの直線軌道に沿った距離をｓ’で示した。ま
た、この６極磁界成分のビーム進行方向積分値と、ビー
ム軌道面からのコイル中心高さ１３とコイル中心間距離
１２との比を図５に示した。即ち、コイル中心間距離を
β、ビーム軌道面からのコイル中心高さをαとした場
合、６極磁界成分のビーム進行方向積分値とα／βの関
係を図５に示す。図の縦軸が６極磁界成分のビーム進行
方向積分値である。横軸はコイルの中心間距離と高さの
比α／βである。図５から、この比が０．２７５の場
合、６極磁界成分のビーム進行方向積分値が零になるこ
とが分かる。更に、図４は、６極磁界成分のビーム進行
方向積分値が零の場合、即ちビーム進行方向であるコイ
ル中心間距離とコイル中心高さの比が０．２７５の場合
の６極磁界分布を示しており、ほぼ積分値が零である様
子が分かる。この様に、コイル中心間距離とコイル中心
高さの比α／βを０．２７５に設定することにより、６
極磁界成分のビーム進行方向積分値を零にできるので、
６極コイルを省略できる。即ち、コイル位置の高さを最
適位置に設定するのみで６極コイルを省略できる。ここ
では、図６に示す典型的なバナナ型主コイルに対してα
／βの最適値が０．２７５であることを述べたが、６極
成分値の異なる主コイルに対してもα／βを適切に設定
することにより、６極成分のビーム進行方向積分値を零
にすることができる。

【００１６】ところで、６極磁界成分のビーム進行方向
積分値は正確に零である必要はなく、ある程度の誤差が
許される。以下でその範囲を求める。典型的な例とし
て、電磁石の中心磁界を４Ｔ、軌道半径０．７ｍとす
る。磁界均一度は１×１０^-3程度許容される。不均一磁
界を全て６極成分と仮定し、ビームの通過範囲を５０ｍ
ｍとすると、６極磁界成分の許容値は、δＢ＝４０００
０Ｇａｕｓｓ×１×１０^-3＝４０Ｇａｕｓｓであり、そ
のビーム軌道内許容密度は４０Ｇ／（５ｃｍ×５ｃｍ）
＝１．６Ｇ／ｃｍ² となる。更に、この値を９０度分ビ
ーム進行方向に積分すると、１．６Ｇ／ｃｍ² ×２×π
×７０ｃｍ／４＝１８０〜２００Ｇ／ｃｍまで６極成分
積分値は許容できる。図５より６極磁界成分ビーム進行
方向積分値が２００Ｇ／ｃｍになるα／βは０．２９で
ある。逆方向にも６極成分は許容できるため、比は０．
２６（＝０．２７５−（０．２９−０．２７５））から
０．２９までの範囲であれば良い。この様に、６極成分
のビーム進行方向積分値が上記の範囲内であれば許容で
きるので、従来必要とされた６極コイルを不要にでき、
製作コストを低減できる。

【００１７】

【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、ビーム進行方向に垂直な断面における、外側コ
イルと内側コイルの中心間距離とビーム軌道面からの各
コイル中心の高さとの比を、主コイルの発生する６極磁
界成分のビーム進行方向積分値をほぼ零になるように構
成したので、６極コイルを省略でき、コイル構成を簡略
化できる。

【００１８】また、この発明の第２の構成によれば、上
記比の値を０．２６から０．２９の範囲としたので、６
極成分のビーム進行方向積分値が許容できる範囲内とな
るため、６極コイルを不要にでき、製作コストを低減で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施の形態に係わる主コイルの
断面構成図である。

【図２】 この発明の一実施の形態に係わるコイル位置
高さと６極磁界成分を説明する説明図である。

【図３】 この発明の一実施の形態に係わる主コイルの
中心６極磁界成分とα／βとの関係を示す図である。

【図４】 この発明の一実施の形態による荷電粒子用電
磁石装置における６極成分をビーム進行方向に沿って示
す図である。

【図５】 この発明の一実施の形態に係わる主コイルの
６極磁界成分積分値とα／βとの関係を示す図である。

【図６】 従来の荷電粒子用電磁石装置を示す斜視図で
ある。

【図７】 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８】 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９】 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１０】 従来の荷電粒子蓄積リングを示す斜視図で
ある。

【図１１】 従来の荷電粒子用電磁石装置における６極
磁界成分を示す図である。

【符号の説明】

１ 電磁石装置、２ 超電導バナナ型主コイル、３ ４
極コイル、４ ６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、１２ コ
イル中心間距離、１３ ビーム軌道面からのコイル中心
高さ、１４ 超電導主コイル断面、２１ ＳＲ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、３３ Ｙ’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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外側コイルと内側コイルを有し、荷電粒
   子ビームを上記各コイルに沿って偏向させる主コイルを
   有する荷電粒子用電磁石装置において、ビーム進行方向
   に垂直な断面における、上記外側コイルと内側コイルの
   中心間距離とビーム軌道面からの各コイル中心の高さと
   の比を、上記主コイルの発生する６極磁界成分のビーム
   進行方向積分値をほぼ零になるように構成したことを特
   徴とする荷電粒子用電磁石装置。
2. 【請求項２】 外側コイルと内側コイルの中心間距離と
   ビーム軌道面からの各コイル中心の高さとの比が、０．
   ２６から０．２９の範囲であることを特徴とする請求項
   １記載の荷電粒子用電磁石装置。