(57)【要約】      （修正有）【課題】残存するＢＬ積を減らして、補正コイルへの負担を緩和した光クライストロンを提供する。【解決手段】アンジュレータ部に挟まれた分散部を備える光クライストロンにおいて、該分散部内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部にヨークを付加したことを特徴とする光クライストロンを提供する。また、本発明は、アンジュレータ部に挟まれた分散部を備える光クライストロンにおいて、該分散部内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部にヨークを付加し、該ギャップの長さと、該ギャップを通る電子ビームの進行方向に垂直な方向の該ヨークの位置を調整することを特徴とする光クライストロン内の磁場の調整方法を提供する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンジュレータ部に挟まれた分散部を備える光クライストロンにおいて、該分散部内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部にヨークを付加したことを特徴とする光クライストロン。
【請求項２】
上記ギャップを通る電子ビームの進行方向に垂直な方向に上記ヨークを移動させる手段を備える請求項１に記載の光クライストロン。
【請求項３】
アンジュレータ部に挟まれた分散部を備える光クライストロンにおいて、該分散部内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部にヨークを付加し、該ギャップを通る電子ビームの進行方向に垂直な方向の該ヨークの位置を調整することを特徴とする光クライストロン内の磁場の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子加速器や電子蓄積リングの直線部に挿入して輝度の高い放射光を発生する挿入光源に適用できる光クライストロンに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石または永久磁石と磁性材（鉄や鉄コバルト合金）で構成される挿入光源は、電子加速器（または電子蓄積リング）の直線部分に真空チェンバーを挟む形で挿入され、磁石列間の空隙中に正弦波状の周期磁場を発生する（図１０参照）。挿入光源内で電子軌道は周期磁場を感じて正弦波状に蛇行しながら出口に向かってまっすぐ進む。周期磁場を発生する挿入光源には、図１１（Ａ）に示す永久磁石のみで構成されるハルバック型と、図１１（Ｂ）に示す永久磁石と磁極（ポールピース）となる磁性材との組み合わせで構成されるハイブリッド型がある。ハルバック型、ハイブリッド型のどちらもほぼ同等の磁場強度や分布を示し、大きな違いは無い。しかし、一般的にはハイブリッド型の方が使用磁石重量が少なくなることが多い。
【０００３】
挿入光源は、周期長と磁場強度の大きさで決まるＫ値により、アンジュレータまたはウイグラに分類される。Ｋ値が１前後またはそれ以下の場合はアンジュレータと呼ばれ、得られる放射光は基本波長成分が非常に強い準単色光となる。一方、Ｋ値が大きい場合はウィグラと呼ばれ、その光は高次成分が非常に大きくなり、短い波長の光を利用するために用いられる。ウィグラのＫ値を十分に大きくするとほとんど白色の光が得られる。
挿入光源の別の形態として光クライストロンがある（特許文献１〜２）。これは図１２のように２台のアンジュレータ１１０と１３０の間に磁場の強い分散部と呼ばれる磁石列１２０を置き、この分散部の磁場で電子バンチングを強めて下流のアンジュレータ部でゲインの強いレーザー光を発生するものである。
【特許文献１】特開平６−２９６３０号
【特許文献２】特開平５−１９０９９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これら挿入光源は、上下の磁石列の間隔（ギャップ）を変えることによって磁場の強さを変化させ、その結果、発生する放射光の波長を変化させることができる。
一般的に、ギャップを変化させると、図１のように通過する電子軌道の振幅は変化するが出口に向かってほぼまっすぐ進むことに違いはない。図１はアンジュレータやウィグラの例である。図１の横軸は、ｚ軸方向の変位量であり、ｚ＝０は、分散部のｚ方向の長さの中心を示し、縦軸は、電子のｘ軸方向の相対的変位量を示す。
【０００５】
光クライストロンでは、アンジュレータ部に比べて非常に磁場が強く周期長も長い分散部を持つ。光クライストロンを通過する電子は分散部で強い垂直方向磁場を受けて水平方向に大きく変位する。特に電子エネルギーが低い場合、変位量が大きくなり、その結果電子軌道は図２のように中心軸から大きく外れてしまう。図２の横軸は、ｚ軸方向の変位量であり、ｚ＝０は、分散部のｚ方向長さの中心を示し、縦軸は、ｘ軸方向の変位量を示す。図２ではギャップが大きいほど変位量が小さく中心軸からの傾きも小さい。逆にギャップが小さいほど磁場強度が高く軌道は大きく変位し、下流のアンジュレータ部では中心軸から傾いた方向に向かって軌道が進む。図３は中心軸上の磁場をｚ方向距離に関して積分した値（ＢＬ積）のギャップに対する変化であり、図２の出口での軌道傾き量の変化と等価である。ギャップ拡大とともにＢＬ積は低下していく。
【０００６】
この軌道エラーの原因は次のとおりである。分散部の入口でまず大きな垂直磁場を受けてｘ方向に加速され、中心軸から大きく傾いて軌道が進む。その後分散部中央の磁石によって軌道は逆向きに加速され中心軸に向かって進むが、このとき中央磁石が発生する磁場強度が所定値よりも小さいと完全に軌道を戻すことができず、軌道は中心軸から傾いた方向に進んでしまう。所定値とは中心軸上に発生する磁場強度であり、分散部の中央磁石の位置ではすでに電子がｘ方向に大きく変位しており中心軸上の磁場とは異なる磁場を感じることになる。つまり図１２のＡＡ断面におけるｘ＝０位置ではなく、水平方向にずれた位置で磁場を感じることになる。図４に図１２のＡＡ断面におけるｘ方向の磁場分布（ｙ＝０位置）を示す。縦軸のＢｙ／Ｂｙ０は、ｘ＝０における磁場のｙ方向成分Ｂｙ０に対する各ｘ位置におけるＢｙの割合を示す。この図からｇａｐ＝３６ｍｍにてｘ＝０位置に比べてｘ＝１５ｍｍ位置では４．５％程度も磁場が低下することが分かる。この磁場の低下は磁石のｘ方向サイズが有限であるために起きるので、このサイズを大きくすれば磁場の低下は緩和される。しかし現実的な大きさとした場合、磁場の低下は免れず、軌道にエラーが乗ることになる。軌道にエラーが残った状態で光クライストロンを使用しても仕様どおりの光を得ることはできないので、残存するＢＬ積をキャンセルする手段が必要となる。
【０００７】
磁場の補正を行うためにはコイルが用いられる。分散部で発生した軌道エラーを補正するためには分散部に補正コイルを付加し、電流を流すことで磁場を発生し、ＢＬ積を補正することになる。補正コイルは分散部磁石列を取り囲むように配置するか、または磁石表面に置くことになる。分散部を取り囲むように配置するとコイルの全体幅が大きくなり発生できる磁場が小さくなってしまう。その分電流値を上げて磁場を上げようとするとコイルが発熱し冷却機構も必要となってくる。磁石表面に置く場合はコイルの厚み分だけギャップを広げることになり有効なギャップ可変範囲が狭くなってしまう。つまり光の使用範囲が狭くなってしまうので、できるだけ直径の小さいコイルを用いることになるが、その結果コイルに流せる電流値も小さくなってしまう。よってできるだけ別の方法である程度磁場を補正してやりコイルへの負担を減らす必要がある。
【０００８】
本発明は、残存するＢＬ積を減らして、補正コイルへの負担を緩和することを目的にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、アンジュレータ部に挟まれた分散部を備える光クライストロンにおいて、該分散部内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部にヨークを付加したことを特徴とする光クライストロンを提供する。また、本発明は、アンジュレータ部に挟まれた分散部を備える光クライストロンにおいて、該分散部内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部にヨークを付加し、該ギャップを通る電子ビームの進行方向に垂直な方向の該ヨークの位置を調整することを特徴とする光クライストロン内の磁場の調整方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、光クライストロンの軌道エラーを補正する方法に関するものであり、補正コイルに必要な電流値を大幅に低減することができる、もしくは補正コイルを不要とすることができる方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を、実施形態を例示しながら図面に基づきに説明する。
光クライストロンは、図５に示すように、アンジュレータ部１０と３０に挟まれた分散部２０を備える。分散部２０内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部２２ａ〜ｄに、軟磁性材であるヨーク２１ａ〜ｄが取り付けられている。
このヨークは、分散部両端の端部磁石の磁束を短絡させ、結果として中心軸上に発生する磁場を低下させる働きを持つ。図２と図３で示した電子軌道エラーの原因は、ギャップが小さいほど分散部中央磁石位置での軌道変位量が大きくなり、そこで受ける磁場が中心軸上で受ける磁場よりも低く、軌道を中心軸上に戻すことができないためである。ギャップが広いほど水平方向への変位が小さくなるために、軌道エラー量が小さくなる。分散部は、永久磁石から構成されているが、分散部の端部磁石は、中央磁石とは逆の極性を持っている。軌道エラーの原因が中央磁石磁場の低下であるので、同様に端部磁石の磁場を低下させれば軌道エラーが小さくなる。よって図５のように端部磁石にヨークを付加することで端部磁石から発生する磁場を弱めることができ、その結果、軌道エラーを低減できる。
【００１２】
図６はヨークを取り付けたときの軌道の様子を描いたものである。図６の横軸は、ｚ軸方向の変位量を示し、ｚ＝０は、分散部のｚ方向長さの中心であり、縦軸は、ｘ軸方向の変位量を示す。ヨークによる補正効果が働いた結果、軌道の傾き量がかなり低減されている。図７のＢＬ積の変化をみるとｇａｐ＝６０ｍｍにてＢＬ積がゼロとなり、ｇａｐ＜６０ｍｍの場合と違ってｇａｐ＞６０ｍｍの場合では符号が反転している。符号が反転する理由は、ギャップが広い場合は軌道の変位量がもともと小さく、ヨークをつけなくてもＢＬ積はほぼゼロであったが、ヨークを付加すると端部磁石の磁場低下効果が効きすぎて逆符号のＢＬ積が発生してしまうためである。しかし符号が反転することは問題にならない。補正コイルに流す電流の符号を反転すれば対応できる。コイルへの負荷は最大ＢＬ積の値で決まる。最大のＢＬ積（絶対値）はヨーク無しの図３では約（−）９５００Ｇｃｍであったが図７では約（−）２２００Ｇｃｍとなり約１／４に低減している。つまり残ったＢＬ積をコイルで補正する場合、必要な電流値は１／４で済むことになる。Ｇａｐ＝６０ｍｍを境に符号が反転しているので補正コイルに流す電流も極性を反転すればよい。
以上のように端部磁石にヨークを付加することでＢＬ積の値を大幅に下げることができ、コイルへの負担を低減することができる。
【００１３】
図５の光クライストロンは、二つのアンジュレータ部１０と３０と一つの分散部２０を備えるが、特に分散部は、アンジュレータ部で生じた電子のエネルギー変調を強める（軌道を変える）部分であり、アンジュレータ部の構成よりも強い磁束にしたり、周期を変えた構造になっている。
アンジュレータとしては、特に限定されず、永久磁石または永久磁石と磁性材（鉄や鉄コバルト合金）で構成される通常のものが使用できる。
分散部としては、ヨーク（軟磁性材）を取り付ける以外は、特に限定されず、永久磁石または永久磁石と磁性材（鉄や鉄コバルト合金）で構成される通常のものが使用でき、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石、ＳｍＣｏ系焼結磁石等が挙げられる。
アンジュレータ部と分散部は、通常、対向する磁石列を備え、Ｎ極とＳ極の一対の磁石を隣り合う磁極の極性が９０oずつ互いに異なるように設置する。
【００１４】
ヨークとしては、軟磁性体が挙げられ、好ましくはＢｓ＝１．０〜３．０Ｔの材料、具体的には、鉄、ＳＵＳ、パーマロイ等の材料が用いられ、形状としては、特に限定されない。
図５に示すように、電子ビームの進行方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直で磁石列の対向面に平行な線をＸ軸、Ｚ軸に垂直で磁石列の対向面に垂直な線をＹ軸とすると、ヨーク（磁性材料）の体積は、好ましくは、幅（ｘ軸方向）が分散部端部磁石の幅の０．２〜３倍、高さ（ｙ軸方向）が分散部端部磁石の高さの０．２〜３倍、長さ（ｚ軸方向）が分散部端部磁石の長さの０．１〜１倍である。ヨークの大きさが、隣接する分散部端部の大きさに依存するのは、端部磁石の磁束を短絡させるためだからであり、この範囲が好ましいのは有効な短絡量を得るために適切なヨーク体積が必要だからである。この範囲は、分散部端部（例えば、図５の２２ａ〜ｄ）は全て同じ大きさであることを前提にしているが、磁場の均一性の点において好ましい態様だからである。
分散部の磁石列は、通常のアンジュレータの磁石並び方と同様で、ハルバック、ハイブリッド型のいずれを選択してもよい。端部磁石はその他の磁石に比べてｚ方向寸法が１／２又は同レベルであることが望ましい。軌道が傾かずにまっすぐ光が進むために必要だからである。１／２サイズの端部磁石を両端に置くことでＢＬ積がゼロになる。分散部端部の磁石は、図５の２２ａ〜ｄのように四個あるが、磁場の対称性確保の点からヨーク（軟磁性材）をその全てに付加するのが好ましい。
光クライストロンの全長は、設置場所の有効スペースで決まり、分散部の長さや周期数はレーザ特性を考慮して決められる。また、最小ギャップは、ギャップに設置される真空チェンバの大きさで決められる。
【００１５】
上記のようにギャップが広い場合にヨークの効果によって逆符号のＢＬ積が残存してしまうことに関しては、ヨークの効果を減らすことでＢＬ積を小さくすることができる。ヨーク効果の調整はヨーク位置を移動させることで可能となる。図８のようにヨークをギャップと逆向きに移動させるとヨークの磁束短絡効果が低下する。ヨーク移動量とＢＬ積の関係を図９に示す。いずれのギャップにおいてもヨーク移動量に対してほぼ直線的にＢＬ積が変化することが分かる。特にｇａｐ＝７０ｍｍ以上ではＢＬ積＝０となる移動量が存在するので、その移動量になるようにヨークを設置すれば軌道エラーが無くなり、補正コイルに流す電流値はゼロになる。つまりコイルで補正する代わりにヨークのみで軌道エラーを補正することも可能となる。図９ではｇａｐ＝７０ｍｍ以上でＢＬ積＝０とすることが可能であったが、ヨークサイズをもっと大きくして磁束短絡効果を大きくしてやれば、もっと小さいギャップでもＢＬ積＝０とすることが可能である。つまり最小ギャップでかつ移動量＝０においてＢＬ積＝０となるようにヨークサイズを選び、ギャップを広げた場合はヨーク移動量を適切に選ぶことによりＢＬ積＝０とすることができ、補正コイルの電流値をほとんどゼロとすることができる。
【００１６】
このように、アンジュレータ部に挟まれた分散部を備える光クライストロンにおいて、分散部内のギャップを隔てて対向する磁石列の両末端部にヨークを付加し、ギャップの長さと、ギャップを通る電子ビームの進行方向に垂直な方向のヨークの位置を調整することで光クライストロン内の磁場を調整できる。端部磁石にヨークを付加することでＢＬ積の値を大幅に下げることができ、コイルへの負担を低減することができる。また、ヨークを移動できる構造とし各ギャップに対して適切な移動量を選択することにより補正コイルがなくても軌道エラーをなくすことが可能となる。
移動方向は、ギャップ方向またはギャップと反対方向のどちらにも移動可能であるが、ギャップ方向であれば、ギャップに設置される真空チャンパにヨークが接触しないように、ギャップ反対方向には、隣接する磁石の端部まで移動することができる。移動する場合には、左右上下対称に移動する。
ヨーク（軟磁性材）を移動させる手段としては、特に限定しないが、例えば、ネジ送り方式、ラック、ピニオン方式等が挙げられる。
【実施例】
【００１７】
実験例１
分散部磁石列の寸法は、幅８０×高さ５５×長さ７２０ｍｍ（周期長７２０ｍｍで１周期）であり、２つのアンジュレータ部の磁石列寸法は、それぞれが幅８０×高さ２２×長さ１４００ｍｍ（周期長２００ｍｍで７周期）である。使用した永久磁石は、ともにＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石（信越化学社製Ｎ３８Ｈ、Ｂｒ＝１．２４Ｔ）である。この光クライストロンのギャップ空間の磁場をホール素子を用いて測定し、その測定結果から電子軌道を求めた結果が図２である。このときの最大ＢＬ積は約９５００Ｇｃｍであった。
【００１８】
実験例２
実験例１で用いた分散部両端に、図５に示すように幅８０×高さ５５×厚み５ｍｍのヨーク（圧延鋼ＳＳ４００  Ｂｓ２Ｔ）を取り付け、同じように電子軌道を求めた結果、図６に示すように軌道の傾きが減少し最大ＢＬ積は約２２００Ｇｃｍとなった。よってヨークをつけることで補正コイルに流す最大電流値を約１／４に下げることができることが分かった。
【００１９】
実験例３
実験例２の光クライストロンの分散部において、図８のようにヨーク位置をギャップから離れる方向に移動させ、その状態でギャップを変えながら磁場測定を行った。ヨーク移動量＝０〜４５ｍｍと変化させながら同様に測定した結果を図９に示す。図９からｇａｐ＝７０ｍｍでは移動量４ｍｍ、ｇａｐ＝１００ｍｍでは移動量２４ｍｍ、ｇａｐ＝１５０ｍｍでは移動量３９ｍｍのときにＢＬ積＝０となり、ｇａｐ＝７０以上では補正コイル電流値をほぼゼロにできることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一般的なアンジュレータを通過する電子のｚ方向とｘ方向の変位の関係を示す。
【図２】ｚ軸方向の変位量とｘ軸方向の変位量の関係を示す。
【図３】ＢＬ積のギャップに対する変化を示す。
【図４】図１２のＡＡ断面におけるｘ軸方向の磁場分布（ｙ＝０位置）を示す。
【図５】本発明の光クライストロンの一例を示す。
【図６】ｚ軸方向の変位量とｘ軸方向の変位量の関係を示す。
【図７】ＢＬ積のギャップに対する変化を示す。
【図８】ヨークをギャップと逆向きに移動させるときのヨーク移動量を示す。
【図９】ヨーク移動量とＢＬ積の関係を示す。
【図１０】挿入光源の磁石列間の空隙中に発生される正弦波状の周期磁場を示す。
【図１１】（Ａ）はハルバック型の挿入光源を示し、（Ｂ）はハイブリッド型の挿入光源を示す。
【図１２】従来の光クライストロンを示す。
【符号の説明】
【００２１】
１０    アンジュレータ部
２０    分散部
２１ａ〜ｄ  ヨーク
２２ａ〜ｄ  磁石列の両末端部
３０    アンジュレータ部
１１０  アンジュレータ部
１２０  分散部
１３０  アンジュレータ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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