(57)【要約】      （修正有）【課題】安定した磁場を生成するコンパクトな偏向電磁石装置を提供する。【解決手段】通過する荷電粒子ビームを偏向させる偏向電磁石装置であって、荷電粒子ビームが通過する間隙を介して上下に対向して一対のヨーク５Ａ、５Ｂが配置され、当該ヨークはメインポール１Ａ、１Ｂ、サイドポール２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂを有し、当該ポールに磁場を生成する一対のコイル４１Ａ、４１Ｂ、およびそれの外周側であってコイル４１Ａ、４１Ｂと同軸の一対のコイル５１Ａ、５１Ｂとを備え、上部のヨーク５Ａ及び下部のヨーク５Ｂを非磁性体の支持部材で連結する構成である。【選択図】図５
2017084595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に対向して配置された一対のヨークと、
前記一対のヨークの間に設置されたビームダクトと、
前記一対のヨークを支持する非磁性体の支持部材と、
を備える偏向電磁石装置において、
前記ヨークは少なくとも
前記ビームダクトに向かって突出し、かつ前記ビームダクトの長手方向に沿って配置された第１磁性体ポール、第２磁性体ポールおよび第３磁性体ポールと、
前記第２磁性体ポールに巻き回された第１コイルと、
前記第１磁性体ポールおよび前記第３磁性体ポールの両方を内径側に含む第２コイルと、
が設けられたことを特徴とする偏向電磁石装置。
【請求項２】
上下に対向して配置された一対のヨークと、
前記一対のヨークの間に設置されたビームダクトと、
前記一対のヨークを支持する非磁性体の支持部材と、
を備える偏向電磁石装置において、
前記ヨークは少なくとも
前記ビームダクトに向かって突出し、かつ前記ビームダクトの長手方向に沿って配置された第１磁性体ポール、第２磁性体ポールおよび第３磁性体ポールと、
前記第２磁性体ポールに巻き回された第１コイルと、
前記第１磁性体ポールの側面に沿ったコイル面を有する第２コイルと、
前記第３磁性体ポールの側面に沿ったコイル面を有する第３コイルと、
が設けられ、
前記ビームダクトの長手方向において、前記第２コイルおよび前記第３コイルは、前記第１磁性体ポールおよび前記第３磁性体ポールの外側に設けられた
ことを特徴とする偏向電磁石装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の偏向電磁石装置であって、
前記一対のヨークは板状の磁性体を積層して形成され、
前記積層の方向は前記ビームダクトの長手方向と交差した方向である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の偏向電磁石装置。
【請求項４】
前記第１コイルは、前記第２コイルと異なる向きに電流が通電される
ことを特徴とする請求項１に記載の偏向電磁石装置。
【請求項５】
請求項２に記載の超電導磁石装置であって、
前記第２コイルは、前記第３コイルと異なる向きに電流が通電され、
前記第１コイルは、前記第１コイルの外周側であってかつ前記ビームダクトに対して最も近い位置において前記第２コイルおよび前記第３コイルを流れる電流と異なる向きとなるよう電流が通電される
ことを特徴とする偏向電磁石装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置であって、
前記第１コイルはレーストラック形状のコイルであって、
前記第１コイルのコイル面に平行な平面に関する前記第２磁性体ポールの断面は楕円形また中実のレーストラック形状であって、
前記第１コイルの長軸と、前記第２磁性体ポールの断面の長軸とは平行である
ことを特徴とする偏向電磁石装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の偏向電磁石装置であって。
前記第１磁性体ポールおよび前記第２磁性体ポールは、レーストラック形状の磁性体の直線部を構成する
ことを特徴とする偏向電磁石装置。
【請求項８】
間隙を置いて上下に対向して配置される1対のヨークと、
前記間隙の中心を含み、かつ荷電粒子ビームの偏向軌道を含むように設置されるビームダクトと、
前記ヨークに固定され、かつ巻線の中心軸が前記偏向軌道に平行な平面に対して垂直である第１コイルと、
前記ヨークに固定され、かつ巻線の中心軸が第1コイル中心軸と平行の第２コイルと、を有し、
前記第１コイルと 前記第２コイルとが隣接して設置された
ことを特徴とする偏向電磁石装置。
【請求項９】
間隙を置いて上下に対向して配置される1対のヨークと、
前記間隙の中心を含み、かつ荷電粒子ビームの偏向軌道を含むように設置されるビームダクトと、
前記ヨークに固定され、かつ巻線の中心軸が前記偏向軌道に平行な平面に対して垂直である第１コイルと、
前記ヨークに固定され、かつ巻線の中心軸が第1コイルの中心軸に対して傾きを有する第２コイルおよび第３コイルを有し、
前記第１コイルに対して前記第２コイルおよび３コイルが隣接して設置された
ことを特徴とする偏向電磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄積リングやシンクロトロン放射光リングなどに利用される偏向電磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームや陽子線などの荷電粒子ビームに対し、ビーム進行方向と垂直な方向に周期的な運動を加えることで放射光を発生させる技術がある。荷電粒子ビームに周期的な運動を加えるために、荷電粒子ビームが通過するビームダクト（真空容器）のビーム軌道上に挿入光源を設置する。挿入光源に備えられた偏向電磁石装置によって磁場を生成して、ビームダクト内を通過する荷電粒子ビームを偏向し、放射光を発生させる。挿入光源としてウィグラーを利用することによって、より強い磁場を生成し、短い波長の放射光を発生させる技術がある。
【０００３】
特許文献１は、小型化できる偏向電磁石装置及び挿入光源装置を提供することを目的とし、解決手段として、「偏向電磁石装置は、磁性体の第１ヨークと、この第１ヨークの下方に配置されて非磁性体の支持部材で前記第１ヨークに連結された磁性体の第２ヨークとを備え、前記第１ヨークが、第１リターンポール、第１メインポール、第２リターンポールを含んでおり、前記第２ヨークが、第３リターンポール、第２メインポール、第４リターンポールを含んでおり、磁場を生成する第１コイルが前記第１メインポールに設けられ、磁場を生成する第２コイルが前記第２メインポールに設けられ、前記第１リターンポールと前記第３リターンポールが、前記第１メインポールと前記第２メインポールが、及び前記第２リターンポールと前記第４リターンポールが、それぞれ、荷電粒子ビームが通過する間隙を間に挟んで対向して配置されていることを特徴とする」と開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３４８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された偏向電磁石装置は、荷電粒子ビームの直進方向に沿って、３台の偏向電磁石が配置された体系を有する。特許文献１に開示された小型化の取り組みは、独立した３台の偏向電磁石が並べられる配置体系を前提とする。そこで本発明は、前提とされていた偏向電磁石の配置体系について検討し、更にコンパクト化を図ることが可能な偏向電磁石装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するにあたって様々な実施形態を含むが、その一例は、「上下に対向して配置された一対のヨークと、前記一対のヨークの間に設置されたビームダクトと、
前記一対のヨークを支持する非磁性体の支持部材と、を備える偏向電磁石装置において、
前記ヨークは少なくとも前記ビームダクトに向かって突出し、かつ前記ビームダクトの長手方向に沿って配置された第１磁性体ポール、第２磁性体ポールおよび第３磁性体ポールと、前記第２磁性体ポールに巻き回された第１コイルと、前記第１磁性体ポールおよび前記第３磁性体ポールの両方を内径側に含む第２コイルと、が設けられたこと」を特徴とする。
【０００７】
または「上下に対向して配置された一対のヨークと、前記一対のヨークの間に設置されたビームダクトと、前記一対のヨークを支持する非磁性体の支持部材と、を備える偏向電磁石装置において、前記ヨークは少なくとも前記ビームダクトに向かって突出し、かつ前記ビームダクトの長手方向に沿って配置された第１磁性体ポール、第２磁性体ポールおよび第３磁性体ポールと、前記第２磁性体ポールに巻き回された第１コイルと、前記第１磁性体ポールの側面に沿ったコイル面を有する第２コイルと、前記第３磁性体ポールの側面に沿ったコイル面を有する第３コイルと、が設けられ、前記ビームダクトの長手方向において、前記第２コイルおよび前記第３コイルは、前記第１磁性体ポールおよび前記第３磁性体ポールの外側に設けられたこと」を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、コンパクト化を図ることが可能な偏向電磁石装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】挿入光源の一種であり３ポールで構成されるウィグラーの配置を上部から見た概念図である。
【図２】図１のウィグラーのＡＡ矢視図である。
【図３】図２のウィグラーの一例のＢＢ矢視図の概念図である。
【図４】図２のウィグラーの異なる態様におけるＢＢ矢視図の概念図である。
【図５】本発明の第１の実施例である偏向電磁石装置を偏向面に垂直な方向から見た概念図である。
【図６】本発明の第１の実施例である偏向電磁石装置を示す斜視図である。
【図７】磁場中心からの距離に対する磁場強度の磁場解析結果および当該磁場による、ビーム軌道のリング軌道からのずれを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例である偏向電磁石装置を偏向軌道に垂直な方向から見た概念図である。
【図９】本発明の第３の実施例である偏向電磁石装置を偏向軌道に垂直な方向から見た概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の説明にあたって、まずウィグラーの基本的な仕組みを説明し、次に本発明の特徴について詳細に説明する。なお、ウィグラーとは挿入光源に利用される偏向電磁石装置のことを指す。
【００１１】
図１は、挿入光源として利用されているウィグラーの一例を示す概念図である。図１のウィグラー（偏向電磁石装置１１）は、ビームダクト７の直線部に沿って、第一の偏向電磁石２Ａ、第二の偏向電磁石１及び第三の偏向電磁石２Ｂが配置され構成される。図１では支持構造や接続線などは省略している。
【００１２】
荷電粒子ビームは図１において左から右へ進む。ウィグラーはシンクロトロンや蓄積リングのリング軌道３上に設置される。放射光を観測するときには、リング軌道３を周回する荷電粒子ビームの軌道を急激に曲げて偏向軌道９を生じさせることによって放射光を発生させる。ウィグラーを通過中に急激に偏向された荷電粒子ビームは、ウィグラーから出射する際には元のリング軌道に回復される。
【００１３】
偏向電磁石２Ａは、入射した荷電粒子ビームを偏向する磁場を生成する。偏向電磁石１は放射光を発生させる目的で設けられる。偏向電磁石２Ａよりも強く、かつ向きが反対の磁場を生成する。偏向電磁石２Ｂは偏向電磁石２Ａと同じ方向の磁場を生成する。各偏向電磁石が形成する磁場を荷電粒子ビームが通過するとき、荷電粒子ビームは偏向軌道９のように進む。その理由は次のように説明できる。
【００１４】
ウィグラーに入射した荷電粒子ビームは、はじめに、偏向電磁石２Ａが生成した磁場によって偏向される。図１に示す例では、偏向電磁石２Ａを通過する際に、荷電粒子ビームに対して上から下へ向かう運動成分が付加されている。
【００１５】
偏向電磁石１は、偏向電磁石２Ａと反対向きの強い磁場を生成する。リング軌道３と垂直な方向成分を偏向成分と呼ぶとすると、偏向電磁石１は、入射した荷電粒子ビームの偏向成分を反転させ、偏向電磁石２Ｂに進入させる役割をもつ。偏向電磁石２Ｂへ入射した荷電粒子ビームは、偏向電磁石１によって付与された偏向成分が打ち消され、残った直進成分に沿って出射する。
【００１６】
このように各偏向電磁石が磁場を発生させる結果、ウィグラーを通過する荷電粒子ビームは、図１に示す偏向軌道９を描く。なお、これらの偏向電磁石を動作させない場合、荷電粒子ビームはウィグラーに入射した後も直進し、放射光は発生しない。
【００１７】
図２は、図１で示すウィグラーのＡＡ断面図である。ウィグラーとして利用される偏向電磁石装置１１はしばしばこのような体系を有する。
【００１８】
偏向電磁石装置１１は、磁場の経路（磁路）を定めるメインポール１Ａ、１Ｂ、サイドポール２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂを備える。また、偏向電磁石装置１１は、磁場を生成するためのコイル４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂを備える。またこれらの構成が固定されるヨーク５Ａ、５Ｂを備える。
【００１９】
コイル４１Ａはメインポール１Ａに巻き回される。同様に、コイル４１Ｂはメインポール１Ｂに、コイル４２Ａはサイドポール２１Ａに、コイル４３Ａはサイドポール２２Ａに、コイル４２Ｂはサイドポール２１Ｂに、コイル４３Ｂはサイドポール２２Ｂに巻き回される。
【００２０】
なお、偏向電磁石装置１１は荷電粒子ビームの偏向面に対して対称な構造を有し、上述した偏向電磁石装置１１が備える各構成については、Ａを付した符号とＢを付した符号とが対応関係にある。
【００２１】
ヨーク５Ａ、５Ｂは、各コイル、各メインポールおよび各サイドポールを支持する部材であって、互いに支持部材８を介して支持される。なお、支持部材８の材質は非磁性体であって、例えばステンレスによって形成される。また、各ヨークの支持態様は、図３に示すようなコイル４１Ａ、４１Ｂを囲い込むように２本の支持部材８を配置する両側支持の態様、図４に示すような一本の支持部材８を配置する片側支持の態様のいずれであってもよい。
【００２２】
次に偏向電磁石装置１１が生じる磁場について図２を例に説明する。
【００２３】
偏向電磁石装置１１は、複数のコイルを備え、これらが起磁力源として機能する。各コイルの近傍に付された＋または―の符号は、コイル断面における電流の向きを示す。コイル４１Ａ、４１Ｂを流れる電流は、隣り合うコイル４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂを流れる電流と反対向きである。なお、これらの向きは一例であってこれらが反転してもよい。ただし、中央付近に発生する磁場と、その両側で発生する磁場とは向きが反対となることは同様である。
【００２４】
コイル４１Ａ、４１Ｂは、上側のメインポール１Ａと下側のメインポール１Ｂの間のギャップに磁場（磁力線６）を生成する。メインポール間に生成される磁場は、図２であれば下側のメインポール１Ｂから上側のメインポール１Ａへ向かう一方向の磁場である。また、コイル４２Ａおよびコイル４２Ｂはサイドポール２１Ａからサイドポール２１Ｂへ向かう一方向の磁場を生成する。コイル４３Ａおよびコイル４３Ｂはサイドポール２２Ａからサイドポール２２Ｂへ向かう一方向の磁場を生成する。
【００２５】
また、各コイルと図１との対応関係は次のようになる。メインポール１Ａ、１Ｂおよびコイル４１Ａ、４１Ｂが偏向電磁石１に相当する。サイドポール２１Ａ、２１Ｂおよびコイル４２Ａ、４２Ｂが偏向電磁石２Ａに相当する。サイドポール２２Ａ、２２Ｂおよびコイル４３Ａ、４３Ｂが偏向電磁石２Ｂに相当する。
【００２６】
偏向電磁石装置１１の主となる磁気回路は、図２において点線で示す磁力線６が示す経路となる。すなわち、磁力線６は各メインポールおよび各サイドポールを入口または出口とするループ状であって、ヨーク５Ａ、５Ｂの内部で閉じたものとなる。このような偏向電磁石装置１１に荷電粒子ビームが入射すると、荷電粒子ビームはリング軌道３上に作られた磁場によって偏向される。なお、支持部材８が非磁性体であって磁気抵抗が大きいため、偏向電磁石装置１１は支持部材８を介した上下のヨーク５Ａ、５Ｂを連絡する磁気回路は主要な磁気回路とならない。
【００２７】
以上で説明するように、偏向電磁石装置１１は、先に述べた磁場分布を形成するために、３台の偏向電磁石がリング軌道３に沿って並ぶ体系で構成されている。そして、各ポールそれぞれに対して個別にコイルが設置されるため、リング軌道３の方向において、各ポール間にある程度の距離が必要となるため、装置の大きさが増大しやすくなる。
【００２８】
ところで、荷電粒子ビームは、常にビームダクトと呼ばれる略真空のダクト内を進む。したがってビームダクトは、入射の軸から偏向によって到達する最遠方の地点までを覆うことが可能な形状や大きさが求められる。図１であれば、偏向軌道９を内包できる形状や大きさが要求される。
【００２９】
したがってこのビームダクトを小型化することができれば、偏向電磁石装置１１の更なる小型化が可能となるものの、次の課題が存在する。
【００３０】
先に述べたように偏向電磁石装置１１は、その装置体系に由来して、リング軌道３の方向においてある程度の距離を必要とする。一方、荷電粒子ビームの入射から出射までの距離が長くなると、荷電粒子ビームがリング軌道３から離れる度合い、つまり偏向軌道９の振幅が大きくなる。また、射光を出さない場合、偏向電磁石装置１１は励磁されず、荷電粒子ビームはリング軌道３上を通過することになる。結果、偏向軌道９と、偏向されない場合のビーム軌道とを考慮してビームダクト７を構成する必要があり、ビームダクトは大型化しやすい。
【００３１】
そこで、本発明者は偏向電磁石装置の配置体系を再検討し、偏向電磁石装置の小型化、ビームダクトの小型化が可能な新体系を考案したため、これについて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３２】
本発明の好適な第１の実施例である偏向電磁石装置１００を、図５を用いて説明する。図５において、荷電粒子ビームは左から右へ進むものとし、左側を上流、右側を下流とする。また荷電粒子ビームは、ビームダクト７内を通過し、かつリング軌道３を含む面、すなわち偏向面１０上を進むものとする。
【００３３】
本実施例の偏向電磁石装置１００は、荷電粒子ビームが通過するビームダクト７の長手方向に沿って、荷電粒子ビームの進行方向上流から順に、第１磁性体ポールであるサイドポール２１Ａ、２１Ｂ、第２磁性体ポールであるメインポール１Ａ、１Ｂ、第３磁性体ポールであるサイドポール２１Ｂ、２２Ｂが配置される。第１磁性体ポール、第２磁性体ポールおよび第３磁性体ポールを構成するそれぞれのポールは、上下に偏向面１０を挟んで配置され、間隙を形成し、この間隙にビームダクト７が設置される。また各ポールはヨークに設置され、ヨークからビームダクト７に向かって突出した構造物となる。
【００３４】
各ポール部は磁性体で形成されたコイルが設置される。第１コイルとして、メインポール１Ａを軸としてコイル４１Ａが巻き回され、メインポール１Ｂを軸としてコイル４１Ｂが巻き回される。サイドポール２１Ａおよびサイドポール２２Ａを内径側に有するコイル５１Ａが巻き回され、第２コイルとしてサイドポール２１Ｂおよびサイドポール２２Ｂを内径側に有するコイル５１Ｂが設置される。コイル４１Ａ、４１Ｂの鉛直方向の設置位置は、コイル５１Ａ、５１Ｂと等しいことが望ましいが、異なっていてもよい。
【００３５】
図６は偏向電磁石装置１００の斜視図である。なお、斜視図の作図上、符号Ｂを付与された部材を主に示したが、偏向面１０に関して面対称に符号Ａを付された部材が配置されている。また偏向面１０は、荷電粒子ビームの直進方向の軌道であるリング軌道３を含み、メインポール１Ａおよびメインポール１Ｂに対する距離が等しい平面である。また、斜視図の視点方向から見た場合、ビームダクト７の後方領域は本来であれば見えない構造だが、説明の簡単のためにビームダクト７を透明な部材として表している。
【００３６】
図６に示すように、コイル４１Ｂおよびコイル５１Ｂは共にレーストラック形状のコイルである。コイル４１Ｂよりもコイル５１Ｂが大きく、コイル４１Ｂはコイル５１Ｂの内側に納まるように構成される。また。コイル４１Ｂの長軸とコイル５１Ｂの長軸とが一致するように配置されることが望ましい。
【００３７】
コイル４１Ｂとコイル５１Ｂとの間は、サイドポール２１Ｂ、２２Ｂが設置される。サイドポール２１Ｂ、２２Ｂは、略レーストラック形状に磁性体が加工され、あるいは組み立てて形成された部材の一部に相当する。
【００３８】
コイル４１Ｂの内径側にメインポール１Ｂが設置される。メインポール１Ｂの外周側にコイル４１Ｂが設置され、サイドポール２１Ｂおよびサイドポール２２Ｂの外周側にコイル４４Ｂが近接して設置されるため、コイル４１Ｂ、コイル４４Ｂで生成された磁力を効率的に所望の方向に導くことができる。
【００３９】
メインポール１Ｂは楕円状の断面を有する柱状の部材である。サイドポールと同様に磁性体によって形成され、例えば純鉄やケイ素鋼が利用される。なおケイ素鋼に代わって他の電磁鋼板の積層体を利用してもよい。また、メインポール１Ｂの断面の長軸の方向と、サイドポールを一部に含む略レーストラック形状の長軸の方向とは一致するように配置されることが望ましい。
【００４０】
より望ましくは、コイル４１Ｂの長軸、コイル５１Ｂの長軸、メインポール１Ｂの断面の長軸およびサイドポールを一部に含むレーストラック形状の部材の長軸、それぞれの方向が一致するように各部材は配置される。また、これらの長軸に対して荷電粒子ビームのリング軌道３が直交することが望ましい。
【００４１】
サイドポール２１Ｂ、２２Ｂを一部に含むレーストラック形状の部材において、各サイドポールの寸法は、メインポール１Ｂの長軸の長さと同程度としている。以上のような寸法および長軸とリング軌道３との配置関係によって、磁場分布の強度は、偏向面１０の面内で、かつビームの直進方向（リング軌道３）と直交する方向において、おおよそ等しくなる。換言すると、ビームの直行方向の磁場分布が許容範囲内で一様となるため、その結果、荷電粒子ビームが経験する磁場の乱れを抑制することができる。
【００４２】
なお、サイドポール２１Ｂ、２２Ｂは、略レーストラック形状の一部を形成せず、単なる平板状の部材であってもよい。その場合、２つのサイドポールが少なくともコイル４１Ｂの直線部とコイル５１Ｂの直線部との間を隔てる壁のように配置されていればよい。また、メインポール１Ｂの長軸と平行となるようにサイドポールを設置することが望ましい。
【００４３】
各コイルおよび各ポール部以外の構造について説明する。
【００４４】
ヨーク５Ａ、５Ｂは磁性体で形成され、継鉄とも呼ぶ。支持部材８は非磁性体である。支持部材８を非磁性体で形成することの効果は前述のとおりである。ビームダクト７を中央に置いて、上部にヨーク５Ａが配置され、下部にヨーク５Ｂが配置される。この一対のヨークは互いに支持部材８で固定される。また、図５に示すように、ヨーク５Ａにメインポール１Ａ、サイドポール２１Ａ、２２Ａが設置される。ヨーク５Ｂにメインポール１Ｂ、サイドポール２１Ｂ、２２Ｂが取り付けられる。各ポールは上下方向にギャップを形成し、このギャップにビームダクト７が設置される。
【００４５】
支持部材８による支持の態様は、図４に示す例と同様である。偏向電磁石装置１００に入射する荷電粒子ビームからみると（ビーム進行方向の上流側に配置されるサイドポール２１Ａ、２１Ｂからみると）Ｃ字型の形状を有するように、上下のヨークが支持部材８によって固定される。Ｃ字型の形状とすることで、図３に示すようなＨ型形状の電磁石と比較して設置スペースを狭くすることができる。更にメンテナンス等で電磁石を移動する場合にも、ビームダクト７を取り外す必要がないなどの効果が得られる。
【００４６】
なお、上記では、メインポール１Ａ、サイドポール２１Ａ、２２Ａおよびヨーク５Ａがそれぞれ独立した部材であって、それぞれを組み立てる構成としたが、これらを一体成型してもよい。符号Ｂを付した部材についても同様である。
【００４７】
次に各コイルおよびポールの役割について説明する。なお、各コイルおよび各ポール部材については、符号Ｂを付したものと対応する符号Ａを付した構造が、偏向面１０に関して面対称に配置されている。
【００４８】
はじめにサイドポール２１Ａ、２１Ｂおよびサイドポール２２Ａ、２２Ｂ、およびこの外周に設置されたコイル５１Ａ、５１Ｂの機能について説明する。
【００４９】
これらのポール部およびコイルを構成に有する磁場発生部は荷電粒子ビームをリング軌道３に戻す磁場を発生させる役割を持つ。この磁場はコイル５１Ａ、５１Ｂに同じ方向に電流が流れることで生成される。図５の例であれば、偏向電磁石装置１００の鉛直方向上側から見て右回りに電流が通電される。
【００５０】
メインポール１Ａ、１Ｂおよびコイル４１Ａ、コイル４１Ｂを構成に有する磁場発生部は、荷電粒子ビームをリング軌道３から急激に外れるように偏向し、偏向軌道９が形成されるような磁場を発生させる。これによって放射光を発生させる。偏向軌道９を形成する磁場は、コイル４１Ａ、４１Ｂに同じ向きの電流が通電されることで発生する。図５の例であれば偏向電磁石装置１００の鉛直方向上側から見て左回りに電流が通電される。なお、コイル４１Ａ、４１Ｂに通電される電流は、コイル５１Ａ、５１Ｂに通電される電流と反対向きである。なお、電流の通電の向きは反対であってもよい。ただし、コイル４１Ａ、４１Ｂに流れる電流と、コイル５１Ａ、５１Ｂに流れる電流とは反対の向きでなければならない。
【００５１】
次に上述したコイルおよびポールの配置によって形成される磁場の経路について説明する。
【００５２】
上部のコイル４１Ａ、５１Ａに電流が通電されることで起磁力が発生し、図５に示すように、メインポール１Ａ、サイドポール２１Ａ、２２Ａ及びヨーク５Ａの内部を通過する磁場（磁力線６）が生成される。同様に、下部のコイル４１Ｂ、５１Ｂに電流が通電されることによって起磁力が発生し、メインポール１Ｂ、サイドポール２１Ｂ、２２Ｂ及びヨーク５Ｂの内部を通過する磁場が生成される。
【００５３】
より詳細にはコイル４１Ａ、４１Ｂに電流が通電されると、図５に示すように、メインポール１Ｂからメインポール１Ａへ向かう磁場が形成される。またメインポール１Ａから入った磁場は、ヨーク５Ａの内部を進み、サイドポール２１Ａ、２２Ａから下側のサイドポール２１Ｂ、２２Ｂへ向かう。サイドポール２１Ｂ、２２Ｂから入った磁場はヨーク５Ｂの内部を進みメインポール１Ｂからメインポール１Ａへ向かう。
【００５４】
磁力線６が上下のメインポールの間または上下のサイドポールの間を通過する理由は、これらの部分を通ることで大気中を通過する距離が最も短くなるためである。換言すると、この経路は、他の経路を採った場合に比べて磁気抵抗の積分値が小さいため、このような経路が形成される。
【００５５】
コイル５１Ａ、５１Ｂに通電される電流はと、サイドポール２１Ａおよびサイドポール２２Ａからサイドポール２１Ｂ、２２Ｂへ向かう磁場を形成する。なお、この際にメインポール１Ａからメインポール１Ｂへ向かう磁場が形成されるように思われるが、これは発生しない。２つのメインポール間にはコイル４１Ａ、４１Ｂによって形成される反対向きの磁場が存在し、この磁場はコイル５１Ｂ、５１Ａによって発生する磁場よりも強い。そのため、メインポール１Ａからメインポール１Ｂへ向かう磁場は発生しない。コイル５１Ａ、５１Ｂが形成する磁場の磁力線は、コイル４１Ａ、４１Ｂに由来する磁場によってメインポール１Ａ、１Ｂの周囲に押しやられ、サイドポール２１Ａ、２２Ａからサイドポール２１Ｂ、２２Ｂへ向かう磁場となる。
【００５６】
また、サイドポール２１Ｂ、２２Ｂへ入った磁場は、ヨーク５Ｂの内部を進みメインポール１Ｂからメインポール１Ａへ向かう。メインポール１Ａへ入った磁場はヨーク５Ａの内を進みサイドポール２１Ａ、２２Ａへ再度到達する。このようにしてコイル５１Ａ、５１Ｂによっても、磁力線６で示すような磁場が形成される。
【００５７】
また、ヨーク５Ａ、５Ｂを接続する支持部材８は、非磁性体で構成されているため、磁気抵抗が磁性体（特にヨーク５Ａ、５Ｂ、メインポール１Ａ、１Ｂ、サイドポール２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂ）よりも大きい。磁気回路は磁気抵抗の小さくなる磁路で閉じられる性質をもつ。したがってメインポール１Ａから非磁性材である支持部材８を通ってメインポール１Ｂへ向かう磁路よりも、メインポール１Ａからヨーク５Ａの内部を進みサイドポール２１Ａ、２２Ａを通って下側のサイドポール２１Ｂ、２２Ｂへ入り、ヨーク５Ｂの内部を進みメインポール１Ｂへ達する磁路の磁気抵抗が小さいため、図５に示すような磁気回路が形成される。
【００５８】
本実施例の偏向電磁石装置１００に関する磁場解析結果を図７に示す。図７において左側に示すグラフは、新旧体系それぞれにおけるメインポールおよびサイドポールの設置位置を示し、右側に示すグラフは新旧体系それぞれに関する荷電粒子ビームの偏向軌道９を示す。
【００５９】
まず、図７の左側に示すグラフについて説明する。このグラフの横軸はリング軌道３上の位置を示す。横軸のゼロ点はメインポール１Ａ、１Ｂの断面長軸とリング軌道３の交点、つまり偏向電磁石装置１００のリング軌道方向の中心である。また、縦軸は荷電粒子ビームが経験するリング軌道３上の磁場を示す。リング軌道３上の磁場は、リング軌道３上にメインポールおよびサイドポールによって形成される１次元磁場を近似した。なお、この磁場はリング軌道３に対して垂直に作用する磁場である。また、荷電粒子ビームを偏向させるための磁場であってメインポール間に生じる磁場を正磁場とし、荷電粒子ビームをリング軌道に戻すための磁場であってサイドポール間に生じる磁場を負磁場とした。経験磁場がゼロとなることは、荷電粒子ビームが偏向軌道９からリング軌道３に復帰したことを示す。
【００６０】
図７の左側上段に示すグラフは図２に示した旧体系の場合を示し、下段に示すグラフは図５に示した新体系の場合を示す。なお旧体系は３個のレーストラックコイルの中心軸がすべて平行となるように配置を仮定し、これに関する磁場分布を計算した。
【００６１】
図２に示す旧体系では、たとえばコイル４１Ａに＋の電流が流れる部分のすぐ隣にコイル４３Ａの＋電流が流れる部分が表れる。つまり、＋電流が流れるコイル幅が少なくとも２つ存在し、その分だけ偏向電磁石装置１１のリング軌道３方向の長さが長くなる。結果として正磁場を形成するメインポール１Ａから負磁場を形成するサイドポール２２Ａまでの距離が長くなる。
【００６２】
旧体系に対して、図５に示す新体系では、コイル４１Ａに＋電流が流れる部分の脇に同方向の＋電流が流れるコイルが表れないため、メインポール１Ａから負磁場を生成するサイドポール２２Ａまでの距離が短くなる。つまり、本実施例の偏向電磁石装置１００は、サイドポール２２Ａを偏向電磁石装置１００の中心に近づけることができ、リング軌道３上において負磁場が形成される領域が偏向電磁石装置１００中心に近づけられている。なお、図７においてはメインポール１Ａとサイドポール２２Ａとの関係を示したが、メインポール１Ａとサイドポール２１Ａとの関係も同様であって、符号Ｂを付した各コイルおよびポールについても同様である。
【００６３】
この図７の左側に示した解析結果から、新体系の偏向電磁石装置１００は、サイドポール２１Ａ、２２Ａ（２１Ｂ、２２Ｂ）が偏向電磁石装置１００の中心近くに配置できることにより、旧体系における磁場分布と比較して、負領域から正領域により急峻に立ち上がる磁場が形成され、荷電粒子ビームが偏向して中心磁場点０に到達することがわかる。
【００６４】
具体的なリング軌道３からのずれについて、図７の左側に示した磁場分布を用いてビーム軌道を計算した計算例を図７の右側に示す。この計算結果から、新体系はリング軌道３からに対する荷電粒子ビームのずれ、すなわち偏向軌道９の振幅を、旧体系と比較して約１４％低減できることがわかる。ここで、リング軌道からのずれはビーム蓄積エネルギーにも依るが、本検討では２．５ＧｅＶストレージリングを想定した。
【００６５】
本実施例によれば、上下に対向して配置される一対のヨークが、メインポール、サイドポールを有し、上部のヨーク及び下部のヨークを連結して支持する支持部材を非磁性体で構成しているため、荷電粒子ビームのリング軌道３上に相反する向きの磁場が効率的に生成される。つまり、メインポール１Ａとメインポール１Ｂの間（間隙部であり、荷電粒子ビームが通過する領域）に生成される磁場の向きが、サイドポール２１Ａ、２２Ａの間（間隙部であり、荷電粒子ビームが通過する領域）に生成される磁場の向き、及びサイドポール２１Ｂ、２２Ｂの間（間隙部であり、荷電粒子ビームが通過する領域）に生成される磁場の向きと逆向きであって、各磁場が旧体系よりも接近して形成されるよう構成されている。
【００６６】
このように本実施例の偏向電磁石装置１００は、荷電粒子ビームを偏向させるための領域を狭くすることができるため、偏向電磁石装置１００の全体の大きさを小さくすることができる。また、荷電粒子ビームの偏向時の軌道とリング軌道との差（距離）を短くできるため、ビームダクト７も旧体系よりも小型に設計することができる。
【００６７】
また、偏向電磁石装置１００の小型化を実現できるため、設置スペースを抑制できる。また、ビームダクト７を従来と同程度の大きさで形成すると、ビームダクト７の内部に照射される放射パワーも低減できる。また、ビームダクト７の冷却系の小型化などの効果を得ることができる。また、偏向電磁石装置１００を小型化することで製造コストの低減もできる。
【実施例２】
【００６８】
実施例１にて説明したように、コイルの配置体系を見直すことによって、偏向電磁石装置を小型化することができる。実施例１とは異なる体系を、本発明の好適な第２の実施例である偏向電磁石装置として図８を用いて説明する。
【００６９】
本実施例の偏向電磁石装置１００は、図８に示すように、荷電粒子ビームが通過するビームダクト７に沿って、荷電粒子ビームの進行方向の上流側から順に、第１ポール部であるサイドポール２１Ａ、２１Ｂ、第２ポール部であるメインポール１Ａ、１Ｂ、第３ポール部であるサイドポール２２Ａ、２２Ｂが配置される。各ポールは上側のヨーク５Ａまたは下側のヨーク５Ｂに対して固定もしくは機械加工によって形成され、ヨーク５Ａおよびヨーク５Ｂは非磁性体から形成される支持部材８によって支持されている。
【００７０】
第１の実施例との違いは、サイドポール２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂの外周側に設置されるコイルの体系が異なる。図５ではコイル４１Ａ、４１Ｂの巻線中心軸と、コイル５１Ａ、５１Ｂの巻線中心軸とが一致するように配置関係であった。一方、図８に示す本実施例では、コイル６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂの巻線中心軸が、メインポールに設置されたコイル４１Ａ、４１Ｂの巻線中心軸と平行ではない。例えば本実施例では、二つの中心軸はほぼ９０度の角度をなすように設置されている。換言すると、コイル６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂは、それぞれが設置されたサイドポールの側面に沿ったコイル面を有する。なお、コイル面とは、コイルの巻軸と直交する平面に含まれるコイル表面を指す。また、コイル６１Ａおよびコイル６１Ｂは、ビームダクト７の長手方向においてサイドポール２１Ａおよびサイドポール２１Ｂの外側の側面に配置される。同様にコイル６２Ａおよびコイル６２Ｂは、ビームダクト７の長手方向においてサイドポール２２Ａおよびサイドポール２２Ｂの外側の側面に配置される。
【００７１】
ただし、これは一例であるため、これらの中心軸の方向がリング軌道３に対して角度を有するように設置してもよい。なお、磁場の対称性の観点から、コイル６１Ａはコイル６１Ｂに対して、コイル６２Ａはコイル６２Ｂに対して偏向面１０に関して面対称となることが望ましい。また、偏向面１０と垂直かつ偏向電磁石装置１００の中心を通る平面に関して、コイル６１Ａはコイル６２Ａに対して、コイル６１Ｂはコイル６２Ｂに対して面対称となることが望ましい。
【００７２】
コイル６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂは、リング軌道３と直交する方向であってかつ偏向面１０と平行な方向に長軸を有する形状であることが望ましい。具体的にはレーストラック形状、楕円形、矩形などが採用できる。また、これらの長軸の方向と、コイル４１Ａ、４１Ｂの長軸の方向とは一致することが望ましい。このような配置することで、実施例１と同様にビームダクト７を横切る磁場が、リング軌道３と直交する方向において分布が一様に近づき、荷電粒子ビームを高精度に偏向することが可能となる。
【００７３】
また、ヨーク５Ａおよびヨーク５Ｂは、リング軌道３に沿った方向において、コイル６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂの設置位置よりも十分に張り出している位置に端部を有することが望ましい。これらのコイルに電流が通電され発生する磁場は、特にコイル内部を通過する前後においてリング軌道３方向に沿った磁力線を有するため、ヨーク５Ａおよびヨーク５Ｂの内部で周回する磁路を形成する上で、ある程度の距離が要求されるためである。
【００７４】
またヨーク５Ａ、５Ｂはリング軌道３と直交し、偏向面１０に平行な方向においては、各コイルの長軸方向と同程度の長さを有することが望ましい。この方向における幅が広すぎると、ヨーク５Ａの内部であって偏向面１０に平行な平面内で周回する磁路が形成されやすくなるためである。
【００７５】
またヨーク５Ａおよびヨーク５Ｂは複数の磁性体が組み合わせられて形成された部材であることが望ましい。特にコイル６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂを設置するために、ヨーク５Ａ、５Ｂは分割可能な構造であることが望ましい。
【００７６】
本実施例において各コイルに通電される電流の向きと、形成される磁場について説明する。コイル４１Ａ、４１Ｂには、偏向電磁石装置１００を鉛直線方向上側から見た場合に左回りの電流が通電される。この通電によって形成される磁場の向きおよび形成される磁路は、実施例１と同様である。
【００７７】
コイル６１Ａ、６１Ｂに通電される電流は、偏向面１０に面した側において、コイル４１Ａ、４１Ｂと隣接した側で反対向きに流れる。コイル６２Ａ、６２Ｂも同様である。換言すると、コイル４１Ａ、４１Ｂに通電される電流は、その外周側かつビームダクト７に対して最も近い位置においてコイル６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂを流れる電流と異なる向きとなるよう電流が通電される
図８では、コイル６１Ａ、６１Ｂに流れる電流は、偏向面１０に面した側で＋であって、コイル４１Ａ、４１Ｂのコイル６１Ａ、６１Ｂに流れる電流は−である。なお、電流の向きは一例だが、この関係性は電流の向きが反対となっても同様である。
【００７８】
コイル６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂに図８で示す電流が通電されると、磁力線６の向きの磁路が形成される。コイル６１Ａからメインポール１Ａ側に向かう磁場は、コイル６２Ａが形成する磁場と反対となるため、磁力線はサイドポール２１Ａに向かうように曲げられる。またサイドポール２１Ａに向かう理由は、実施例１で説明したように磁気抵抗がより小さい磁路が採られるためである。
【００７９】
コイル６２Ａが形成する磁場も同様の理由で、サイドポール２２Ａに向かう。また、コイル６１Ｂとコイル６２Ｂについても同様の関係が成り立つため、これらのコイルが形成される磁場もサイドポール２１Ｂ、２２Ｂに集中する。磁力線は閉ループとなる必要があるため、各サイドポールから入った又は出た磁力線はメインポール１Ｂからメインポール１Ｂへ向かう磁路を形成し、これによって磁力線６の磁路が形成される。
【００８０】
本実施例でのコイル体系においても、メインポール１とサイドポール２１、２２との距離を、図２の従来のコイル体系の場合よりも狭くすることができるため、図７に示した磁場分布を形成することができ、ビーム変位量も小さく抑制することができる。
【実施例３】
【００８１】
本発明の好適な第３の実施例である偏向電磁石装置１００を、図９を用いて説明する。
【００８２】
本実施例の偏向電磁石装置１００は、図９に示すように、荷電粒子ビームが通過するビームダクト７に沿って、荷電粒子ビームの進行方向の上流側から順に、第１磁性体ポールであるサイドポール２１Ａ、２１Ｂ、第２磁性体ポールであるメインポール１Ａ、１Ｂ、第３磁性体ポールであるサイドポール２２Ａ、２２Ｂが配置される。第１の実施例との違いは、上下に配置されたヨーク５Ａ、５Ｂのそれぞれに対して、上流側に更に第４磁性体ポールであるサイドポール２３Ａ、２３Ｂが設置され、下流側に更に第５磁性体ポールであるサイドポール２４Ａ、２４Ｂが設置されることである。
【００８３】
より具体的には、メインポール１Ａ、１Ｂ、コイル４１Ａ、４１Ｂ、サイドポール２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂおよびコイル５１Ａ、５１Ｂは実施例１と同様に構成される。上記の構成に加えて、本実施例の偏向電磁石装置１００は、サイドポール２３Ａ、２３Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを有する。またサイドポール２３Ａに対してコイル７１Ａが設置され、サイドポール２４Ａに対してコイル７２Ａが設置され、サイドポール２３Ｂに対してコイル７１Ｂが設置され、サイドポール２４Ｂに対してコイル７２Ｂが設置される。
【００８４】
これらのコイル７１Ａ、７１Ｂ、７２Ａ、７２Ｂはレーストラック形状のコイルであって、それぞれが設置されるサイドポールに各コイルが巻き線されたような態様をとる。このように偏向電磁石装置１００が新たなサイドポールおよびコイルを備えることによって、偏向面１０に関して面対称に５個のポール部が設置され、実施例１の体系で形成される磁場分布に対して、更にリング軌道３の上流側および下流側に、メインポール１Ａ、１Ｂの間に形成される磁場の向きと同じ方向の磁場を追加し、新たな磁場分布を形成できる。このような磁場分布が形成されることで、荷電粒子ビームは、偏向面１０内でリング軌道３を中心に両方向に変位する。このような変位を可能とすることで、リング軌道３に対する片側の振幅量、つまりリング軌道３を基準とした際の変位量の絶対値をさらに小さく抑制することができる。
【００８５】
なお、各実施例で示したヨーク５Ａ、５Ｂは、例えば鉄板を積層して形成することができる。このような形成方法と採ると、一般的に、積層方向には空隙が生じやすく、積層方向の磁気抵抗が高くなりやすい。本実施例の偏向電磁石装置１００が形成する磁場の磁力線６は、たとえば図５に示すように、リング軌道３を含む平面内で閉じたループ形状となるため、図５で示した断面に平行な方向に鉄板を積層する、換言すると前記平面と平行に積層することが好ましい。
【００８６】
以上、本発明について実施形態を挙げて説明したが、各実施例は一例であって本発明の範囲をこれに限るものではない。形状、材質、各部材の接合方法、固定方向は本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更してよい。また、各実施例おいて挙げたコイルは、常伝導コイル、超電導コイルのいずれであってもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１  偏向電磁石
１Ａ  メインポール（上側）
１Ｂ  メインポール（下側）
２Ａ  偏向電磁石
２Ｂ  偏向電磁石
２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ  サイドポール（上側）
２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂ  サイドポール（下側）
３  リング軌道
４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂ、５１Ａ、５１Ｂ、６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ，６２Ｂ、７１Ａ、７１Ｂ、７２Ａ、７２Ｂ  コイル
５Ａ  ヨーク（上側）
５Ｂ  ヨーク（下側）
６  磁力線（磁路）
７  ビームダクト
８  支持部材
９  偏向軌道
１０  偏向面
１１  偏向電磁石装置
１００  偏向電磁石装置
【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】
2017084595.tif 000009
【図８】
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【図９】
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