クライオアンジュレータの開発
原 徹1，田中隆次1，白澤克年1，備前輝彦2，清家隆光2，
Xavier MARECHAL2，都留理恵子3，岩城大介3，北村英男1
1 独立行政法人理化学研究所播磨研究所
2 財団法人高輝度光科学研究センター
3 兵庫県立大学

要旨〒6795148 兵庫県佐用郡佐用町光都 111〒6795148 兵庫県佐用郡佐用町光都 111〒6781297 兵庫県赤穂郡上郡町 321

アンジュレータの短周期化は，基本波エネルギーを上げ，また周期数が増えるため輝度の向上をもたらす。その結果，例えばこれまでウィグラーしか使えなかったエネルギー領域において，アンジュレータの高輝度放射光が利用可能になる。一方で短周期化に伴う磁場減少を補う必要があるため，磁石性能の向上が不可欠な課題となっている。現在超伝導アンジュレータの開発が欧米で盛んに行われているが，我々は永久磁石を150 K 程度に冷却することにより磁場性能を上げるという，全く新しいアプローチから短周期アンジュレータの開発を進めている。テスト機で得られたデータを含め，このクライオアンジュレータ開発の現状を報告する。

1. はじめには，磁極間ギャップを変えることにより K を変化させて得られるが，広範囲な波長領域でスペクトルの連続性を保最近，第 3 世代放射光施設において短周期アンジュレ

つには 1 次光と 3 次光のスペクトルが重なる必要があータの導入が盛んになっている。そのきっかけは， 2001

る。これはギャップを閉め磁場を増大させた時に，(1)式

年にスイス Paul Scherrer Institut の Swiss Light Source

中の K が最大で 2 以上の値をとらなければならないこと(SLS ) に設置した周期長 24 mm の真空封止アンジュレーを意味する。また， K が小さいとアンジュレータ光の高タである。このアンジュレータは，当初 SPring-8 が SLS次光成分も減少してしまう。ところがアンジュレータの短と結んだ研究協力協定に基づき貸与したものであったが，周期化は，(2)式において周期長（ lu ）が小さくなるだけ設置した SLS タンパク質構造解析ビームラインが著しいでなく，個々の磁石サイズが小さくなるためアンジュレー成果を挙げ，その後周期長 19 mm のアンジュレータが 3タ磁場（ Bu ）の減少をももたらす。これら K の減少を補台 SLS に導入された1,2)。SLS の成功は，電子ビームエネうために，短周期アンジュレータでは磁極間ギャップを非ルギーが 2～3 GeV クラスの中規模放射光施設でも，短周常に小さくする必要がある。

期アンジュレータの高次光を使えば 10 keV 付近の高輝度アンジュレータの短周期化とそれに伴う小ギャップ化は，X 線が得られ，従来のウィグラーや偏向電磁石からの放1990 年代はじめ高エネ研で開発された真空封止アンジュ射光に比べはるかに有用であることを証明した2,3)。

レータによって大きく進んだ4)。従来真空チャンバーの外短周期アンジュレータ開発において最も重要な点は，いに置かれていた磁石列を真空チャンバー内に入れることにかにして十分な磁場を発生させるかにある。プラナーアンより，チャンバーによる磁石ギャップの制限をなくし，原ジュレータ光の波長（l）はよく知られている理的に電子ビームサイズまでギャップを小さくできるようにしたためである。真空封止アンジュレータは，SPring-8

l＝lu
2 n g22(1＋K2 )K93.4Bu(T )lu(m)(1)(2)の標準的な光源として周期長 24 ～ 32 mm のものが 20 台以上用いられている他，中小規模放射光施設においても数多く稼働または導入が計画されている1,58)。
真空封止アンジュレータの技術は既に確立されたものとという式で与えられる（ここで lu はアンジュレータ周期なっているが，更に短周期化を推し進めるためには磁石性

長，g は電子ビームエネルギーを電子静止エネルギーで割能の向上が不可欠である。例えば短周期という点では，周ったもの， n は高次光次数， Bu はアンジュレータピーク

期長11 mm の真空封止アンジュレータが Brookhaven Na-

磁場， K は偏向定数とよばれるアンジュレータ磁場を表

tional Laboratory の NSLS に設置されたが，ギャップをすパラメータ）。放射光の重要な特性である波長可変性

3.3 mm まで閉めても前述の K は最大 0.7 程度に限られて356 ● 放射光 Nov. 2005 Vol.18 No.6
(C) 2005 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

トピックス ■ クライオアンジュレータの開発いる7)。磁石性能向上のための有望な技術の一つは超伝導
アンジ ュレー タであ り，古 くから R & D が行わ れている9,10)。超伝導技術や材料の進歩はめざましく，超伝導コイルを用いたウィグラーは既に実用化されているが，超伝導アンジュレータとなるとその実用機はいまだに実現されていない。その理由は，蓄積リングに設置した時の放射光や電子ビームによる入熱に対し，充分な冷却能力を得ることが難しいためである。超伝導ウィグラーと異なり，短周期超伝導アンジュレータでは必然的に 3 ～5 mm 程度の小ギャップを要求されるため，超伝導磁石の間近を通過する電子ビームのイメージカレントによるジュール発熱や，上流の偏向電磁石放射光による入熱が大きくなり，アンジュ
レータ 1 m 当たり通常数10 W に達する。一方，超伝導アンジュレータコイルには NbTi や Nb3Sn が使用されているため，液体ヘリウム温度付近まで冷却しなければならな
いが，この温度領域では小型冷凍機の冷却能力はせいぜいFig. 1

Coercivity (iHc) and remanent ˆeld (Br) of commerciallyavailable NdFeB and PrFeB magnets. The material codes arethose of NdFeB magnets, except 53CR (PrFeB magnet),from NEOMAX Co. Ltd.

2～3 W に限られる。もし入熱を減らすために電子ビームと超伝導磁石の間に断熱層を設けると，その分磁石間ギャップが大きくなり磁場が低下してしまう。また仮に冷却である5)。

きたとしても，冷却能力に充分な余裕がないと，電子ビー

ところで，NdFeB 磁石の Br と iHc は室温付近で負の温ム軌道の変化やピーク電流の増加などにより入熱量が増え度係数をもつことはよく知られている。即ち，これまで室た時，クエンチという超伝導磁石特有の不安材料を抱える温ではアンジュレータに使用できなかった高 Br 磁石も，ことになる。
我々は，このような超伝導電磁石による磁場性能の向上とは全く別の新しいアプローチから，短周期アンジュレー

低温では充分な大きさの iHc をもつようになり，かつそのBr も室温に比べ増大することが期待できる。これがクライオアンジュレータのコンセプトである。

タの開発を進めている11,12)。現在最も磁場性能に優れた永実際に NdFeB 磁石の低温における Br と iHc を測定した

久磁石である NdFeB 磁石は，既に広くアンジュレータに結果を， Fig. 2 と 3 に示す。図中の 35EH （ NEOMAX 社使用されているが，これを150 K 程度に冷却すると更にそ製 NdFeB 磁石）は，現在真空封止アンジュレータに用いの性能を向上させることができる。本稿では，このクライている磁石である。一方 50BH （ NEOMAX 社製 NdFeB

オアンジュレータの開発の現状について述べる。

磁石）は， Br が高いものの室温では保磁力が小さすぎ，放射線減磁やベーキング時の熱減磁が起きる可能性がある

2. 低温下における NdFeB 磁石の特性ことから，アンジュレータには使用できなかった磁石である。Fig. 2 の磁石温度に対する Br の変化を見ると，予想通永久磁石の磁場性能を表す 2 つの重要なパラメータり温度低下とともに Br は増加し，150 K 前後で Br が最大が，残留磁束密度（ Br ）と保磁力（iHc）である。Br は磁になる。 NdFeB 磁石の場合，更に温度を下げると磁化容石 M H カーブの y 切片に対応し磁石が発生できる磁場の易方向が c 軸に対して傾きはじめるため Br が減少する

大きさを， x 切片に対応する保磁力（i Hc ）は磁石の安定（スピン再配列）。この Br の変化は，着磁温度以下では温性即ち減磁のしにくさを表す。現在市販されている度に対して可逆変化であり再現性がある。一方 iHc は，NdFeB 磁石には様々な種類のものがあるが，Br と iHc のFig. 3 に示すように温度低下に対しほぼ単調増加している両方を最大化することはできず，Fig. 1 に示すように Br とことがわかる。現在真空封止アンジュレータに用いられてiH c は互いに反比例のような関係にある。アンジュレータいる代表的な磁石である 35EH の室温での iHc が約 2000の磁場性能からすれば，最も Br の大きな磁石を選択したkA / m 程度であるのに対し， 150 K 付近の 50BH の iHc はいところだが，iHc が小さいと電子ビームによる放射線減3000 kA /m に達しており，低温ではこの高 Br 磁石が充分磁が起きやすくなるため，例えば Fig. 1 の50 BH のような安定にアンジュレータに使用できることが期待できる。ま磁石をアンジュレータに使用することはできない13) 。また150 K 程度まで冷却すると，磁石からのガス放出は格段た真空封止アンジュレータの場合，その磁石は，蓄積リンに減少するため，クライオアンジュレータの磁石はベーキグの超高真空に対応させるためのエージングやベーキングングなしで超高真空に対応させることができる。

時に高温にさらされるため，ある程度 Br を犠牲にしてもFig. 2 と 3 中の 53CR （ NEOMAX 社製）は， Nd の代わ

iH c が大きい磁石（Fig. 1 の 35EH など）を採用する必要がりに Pr を用いた PrFeB 磁石の温度特性である。室温に放射光 Nov. 2005 Vol.18 No.6 ● 357

おける PrFeB 磁石の磁場性能は，NdFeB 磁石に及ばない
ため現在あまり普及していないが，PrFeB 磁石は NdFeB
磁石のようなスピン再配列がおきず，液体ヘリウム温度まで Br が温度低下とともに上昇することが確認されている14)。この PrFeB 磁石は，液体窒素温度付近で超伝導となるバルク高温超伝導体と組み合わせて使用する場合，非常に魅力的な磁石材料であり，新しいタイプの超伝導アンジュレータを実現可能にする15) 。従来の超伝導アンジュレータが液体ヘリウム温度付近で動作するのに対し，バルク高温超伝導体アンジュレータは液体窒素温度付近で動作できるため，現在の小型冷凍機で充分な冷却能力が得られる。またループ状バルク超伝導体に流れる永久電流を利用すれば，超伝導コイルの電源が不要になる。このバルク高Fig. 2

Measured temperature dependence of remanent ˆelds (Br)of NdFeB (50BH and 35EH ) and PrFeB (53CR) magnets.
The material codes are those of NEOMAX Co. Ltd.

温超伝導体アンジュレータは，クライオアンジュレータの次世代アンジュレータとして SPring-8 で開発が進められている15)。

3. クライオアンジュレータテスト機
真空封止アンジュレータの磁石列は，既に真空中でほぼ断熱された状態にあるため，クライオアンジュレータは真空封止アンジュレータのデザインに若干の変更を加えるだ
け で 実 現 で き る11,12) 。 SPring-8 で は ク ラ イ オ ア ン ジ ュレータの実証試験を行うため， SPring-8 真空封止アンジ
ュレータと同じ 1.5 m 長架台と真空チャンバーに，高 Br磁石である50BH を使用した周期長15 mm ，長さ60 cm の磁石列を組み込んだテスト機を開発した。Fig. 4 にクライオアンジュレータテスト機の構造と写真を示す。真空封止アンジュレータと異なるのは，側面に磁石列冷却のための小型冷凍機（クライオクーラー）を取り付け，磁石列を支Fig. 3

Measured temperature dependence of coercivity (iHc) of
NdFeB (50BH and 35EH) PrFeB (53CR) magnets. The
material codes are those of NEOMAX Co. Ltd.

Fig. 4持するシャフトを中空構造にして内部に断熱材を入れた点だけである。クライオクーラーのヘッドはギャップ駆動にPrototype cryogenic permanent magnet undulator developed at SPring-8, (left) schematic design and (right) picture of the prototype device. The magnet arrays are a pure magnet Halbach type and 0.6 m long. Its periodic
length is 15 mm and 50BH NdFeB magnets are used.

358 ● 放射光 Nov. 2005 Vol.18 No.6

トピックス ■ クライオアンジュレータの開発

Fig. 5

Measured peak magnetic ˆelds of the prototype cryogenic
permanent magnet undulator as a function of the magnet
temperature. Peak ˆelds are plotted for each undulator pole.

Fig. 6

Phase errors of the measured magnetic ˆelds in Fig. 5.

追従させるため，フレキシブルな蛇腹銅板を介して銅製磁石列ビームに熱接触させている。使用したクライオクー
ラーは，液体窒素温度付近において 1 台で約 100 W の冷却能力をもち，テスト機の構成では 90 K 以下まで磁石列を冷やすことができる。磁石列の温度制御はクライオクー
ラーだけでは難しいため，磁石ビームにシースヒータを取り付け，ヒーター出力を調整することにより温度制御を行っている。
テスト機の低温磁場測定は，真空断熱したチャンバー内で行う必要があるため，1 mm 厚のホールプローブを，長い棒の先に取り付けベローズを介して真空中に挿入し，ビーム軸方向にスキャンさせて行った。ギャップ中心での各アンジュレータ周期のピーク磁場分布を Fig. 5 に示す。
磁場調整は一切行っていない。磁石列支持シャフトや磁石Fig. 7

Average peak ˆelds of the prototype cryogenic undulator.
The red markers are measured undulator ˆelds and the blueline shows the expected ˆelds calculated from the results ofFig. 2. The black dot is the peak ˆeld of a conventional room
temperature in-vacuum undulator.

ビームの熱収縮によりギャップが温度によって変化するため，磁石ギャップは静電容量型変位計で直接測定し，常にギャップが 4 mm になるように調整しながら各温度で測定る16) 。クライオアンジュレータの場合，室温での磁石入を行った。この測定では，長さ約 1 m の棒の先にホールれ替えと低温での磁場測定を繰り返す必要があるが，一回プローブを取り付けているため，プローブの位置精度があの温度の上げ下げに一日程度を要してしまうため，温度にまりよくないが，Fig. 5 からわかるように，温度による磁よる誤差磁場の変化は磁場調整作業上の大きな課題であっ場分布の形は平均磁場を除いてほとんど変化していない。

た。しかし Fig. 5 と 6 を見る限り，誤差磁場の温度変化はFig. 5 の測定結果から計算した，フェーズエラーとよば少なく，室温で磁場調整を行えば低温における誤差磁場もれる磁場の位相誤差をプロットしたものを Fig. 6 に示す。

減少し，調整と測定のための温度サイクルの繰り返しは数フェーズエラーは高次光輝度に対する重要なパラメータ回で済むことが期待できる。

で，フェーズエラーが大きいとアンジュレータ高次光輝度

Fig. 7 は，実際に測定したテスト機の平均ピーク磁場のは著しく低下する。例えば電子ビームエネルギーが 2.4温度変化と，Fig. 2 で得られた磁石単体の Br データから計GeV の SLS の場合， 7 ～ 13 次光を使用するためフェーズ算した予想平均磁場を比較したものである。 Fig. 7 青線の程度に抑えている1)。真空封止アンジュレータ
エラーを 2°

計算は簡単な磁場の線形重ね合わせで行ったため，アンジは，磁石列間近を電子ビームが通過することから磁極面をュレータ磁石列に組んだ時のパーミアンスの効果で，実際平坦にしておく必要がある。このため磁場調整には，鉄片のアンジュレータ磁場の方が小さくなっているが，ほぼ予等の磁性体シムを磁極に貼り付けるような方法は採用でき想した通りの磁場の増大が確認された。 Fig. 7 中に黒点でず，主に個々の磁石の入れ替えによる調整方法を用いてい示した通常の室温真空封止アンジュレータ磁場に比べ，ク放射光 Nov. 2005 Vol.18 No.6 ● 359

ライオアンジュレータの磁場は150 K 付近で約 3 割増加しくできるかは，磁石の磁場性能とともにアンジュレータギていることがわかる。

ャップをどこまで閉められるかに依存する。真空封止アンジュレータの場合，最小ギャップは，磁石に電子ビームが4. クライオアンジュレータの性能当たるまで，即ち加速器固有の電子ビームエミッタンスとビーム収束系のベータ関数によって決まる電子ビームサイクライオアンジュレータを含め真空封止アンジュレータ

ズに左右される。逆に言うと，同一の磁場を得るためにどは，磁石間近を電子ビームが通過するため，磁石の耐放射こまでギャップを閉めなければならないかという条件は，線特性が非常に重要である。特に短周期真空封止アンジュ磁石の磁場性能が高いほど緩和され，ギャップが広いほどレータの場合，小さなギャップで運転するため，ガウス分より多くの加速器において短周期アンジュレータの導入が布をした電子ビームの裾野が磁石に当たった時に，磁石が可能であることを意味する。ここでは超伝導アンジュレー減磁しないことが求められる。 NdFeB 磁石の耐放射線特タの例として，現時点で最も進んでいる ACCEL 社が開性は，磁石材料の iHc が大きいほど優れていることが知ら発したアンジュレータを取り上げる17) 。 Table 1 は， AC-

れている13)。既に Fig. 3 に示したように，クライオアンジ

CEL 超伝導アンジュレータのパラメータを元に，周期長ュレータ磁石の iHc は室温時の値に比べ 3 倍以上になって14 mm のアンジュレータにおいて， K ＝ 1.8 を達成するたいるため，耐放射線特性の向上が期待できる。Fig. 8 は，めに必要な磁石ギャップ値を示している。超伝導アンジュ

実際に 50BH 磁石に 2 GeV の電子ビームを照射し，室温レータのギャップが 5 mm であるのに対し，従来の室温真と低温（ 145 K ）における減磁特性を測定したものであ

空封止アンジュレータでは1.9 mm までギャップを閉めなる13) 。測定の結果は期待通り，クライオアンジュレータ

ければ K ＝ 1.8 が得られない。一方クライオアンジュレーが優れた耐放射線特性を有していることを示している。

タでは，磁石列を永久磁石のみで構成したピュア型の場

さて最後に，クライオアンジュレータと超伝導アンジュ合，ギャップ3.2 mm で K＝1.8が得られる。さらに磁性体レータを比較してみる。アンジュレータ周期をどこまで短を用いたハイブリッド型を採用し， Fig. 9 のようなサイド磁石列をもった磁石列構成にすると，ギャップ条件は 4mm まで緩和される。

Table 1 で示したように，単純に比較するとクライオア

Fig. 8

Table 1

Magnetic ˆeld change of 50BH NdFeB magnet as a functionof electron beam dose measured at the temperatures of 300 Kand 145 K13). The electron beam energy is 2 GeV.

Fig. 9Magnet conˆguration of the cryogenic hybrid undulator
used for the estimation in Table 1.

Comparison of the magnetic gaps between the superconductive undulator17), room temperature in-vacuum undulator and cryogenicundulators under the conditions of K＝1.8 and 14 mm undulator period.
ACCEL
superconductiveundulator17)

R.T. in-vacuumundulator(Br＝1.19 T)

K parameter
Magnetic gap (mm)Cryogenic puremagnet undulator(Br＝1.58 T)

Cryogenic hybrid undulator(Fig. 9 with u＝20°)(Br＝1.58 T)

1.8
5

360 ● 放射光 Nov. 2005 Vol.18 No.6

1.9

3.2

4.0

トピックス ■ クライオアンジュレータの開発

ンジュレータの磁場性能は超伝導アンジュレータに及ばない。しかしながら，超伝導アンジュレータの動作温度であ5)る液体ヘリウム温度付近では冷凍機の冷却能力が小さく，

6)クエンチを防ぐために熱絶縁層を電子ビームと磁石の間に設けると，その実効的な磁場性能は大きく下がってしまう。 Table 1 のクライオアンジュレータのギャップは，そのまま電子ビームに対する物理的な開口となっているのに7)

対し，この熱絶縁層の厚さが上下磁石列で 1 mm を超えると，超伝導アンジュレータはその優位性を失ってしまう。

8)超伝導アンジュレータは，将来的に見て短周期アンジュレータの有望な候補ではあるが，現時点では技術的に解決しなければならない問題が多い。一方クライオアンジュ

9)

レータは，技術的に困難な問題はなく，その実現可能性において超伝導アンジュレータよりも優れている。

10)
11)

5. まとめ
最近世界各地で稼働または建設計画が進んでいる中規模

12)

第 3 世代放射光施設にとって，短周期アンジュレータは高輝度 X 線が得られるという点で魅力的な光源である。

13)

また LINAC ベースの X 線 FEL 施設においても，アンジュレータ周期長が短くなれば電子ビームエネルギーを下げることができ，施設全体をコンパクト化できるため，建設コストを削減することができる18,19)。

14)
15)

クライオアンジュレータは，超伝導アンジュレータとは全く別のアプローチからアンジュレータを短周期化できる

16)技術であり，技術的に確立された真空封止アンジュレータ

17)に若干の修正を加えるだけで実現できる。また，動作温度が高いため電子ビーム等からの入熱に対し十分な冷却能力を有し，原理的にクエンチの心配もない。さらに磁場調整においても，従来の永久磁石アンジュレータで確立された18)手法がそのまま適用できる利点がある。

SPring-8 ではクライオアンジュレータのテスト機を製19)

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作し，その磁場性能を実証した。今後は，実際に蓄積リングへの設置を目指した実用機の開発を進めていく予定である。クライオアンジュレータは，蓄積リングベースの放射光施設だけでなく， ERL や X 線 FEL 用アンジュレータとしても将来有望な光源である。

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4) S. Yamamoto, T. Shioya, M. Hara, H. Kitamura, X. W.
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● 著者紹介 ●原徹

独立行政法人理化学研究所
北村 X 線超放射研究室 先任研究員
E-mail: toru＠spring-8.or.jp
専門挿入光源［略歴］
パリ第 11 大学博士課程修了後， 1995 年
9 月理化学研究所入所。SPring-8 挿入光源の開発に従事し，最近は X 線自由電子レーザーの建設に参加，現在に至る。

放射光 Nov. 2005 Vol.18 No.6 ● 361

Development of cryogenic permanent magnetundulator
Toru HARA1,
Takashi TANAKA1, Katsutoshi SHIRASAWA1,Teruhiko BIZEN2, Takamitsu SEIKE2, Xavier MARECHAL2,Hideo KITAMURA1
Rieko TSURU3, Daisuke IWAKI3,
1RIKEN, Harima Institute/SPring-8 1
11 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo-ken, 6795148, Japan
2Japan Synchrotron Radiation Research Institute/SPring-8111 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo-ken, 6795148, Japan
3University of Hyogo 3
21, Kamigori-cho, Ako-gun, Hyogo-ken, 6781297, Japan

Abstract A short period undulator increases not only the photon energy of undulator radiation, but also thebrilliance due to its increased number of undulator periods. As a result, brilliant undulator radiation becomes
available in the photon energy range, which is currently covered by wigglers. In order to develop a short period
undulator, high performance magnets are indispensable and superconductive undulators have been actively
investigated in recent years. In this paper, however, we propose a new approach, so called a cryogenic permanent magnet undulator using NdFeB magnets at the temperatures around 150 K. The current status of thiscryogenic permanent magnet undulator development at SPring-8 is presented including the results of the magnetic ˆeld measurements on a prototype undulator.

362 ● 放射光 Nov. 2005 Vol.18 No.6