JP3157707B2 - 四極電磁石 - Google Patents
四極電磁石Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームの
集束作用を有する四極電磁石に関する。
集束作用を有する四極電磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１（Ａ）は、四極電磁石の荷電粒子ビ
ーム軌道に垂直な平面における断面図を示す。なお、図
１（Ａ）は、本発明の実施例の説明においても参照され
る。
ーム軌道に垂直な平面における断面図を示す。なお、図
１（Ａ）は、本発明の実施例の説明においても参照され
る。
【０００３】四極電磁石は、荷電粒子ビーム軌道の回り
に磁極面が軌道に対向するように配置された４つの磁極
１Ａ〜１Ｄを含んで構成される。４つの磁極１Ａ〜１Ｄ
は、軌道の回りに４回回転対称になるように配置され、
各磁極は軌道を含んで相互に直交する仮想中心平面Ｃ
Ｅ、ＣＥ’に関して面対称である。また、軌道方向に関
して有限の長さを有し、軌道方向の両端面は軌道に対し
て垂直な平面で構成される。
に磁極面が軌道に対向するように配置された４つの磁極
１Ａ〜１Ｄを含んで構成される。４つの磁極１Ａ〜１Ｄ
は、軌道の回りに４回回転対称になるように配置され、
各磁極は軌道を含んで相互に直交する仮想中心平面Ｃ
Ｅ、ＣＥ’に関して面対称である。また、軌道方向に関
して有限の長さを有し、軌道方向の両端面は軌道に対し
て垂直な平面で構成される。
【０００４】荷電粒子ビーム軌道に対向する磁極面は、
軌道に垂直な平面への垂直投影像が、この平面と軌道と
の交点で相互に直交する２本の直線（ｘ軸及びｙ軸）を
漸近線とする２対の相互共役な双曲線になる双曲柱面と
されている。なお、円柱面で近似される場合もある。相
互に隣接する磁極面が相互に逆極性になるように励磁さ
れる。
軌道に垂直な平面への垂直投影像が、この平面と軌道と
の交点で相互に直交する２本の直線（ｘ軸及びｙ軸）を
漸近線とする２対の相互共役な双曲線になる双曲柱面と
されている。なお、円柱面で近似される場合もある。相
互に隣接する磁極面が相互に逆極性になるように励磁さ
れる。
【０００５】磁極面のｘｙ面内における長さは有限であ
るため、荷電粒子ビーム軌道から遠ざかると磁束分布が
乱れ、理想的な分布からずれる。このずれを補正するた
めに、磁極面のｘｙ面内の長さ方向の端部に小さな突起
を設けている。なお、この突起は磁極の大きさに比べて
小さいため、図１（Ａ）では明示的に示されていない。
るため、荷電粒子ビーム軌道から遠ざかると磁束分布が
乱れ、理想的な分布からずれる。このずれを補正するた
めに、磁極面のｘｙ面内の長さ方向の端部に小さな突起
を設けている。なお、この突起は磁極の大きさに比べて
小さいため、図１（Ａ）では明示的に示されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】実際の四極電磁石にお
いては、上述のように、荷電粒子ビーム軌道から遠い位
置における理想的な磁場分布からのずれを補正してい
る。
いては、上述のように、荷電粒子ビーム軌道から遠い位
置における理想的な磁場分布からのずれを補正してい
る。
【０００７】しかし、磁極面は、荷電粒子ビーム軌道方
向に関しても有限の長さを有するため、その端部で磁場
分布が乱れる。この磁場分布の乱れにより、荷電粒子ビ
ームの理想的な集束、発散を行うことが困難になる。
向に関しても有限の長さを有するため、その端部で磁場
分布が乱れる。この磁場分布の乱れにより、荷電粒子ビ
ームの理想的な集束、発散を行うことが困難になる。
【０００８】本発明の目的は、四極電磁石の荷電粒子ビ
ーム軌道方向に関する端部近傍の磁場分布の乱れを低減
し、安定なビーム集束、発散を行うことができる四極電
磁石を提供することである。
ーム軌道方向に関する端部近傍の磁場分布の乱れを低減
し、安定なビーム集束、発散を行うことができる四極電
磁石を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、荷電粒子ビームの軌道を含み、相互に直交する２つ
の仮想中心平面を考えたとき、前記軌道に関して４回回
転対称となるように配置された４つの磁極であって、相
互に対向する一対の磁極が１つの仮想中心平面に対応
し、他の一対の磁極が他の仮想中心平面に対応し、各磁
極は、対応する仮想中心平面に関して面対称な形状を有
し、少なくとも前記荷電粒子ビームの入射側及び出射側
に前記軌道に対してほぼ垂直な平面からなる２つの端面
と、前記軌道に対向し前記軌道に平行な柱面からなる磁
極面と、前記２つの端面のうち少なくとも一方の端面と
前記磁極面とを接続し前記軌道側を向くように傾斜した
傾斜面を有し、該傾斜面は、対応する前記仮想中心平面
に対して平行な平面と前記傾斜面との交線の長さが前記
仮想中心平面から離れるに従って短くなるように構成さ
れており、各磁極は、さらに、磁極の各々の磁極面と側
面との接続部分に、当該磁極に隣接する磁極に向かって
突出した突起部を有する前記４つの磁極と、前記４つの
磁極の前記磁極面とは反対側の他の磁極面同士を接続す
るヨークと、前記４つの磁極に対応して設けられ、相互
に隣接する磁極の前記磁極面が相互に異なる極性になる
ように起磁力を発生する４つのコイルとを有する四極電
磁石が提供される。
と、荷電粒子ビームの軌道を含み、相互に直交する２つ
の仮想中心平面を考えたとき、前記軌道に関して４回回
転対称となるように配置された４つの磁極であって、相
互に対向する一対の磁極が１つの仮想中心平面に対応
し、他の一対の磁極が他の仮想中心平面に対応し、各磁
極は、対応する仮想中心平面に関して面対称な形状を有
し、少なくとも前記荷電粒子ビームの入射側及び出射側
に前記軌道に対してほぼ垂直な平面からなる２つの端面
と、前記軌道に対向し前記軌道に平行な柱面からなる磁
極面と、前記２つの端面のうち少なくとも一方の端面と
前記磁極面とを接続し前記軌道側を向くように傾斜した
傾斜面を有し、該傾斜面は、対応する前記仮想中心平面
に対して平行な平面と前記傾斜面との交線の長さが前記
仮想中心平面から離れるに従って短くなるように構成さ
れており、各磁極は、さらに、磁極の各々の磁極面と側
面との接続部分に、当該磁極に隣接する磁極に向かって
突出した突起部を有する前記４つの磁極と、前記４つの
磁極の前記磁極面とは反対側の他の磁極面同士を接続す
るヨークと、前記４つの磁極に対応して設けられ、相互
に隣接する磁極の前記磁極面が相互に異なる極性になる
ように起磁力を発生する４つのコイルとを有する四極電
磁石が提供される。
【００１０】磁極面と端面とを接続する傾斜面を設ける
ことにより、端面近傍の磁場の乱れを低減することがで
きる。これにより、荷電粒子ビームに対して理想的な偏
向角に近い偏向角を付与することができる。突起部を設
けることにより、荷電粒子ビーム軌道に垂直な平面内に
おける四極磁場の周辺部の磁場の乱れを低減することが
できる。
ことにより、端面近傍の磁場の乱れを低減することがで
きる。これにより、荷電粒子ビームに対して理想的な偏
向角に近い偏向角を付与することができる。突起部を設
けることにより、荷電粒子ビーム軌道に垂直な平面内に
おける四極磁場の周辺部の磁場の乱れを低減することが
できる。
【００１１】本発明の他の観点によると、前記傾斜面
が、前記仮想中心平面に対して垂直かつ前記軌道と法線
方向とのなす角が１５〜３０度となる仮想傾斜平面に沿
う四極電磁石が提供される。
が、前記仮想中心平面に対して垂直かつ前記軌道と法線
方向とのなす角が１５〜３０度となる仮想傾斜平面に沿
う四極電磁石が提供される。
【００１２】傾斜面の法線方向と軌道とのなす角を１５
〜３０度とすると、荷電粒子ビームの偏向角をより理想
的な偏向角に近づけることができる。本発明の他の観点
によると、前記傾斜面の前記仮想中心平面への垂直投影
像が、ロゴスキー形状となる四極電磁石が提供される。
〜３０度とすると、荷電粒子ビームの偏向角をより理想
的な偏向角に近づけることができる。本発明の他の観点
によると、前記傾斜面の前記仮想中心平面への垂直投影
像が、ロゴスキー形状となる四極電磁石が提供される。
【００１３】本発明の他の観点によると、前記傾斜面を
前記仮想中心平面へ垂直投影したロゴスキー形状と前記
一方の端面の延長を前記仮想中心平面へ垂直投影した直
線とのなす角が、２０〜２７度となる四極電磁石が提供
される。
前記仮想中心平面へ垂直投影したロゴスキー形状と前記
一方の端面の延長を前記仮想中心平面へ垂直投影した直
線とのなす角が、２０〜２７度となる四極電磁石が提供
される。
【００１４】上記角度を２０〜２７度とすると、荷電粒
子ビームの偏向角をより理想的な偏向角に近づけること
ができる。本発明の他の観点によると、前記傾斜面が、
階段状形状である四極電磁石が提供される。
子ビームの偏向角をより理想的な偏向角に近づけること
ができる。本発明の他の観点によると、前記傾斜面が、
階段状形状である四極電磁石が提供される。
【００１５】本発明の他の観点によると、前記磁極が、
さらに、前記２つの端面を前記仮想中心平面の両側でそ
れぞれ相互に接続し、前記仮想中心平面に平行な平面か
らなる２つの側面を有し、前記一方の端面と前記磁極面
とは直接接続されず、前記傾斜面及び前記側面を介して
のみ接続される四極電磁石が提供される。
さらに、前記２つの端面を前記仮想中心平面の両側でそ
れぞれ相互に接続し、前記仮想中心平面に平行な平面か
らなる２つの側面を有し、前記一方の端面と前記磁極面
とは直接接続されず、前記傾斜面及び前記側面を介して
のみ接続される四極電磁石が提供される。
【００１６】磁極面と端面との接続部全体に傾斜面が形
成されているため、有効な四極磁場の全範囲にわたって
磁場の乱れを低減することができる。
成されているため、有効な四極磁場の全範囲にわたって
磁場の乱れを低減することができる。
【００１７】
【００１８】
【発明の実施の形態】図１（Ａ）は、本発明の実施例に
よる四極電磁石の荷電粒子ビームに垂直な平面における
断面図を示す。実施例による四極電磁石は、荷電粒子ビ
ーム軌道の回りに磁極面が軌道に対向するように配置さ
れた４つの磁極１Ａ〜１Ｄ、各磁極１Ａ〜１Ｄにそれぞ
れ起磁力を発生するためのコイル３Ａ〜３Ｄ、及び４つ
の磁極の磁極面とは反対側の面同士を接続するヨーク２
を含んで構成される。
よる四極電磁石の荷電粒子ビームに垂直な平面における
断面図を示す。実施例による四極電磁石は、荷電粒子ビ
ーム軌道の回りに磁極面が軌道に対向するように配置さ
れた４つの磁極１Ａ〜１Ｄ、各磁極１Ａ〜１Ｄにそれぞ
れ起磁力を発生するためのコイル３Ａ〜３Ｄ、及び４つ
の磁極の磁極面とは反対側の面同士を接続するヨーク２
を含んで構成される。
【００１９】４つの磁極１Ａ〜１Ｄは、軌道の回りに４
回回転対称になるように配置され、各磁極は軌道を含ん
で相互に直交する仮想中心平面ＣＥとＣＥ’のいずれか
一方に関して面対称である。また、軌道方向に関して有
限の長さを有し、軌道方向の両端面は軌道に対して垂直
な平面で構成される。
回回転対称になるように配置され、各磁極は軌道を含ん
で相互に直交する仮想中心平面ＣＥとＣＥ’のいずれか
一方に関して面対称である。また、軌道方向に関して有
限の長さを有し、軌道方向の両端面は軌道に対して垂直
な平面で構成される。
【００２０】荷電粒子ビーム軌道に対向する磁極面は、
軌道に垂直な平面への垂直投影像が、この平面と軌道と
の交点で相互に直交する２本の直線を漸近線とする２対
の相互共役な双曲線になる双曲柱面とされている。磁極
面は、円柱面で近似される場合もある。コイル３Ａ〜３
Ｄにより、相互に隣接する磁極面が相互に逆極性になる
ように励磁される。
軌道に垂直な平面への垂直投影像が、この平面と軌道と
の交点で相互に直交する２本の直線を漸近線とする２対
の相互共役な双曲線になる双曲柱面とされている。磁極
面は、円柱面で近似される場合もある。コイル３Ａ〜３
Ｄにより、相互に隣接する磁極面が相互に逆極性になる
ように励磁される。
【００２１】２本の漸近線をそれぞれｘ軸及びｙ軸、紙
面の裏面から表面に向かう軸をｚ軸とする座標系を考え
る。ｚ軸が理想的な荷電粒子ビームの軌道に相当する。
荷電粒子ビーム軌道近傍のｘ軸方向の理想的な磁束密度
Ｂx 及びｙ軸方向の理想的な磁束密度Ｂy は、それぞれ
面の裏面から表面に向かう軸をｚ軸とする座標系を考え
る。ｚ軸が理想的な荷電粒子ビームの軌道に相当する。
荷電粒子ビーム軌道近傍のｘ軸方向の理想的な磁束密度
Ｂx 及びｙ軸方向の理想的な磁束密度Ｂy は、それぞれ
【００２２】
【数１】 Ｂx ＝ｋｙ …（１Ａ） Ｂy ＝ｋｘ …（１Ｂ） と表される。ここで、ｋは比例定数である。
【００２３】磁極面のｘｙ面内における長さは有限であ
るため、荷電粒子ビーム軌道から遠ざかると磁束分布が
乱れ、磁束密度Ｂx 、Ｂy は式（１Ａ）、（１Ｂ）で表
される理想的な分布からずれる。このずれを補正するた
めに、磁極面のｘｙ面内の長さ方向の端部に、隣接する
磁極面に向かって突出した突起部が設けられている。な
お、突起部は磁極の大きさに比べて小さいため、図１
（Ａ）では明示的に示されていない。
るため、荷電粒子ビーム軌道から遠ざかると磁束分布が
乱れ、磁束密度Ｂx 、Ｂy は式（１Ａ）、（１Ｂ）で表
される理想的な分布からずれる。このずれを補正するた
めに、磁極面のｘｙ面内の長さ方向の端部に、隣接する
磁極面に向かって突出した突起部が設けられている。な
お、突起部は磁極の大きさに比べて小さいため、図１
（Ａ）では明示的に示されていない。
【００２４】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１
−Ｂ１における断面図を示す。磁極１Ａは、荷電粒子ビ
ームの入射側及び出射側に、ｚ軸に垂直な平面からなる
２つの端面１１Ａを有し、荷電粒子ビームに対向する双
曲柱面からなる磁極面１２Ａ、及び２つの端面１１Ａと
磁極面１２Ａとをそれぞれ接続する２つの傾斜面１３Ａ
を有する。傾斜面１３Ａは、磁極１Ａの仮想中心平面
（図１（Ｂ）においては紙面に相当）に垂直であり、か
つ荷電粒子ビーム軌道側を向くように傾斜している。傾
斜面１３Ａと端面１１Ａの延長とのなす角、すなわち傾
斜面１３Ａの法線方向と荷電粒子ビーム軌道とのなす角
をθ、傾斜面１３Ａと端面１１Ａとの交線と荷電粒子ビ
ーム軌道との最短距離をＨとする。
−Ｂ１における断面図を示す。磁極１Ａは、荷電粒子ビ
ームの入射側及び出射側に、ｚ軸に垂直な平面からなる
２つの端面１１Ａを有し、荷電粒子ビームに対向する双
曲柱面からなる磁極面１２Ａ、及び２つの端面１１Ａと
磁極面１２Ａとをそれぞれ接続する２つの傾斜面１３Ａ
を有する。傾斜面１３Ａは、磁極１Ａの仮想中心平面
（図１（Ｂ）においては紙面に相当）に垂直であり、か
つ荷電粒子ビーム軌道側を向くように傾斜している。傾
斜面１３Ａと端面１１Ａの延長とのなす角、すなわち傾
斜面１３Ａの法線方向と荷電粒子ビーム軌道とのなす角
をθ、傾斜面１３Ａと端面１１Ａとの交線と荷電粒子ビ
ーム軌道との最短距離をＨとする。
【００２５】磁極１Ｃも同様に、２つの端面１１Ｃ、磁
極面１２Ｃ、及び２つの傾斜面１３Ｃを有する。図１
（Ｂ）には現れない他の２つの磁極１Ｂ及び１Ｄも同様
の構成である。
極面１２Ｃ、及び２つの傾斜面１３Ｃを有する。図１
（Ｂ）には現れない他の２つの磁極１Ｂ及び１Ｄも同様
の構成である。
【００２６】図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）の矢印Ｃ１方向
から見た磁極１Ａの正面図を示す。磁極１Ａは図中の一
点鎖線ＣＥで示す仮想中心平面に関して面対称である。
端面１１Ａと傾斜面１３Ａが直線１５で交わっている。
図１（Ｃ）に現れた一方の端面１１Ａと図に現れていな
い他方の端面１１Ａは、仮想中心平面ＣＥの両側で仮想
中心平面ＣＥに平行な平面からなる２つの側面１６Ａに
より接続されている。磁極面１２Ａと側面１６Ａとの接
続部には、上述の突起部１４Ａが形成されている。
から見た磁極１Ａの正面図を示す。磁極１Ａは図中の一
点鎖線ＣＥで示す仮想中心平面に関して面対称である。
端面１１Ａと傾斜面１３Ａが直線１５で交わっている。
図１（Ｃ）に現れた一方の端面１１Ａと図に現れていな
い他方の端面１１Ａは、仮想中心平面ＣＥの両側で仮想
中心平面ＣＥに平行な平面からなる２つの側面１６Ａに
より接続されている。磁極面１２Ａと側面１６Ａとの接
続部には、上述の突起部１４Ａが形成されている。
【００２７】次に、図１に示す四極電磁石の集束、発散
作用を説明する。四極電磁石によるｘｚ面内及びｙｚ面
内の偏向角Δθx 及びΔθy は、それぞれ
作用を説明する。四極電磁石によるｘｚ面内及びｙｚ面
内の偏向角Δθx 及びΔθy は、それぞれ
【００２８】
【数２】 Δθx ＝−（ｅ／ｐ）∫Ｂy ｄｚ …（２Ａ） Δθy ＝（ｅ／ｐ）∫Ｂx ｄｚ …（２Ｂ） と表される。ここで、ｅは荷電粒子の電荷量、ｐは荷電
粒子の運動量、積分は有効磁場範囲における積分を表
す。
粒子の運動量、積分は有効磁場範囲における積分を表
す。
【００２９】偏向角Δθx 及びΔθy がそれぞれ座標ｘ
及びｙに比例する場合に、理想的な集束、発散作用を実
現することができる。偏向角Δθx 及びΔθy がそれぞ
れ座標ｘ及びｙに比例するためには、式（２Ａ）及び
（２Ｂ）の∫Ｂy ｄｚ及び∫Ｂ x ｄｚがそれぞれｙ及び
ｘの一次関数になればよい。すなわち、
及びｙに比例する場合に、理想的な集束、発散作用を実
現することができる。偏向角Δθx 及びΔθy がそれぞ
れ座標ｘ及びｙに比例するためには、式（２Ａ）及び
（２Ｂ）の∫Ｂy ｄｚ及び∫Ｂ x ｄｚがそれぞれｙ及び
ｘの一次関数になればよい。すなわち、
【００３０】
【数３】 ∫（ｄＢx ／ｄｙ）ｄｚ＝Ｃ …（３Ａ） ∫（ｄＢy ／ｄｘ）ｄｚ＝Ｃ …（３Ｂ） となればよい。ここで、Ｃは定数である。
【００３１】図２は、座標ｘの各位置における式（３
Ｂ）の左辺の計算結果を示す。横軸は座標ｘを単位ｃｍ
で表し、縦軸は計算結果を単位Ｔ（テスラ）で表す。図
中の各折れ線は、図１（Ｂ）の角度θを０°、２０°、
２３°、３０°及び４５°とした場合の計算結果を示
す。なお、計算のための条件として、起磁力を１０，９
２０ＡＴ、図１（Ｂ）の高さＨを８．４ｃｍ、相互に対
向する磁極面の最小間隔を８．２ｃｍ、磁極の荷電粒子
ビーム軌道方向の幅を１７ｃｍとした。
Ｂ）の左辺の計算結果を示す。横軸は座標ｘを単位ｃｍ
で表し、縦軸は計算結果を単位Ｔ（テスラ）で表す。図
中の各折れ線は、図１（Ｂ）の角度θを０°、２０°、
２３°、３０°及び４５°とした場合の計算結果を示
す。なお、計算のための条件として、起磁力を１０，９
２０ＡＴ、図１（Ｂ）の高さＨを８．４ｃｍ、相互に対
向する磁極面の最小間隔を８．２ｃｍ、磁極の荷電粒子
ビーム軌道方向の幅を１７ｃｍとした。
【００３２】図２に示すように、角度θを０°とした従
来の磁極の場合には、座標ｘの増加とともに積分結果が
徐々に減少し、ｘが３．５ｃｍを超えると急激に減少す
る。これは、ｘが大きくなると荷電粒子ビームの偏向角
Δθx が理想的な偏向角よりも小さくなることを意味す
る。
来の磁極の場合には、座標ｘの増加とともに積分結果が
徐々に減少し、ｘが３．５ｃｍを超えると急激に減少す
る。これは、ｘが大きくなると荷電粒子ビームの偏向角
Δθx が理想的な偏向角よりも小さくなることを意味す
る。
【００３３】角度θを大きくすると、積分結果の変動が
少なくなる。角度θを２３°としたとき、ｘが０〜５ｃ
ｍの範囲で積分結果がほぼ一定になる。さらに角度θを
大きくすると、角度θが０°のときとは逆に、座標ｘの
増加とともに積分結果が増加するようになる。積分結果
を±１％以内に抑えるためには、角度θを１５〜３０°
の範囲とすることが好ましい。なお、より好ましくは、
角度θを２０〜２７°の範囲にする。
少なくなる。角度θを２３°としたとき、ｘが０〜５ｃ
ｍの範囲で積分結果がほぼ一定になる。さらに角度θを
大きくすると、角度θが０°のときとは逆に、座標ｘの
増加とともに積分結果が増加するようになる。積分結果
を±１％以内に抑えるためには、角度θを１５〜３０°
の範囲とすることが好ましい。なお、より好ましくは、
角度θを２０〜２７°の範囲にする。
【００３４】図３は、磁極の荷電粒子ビーム軌道方向の
幅を１７ｃｍ、角度θを２３°としたときの、磁束密度
Ｂy のｚ軸方向の分布を、座標ｘが０、１、２、３、４
及び５ｃｍの場合について示す。横軸は座標ｚを単位ｃ
ｍで表し、縦軸は磁束密度Ｂ y を単位Ｔで表す。なお、
軌道方向の中心をｚ＝０とする。
幅を１７ｃｍ、角度θを２３°としたときの、磁束密度
Ｂy のｚ軸方向の分布を、座標ｘが０、１、２、３、４
及び５ｃｍの場合について示す。横軸は座標ｚを単位ｃ
ｍで表し、縦軸は磁束密度Ｂ y を単位Ｔで表す。なお、
軌道方向の中心をｚ＝０とする。
【００３５】ここで、実効磁極長Ｌを
【００３６】
【数４】Ｌ＝∫Ｂy （ｚ）ｄｚ／Ｂy （ｏ） と定義すると、ｘ＝１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、
及び５ｃｍのときの実効磁極長Ｌが、それぞれ１８．７
４ｃｍ、１８．７５ｃｍ、１８．７４ｃｍ、１８．７２
ｃｍ、及び１８．６９ｃｍであった。このように、磁極
の入射側及び出射側の端面の先端に傾斜面を設けること
により、実効磁極長Ｌを座標ｘにほとんど依存せず、ほ
ぼ一定にすることができる。
及び５ｃｍのときの実効磁極長Ｌが、それぞれ１８．７
４ｃｍ、１８．７５ｃｍ、１８．７４ｃｍ、１８．７２
ｃｍ、及び１８．６９ｃｍであった。このように、磁極
の入射側及び出射側の端面の先端に傾斜面を設けること
により、実効磁極長Ｌを座標ｘにほとんど依存せず、ほ
ぼ一定にすることができる。
【００３７】図４は、磁極１Ａの磁極面近傍を拡大した
＋ｚ方向からの正面図を示す。磁極面１２Ａが突起部１
４Ａを介して側面１６Ａに接続されている。磁極面１２
Ａと突起部１４Ａとの境界Ｐのｘ座標をｗ、ｙ座標をｈ
とする。座標ｘがほぼ−ｗからｗまでの範囲において有
効な四極磁場が発生する。
＋ｚ方向からの正面図を示す。磁極面１２Ａが突起部１
４Ａを介して側面１６Ａに接続されている。磁極面１２
Ａと突起部１４Ａとの境界Ｐのｘ座標をｗ、ｙ座標をｈ
とする。座標ｘがほぼ−ｗからｗまでの範囲において有
効な四極磁場が発生する。
【００３８】傾斜面１３Ａと端面１１Ａとの境界線が直
線１５ａで示すように境界Ｐよりも先端側に位置すると
き、すなわち磁極面１２Ａと端面１１Ａとが側面１６Ａ
側において直接接続される場合、この直接接続された領
域において磁場分布の補償効果が得られない。傾斜面１
３Ａと端面１１Ａとの境界線が直線１５ｂまたは１５ｃ
で示すように境界Ｐまたは境界Ｐよりも端面１１Ａ側を
通過するとき、−ｗ≦ｘ≦ｗの有効な四極磁場範囲の全
領域において磁場分布の補償効果を得ることができる。
線１５ａで示すように境界Ｐよりも先端側に位置すると
き、すなわち磁極面１２Ａと端面１１Ａとが側面１６Ａ
側において直接接続される場合、この直接接続された領
域において磁場分布の補償効果が得られない。傾斜面１
３Ａと端面１１Ａとの境界線が直線１５ｂまたは１５ｃ
で示すように境界Ｐまたは境界Ｐよりも端面１１Ａ側を
通過するとき、−ｗ≦ｘ≦ｗの有効な四極磁場範囲の全
領域において磁場分布の補償効果を得ることができる。
【００３９】直線１５ｂと仮想中心平面ＣＥとの交点を
Ｑとしたとき、線分ＯＱの長さＬ（ＯＱ）は、
Ｑとしたとき、線分ＯＱの長さＬ（ＯＱ）は、
【００４０】
【数５】 Ｌ（ＯＱ）＝（ｗ＋ｈ）／２1/2 …（４） となる。従って図１（Ｂ）に示す高さＨを、（ｗ＋ｈ）
／２1/2 以上にすることが好ましい。
／２1/2 以上にすることが好ましい。
【００４１】また、図１（Ｃ）及び図４では、傾斜面１
３Ａを平面とした場合を説明したが、必ずしも平面であ
る必要はない。例えば、傾斜面に沿った階段状形状の
面、ロゴスキー形状を有する面、その他適当な曲面とし
てもよい。
３Ａを平面とした場合を説明したが、必ずしも平面であ
る必要はない。例えば、傾斜面に沿った階段状形状の
面、ロゴスキー形状を有する面、その他適当な曲面とし
てもよい。
【００４２】傾斜面１３Ａを曲面で構成すると、傾斜面
１３Ａと端面１１Ａとの交線１５が一般に直線にならな
い。この場合、磁極面１２Ａの仮想中心平面ＣＥ近傍に
おける磁場の乱れの補償量を、側面１６Ａ近傍における
補償量よりも大きくすることが好ましいため、仮想中心
平面ＣＥに平行な平面と傾斜面１３Ａとの交線の長さ
が、仮想中心平面ＣＥから離れるに従って短くなるよう
に構成することが好ましい。
１３Ａと端面１１Ａとの交線１５が一般に直線にならな
い。この場合、磁極面１２Ａの仮想中心平面ＣＥ近傍に
おける磁場の乱れの補償量を、側面１６Ａ近傍における
補償量よりも大きくすることが好ましいため、仮想中心
平面ＣＥに平行な平面と傾斜面１３Ａとの交線の長さ
が、仮想中心平面ＣＥから離れるに従って短くなるよう
に構成することが好ましい。
【００４３】図５は、傾斜面をロゴスキー形状の面とし
た場合の磁極の断面図を示す。傾斜面１３Ａの仮想中心
平面（図５においては紙面に相当）への垂直投影像がロ
ゴスキー形状とされている。その他の構成は図１（Ｂ）
に示す四極電磁石と同様である。この場合、仮想中心平
面における断面内において、傾斜面１３Ａと端面１１Ａ
との交点における端面１１Ａの延長と傾斜面１３Ａの接
線方向とのなす角αを１５〜３０度とすることが好まし
い。
た場合の磁極の断面図を示す。傾斜面１３Ａの仮想中心
平面（図５においては紙面に相当）への垂直投影像がロ
ゴスキー形状とされている。その他の構成は図１（Ｂ）
に示す四極電磁石と同様である。この場合、仮想中心平
面における断面内において、傾斜面１３Ａと端面１１Ａ
との交点における端面１１Ａの延長と傾斜面１３Ａの接
線方向とのなす角αを１５〜３０度とすることが好まし
い。
【００４４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
四極電磁石の荷電粒子ビームの軌道方向の端面近傍の磁
場の乱れを低減させ、ビームの偏向角を理想的な四極磁
場における偏向角に近づけることができる。
四極電磁石の荷電粒子ビームの軌道方向の端面近傍の磁
場の乱れを低減させ、ビームの偏向角を理想的な四極磁
場における偏向角に近づけることができる。
【図１】本発明の実施例による四極電磁石の断面図及び
１つの磁極の先端近傍の正面図である。
１つの磁極の先端近傍の正面図である。
【図２】ｘ軸方向の∫（ｄＢy ／ｄｘ）ｄｚの分布を、
種々の角度θに関して示すグラフである。
種々の角度θに関して示すグラフである。
【図３】荷電粒子ビーム軌道方向（ｚ軸方向）の磁束密
度分布を示すグラフである。
度分布を示すグラフである。
【図４】四極電磁石の１つの磁極の先端部近傍の正面図
である。
である。
【図５】本発明の他の実施例による四極電磁石の断面図
である。
である。
１Ａ〜１Ｄ 磁極 ２ ヨーク ３Ａ〜３Ｄ コイル １１Ａ、１１Ｃ 端面 １２Ａ、１２Ｃ 磁極面 １３Ａ、１３Ｃ 傾斜面 １４Ａ 突起部 １５ 傾斜面と端面との交線 １６Ａ 側面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 13/04 H01F 7/06 H05H 7/04
Claims (6)
- 【請求項１】 荷電粒子ビームの軌道を含み、相互に直
交する２つの仮想中心平面を考えたとき、前記軌道に関
して４回回転対称となるように配置された４つの磁極で
あって、相互に対向する一対の磁極が１つの仮想中心平
面に対応し、他の一対の磁極が他の仮想中心平面に対応
し、各磁極は、対応する仮想中心平面に関して面対称な
形状を有し、少なくとも前記荷電粒子ビームの入射側及
び出射側に前記軌道に対してほぼ垂直な平面からなる２
つの端面と、前記軌道に対向し前記軌道に平行な柱面か
らなる磁極面と、前記２つの端面のうち少なくとも一方
の端面と前記磁極面とを接続し前記軌道側を向くように
傾斜した傾斜面を有し、該傾斜面は、対応する前記仮想
中心平面に対して平行な平面と前記傾斜面との交線の長
さが前記仮想中心平面から離れるに従って短くなるよう
に構成されており、各磁極は、さらに、磁極の各々の磁
極面と側面との接続部分に、当該磁極に隣接する磁極に
向かって突出した突起部を有する前記４つの磁極と、 前記４つの磁極の前記磁極面とは反対側の他の磁極面同
士を接続するヨークと、 前記４つの磁極に対応して設けられ、相互に隣接する磁
極の前記磁極面が相互に異なる極性になるように起磁力
を発生する４つのコイルとを有する四極電磁石。 - 【請求項２】 前記傾斜面が、前記仮想中心平面に対し
て垂直かつ前記軌道と法線方向とのなす角が１５〜３０
度となる仮想傾斜平面に沿う請求項１に記載の四極電磁
石。 - 【請求項３】 前記傾斜面の前記仮想中心平面への垂直
投影像が、ロゴスキー形状となる請求項１に記載の四極
電磁石。 - 【請求項４】 前記傾斜面を前記仮想中心平面へ垂直投
影したロゴスキー形状と前記一方の端面の延長を前記仮
想中心平面へ垂直投影した直線とのなす角が、１５〜３
０度となる請求項３に記載の四極電磁石。 - 【請求項５】 前記傾斜面が、階段状形状である請求項
１または２に記載の四極電磁石。 - 【請求項６】 前記磁極が、さらに、前記２つの端面を
前記仮想中心平面の両側でそれぞれ相互に接続し、前記
仮想中心平面に平行な平面からなる２つの側面を有し、 前記一方の端面と前記磁極面とは直接接続されず、前記
傾斜面及び前記側面を介してのみ接続される請求項１〜
５のいずれかに記載の四極電磁石。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32060195A JP3157707B2 (ja) | 1995-12-08 | 1995-12-08 | 四極電磁石 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32060195A JP3157707B2 (ja) | 1995-12-08 | 1995-12-08 | 四極電磁石 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09161998A JPH09161998A (ja) | 1997-06-20 |
| JP3157707B2 true JP3157707B2 (ja) | 2001-04-16 |
Family
ID=18123243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32060195A Expired - Fee Related JP3157707B2 (ja) | 1995-12-08 | 1995-12-08 | 四極電磁石 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3157707B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102686006B (zh) * | 2011-03-16 | 2015-01-07 | 中国科学院高能物理研究所 | 简化高阶场磁铁 |
-
1995
- 1995-12-08 JP JP32060195A patent/JP3157707B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09161998A (ja) | 1997-06-20 |
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