JPH012300A

JPH012300A - 電子蓄積リング

Info

Publication number: JPH012300A
Application number: JP62-155488A
Authority: JP
Inventors: 妻木　孝治; 西　政嗣; 正司北村; 穣治中田; 雅之中島
Original assignee: 株式会社日立製作所; 日本電信電話株式会社
Filing date: 1987-06-24
Publication date: 1989-01-06
Anticipated expiration: 2011-03-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はシンクロトロン放射光装置の電子蓄積リングに
係り、特に粒子の軌道のずれを低減するのに好適な偏向
マグネットを有する電子蓄積リングに関するものである
。

〔従来の技術〕

従来の偏向マグネットは常電導マグネットでフリンジ磁
場が特に問題となることはなかった。そのため特にフリ
ンジ磁場を小さくする処置はとられていない、ただ、軌
道に垂直な半径方向にはシムを付はフリンジ磁場が一様
になるようにしている。なお常電導マグネットの文献と
して高エネルギー物理学研究所の放射光リングフォトン
ファクトリ−の偏向マグネットの設計レポート（１９７
９年６月６日発行）がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

蓄積リング、特に放射光発生用電子リングでは、電子を
１０時間程度の長時間保存し続けなければならない。そ
のためには電子軌道を作成するマグネット、特に電子を
偏向させる偏向マグネットに高い磁場均一度が要求され
る。この高い磁場均一度が要求される範囲は、 ±（７σ十Ｃ０○、Ｄ、）　　　　・・・（１）だけ必
要となる。ただし、 σ：電子ビームの断面形状がガウス分布をしているとし
たときの標準偏差Ｃ，Ｏ，Ｏ，：電子軌道の設計軌道からのずれこの高い
磁場均一度が要求される一様磁場領域は、常電導マグネ
ットの場合比較的得やすい。常電導マグネットの場合磁
場強度が低いため鉄心２２は飽和しない。そのため鉄磁
極２３の形によって磁場分布がほぼ決まってしまい、鉄
磁極の形を第２図に示すような形状にして広い一様磁場
領域を得ている。一方、超電導マグネットでは磁場強度
が弱い低磁場では磁極形状で磁場分布が決まり磁場強度
が強い場合鉄心は飽和してしまいコイル配置で磁場分布
が決まる。磁場強度が１゜７Ｔ程度のところでは鉄は一
部が飽和し、一部は未飽和の状態にある。そのため低磁
場から高磁場にわたって常電導マグネットのように広い
一様磁場領域を確保することはむずかしい。そのため超
電導マグネットでは式（１）中の軌道のずｊｃ　Ｃ、Ｏ
、Ｄ　、をなるべく小さくする必要がある。

第３図に超電導の１８０°偏向マグネツトを示す。この
マグネットの軌道方向の磁場分布を３次元の磁場プログ
ラムで計算したものを第４図に示す。図中のＡ点がマグ
ネットの終端である。このように磁場分布はマグネット
終端ＡでＯにならず軌道方向に沿ってなだらかに尾を引
く。第４図に示すようにフリンジ磁場４１がある場合に
ついて。

−個の偏向マグネットの偏向角が第５図に示すように、
ｔｓｏ、’（２分割）、９０°　（４分割）。

４５°　（８分割）の場合曲率半径をパラメータとして
閉軌道のずれを計算すると第６図となる。ただし閉軌道
とは電子のベータトロン振動といわれる振動が０の場合
の電子軌道である。通常電子はこの閉軌道のまオ）りを
ベータトロン振動しながらリング内を周回する。第６図
より明らかなように閉軌道のずれは、偏向マグネット５
１の曲率半径にはあまり依存せず、偏向マグネット５１
の分割数が多いほど軌道のずれが小さいことがわかる。

従来の電子蓄積リングの１台あたりの偏向マグネットの
偏向角は、４５６程度から１０°程度と小さく、従って
マグネットの分割数も多かったため偏向マグネット内で
の軌道のずれは小さく、又常電導マグネットのため一様
磁場領域が広くとれたためフリンジ磁場による軌道のず
れの問題はさほど重要でなかったことがわかる。

しかし電子蓄積リングのエネルギーは高いままで小型、
コンパクトにするためには、超電導マグネットを用いか
つ可能なかぎり偏向マグネットの分割数を小さくするこ
とが有利である。偏向マグネットを分割しない場合電子
ビームの収束作用が弱く又電子ビームの性質を変えられ
ないという欠点がある。そのため偏向マグネットを２分
割し、その間に収束マグネット７２を置く第７図のよう
な蓄積リングが最も小型でコンパクトになる。しかしこ
の場合上述したようにフリンジ磁場による偏向マグネッ
ト７１内での軌道のずれが大きい。

そのため式（１）に示す一様磁場範囲を大きくとらなけ
ればならないことになるが、超電導マグネットのため広
い一様磁場範囲は得にくいという問題がある。

第８図に磁場強度３．５Ｔ　、曲率半径０．５ｍで第４
図に示すフリンジ磁場を持つ偏向マグネットの場合の閉
軌道のずれを示す。横軸は第４図のＳである。この場合
偏向マグネット７１内での閉軌道のずれは１ｃｍ以上に
なり、−様磁場領域は±２０ｍｍ程度必要になる。この
位の広さの一様磁ＩＪ）領域を低磁場から高磁場にわた
って確保することが廻しい。しかし±１５ｍｍ位なら困
難であるが実現不可能ではないと思われる。そこで、−
ｒＡＳ＋Ｕ領域の大きさを±１５ｍｍ、ビームサイズ１
．ｍｍ、他の要因による閉軌道のずれを５ｍｍとするフ
リンジ磁場による軌道のずれＣ，Ｏ，Ｄ、Ｆ、は１５）
（７σ＋５十Ｃ，Ｏ，Ｄ、Ｆ）＝１２＋Ｃ，Ｏ，Ｄ、Ｆ
　　・・・　（１）即ち、Ｃ，Ｏ，Ｄ、Ｆ　＜３ｍｍと
なる。したがってフリンジ磁場による軌道のずれを上記
の値以下にする必要がある。

従って１本発明の目的はフリンジ磁場による閉軌道のず
れを数ｍａｎ以下にする手段を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

閉軌道は、第８図に示すように４極マグネット出口で中
心軌道の外側を通り、フリンジ磁場により徐々に内側に
曲がり始め、偏向マグネット内では中心軌道の内側を通
過する。このように大きく軌道がずれる原因は、フリン
ジ磁場が４極マグネツトのところまで長く尾を引いてい
るためである。

したがって閉軌道のずれを小さくするためにはフリンジ
磁場の尾を引く部分を小さくするとともに、フリンジ磁
場によって内側、に曲げられる分だけあらかじめ外側に
曲げておけばよい。そのためには第１図に示すようにコ
イルを囲むようにして新鉄磁極を設ければ良い。このよ
うにすればこの新鉱磁極より外側には磁束はもれず、か
つ偏向マグネットと逆方向の６ｊ＆場が新鉄磁極部にで
き軌道のずれが修正される。

〔作用〕

従来のフリンジ部での磁力線を模式的に示すと第９図の
ようになり、フリンジ磁場が遠くまで影響を及ぼす。

本発明ではコイルを囲むように新たに鉄磁極を付加する
ことにより、鉄心中のフラックスの一部をこの新磁極に
導く。新磁極部では偏向マグネットと反対方向の磁場が
でき、フリンジ磁場はこの新磁場によりシールディング
され、新磁極より外側では偏向マグネットと同方向の磁
場はなくなる。

このときの磁場分布は第１０図のようになる。このよう
な磁場分布に電子が入射した場合新磁極より外側では磁
場がないため電子は直進する。新磁極部では電子は外側
に曲げられ、新磁極とマグネットの端までの間は、フリ
ンジ磁場により内側にまげられ、偏向マグネット本体に
はほとんど垂直で軌道がずれない。当然のことながら偏
向マグネット内での閉軌道のずれは小さくなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。まず蓄積リン
グ全体の構成を説明する。蓄積リングは第７図に示すよ
うに１電子ビームを偏向させる偏向マグネット７１．収
束させる収束マグネット７ｈ。

および非収束マグネット７３．入射器からの電子を偏向
させ蓄積リングに導き入れるインフレクタ−７４，その
ときの軌道をずらすパータベイタ−７５、電子を加速す
る高周波加速空胴７６、７１！子ビームの位置をモニタ
ーするビーム位置モニター７７、リングの真空チェンバ
ーを高真空にする真空ポンプ７９などからなる。

電子ビームはこの蓄積リング内をある閉じた１つの軌道
のまわりにベータトロン振動といわれる振動を繰返しな
がら周回する。この閉じた軌道を閉軌道という。偏向マ
グネットや収束マグネットが理想的に作られ、設置誤差
なしに設置された場合は電子の閉軌道は、第７図の実線
の軌道８０となるが、フリンジ磁場などの不整磁場が存
在する場合は、閉軌道はずれて実線とは異なったものと
なる。

次にこのフリンジ磁場を発生させる偏向マグネット部に
ついて説明する（第１１図参照）。偏向マグネット部は
コイルの起磁力を小さくする鉄心１１０、磁場を発生さ
せるコイル部１１１．超高真空状態を保ち電子ビームを
ＪＭしておく真空チェンバー１１２．真空チェンバー内
のビー１１恢道面上の垂直方向の磁場分布を作る磁極１
１３からなる。上気の鉄心は磁場強度が弱く鉄が飽和す
る以前のとき、磁場の分布形を決める。

コイル部は外部と液体ヘリウムとを断熱するための断熱
真空容器部１１４．真空容器内の熱シールド１１５．断
熱サポート１１６．液体ヘリウ１１を入れるヘリウム容
器１１７．ヘリウム容器内の液体ヘリウム１１８．およ
び液体ヘリウムにつかった超電導コイル１１９よりなる
。本発明では第１図に示すように、この偏向マグネット
に上下の鉄心Ｂｌ、Ｂ２に新たに鉄心ＢＦＩ、ＢＰ２を
付加する。２個の粉鉄磁極ＢＦＩ、１３Ｆ２は、それぞ
れの一端Ｈ，，Ｈ２が偏向マグネットの鉄心に接続され
、他端Ｉ工ｔ　Ｌ　を軌道面をはさんで相対するように
設置する。この新しい鉄磁極工□。

■２　により軌道面上に磁場を作る。

超導電コイル１に電流を流すとマグネット内の軌道面上
３のみならず、鉄心のない部分４、新たに設けた鉄磁極
部５にも磁場が存在する。鉄心のない部分に発生するフ
リンジ磁場は、粉鉄磁極Ｉ□ｔ　Ｌ　より内側ではまだ
存在するが、新磁極より外側では新磁極によりシールド
されてしまう。

新磁極部では鉄心中を通るフラックスの一部がこの新鉄
磁極中を通るため偏向マグネットとは逆向きの磁場が生
じる。このような体系の磁場分布を３次元の磁場計算プ
ログラムで計算すると第１２図のようになる。

フリンジ磁場が生じると閉軌道はずれるが高周波の加速
周波数に同期した電子のみしか、蓄積リング内を周回し
ないため、リング内を一周した閉軌道の長さは常に一定
に保たれ、フリンジ磁場には関係しない。したがってフ
リンジ磁場が存在しても閉軌道の長さは変化しないとい
う条件のもとに閉軌道のずれを求めなければならない。

さらに注意しなければならないのは、閉軌道に沿った磁
場の積算値をＢｌ、フリンジ磁場がない場合のときのＳ
場の積算値をＢ１゜とじたとき、Ｂ子のエネルギーがＢ１゜となることである。

ただし、Ｅ、：フリンジ磁場がないときの電子エネルギ
ー式（１）よりフリンジ磁場があると、Ｂ　１＞Ｂ　ｌ
。となり電子のエネルギーは高くなる。

偏向マグネット内では磁場強度がかわらず、エネルギー
があるため極率半径がもとの極率半径より大きくなる。

以上のことを考慮して第１２図のフリンジがあった場合
の閉軌道のずれを計算すると第１３図となる。ただし第
１３図は、４極マグネツトの出口の座標を原点とし、軌
道上に沿い偏向マグネットの中心を終座標としたもので
ある。これより４極マグネット出口では３ｍ＋ａ外側に
軌道がずれており、粉鉄磁極に入ると偏向マグネットと
反対方向の磁場のため外側に軌道がずれる。新鉄磁極部
ＢＦをぬけるとフリンジ磁場のため徐々に内側に軌道が
曲がる。偏向マグネット内では逆に３ｍｍ程度内側に軌
道がずれる。

以上のように新磁極を設ける前は１０ｍ＋ｏ以上閉軌道
がずれていたものが、新磁極を設けたことにより、閉軌
道のずれは数ｍｍ以内に押えられることがわかる。

〔実施例２〕第１４図に示すように偏向マグネットの鉄磁極より外側
に出ている部分の２つのコイルＣ工、Ｃ２について、上
側の部分Ｃ１は上側に、下側の部分Ｃ２は下側に曲げる
ことにより、コイルＣ工。

Ｃ２と真空チェンバー１４の間に間隙を作る。この間隙
部にさらに鉄磁極を延長し、コの字状とする。するとフ
リンジ磁場はＲ点より内側だけに存在するようになり、
フリンジ磁場のある領域が狭くなる。新磁極のＲ点と８
点の間は偏向マグネット内の磁場と反対方向を向く磁場
となり、軌道を外側に曲げる役割を果たす。

〔実施例３〕前記実施例２において、第１５図に示すようにコイルＣ
１，Ｃ２の回りに設けた新磁極の一端１１、Ｉ、　を偏
向マグネットの鉄心まで延長し、鉄心と接続する。粉鉄
磁極の断面形状はコの字状である。するとフリンジ磁場
の領域はさらに挟まり、偏向マグネットの磁極間の磁場
と反対方向の磁場ができる新磁極部１５０がひろがる。

〔実施例４〕第１６図（ａ）、（ｂ）に示すように鉄磁極にスライド
機構１６０を設け、鉄磁極の一部１６１を可動にしてお
く。この可動部を左右に動かすことによって、鉄心中の
磁路を調節する。すると磁極間ＥＦの磁場強度を変化さ
せることができるため内側に軌道をまげる割合を変化さ
せることができる。そのためこの磁路調節機構により閉
軌道のずれを調節することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば次の効果が生じる。

１、新たに付加した鉄心部に偏向マグネットと反対方向
の磁場が生じ、軌道が外側に曲げられるため、フリンジ
磁場により内側に曲げられる効果と外側に曲げられる効
果が相殺し合う。そのため偏向マグネットの入口では軌
道は理想軌道と平行になり、入［１での軌道のずれも小
さい。

したがって偏向マグネット内でも閉軌道のずれが小さく
、数Ｉｌｌ　１１以内の値にすることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は偏向マグネットの正面図、第１図（ｂ）
は偏向マグネットの側面図、第２図は常電導マグネット
の側面図、第３図（ａ）は偏向マグネットの平面図、第
３図（ｂ）は正面図、第４図は偏向マグネットの軌道軸
上の磁場強度分布を示す図、第５図（ａ）は偏向マグネ
ットを２分割した電子蓄積リングを示す図、第５図（ｂ
）は４分割リングを示す図、第５図（Ｑ）は８分割リン
グを示す図、第６図（ａ）は偏向マグネット中心部にお
ける閉軌道のずれを示す図、第６図（ｂ）は４極マグネ
ット出口における閉軌道のずれを示す図、第７図は電子
蓄積リングを示す図、第８図は閉軌道のずれを示す図、
第９図は従来のマグネットのフリンジ磁場を模式的に示
す図、第１０図は粉鉄磁極を設けた場合のフリンジ磁場
を模式的に示す図、第１１図は超電導偏向マグネットを
示す図Ｓ第１２図は粉鉄磁極を設けたときの磁場分布を
示す図、第１３図は粉鉄磁極を設けたときの閉軌道のず
れを示す図、第１４図は粉鉄磁極の一端を曲げコイルを
囲む部分を多くした構成を示す図、第１５図は粉鉄磁極
がコイルを完全に囲んだときの構成を示す図、第１６図
（ａ）（ｂ）は粉鉄磁極の一部を可動にし磁路を調節で
きるようにした構成を示す図である。１・・・超電導コイル、２・・・真空チェンバー、３・
・・電子軌道面、４・・・鉄心のない部分、５・・・新
たに設けた鉄磁極部、２１・・・コイル、２２・・・鉄
心、２３・・・鉄磁極面、３１・・・鉄心、３２・・・
超電導コイル、４１・・・フリンジ部、５１・・・偏向
マグネット、５２・・・収束マグネット、７１・・・偏
向マグネット、７２・・・収束マグネット、７３・・・
非収束マグネット。７４・・・インフレクタ−１７５・・・パータベイタ−
１７６・・・高周波加速空胴、７７・・・ビーム位置モ
ニター、７８・・・真空チェンバー、７ｉ・・・真空ポ
ンプ、８０・・・ずれのない閉軌道、９１・・・鉄心、
９２・・・コイル、１０１・・・鉄心、１０２・・・粉
鉄磁極、１０３・・・超電導コイル、１１０・・・鉄心
、１１１・・・コイル部、１１２・・・真空チェンバー
、１１３・・・磁極、１１４・・・断熱真空容器、１１
５・・・熱シールド、１１６・・・断熱サポート、１１
７・・・ヘリウム容器。１１８・・・液体ヘリウム、１１９・・・超電導コイル
、１４１・・・真空チェンバー、１５０・・・新磁極部
、第１図（α）も２図（α）＾（ｂ）３Ｚ−４’も辱コイ１し括Ｓ図（α）ＣＣ）曲キ千管ア（町第８図（α〕（ｂ）高１１図もＩＳ図Ｂ。

Claims

【特許請求の範囲】１、電子を加速する高周波空胴、電子ビームを収束させ
る収束磁石、電子を発散させる発散磁石電子を蓄積して
おく超高真空チェンバーおよび起磁力を低減するための
鉄心と磁場を生じさせる超電導コイルを有する偏向マグ
ネットからなる電子蓄積リングにおいて、超電導コイル
を囲むように一端が偏向マグネットの鉄心に接続され、
他端が軌道面上を中心にして相対するように配置された
鉄磁極を設けたことを特徴とする電子蓄積リング。２、特許請求の範囲第１項記載の電子蓄積リングにおい
て、上記電子ビームの軌道の長手方向に取つた上記鉄磁
極の断面形状がコの字状であることを特徴とする電子蓄
積リング。３、特許請求の範囲第２項記載の電子蓄積リングにおい
て、上記鉄磁極の上記他端が鉄心に接続されていること
を特徴とする電子蓄積リング。４、特許請求の範囲第１項記載の電子蓄積リングにおい
て、上記鉄磁極の一部を可動にし、磁路を調整可能にし
たことを特徴とする電子蓄積リング。