JPH05258897A - セプタム電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】セプタム厚を小さくするために、セプタムを構
成するセプタムコイル３の厚みを電磁石開口部２のビー
ム出口付近５で局所的に薄くする。また、セプタム近傍
の磁場分布の一様性を改善するため、電磁石開口部の磁
極面６に切欠き７を設け、その部分に開口部の高さ９と
同じ幅のセプタムコイルを設置する。さらに、セプタム
近傍の非一様な磁場分布によるビームの発散を低減する
ため、入射ビーム軌道１０を水平面内で電磁石開口部の
中心線１１に対して斜めに設計する。 【効果】従来のセプタム電磁石を用いた入射装置に比較
し、入射効率を２〜３倍に高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセプタム電磁石に係り、
特に、円形加速器における荷電粒子ビームの入射用及び
出射用のセプタム電磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のセプタム電磁石として、文献「分
子科学研究所、ＵＶＳＯＲストレージリングの設計、Ｕ
ＶＳＯＲ−９、１９８２」p.６５記載の入射用セプタム
電磁石（インフレクタ）、及び、文献「分子科学研究
所、入射用シンクロトロンの設計、ＵＶＳＯＲ−７、１
９８１」p.８６記載の出射用セプタム電磁石(デフレク
タ)が挙げられる。

【０００３】従来のセプタム電磁石（図２）では、励磁
用コイル３の厚みは電磁石開口部２でビーム軌道方向に
沿って一定である。また、電磁石開口部の両磁極面６は
全面平滑であり、励磁用コイルと両磁極面との間には、
少なくともコイル絶縁層８の厚みだけ間隙がある。さら
に、ビーム軌道１０は水平面内で電磁石開口部の中心線
に沿うように設計されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】産業用・医療用の高輝
度Ｘ線源として、電子蓄積リングが有望である。その種
の加速器システム（図５）は、蓄積リング３２とそれに
電子ビームを供給する前段加速器２２から成る。工場や
病院に設置するためには、システムを小型化する必要が
ある。蓄積リングに入射する電子ビームのエネルギが低
くできれば、前段加速器を小型化できシステム全体の小
型化が実現できる。しかし、３０ＭｅＶ程度以下の低エ
ネルギ入射では多数回入射が不可能であり、１回の入射
で必要な電流を入射蓄積する必要がある。そのため、入
射効率の高い入射装置が要求される。

【０００５】セプタム電磁石を入射装置に採用する場
合、入射効率を高めるためには、入射軌道側と蓄積リン
グ側を隔てる隔壁（以下、セプタムという）の厚みを低
減し、入射ビームをその隔壁にできるだけ近付けてリン
グ中心軌道にほぼ平行に入射しなければならない（図
４）。しかし、従来のセプタム電磁石では、励磁用コイ
ル３を十分薄くできずセプタムの厚み２０（以下、セプ
タム厚という）が大きくなる。また、従来のセプタム電
磁石では、励磁用コイルと開口部両磁極面との間の間隙
の存在により、セプタム近傍の磁場分布の一様性が失わ
れる。そのため、非一様な磁場分布によるビームの発散
を避けるため、入射ビームをセプタムに近付けることが
できず、ビーム軌道は水平面内で電磁石開口部の中心線
に沿うように設計されている。

【０００６】本発明の目的は、セプタム厚が小さく、ま
たセプタム近傍の磁場分布の一様性が良好なセプタム電
磁石を提供し、入射効率の高い入射装置を実現すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】セプタム厚を小さくする
ために、セプタムを構成する励磁用コイル（以下、セプ
タムコイルという）の厚みを電磁石開口部のビーム出口
付近５で局所的に薄くした（図１）。

【０００８】また、セプタム近傍の磁場分布の一様性を
改善するため、電磁石開口部の磁極面に切欠き７を設
け、その部分に開口部の高さ９と同じ幅のセプタムコイ
ル３を設置した（図１）。

【０００９】さらに、入射ビーム１０が水平面内で電磁
石開口部の中心線１１に対して斜めに通過するように、
セプタム電磁石を設置した（図１）。

【００１０】

【作用】セプタム２０は真空隔壁１８，磁気シールド２
１，セプタムコイル３，コイル絶縁層８から成る（図
４）。セプタムコイルを薄くすることでセプタム厚を小
さくできるが、電流密度増大による発熱や電磁力に対す
る強度が問題となる。そこで、セプタムコイルを電磁石
開口部のビーム出口付近でのみ薄くすることで上記問題
を回避できる。

【００１１】電磁石開口部の高さ９とセプタムコイルの
幅３４が異なる（図２）と、セプタムコイル近傍の磁場
分布の一様性が失われる。そこで、電磁石開口部の磁極
面に切欠きを設けてコイル絶縁層の厚みを吸収すること
で、開口部の高さと同じ幅のセプタムコイルが設置でき
る。

【００１２】入射ビーム軌道を水平面内で電磁石開口部
の中心線に対して斜めに設計することで、入射ビームが
セプタム近傍を通過する距離を短くし、セプタム近傍の
非一様な磁場分布によるビームの発散を低減できる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明によるセプタム電磁石の一実
施例を示す断面図である。セプタム電磁石は、磁性体の
Ｃ型鉄心部１とその開口部２に設置された励磁用コイル
３，４から成る。なお、図１は励磁用コイルが１ターン
の場合を示す。励磁用コイルを流れる電流により、電磁
石開口部に一様磁場が発生する。電磁石開口部を通過す
る荷電粒子ビームは、その一様磁場により偏向を受け
る。

【００１４】励磁用コイルは、曲率半径外側のセプタム
コイル３と曲率半径内側のリターンコイル４より成る。
ビームの入射効率向上のため、セプタムコイルをビーム
出口付近５で局所的に薄くしている。本実施例では、セ
プタムコイルの外周側を直線的に削り込み、テーパ状に
薄くしている。これにより、セプタムコイルの電流密度
増加による発熱や電磁力による変形を抑えつつ０.５mm
程度まで薄くできる。また、電磁石開口部の両磁極面６
に切欠き７を設けてコイル絶縁層８の厚みを吸収し、開
口部の高さ９と同じ幅のセプタムコイルを設置してい
る。これにより、セプタムコイル近傍の磁場変化を０.
１％ 程度に低減でき、ビームをセプタムコイルに近付
けてリングに入射できる。本実施例では、切欠きをセプ
タムコイルの位置のみに設けたが、リターンコイル近傍
の磁場変化を低減する必要があるときは、リターンコイ
ルの位置にも切欠きを設ける。

【００１５】さらに、入射ビーム軌道１０を水平面内で
電磁石開口部の中心線１１に対して斜めに設計してい
る。すなわち、電磁石開口部の中心線よりリターンコイ
ル側の位置１２からビームを入射し、セプタムコイルに
近接した位置１３から出射している。本実施例では、電
磁石開口部の中心線の曲率半径を入射ビーム軌道の曲率
半径より大きくし、それを実現している。これにより、
入射ビームがセプタム近傍を通過する距離を短くし、セ
プタム近傍の非一様な磁場分布によるビームの発散を低
減できる。

【００１６】図３は、本発明によるセプタム電磁石を用
いた荷電粒子ビーム入射装置の一実施例を示す平面図で
ある。荷電粒子ビーム入射装置は、セプタム電磁石１４
と、そのセプタム電磁石を内部に設置した真空容器１５
よりなる。真空容器は、蓄積リング側ビームダクト１６
とセプタム電磁石を設置した真空室１７から成り、両者
は真空隔壁１８で遮られている。入射ビームは、セプタ
ム電磁石で偏向され、真空隔壁に設けられた入射窓１９
からリングに入射される。セプタム電磁石は、入射ビー
ムが水平面内でその開口部中心線に対して斜めに通過す
るように真空容器に設置されている。またセプタム電磁
石は、セプタム厚を小さくするためビーム出口付近で真
空隔壁に密着している。

【００１７】図４は、入射点近傍の詳細図である。セプ
タム２０は、真空隔壁１８，磁気シールド２１，セプタ
ムコイル３，コイル絶縁層８から成る。真空隔壁はその
強度維持のため０.５mm 程度までは薄くできる。磁気シ
ールドは、セプタム電磁石からリング側への漏れ磁場を
低減する。高透磁率の磁性体（例えばパーマロイ）の使
用により、０.５mm 程度までは薄くできる。セプタムコ
イルは、前述のように、０.５mm 程度まで薄くできるの
で、セプタム厚２０はコイル絶縁層を含めても２mm以下
にできる。

【００１８】図５は、セプタム電磁石を荷電粒子ビーム
の入射装置とした円形加速器の説明図である。前段加速
器２２からの荷電粒子ビームは、ビーム輸送系２３を通
り、入射装置２４で磁場偏向されリングに入射される。
リングに配置されたバンプ電磁石２５は、入射時にリン
グ側の平衡軌道を制御し、入射ビームをリングに蓄積す
る。なお、前段加速器には、例えば、線形加速器，マイ
クロトロン，シンクロトロンが使用される。また、リン
グにはビームを偏向及び収束するための二極電磁石２６
及び四極電磁石２７，ビームにエネルギを供給するため
の高周波加速空洞２８がそれぞれ配置されている。

【００１９】以上、本発明によるセプタム電磁石を入射
装置に用いた場合について述べてきたが、出射装置に用
いた場合についても同様である。

【００２０】図６は、セプタム電磁石を荷電粒子ビーム
の出射装置とした円形加速器の説明図である。リング内
で高周波加速空洞２８により所定のエネルギまで加速さ
れた荷電粒子ビームは、出射装置２９で磁場偏向されビ
ーム輸送系３０へと取り出される。リングに配置された
キッカー電磁石３１は、出射時にリングの平衡軌道を制
御し、蓄積ビームをセプタム電磁石の開口部内へと蹴り
込む。ビーム輸送系３０は、例えば、図５の円形加速器
３２に接続し、本円形加速器３３は図５の前段加速器２
２（シンクロトロン）になっている。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、セプタムコイルをその
発熱や変形を抑えつつ０.５mm 程度まで薄くでき、真空
隔壁と磁気シールドとコイル絶縁層の厚みを加えても２
mm以下にセプタム厚を低減できる。

【００２２】また、セプタム近傍の磁場変化を０.１％
程度に低減でき、ビームをセプタムに近付けてリングに
入射できる。

【００２３】さらに、入射ビームがセプタム近傍を通過
する距離を短くでき、セプタム近傍の非一様な磁場分布
によるビームの発散を低減できる。例えば、セプタムコ
イルの設置誤差で磁場変化が１％程度存在する場合で
も、ビームの発散を入射効率に影響しない程度にまで容
易に低減できる。

【００２４】従来のセプタム電磁石では、セプタム厚が
４mm程度になり、またセプタム近傍２mmには磁場変化が
数％程度存在する。したがって、実効的なセプタム厚は
６mm程度になる。入射ビームとして電子蓄積リング前段
加速器用の通常の線形加速器からのビームを考えると、
本発明によるセプタム電磁石により、入射効率を従来の
２〜３倍に高めることができる。

【００２５】本発明により、電子蓄積リングの低エネル
ギ入射方式に要求される高効率入射装置として、セプタ
ム電磁石が採用できる。従来、円形加速器への低エネル
ギ電子ビームの入射装置としては、セプタム厚を薄くし
やすい静電偏向型が採用されてきた。しかし、静電偏向
型の入射装置は磁場偏向型に比較して大型化し、蓄積リ
ングの小型化のためには磁場偏向型の方が有利である。
ビームエネルギを１５ＭｅＶ、蓄積リングへの入射角度
を４５度とした場合、静電偏向型の装置長1.5ｍに対し
て、セプタム電磁石を用いた磁場偏向型では装置長が
０.５ｍ に納まる。

【００２６】以上、本発明によるセプタム電磁石を入射
装置に用いた場合、特に電子蓄積リングにおいてその効
果を述べたが、他の荷電粒子円形加速器でも同様な効果
がある。さらに、出射装置に用いた場合にも、ビームの
出射効率の向上とキッカー電磁石の負担軽減の効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるセプタム電磁石の一実施例の構造
を示す断面図。

【図２】従来のセプタム電磁石の構造を示す断面図。

【図３】本発明によるセプタム電磁石を用いた荷電粒子
ビーム入射／出射装置の一実施例を示す平面図。

【図４】入射点／出射点近傍の説明図。

【図５】セプタム電磁石を荷電粒子ビームの入射装置と
した円形加速器の説明図。

【図６】セプタム電磁石を荷電粒子ビームの出射装置と
した円形加速器の説明図。

【符号の説明】

３…セプタムコイル、５…ビーム出口／入口付近のセプ
タムコイル、１０…入射／出射ビーム軌道、１１…電磁
石開口部の中心線、１４…セプタム電磁石。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁性体の鉄心部と、その開口部に少なくと
   も１ターンの励磁用コイルとを有し、前記開口部を通過
   する荷電粒子ビームを磁場で偏向するセプタム電磁石に
   おいて、前記励磁用コイルの厚みを前記開口部の出入口
   付近で、少なくとも１箇所局所的に薄くしたことを特徴
   とするセプタム電磁石。
2. 【請求項２】磁性体の鉄心部と、その開口部に少なくと
   も１ターンの励磁用コイルとを有し、前記開口部を通過
   する荷電粒子ビームを磁場で偏向するセプタム電磁石に
   おいて、前記開口部の内部にその高さと同じ幅の励磁用
   コイルを設置するために、前記開口部の磁極面に切欠き
   を設けたことを特徴とするセプタム電磁石。
3. 【請求項３】磁性体鉄心部の開口部を通過する荷電粒子
   ビームを、磁場で偏向するセプタム電磁石と、そのセプ
   タム電磁石を内部に設置した真空容器より成る荷電粒子
   ビーム偏向装置において、前記荷電粒子ビームが水平面
   内で前記開口部の中心線に対して斜めに通過するよう
   に、前記セプタム電磁石を前記真空容器に設置したこと
   を特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３に記載の前記セプタ
   ム電磁石を用いた前記荷電粒子ビームの偏向装置を、前
   記荷電粒子ビームの入射装置あるいは出射装置とした円
   形加速器。