JP5427235B2 - 挿入光源 - Google Patents

Description

本発明は、電子加速器や電子蓄積リングの直線部に挿入して輝度の高い放射光を発生する挿入光源、特にアンジュレータおよび自由電子レーザーに適用できる挿入光源に関するものである。

永久磁石または永久磁石と磁性材（鉄や鉄コバルト合金）で構成される挿入光源は、電子シンクロトロン加速器の直線部分に真空チャンバーを挟む形、またはチャンバー内に電子軌道を挟む形で挿入され、従来の偏向磁石から得られる放射光よりも強力な放射光を発生する装置として有用である。

図９にシンクロトロン加速器とそこに導入された挿入光源３１の概念図を示す。挿入光源３１は、磁石列間の空隙中垂直面内にサイン波状の周期磁場を発生する。周期磁場を発生する挿入光源３１は、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、直方体永久磁石２２のみで構成されるハルバック型（図３Ａ、図３Ｂ）と直方体永久磁石２２と磁極の直方体磁性材２６とで構成されるハイブリッド型（図３Ｃ）がある。

図３Ａに示すように、電子が挿入光源中を走行するとき、周期磁場により磁場に垂直な水平面内でサイン波状周期運動を行い、各蛇行点から放射光を生じる。符号１は電子軌道を示す。蛇行の程度により、ウィグラーモードとアンジュレータモードがある。符号５は電子軌道の振幅を示す。

ウィグラーモードでは各蛇行点から発生する放射光が重畳され、図９に示す偏向電磁石３６からの放射光３５より輝度（ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓｅｃ／ｍｍ^２／ｍｒａｄ^２／０．１％Ｂ．Ｗ．）が１０〜１０００倍大きな放射光が得られる。

アンジュレータモードでは各蛇行運動から発生する放射光は干渉し、基本エネルギーとその高次光では、ウィグラーより更に輝度が１０〜１０００倍程度大きな光が得られる。図９において、符号３０は挿入光源からの放射光を、符号１−１は入射器から入射した電子軌道を示す。

その他アンジュレータモード放射光の特徴として、高い指向性、干渉効果により基本エネルギー（とその倍波）だけが放出される準単色性、高いコヒーレンス性というレーザーに準じた特性が挙げられる。なお、挿入光源に関しては、例えば非特許文献１〜３に開示されている。

Ｈａｌｂａｃｈ， Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． Ａｎｄ Ｍｅｔｈ． １８７， １０９ （１９８１） Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ， Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． Ａｎｄ Ｍｅｔｈ． Ａ３４７， ８３ （１９９４） Ｔａｎａｋａ ｅｔ ａｌ， Ｒｅｖ． Ｓｃｉ． Ｉｎｓｔｒｕｍ． ７０， ４１５３ （１９９９）

挿入光源からの放射光の基本エネルギーは実用単位を用いて、以下の式で表される。

また、式（１）のパラメーターKは次の式で定義される。

式（１）、式（２）で、ε１は放射される放射光の基本エネルギー、Ｅは挿入光源内を通過する荷電粒子の運動エネルギー（放射光シンクロトロン加速器の電子蓄積エネルギーに等しい）、λｕは磁場周期の周期長、Ｂ０は電子が受ける磁場強度であり磁石列間隙値（ギャップ）の関数であるが、次のような式で近似可能である。

Ｄ、Ｃは定数で磁石の材質、形状によって変わり、ｘはギャップ（磁石列間間隙値；単位ｍｍ）である。

挿入光源がウィグラーモードかアンジュレータモードになるかは、式（２）で定義したＫ値で分類される。Ｋ＝１前後かそれ以下の場合はアンジュレータになり、Ｋ＞＞１になるとウィグラーモードになる。アンジュレータ放射はＫ＝１付近で輝度が最大になる。

準単色光のアンジュレータ放射ではエネルギーを掃引する場合は、通常式（１）のＫ値を掃引して基本エネルギーの掃引を行う。Ｋ値の操作は式（２）、式（３）から解るようにＢ０値の操作で行われるが、具体的には式（３）のｘを変える、つまり図３Ａ、図３Ｂに示した上下磁石列間の間隙値（ギャップ）３を操作して、ギャップに逆比例するＢ０の値を操作する。

ギャップを広げればＢ０とＫ値は小さくなり、電子軌道１の振幅５は小さくなり光子エネルギーは小さくなる。ギャップを狭めればＢ０とＫ値は大きくなり、電子軌道１の振幅５は大きくなり光子エネルギーは大きくなる。

しかし、Ｋ値を１より大きくすると、挿入光源は高輝度、準単色性といったアンジュレータ放射光の性質を失う。Ｋが１より十分大きくなるとウィグラーモードになり輝度が１〜３桁程落ちる他、基本エネルギーより高光子エネルギー側の成分が増え、光学系と計測系の熱負荷が著しく増す。この熱負荷は電子エミッタンスの小さい第３世代光源では深刻な問題になり、時に光学系・計測系を破壊する。

非特許文献２には、図３Ａ〜図３Ｃに示した通常のアンジュレータの上下一組２本の磁石列に代えて、上下２組計４本の磁石列を用いる技術が開示されている。これにより、水平と垂直の磁場分散を発生させ、電子軌道を水平と垂直方向に振動させることで水平の直線偏光、円偏向、垂直の直線偏向等を発生可能にする。同時に光軸上の高次光放射が抑制され光学系に対する熱負荷が軽減される。

非特許文献３には、上下の3組、計６本の磁石列を用いる技術が開示されている。これにより、通常の挿入光源の単純な水平面内サイン波振動である電子軌道を、垂直方向にも振動成分を持つ複雑な電子軌道に変え、偏光制御、或いは熱負荷軽減が可能である。

しかしながら、上記従来技術では、輝度や準単色性等に大きな影響を及ぼすＫ値を一定にすることができない。これは、上記従来技術では、基本エネルギーの掃引をＫ値の変化、すなわち磁石列のギャップの変更で行なっていたためである。しかしながら、磁場周期の周期長λｕを変えるために、単純に磁石列を構成する各磁石の間隔を広げたのでは磁場分布がサイン波から大きく外れるため挿入電極として機能しなくなる。

本発明の目的は、エネルギー掃引の際にも高輝度、準単色性のアンジュレータ放射光を得ることが可能な挿入光源を提供することにある。

上記目的を達成するための一形態として、永久磁石、或いは永久磁石と磁極材を備えた第１の磁石列と第２の磁石列とを有する挿入光源において、前記第１の磁石列と前記第２の磁石列により形成される磁場の磁場周期長を可変とする機構を更に有し、前記磁場周期長の変更により放射光の基本エネルギーの掃引が行われるものであることを特徴とする挿入光源とする。

また、サイン波形を有する周期磁場により電子線を蛇行させて放射光を発生させる挿入光源において、サイン波の周期磁場を保持しつつ、前記磁場周期の周期長を変える磁場周期長変更手段を更に有することを特徴とする挿入光源とする。

エネルギー掃引の際にも高輝度、準単色性のアンジュレータ放射光を得ることが可能な挿入光源を提供することができる。

本実施例に係る挿入光源の一例（台形柱磁石で構成される挿入光源）を示す斜視図である。 本実施例に係る挿入光源の一例（台形柱磁石及び台形柱磁極材で構成される挿入光源）を示す斜視図である。 本実施例に係る他の挿入光源の例（台形柱磁石と平行四辺形柱磁石で構成される挿入光源）を示す斜視図である。 本実施例に係る他の挿入光源の例（台形柱磁石と平行四辺形柱磁極材で構成される挿入光源）を示す斜視図である。 従来の挿入光源の例（直方体磁石で構成される挿入光源、Ｈｕｌｌｂｌｏｃｋ Ｔｙｐｅ）を示す斜視図である。 図３Ａの挿入光源で、磁石列間隙を広げた状態を示す斜視図である。 従来の挿入光源の例（直方体磁石と直方体磁極材で構成される挿入光源、Ｈｙｂｒｉｄ Ｔｙｐｅ）を示す斜視図である。 図１Ａに示した挿入光源での磁場周期変更の模式図（磁場周期小）である。 図１Ａに示した挿入光源での磁場周期変更の模式図（磁場周期大）である。 図２Ｂに示した挿入光源での磁場周期変更の模式図（磁場周期小）である。 図２Ｂに示した挿入光源での磁場周期変更の模式図（磁場周期大）である。 本実施例に係る他の挿入光源（非対称の台形柱からなる挿入光源）での磁場周期変更の模式図(磁場周期小)である。 本実施例に係る他の挿入光源（非対称の台形柱からなる挿入光源）での磁場周期変更の模式図（磁場周期大）である。 本実施例に係る挿入光源の動作機構を説明するための模式図である。 従来のアンジュレータの放射光スペクトルを示すグラフである。 本実施例に係るアンジュレータの放射光スペクトルを示すグラフである。 シンクロトロン加速器と放射光の放射方向を示す模式図である。

本実施の形態は、通常K値を制御して掃引する放射光エネルギーを、K値を固定としその代わりに磁場の周期長（λu）の変化で放射光エネルギーを掃引する事を最大の特徴とする。

上述のように、従来のアンジュレータは基本形も改良型もギャップを操作し、K値を変化させる事でエネルギー掃引を可能としている。これに対して本実施の形態の挿入光源はギャップを操作すると同時に磁場周期・電子軌道周期を変化させる事でK値は固定したままでエネルギー掃引を可能にする事を実現する。

磁場周期の変更機構としては、最も単純には通常の直方体磁石・磁極間の距離の開閉が考えるが、磁石間・磁極間距離をあまり拡げると、磁場漏れが発生するとともに、磁場分布がサイン波から大きく外れるため最適方法とは思われない。

そこで発明者は、通常の直方体の代わりに台形柱若しくは平行四辺形柱の磁石・磁極材を並べた磁石列・磁極列を用い、磁石列・磁極列内で磁石と磁極の配置を変えることで、磁石間・磁極間の距離を一定に保ち、磁場漏れを防ぐとともにサイン波を維持しつつ磁場周期・電子軌道周期の変更を行うことを考案した。
エネルギー掃引時に、K値を1前後或いはそれ以外の値に固定するには、λuの変化の他にB0の操作も必要であり、その値は式（２）を変形した次の関係を満たすように変更する。

本実施の形態の挿入光源では、K値を１付近に固定することにより、高輝度、準単色性といったアンジュレータ放射光の特徴がエネルギーを掃引しても理想的な状態に保たれる。また、準単色性が保たれるため、高次光による光学系・計測系に対する熱負荷も、エネルギー掃引によって著しく増える事はない。

以下、実施例により説明する。

実施例を、図１Ａ〜図８を用いて説明する。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂに本実施例に係る挿入光源の一例を示す。これらの図および以下の図で、磁石柱内に書かれた矢印は磁化方向を示す。また、ｘ、ｙ、ｚ軸を図１Ａ、図１Ｂの左下に示したように定義し、平面図以外はこの定義を用いる。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂでは磁場周期が２周期分しか示されていないが、実際の挿入光源は２０〜２００周期程度で構成される。図３Ａ〜図３Ｃに示した通常の挿入光源では磁石・磁極材は直方体であり、磁場周期を変更する事は出来ない。

本実施例では、図１Ａ、図１Ｂに示すように台形柱磁石２と台形柱磁極材６を並べた磁極列、または図２Ａ、図２Ｂに示すように台形柱磁石２と、平行四辺形柱磁石７または平行四辺形柱磁極材８を並べた磁極列を用いる。四辺形の各辺の長さが等しい菱形柱を用いることもできる。永久磁石と磁極材とを組み合わせることにより、永久磁石の磁力劣化を低減することができる。

台形柱も平行四辺形柱もその台形面または平行四辺形面をｘｚ面（電子軌道面）と平行になるように配置され、台形面は左右対象の等脚台形になっている。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂに示したように、同一の挿入光源では全ての台形柱磁石の寸法は同じであり、平行四辺形柱磁石・磁極材の寸法も同じである。

平行四辺形柱磁石・磁極材を用いる場合は、平行四辺形の斜辺の平行辺に対する角度は、台形柱の台形の斜辺の平行編に対する角度と等しく、平行四辺形柱はその斜辺を台形柱の斜辺と平行になるように配置される。

なお、図６Ａ、図６Ｂに示すように、台形柱磁石の台形面は等脚台形でなく、一般の左右比対称の台形を用いてもこの機構は実現出来る。台形柱とすることにより、周期長を変える際の磁場漏洩を低減することができる。さらに、等脚台形を用いることにより、磁石周囲の磁場の対称性が高く、放射光のエネルギーを掃引する際、磁場周期のサイン波形の劣化を防止、或いは低減することができる。よって、等脚台形の台形柱が好適である。

図４Ａ、図４Ｂに示すように、台形の上底と下底とを交互に入れ替えた入れ子構造に配置された台形柱、或いは図５Ａ、図５Ｂのような台形柱と平行四辺形柱の磁石列・磁極列配置をｘ方向にずらす事により、磁場周期に同期する電子軌道周期４（λｕ）の変更を可能にする。このとき、磁石列間（または磁石と磁極材間）に隙間が出来ると磁場が漏れ、磁場分布がサイン波から外れるため、磁石列・磁極列全体をｚ方向にも伸縮させる。

図４Ａ、図４Ｂと図５Ａ、図５Ｂはそれぞれ図１Ａと図２Ｂの、下側の磁石列配置と電子軌道を概念図的に示したものであり、左下に軸の方向が示されている。電子軌道は常に磁石列の中央に来るように磁石列・磁極列は動く。先に述べたように、Ｋ＝１の関係を満たすためには、式（４）を満たすようにλｕに同期してＢ０も変化する必要があり、通常のアンジュレータと同様ｙ方向に磁石列・磁極列全体を動かして図１Ａ、図１Ｂと図２Ａ、図２Ｂのギャップ３も同時に動かす。

本実施例で重要視しているＫ値は物理的には図１Ａ、図１Ｂと図２Ａ、図２Ｂの、電子軌道周期４と電子軌道振幅５の関係を表す値である。Ｋ値を１付近で一定に保つという事は電子軌道周期４と電子軌道振幅５の関係をアンジュレータ放射にとって理想的に保つことを意味する。なお、Ｋ値が１付近とは０．９〜１．１の範囲をいい、より好ましくは０．９９〜１．０１の範囲をいう。

図１Ａの台形柱の磁石からなる挿入光源について、動作機構を説明する。第一に図４Ａに示したように各台形柱磁石２を互い違いにｘ軸に対して平行に対称位置に置かれた２本の支持棒（ｚ軸駆動機構）１０（または板状でもよい）に接続する。磁場周期４を小さくするにはｘ軸（ｘ方向）駆動機構９を使って、支持棒（ｚ軸駆動機構）１０の互いの距離を縮める方向に動かし、大きくするには支持棒（ｚ軸駆動機構）１０の互いの距離を拡げる方向に動かす。

この操作を単純に行うと、向かい合った台形柱磁石同士が干渉するので、ｘ方向駆動に同期してｚ方向にも台形柱磁石２を動かす。このとき磁石列中心から離れた台形柱磁石２ほど大きく動かす必要があるが、支持棒（ｚ軸駆動機構）１０に釣り竿や指示棒等に用いられる伸縮機構を応用したものを用いる事で実現出来る。図４Ａは磁場周期４が小さいとき、図４Ｂは磁場周期４が大きい時の模式図である。

Ｋ＝１を保つにはｘ、ｚ方向に加え、ｙ方向（ギャップ）も同期して動かす必要があるが、これは図７に示すように上述のｘ軸駆動機構９とｚ軸駆動機構（支持棒）１０を一本の棒或いは板に固定し、この機構を用いて磁石列全体をｙ軸方向に動かす機構（ｙ軸駆動機構）１１で実現可能になる。

図４Ａ、図４Ｂや図７では図１Ａの台形柱磁石のみからなる挿入光源について例示したが、図１Ｂのような台形柱磁石２と台形柱磁極材６からなる挿入光源についても同じ機構で目的を達成出来る。

図５Ａ、図５Ｂに示した台形柱磁石２と平行四辺形柱磁石７または平行四辺形柱磁極材８からなる挿入光源では平行四辺形柱磁極材または平行四辺形柱磁石についてはｘ方向に動かす必要はないが、ｚ方向には動くような機構を付け加える必要がある。このときは、台形柱磁石２の駆動機構は図４Ａ、図４Ｂと同様のものを用い、平行四辺形柱部の駆動は上下（ｙ方向）から台形柱磁石の駆動機構とは独立して付加する方法が考えられる。

図４Ａ、図４Ｂから分かるように、台形柱磁石または台形柱磁極からなる挿入光源の場合、電子軌道周期４は台形柱磁石２の長辺の２倍から４倍に限られる。このとき、磁石同士のマージンを考えなければ、磁場漏れ防止の観点から台形柱切り口の等脚台形は短辺と長辺の比が１：２であることが望ましい。実際には磁石間に数ｍｍ程度のマージンを作るので、その分だけ長辺と単辺の比は変わってくる。

台形柱磁石と平行四辺形柱磁石からなる挿入光源の場合も、結局最も軌道周期の可変範囲が広くなるのは短辺と長辺の比が１：２の台形柱磁石と台形の短辺と同じ長さの平行辺を持つ平行四辺形柱磁石・磁極材の場合で、短辺の２倍から４倍の間で可変になる。

式（１）で、例えばＥ＝８の施設の場合、式（２）でＫ＝１として計算すると、λｕ＝２．６〜５．２ｃｍで１６ｋｅＶ〜７．８ｋｅＶを、λｕ＝５．２〜１０．４ｃｍで７．８ｋｅＶ〜３．９ｋｅＶの基本エネルギーの発振が可能になる。これを実現するためには例えば、長辺と短辺の長さが１．６ｃｍと４．２ｃｍであるような台形柱磁石、同じく長辺と単辺の長さが４．２ｃｍと９．４ｃｍであるような台形柱磁石を左右にそれぞれ５ｍｍのマージンをとって図１Ａ、図１Ｂあるいは図６Ａ、図６Ｂのように配置すればよい。また、例えば、Ｅ＝３の施設の場合、λｕ＝６〜１２ｃｍが０．５〜１．０ｋｅＶに相当する。

図８Ａ、図８Ｂに本実施例の効果の一例となるグラフを示す。図８Ａはアンジュレータのスペクトルを計算したものであり、エネルギーを１０．１ｋｅＶから５．１ｋｅＶに変化させた結果を比較している。この従来型アンジュレータではエネルギーを変化させるため、Ｋ値を１（１０．１ｋｅＶ）から２（５．１ｋｅＶ）に変化させるが、Ｋ＝１に比べＫ＝２では多くの高次光成分が発生しているのが分かる。これら高次光成分はミラー分光器等の光学系に照射されると、多くの熱を発生し最悪の場合それらを破壊する。

それに対し、図８Ｂの本実施例のアンジュレータの場合、エネルギーを１６ｋｅＶから７．８ｋｅＶに変化させてもＫ＝１の条件を維持出来るため、高次光の発生がどちらのエネルギーでも少ない事が分かる。以上よって、準単色性が保たれ、熱負荷を軽減出来る本実施例の効果が確認出来る。

挿入光源に用いる永久磁石としては希土類焼結磁石、例えば、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石や ネオジウム（ＮｄＦｅＢ）磁石が望ましい。これらの磁石は磁気特性が高く、周期長が短くなっても空隙磁場強度を確保できるためであり、一定の長さの直線部で周期長を多く取れる。また、空隙長が大きくても、磁場強度を確保しやすい。

本実施例によれば、磁場周期の周期長を変える機構を設けることにより、エネルギー掃引の際にも高輝度、準単色性のアンジュレータ放射光を得ることが可能な挿入光源を提供することができる。また、周期磁場を形成するための磁石列に用いる永久磁石の形状を台形柱とすることにより、周期長を変える際の磁場漏洩を低減することが可能な挿入光源を提供することができる。また、永久磁石の形状を等脚台形とすることにより、磁石周囲の磁場が対称で、磁場の乱れが少なく、放射光のエネルギーを掃引する際、磁場周期のサイン波形の劣化を防止、或いは低減することができる。

また、磁石列として永久磁石と磁極材とを組み合わせた構成にすることにより、永久磁石の磁力劣化を低減することができる。また、本実施例の挿入光源を用いることにより、回折や分光、各種構造解析に好適な電子シンクロトロン加速器を提供することができる。

１…電子軌道、１−１…入射器からの電子軌道、２…台形柱磁石、３…間隙値（ギャップ）、４…電子軌道周期、５…電子軌道振幅、６…台形柱磁極材、７…平行四辺形柱磁石、８…平行四辺形柱磁極材、９…ｘ方向駆動機構、１０…ｚ方向駆動機構、１１…ｙ方向駆動機構、２２…直方体磁石、２６…直方体磁極材、３０…挿入光源放射光、３１…挿入光源、３５…偏向磁石放射光、３６…偏向磁石。

Claims (4)

1. 永久磁石、或いは永久磁石と磁極材を備え、それぞれＺ方向が長手となるように配列され、互いにＹ方向に離間して配置された第１の磁石列と第２の磁石列とを有する挿入光源において、
   前記第１の磁石列と前記第２の磁石列とは、台形柱の永久磁石の上底と下底とを交互に入れ替えた構造、または台形柱の永久磁石の上底と台形柱の磁極材の下底とを交互に入れ替えた構造、もしくは、台形柱の永久磁石と平行四辺形柱の永久磁石とを交互に配置した構造、または台形柱の永久磁石と平行四辺形柱の磁極材とを交互に配置した構造、である入れ子構造に配置されており、
   前記第１の磁石列と前記第２の磁石列により形成される磁場の磁場周期長を可変とする機構を更に有し、前記可変とする機構は、前記第１の磁石列及び前記第２の磁石列を構成し、互いに入れ子構造に配置された前記永久磁石、或いは永久磁石と磁極材を、前記第１の磁石列及び前記第２の磁石列のＺ方向にそれぞれ移動させる機構と、前記第１の磁石列及び前記第２の磁石列を構成し、互いに入れ子構造に配置された前記永久磁石、或いは永久磁石と磁極材を、前記第１の磁石列及び前記第２の磁石列のＸ方向に互いにほぼ平行にそれぞれ移動させる機構を有し、前記磁場周期長の変更により放射光の基本エネルギーの掃引が行われるものであることを特徴とする挿入光源。
2. 請求項１記載の挿入光源において、
   前記第１の磁石列及び前記第２の磁石列をＹ方向に移動させる機構を更に有し、
   前記磁場周期長と、前記第１の磁石列及び前記第２の磁石列の間隙とを同時に変更する事によって、
   Ｋ＝０．９３４λｕＢ０、
   ここで、λｕは磁場周期の周期長（ｃｍ）、Ｂ０は電子が受ける磁場強度、
   で表されるＫの値が一定に保たれたまま、前記基本エネルギーの掃引が行われるものであることを特徴とする挿入光源。
3. 請求項２記載の挿入光源において、
   前記エネルギーの掃引の際、Ｋ＝１付近で固定されていることを特徴とする挿入光源。
4. 請求項３記載の挿入光源において、
   前記Ｋ＝１付近で固定とは、０．９〜１．１の範囲での変動を含むことを特徴とする挿入光源。

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