JP6473503B2 - アンジュレーター - Google Patents

Description

本発明は放射光の技術分野に関し、特にアンジュレーターに関する。

放射光は正式名称をシンクロトロン放射光といい、高エネルギー電子が磁場において偏向する際に発せられる高強度、高コリメート性のビームである。より強度の高い放射光を発生させるために、現在のシンクロトロン放射装置では大量のアンジュレーターを使用している。アンジュレーターは周期変動磁場を発生させ、高エネルギー電子ビームがアンジュレーター内で周期的に運動することで、発生した光が干渉効果により更に高い強度を備えるようになる。加速器の技術が進むにつれて、電子ビームの発散度は縮小傾向にあるが、光学素子（例えば、反射鏡、回折格子、結晶等）の熱負荷（全エネルギー光子のパワーの和）は増大の一途をたどっている。一方、加工技術の向上に伴い、光学素子における表面形状の加工誤差については完全に要求を満たせるようになっているが、熱負荷により招来される光学素子の表面形状誤差（例えば変形など）はビームライン性能に影響する決定的要因となっている。そのため、現代のシンクロトロン放射装置にとって、高熱負荷は早急に解決を要する課題とされる。放射光については、相対論効果によって、電子の運動速度方向における小発散角（光子９０％を含む発散角と定義。３．５ＧｅＶの電子ビームエネルギーの場合は０．００８°）内で熱負荷が発生する。円偏光を発生させるアンジュレーターの場合、電子は螺旋状に運動するため、その速度方向は永遠にアンジュレーターの軸線方向に沿うことがない。よって、熱負荷の極値方向はアンジュレーターの軸線から偏移し、大部分の熱負荷がダイアフラムにより濾過されるため、光学素子に照射されることはない。一方で、一般的な直線偏光アンジュレーターの場合、電子は水平面或いは垂直面内で蛇行運動するため、その速度方向はアンジュレーターの軸線を横切ることがあり、ビームラインの熱負荷が増大してしまう。

高熱負荷の問題を解決すべく、日本のＴａｎａｋａ博士は８の字アンジュレーター構造を提案している（Ｔ．Ｔａｎａｋａ ａｎｄ Ｈ．Ｋｉｔａｍｕｒａ，ｎｕｃｌｅａｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ ３６４（１９９５），３６８〜３７３）。この構造は、電子カスケードの左右回転運動と円偏光の干渉を利用して直線偏光を発生させるものであり、水平及び垂直方向の磁石周期を１：２とすることで、図１に示すような電子の運動軌跡を取得する。電子の運動軌跡が左右回転運動となることから、電子の速度方向は永遠にアンジュレーターの軸線に沿うことがなく、結果として熱負荷がアンジュレーターの軸線から偏移する一方で、コヒーレント光はアンジュレーターの軸線沿いにおいて最強となる。これによれば、放射光が直線偏光を発生させる際の熱負荷の問題が解決される。しかし、８の字アンジュレーターで発生させられるのは直線偏光のみであり、円偏光は発生させられない。また、長周期方向の第二高調波と短周期方向の基本波が干渉可能なことから、純粋な直線偏光は発生させられない。これに対し、Ｓａｓａｋｉ教授が提案するＡＰＰＬＥ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｒ）アンジュレーター（Ｓ．Ｓａｓａｋｉ，ｎｕｃｌｅａｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ ３４７（１９９４），８３〜８６）では図２に示すような磁石配列構造とされ、可動磁石群と静止磁石群との相対変位によって任意に偏光する放射光偏光を発生可能としている。しかし、直線偏光放射光を発生させる場合、ＡＰＰＬＥアンジュレーターの磁場は一般的な直線偏光アンジュレーターと同様に熱負荷の問題を解決できない。そこで、Ｓａｓａｋｉ教授はＡＰＰＬＥアンジュレーターと８の字アンジュレーターとに基づくＡＰＰＬＥ−８アンジュレーター（Ｓ．Ｓａｓａｋｉ ｅｔ．ａｌ．，ＥＰＡＣ９８，ｐ２２３７（１９９８））を提案した。当該アンジュレーターは２つの標準的なＡＰＰＬＥ磁石群から構成される。内部の４列の磁石群から構成されるＡＰＰＬＥアンジュレーターは放射光の発生に用いられ、外部の４列の磁石群から構成されるＡＰＰＬＥアンジュレーターと内部のＡＰＰＬＥアンジュレーターとが連動することで８の字運動が発生する。また、内部と外部のアンジュレーターの周期比は１対２とされる。図３に示すように、対角上にある４列の可動磁石の変位によって、任意に偏光する偏光放射光を発生可能であるが、８の字アンジュレーターは純粋な直線偏光を発生させられず、当該ＡＰＰＬＥ−８アンジュレーターの直線偏光度は８２％にとどまる。

低熱負荷の任意の偏光放射光を発生させるために、本発明者らは電磁アンジュレーターに基づくＫｎｏｔ（ノット型）アンジュレーター（Ｓ．Ｑｉａｏ ｅｔ．ａｌ．，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ８０（２００９），０８５１０８）の運転モードを提案し、放射光における熱負荷の問題を徹底的に解決した。Ｋｎｏｔアンジュレーターでも、電子カスケードの左右回転運動によって低熱負荷の直線偏光放射光を発生させるが、水平及び垂直方向の磁石周期比が３：２であることから、直線偏光度は９９．２％にも達する。且つ、電磁石の極性と電流を切り替えることで、左右回転の円偏光を発生させられる。しかし、電磁石の磁気ヒステリシス効果により、磁場の大きさは磁化電流の履歴に関係することから、加速器の安定的運転には不利であった。また、電磁石は通電によって磁場を維持する必要があるため、省エネや排出削減にも不利であった。以上の二点を考慮して、Ｓａｓａｋｉ教授は本発明者らによるＫｎｏｔアンジュレーター構造を元に、永久磁石による図４に示すようなＡＰＰＬＥ−Ｋｎｏｔアンジュレーター構造を提案した。当該構造は、内部における４列の標準ＡＰＰＬＥ磁石群と、外部における空白領域を有する４列のＡＰＰＬＥ磁石群からなる。空白領域を導入したことで、外部の磁石群で発生する磁場と内部の磁石群で発生する磁場の周期比は３：２となる。このような構造では、内部の４列の磁石による磁場が放射光の発生に必要な磁場を提供する。以下ではこれを主磁場或いはＡＰＰＬＥ磁場と称する。また、外部の４列の磁石による磁場は、主磁場に対して９０度及び−９０度のカスケードの位相差を有し、Ｋｎｏｔ運転モードを発生させる。以下ではこれを補助磁場又はＫｎｏｔ磁場と称する。図５は、図４の各永久磁石構造における主磁場と補助磁場に対応する各永久磁石ユニットの磁化方向を示している。しかし、図４に示す構造を用いた場合、外部における４列の磁石間ピッチが大きくなるため、発生するＫｎｏｔ磁場の強度があまりに弱く、アンジュレーターの軸心に対する電子速度方向の偏移角度に限界が生じてしまう。結果、アンジュレーターの軸線に対する熱負荷のピーク値方向の偏移角度に限界が生じ、大部分の熱負荷を効果的に除去することができない。

上述の従来技術における瑕疵に鑑み、本発明は、従来のアンジュレーター技術における放射光発生時の高熱負荷、及び、ＡＰＰＬＥ−Ｋｎｏｔアンジュレーターにおける外部の４列の磁石により発生する補助磁場の弱さから熱負荷を効果的に除去できない、との課題を解決するためのアンジュレーターを提供することを目的とする。

上記の目的及びその他関連の目的を実現するために、本発明は、アンジュレーターであって、電子ビームの伝送方向に沿って順に配列されるＭ個の永久磁石周期を少なくとも含み、前記永久磁石周期ごとに４列の永久磁石構造が含まれ、前記永久磁石構造ごとにＮ列の永久磁石群が含まれ、前記永久磁石群ごとにＫ個の永久磁石ユニットが含まれ、Ｍ、Ｎ、Ｋがいずれも１以上の自然数であり、４列の前記永久磁石構造は２つずつ対となって対向するように電子ビームの伝送方向両側に設けられるとともに、相対変位によって少なくとも１つの複合磁場を形成可能であり、電子ビームが前記複合磁場を通過する際に、楕円偏光、円偏光或いは０°〜３６０°のうち任意の偏光角度方向の直線偏光が発生し、且つ、電子の速度方向が前記アンジュレーターの軸線方向から偏移し、前記永久磁石構造ごとに２列の永久磁石群が含まれ、一方の永久磁石群が主磁場を発生させ、他方の永久磁石群が補助磁場を発生させ、前記補助磁場に対応する永久磁石群に含まれる永久磁石ユニットは、磁化方向が前記アンジュレーターの磁気ギャップの方向に対し垂直とされ、或いは、前記永久磁石構造ごとに永久磁石群が一列ずつ含まれ、当該永久磁石群が、磁場の偏向角度が異なるＫ個の永久磁石ユニットを含み、前記永久磁石群は、磁場を磁場周期の異なる主磁場と補助磁場に分解するとともに、自身に含まれる各永久磁石ユニットの磁場の偏向角度を調節することで、前記主磁場と前記補助磁場の磁場強度比率を調整するアンジュレーターを提供する。

好ましくは、前記主磁場と前記補助磁場が異なる磁場周期を有する。

好ましくは、前記主磁場と前記補助磁場の磁場周期比は２：３である。

好ましくは、前記補助磁場の磁場周期は、これに対応する永久磁石群に含まれる永久磁石ユニットの空白領域を設けることで調整される。

好ましくは、前記主磁場と前記補助磁場は、電子の速度方向と前記アンジュレーターの軸線方向との夾角を所望の基本波光子の受入角の半分よりも大きくすることで、低熱負荷条件における最大光強度が得られるよう、所望の基本波光子のエネルギー、電子ビームのエネルギー及び前記アンジュレーターの長さに基づいて調節される。

好ましくは、前記電子ビームのエネルギーは３．５ＧｅＶであり、前記アンジュレーターの長さは４．５mであり、所望の基本波光子はエネルギーが７ｅＶ、受入角が０．６ｍｒａｄであり、前記永久磁石構造ごとに永久磁石群が一列ずつ含まれ、当該永久磁石群により形成される主磁場と補助磁場の磁場強度比率は７：３であり、当該永久磁石群は２４個の永久磁石ユニットを含み、順時計回りを正方向、垂直上向きを角度基準である０度とすると、２４個の前記永久磁石ユニットにおける磁場の偏向角度はそれぞれ、０°、−２３°、６７°、６７°、１５７°、１５７°、−１１３°、−１１３°、−２３°、０°、９０°、９０°、１８０°、−１５７°、−６７°、−６７°、２３°、２３°、１１３°、１１３°、−１５７°、１８０°、−９０°、−９０°となる。

好ましくは、前記永久磁石ユニットにはＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ材料が用いられ、その飽和磁場強度は１．２５Ｔ以上である。

好ましくは、前記アンジュレーターは静止磁石フレームと可動磁石フレームを更に含み、固定永久磁石構造と可動永久磁石構造がそれぞれ形成されるよう、互いに対となる２列の永久磁石構造がそれぞれ前記静止磁石フレームと前記可動磁石フレームに固定され、前記可動永久磁石構造は、前記可動磁石フレームに伴われて前記固定永久磁石構造に対し異なる変位で移動することで異なる複合磁場を発生させ、これにより異なる偏光を発生させる。

上述したように、本発明のアンジュレーターは以下のような有益な効果を有する。
第一に、本発明のアンジュレーターでは複数通りの複合磁場を形成可能であり、複合磁場の作用によって電子が交互に左回転及び右回転運動することで、直線偏光、楕円偏光又は円偏光の放射光が発生する。また、電子の速度方向は永遠にアンジュレーターの軸線方向に沿うことがない。且つ、電子の速度方向とアンジュレーターの軸線との夾角が所望の基本波光子の発散角の半分よりも大きくなり、ダイアフラムによって大部分の熱負荷を濾過可能なことから、放射光を受光するビームライン上の光学素子の熱負荷が大幅に低減する。

第二に、本発明では４列の永久磁石群を利用可能なことから、ＡＰＰＬＥ−８アンジュレーターに比べて永久磁石の配列数が減少する。よって、大幅にコストが削減されるとともに、取り付けがより容易となる。

第三に、本発明のアンジュレーターは水平偏光及び垂直偏光を発生可能であるとともに、楕円偏光及び円偏光の発生も可能であるため、様々な放射光の応用要求を満たすことができる。

図１は、本発明の従来技術における電子ビームが８の字アンジュレーターを通過する際の運動軌跡を示す図である。 図２は、本発明の従来技術におけるＡＰＰＬＥアンジュレーターの磁石配列を示す図である。 図３は、本発明の従来技術におけるＡＰＰＬＥ−８アンジュレーターの磁石配列を示す図である。 図４は、本発明の従来技術におけるＡＰＰＬＥ−Ｋｎｏｔアンジュレーターの磁石配列を示す図である。 図５は、図４の各永久磁石構造における主磁場と補助磁場に対応する各永久磁石ユニットの磁化方向を示す図である。 図６は、本発明の実施例におけるＡＰＰＬＥ−Ｋｎｏｔの磁石配列を示す図である。 図７は、本発明の実施例における磁石配列を示す図である。 図８は、本発明の実施例の各永久磁石群における各永久磁石ユニットの磁場の偏向角度を示す図である。 図９は、本発明の実施例における第１の複合磁場内の電子の運動軌跡を示す図である。 図１０は、本発明の実施例における第１の複合磁場内の電子の運動速度を示す図である。 図１１は、本発明の実施例における第１の複合磁場での熱負荷を示す分布図である。 図１２は、本発明の実施例において電子が第１の複合磁場内に発生させる光子エネルギー及び光子エネルギーの変化に伴う直線偏光度を示す分布図である。 図１３は、本発明の実施例における第２の複合磁場内の電子の運動軌跡を示す図である。 図１４は、本発明の実施例における第２の複合磁場内の電子の運動速度を示す図である。 図１５は、本発明の実施例における第２の複合磁場での熱負荷を示す分布図である。 図１６は、本発明の実施例において電子が第２の複合磁場内に発生させる光子エネルギー及び光子エネルギーの変化に伴う直線偏光度を示す分布図である。 図１７は、本発明の実施例における第３の複合磁場内の電子の運動軌跡を示す図である。 図１８は、本発明の実施例における第３の複合磁場内の電子の運動速度を示す図である。 図１９は、本発明の実施例において電子が第３の複合磁場内に発生させる光子エネルギー及び光子エネルギーの変化に伴う円偏光度を示す分布図である。

以下に、特定の具体的実例によって本発明の実施形態を説明するが、当業者であれば、本明細書に開示の内容から本発明におけるその他の利点と効果を理解可能である。更に、本発明はその他の異なる具体的実施形態でも実施又は応用可能である。また、本明細書の各詳細事項については、異なる観点及び応用に基づき、本発明の精神から逸脱しないことを前提に各種の補足又は変更を加えてもよい。

本発明のアンジュレーターは、電子ビームの伝送方向に沿って順に配列されるＭ個の永久磁石周期を少なくとも含み、永久磁石周期ごとに４列の永久磁石構造が含まれる。また、永久磁石構造ごとにＮ列の永久磁石群が含まれ、永久磁石群ごとにＫ個の永久磁石ユニットが含まれる。なお、Ｍ、Ｎ、Ｋはいずれも１以上の自然数である。図６及び図７に示すように、４列の永久磁石構造は、２つずつ対となって対向するように電子ビームの伝送方向両側に設けられる。４列の永久磁石構造は、それぞれ第１永久磁石構造１００、第２永久磁石構造２００、第３永久磁石構造３００及び第４永久磁石構造４００であり、図６及び図７に示すように配列されている。第１永久磁石構造１００と第２永久磁石構造２００は対になっており、第３永久磁石構造３００と第４永久磁石構造４００が対になっている。対となった第１永久磁石構造１００及び第２永久磁石構造２００と、対となった第３永久磁石構造３００及び第４永久磁石構造４００は、対向するように電子ビームｅの伝送方向両側に設けられている。第１永久磁石構造１００と第４永久磁石構造４００は対角線をなすよう設けられており、静止して動くことがない。第２永久磁石構造２００と第３永久磁石構造３００は対角線をなすよう設けられており、電子ビームｅの伝送方向に移動可能であるとともに、第１永久磁石構造１００と第４永久磁石構造４００に対して相対的に変位する。相対変位の違いによって複数通りの複合磁場を形成可能であることから、電子ビームが複合磁場を通過すると、楕円偏光、円偏光或いは０°〜３６０°のうち任意の角度の偏光方向の直線偏光が発生する。また、電子の速度方向がアンジュレーターの軸線方向から偏移するため、熱負荷がアンジュレーターの軸線方向から偏移する。

本発明の実施例として、本発明では図６及び図７に示すような２種類のアンジュレーター構造を提案することで、補助磁場が過度に弱くなるとの課題を解決する。図６の場合、永久磁石構造ごとに２列の永久磁石群が含まれ、一方の永久磁石群（内側の永久磁石群）が主磁場を、他方の永久磁石群（外部の永久磁石群）が補助磁場を発生させる。前記主磁場と前記補助磁場は異なる磁場周期を有しており、これらの磁場周期比は２：３である。補助磁場に対応する永久磁石群に含まれる永久磁石ユニットは、磁化方向が前記アンジュレーターの磁気ギャップ５００の方向（即ち、図６のｙ軸方向）に対し垂直となっている。また、前記補助磁場の磁場周期は、これに対応する永久磁石群に含まれる永久磁石ユニットの空白領域６００を設けることで調整される。図６と図４の構造を比較すると、図４では外部の４列の磁石群における磁石の磁化方向が磁気ギャップの方向に対し平行となっている。これら磁石の磁化方向を９０度回転させると磁気ギャップに対し垂直となり、図６の構造が形成されて、十分に強い補助磁場を発生可能となる。

図７の場合、永久磁石構造ごとに永久磁石群が一列ずつ含まれており、当該永久磁石群が、磁場の偏向角度が異なるＫ個の永久磁石ユニットを含んでいる。当該永久磁石群は、磁場を図５に示すような磁場周期の異なる主磁場と補助磁場に分解するとともに、自身に含まれる各永久磁石ユニットの磁場の偏向角度を調節することで、前記主磁場と前記補助磁場の磁場強度比率を調整する。

なお、本実施例で提示する図面は本発明の基本思想を概略的に説明するものにすぎず、本発明に関する構成要素のみを図示している。また、実際に実施する場合の構成要素の数、形状及びサイズで図示しているわけではなく、実際に実施する際には、各構成要素の形態、数及び比率を任意に変更してもよく、且つ、構成要素の配置形態がより複雑となる場合もある。

永久磁石構造ごとに磁場の偏向角度が異なる複数の永久磁石ユニットが存在することから、全体的にみると、４列の永久磁石構造は、自身に含まれる全ての永久磁石の磁場をベクトル分解することで、２組の磁場成分を取得する。２組の磁場成分とは、それぞれ主磁場（即ち、ＡＰＰＬＥ磁場）と補助磁場（即ち、Ｋｎｏｔ磁場）であり、主磁場と補助磁場の周期比は２：３となる。

本実施例において、複合磁場は主磁場と補助磁場を重畳して構成される。４列の永久磁石構造間の相対変位によって複数の複合磁場を形成可能であることから、電子ビームが複合磁場を通過すると、楕円偏光、円偏光或いは０°〜３６０°のうち任意の角度の偏光方向の直線偏光が発生する。また、電子の速度方向がアンジュレーターの軸線方向から偏移するため、熱負荷がアンジュレーターの軸線方向から偏移する。４列の永久磁石構造間の相対変位としては、主に２つの場合が考えられる。第一の場合として、第２永久磁石構造２００及び第３永久磁石構造３００を同一方向に移動させることで、主磁場と補助磁場の水平及び垂直方向の磁場に９０°の位相差を持たせることが可能となり、その結果、円偏光放射光が発生する。第二の場合として、第２永久磁石構造２００と第３永久磁石構造３００を逆方向に変位させることで、主磁場と補助磁場の水平及び垂直方向の磁場に０°の位相差を持たせるとともに、この変位によって主磁場の垂直及び水平方向の磁場強度比を調整可能となる結果、一定の角度を有する直線偏光が発生する。

電子は複合磁場においてカスケードの左右回転運動或いは純粋な左右回転運動を行う際に、ノット（ｋｎｏｔ）状の運動軌跡を形成する。電子がノット状の運動によって楕円偏光、円偏光或いは０°〜３６０°のうち任意の角度の偏光方向の直線偏光を発生させる場合、電子の速度方向が前記アンジュレーターの軸線方向から偏移するため、熱負荷をアンジュレーターの軸線方向から偏移させられる。また、アンジュレーターの軸線方向にはダイアフラム又は開孔が設けられ、大部分の熱負荷はダイアフラム又は開孔よって濾過されることから、光学素子における放射光ビームラインの熱負荷が大幅に低減する。

本実施例では、アンジュレーター全体として、電子ビームの伝送方向に沿って順に配列される７つの永久磁石周期が備わっている。この７つの永久磁石周期によってアンジュレーターにおける電子ビームの周期運動を保証する場合、単一周期の場合よりも高い放射光強度を有することになる。

本発明の他の実施例として、当該実施例では永久磁石ユニットにおける磁場の偏向角度を決定する方法を提供する。永久磁石ユニットは、自身の磁場をｘ軸及びｙ軸方向に沿う２つの磁場成分として直交するよう分解するとともに、永久磁石ユニットにおける磁場の偏向角度を調節することで、当該ｘ軸及びｙ軸方向に沿う２つの磁場成分の磁場強度比率を調節する。即ち、主磁場と補助磁場の磁場強度比率を調節する。主磁場と補助磁場の磁場強度比率は、電子の速度方向とアンジュレーターの軸線方向との夾角がビームラインの受入角の半分よりも大きくなるよう、所望の基本波光子のエネルギー、電子ビームのエネルギー及びアンジュレーターの長さに基づいて調節される。これにより、低熱負荷条件における最大光強度が得られる。

よって、永久磁石の磁場はｘ軸及びｙ軸方向に沿う２つの磁場成分のベクトルの和となり、磁場の偏向角度はこれら２つの方向の磁場成分の磁場強度比率から決定される。２つの磁場成分の磁場方向は、ｘ軸の正方向又は負方向に沿う磁場方向と、ｙ軸の正方向又は負方向に沿う磁場方向を含む。

図５を参照して、上部の磁石群は主磁場を構築しようとする永久磁石構造であり、下部は補助磁場を構築しようとする永久磁石構造である。各磁石ブロックを二分割し、主磁場と補助磁場をベクトル合成するとともに、全体的な磁場強度が変わらないよう維持することで、図８に示すような磁場の偏向角度の異なる永久磁石ユニットが得られる。磁場の偏向角度は、垂直及び水平方向の磁場強度比率から決定される。本実施例において、主磁場は放射光の発生に用いられ、補助磁場は電子を偏向させてノット状の運動を発生させるために用いられる。順時計回りを正の方向とし、垂直上向きを角度基準である０度とすると、各永久磁石における磁場の最大偏向角度が大きくなるほど、補助磁場の磁場強度は大きくなり、主磁場の磁場強度は小さくなる。また、この逆についても同様となる。補助磁場の磁場強度が過度に大きい場合、アンジュレーターの軸線角度からの最大熱負荷方向の偏移も大きくなり、ビームラインの光学素子における熱負荷は小さくなる。しかし、一方で主磁場強度が低下することから、放射光の強度が下がり、高い放射光強度を得ることはできない。逆に、補助磁場の磁場強度が過度に小さい場合、最大熱負荷方向の偏向幅が小さくなり過ぎるため、ビームラインの光学素子が高い熱負荷を受けることになる。これにより、大きな熱変形が招来され、ビームライン性能が要求を満たせなくなる。よって、各永久磁石における磁場の偏向角度を調整することで主磁場と補助磁場の磁場強度を調整し、低熱負荷条件において最大の放射光強度を得る必要がある。最も単純な判別規則としては、電子の速度方向とアンジュレーターの軸線との夾角の最小値が放射光のビームラインの受入角の半分よりも大きくなるようにする。

例えば、電子ビームのエネルギーが３．５ＧｅＶ、アンジュレーターの長さが４．５ｍの場合、７ｅＶの所望の基本波光子は、発散角、即ちビームラインの受入角が０．６ｍｒａｄとなる。前記永久磁石構造ごとに永久磁石群が一列ずつ含まれ、当該永久磁石群により形成される主磁場と補助磁場の磁場強度比率が７：３の場合、電子の速度方向とアンジュレーターの軸線方向との最小夾角は０．３ｍｒａｄよりも大きくなる。このとき、当該永久磁石群は２４個の永久磁石ユニットを含み、順時計回りを正方向、垂直上向きを角度基準である０度とすると、２４個の永久磁石ユニットにおける磁場の偏向角度はそれぞれ、０°、−２３°、６７°、６７°、１５７°、１５７°、−１１３°、−１１３°、−２３°、０°、９０°、９０°、１８０°、−１５７°、−６７°、−６７°、２３°、２３°、１１３°、１１３°、−１５７°、１８０°、−９０°、−９０°となる。

なお、いうまでもなく、所望の基本波光子のエネルギー範囲としては複数通りが考えられ、永久磁石ごとの２つの磁場成分の磁場強度比率及び磁場方向も複数通り存在する。また、これに応じて、永久磁石ごとの磁場の偏向角度にも複数通りあり、上記で例示したデータに限らない。

このほか、本発明の実施例では４列の永久磁石構造を採用しており、全体的な永久磁石数が従来技術に比べて少ないため、大幅にコストが削減される。また、４列の永久磁石構造は８列の永久磁石構造よりも取り付けが容易である。

本発明の実施例におけるアンジュレーターの原理は以下の通りである。
２πを周期とし、位相変位が０の場合、第２永久磁石構造２００と第３永久磁石構造３００は、第１永久磁石構造１００と第４永久磁石構造４００に対して移動しない。また、電子ビームｅの伝送方向における一方の側の第１永久磁石構造１００及び第２永久磁石構造２００と、電子ビームｅの伝送方向における他方の側の第３永久磁石構造３００及び第４永久磁石構造４００との磁気ギャップは２２ｍｍとなる。４列の永久磁石構造は第１の複合磁場を発生させ、電子ビームは第１の複合磁場を通過する際に基本波のエネルギー部分に水平の直線偏光を発生させる。電子は複合磁場においてカスケードの左右回転運動を行うが、その運動軌跡は図９に示すようなノット状となる。また、運動速度は図１０に示すような曲線となり、熱負荷は図１１に示すような分布となる。また、光子エネルギー及び光子エネルギーの変化に伴う直線偏光度は図１２に示すような分布となる。図中の薄い色で示される曲線は本実施例の光子の直線偏光における偏光度曲線であり、７ｅＶの最大光強度において、水平の直線偏光度は９９．８％にも達している。図１０の速度曲線に示されるように、座標（０，０）はアンジュレーターの軸線方向を表しているが、電子の速度方向は永遠にアンジュレーターの軸線方向に沿うことがない。このとき、図１１に示すように、熱負荷の極大値はアンジュレーターの軸線方向から偏移している。また、ビームラインの光軸部分にはダイアフラムが設けられており、所望の基本波光子がダイアフラムを通過することで、大部分の熱負荷がダイアフラムにより濾過される。これにより、光学素子が受ける熱負荷が大幅に低減する。

第２永久磁石構造２００と第３永久磁石構造３００をそれぞれ第１永久磁石構造１００と第４永久磁石構造４００に対して位相＋π及び−πで移動させるとともに、磁気ギャップを１８ｍｍに調整することで、４列の永久磁石構造が第２の複合磁場を発生させる。電子ビームが第２の複合磁場を通過すると、基本波のエネルギー部分に垂直の直線偏光が発生する。電子は複合磁場においてカスケードの左右回転運動を行うが、その運動軌跡は図１３に示すような略偏ったノット状となる。また、運動速度は図１４のようになり、熱負荷は図１５に示すような分布となる。また、光子エネルギー及び光子エネルギーの変化に伴う直線偏光度は図１６に示すような分布となる。図中の薄い色で示される曲線は本実施例の光子の直線偏光における偏光度曲線であり、７ｅＶの最大光強度において、垂直の直線偏光における偏光度は９６．７％にも達している。なお、図中の負の偏光度は垂直偏光を表している。

第２永久磁石構造２００と第３永久磁石構造３００を第１永久磁石構造１００と第４永久磁石構造４００に対して位相０．５０５πで移動させるとともに、磁気ギャップを１８．５ｍｍに設定することで、４列の永久磁石構造が第３の複合磁場を発生させる。電子ビームが第３の複合磁場を通過すると、基本波のエネルギー部分に円偏光が発生する。電子は複合磁場においてカスケードの左右回転運動を行うが、その運動軌跡は図１７に示すようなより複雑なノット状となる。また、運動速度は図１８に示すような曲線となり、光子エネルギー、直線偏光度及び円偏光度は図１９に示すような分布となる。図中の濃い色で示される点線は光子エネルギーの変化に伴う円偏光度の曲線であり、７ｅＶの最大光強度において、円偏光度は９９．８％にも達している。

以上より、本発明のアンジュレーターは水平偏光及び垂直偏光を発生可能であるとともに、円偏光の発生も可能であるため、様々な放射光要求を満たすことができる。また、４列の永久磁石構造が相対的に変位することで形成される異なる複合磁場の作用によって、水平の直線偏光、垂直の直線偏光、或いは円偏光のいずれを発生させるかに拘わらず、電子の速度方向とアンジュレーターの軸線との夾角は７ｅＶの基本波光子の発散角の半分（０．０１７°）よりも大きくなる。よって、電子の速度方向は永遠にアンジュレーターの軸線方向に沿うことがなく、熱負荷の極大値がアンジュレーターの軸線方向から偏移するため、放射光ビームラインの熱負荷が大幅に低減する。

なお、各永久磁石ユニットにはＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ材料が用いられ、その飽和磁場強度は１．２５Ｔ以上となる。更に、アンジュレーターは静止磁石フレームと可動磁石フレームを含み、固定磁石群と可動磁石群がそれぞれ静止磁石フレームと可動磁石フレームに固定される。可動永久磁石構造は、可動磁石フレームに伴われて固定永久磁石構造に対し異なる変位で移動する。これにより異なる複合磁場が発生し、結果として異なる偏光が発生する。例えば、図６及び図７の場合、本実施例では、第２永久磁石構造２００と第３永久磁石構造３００が可動永久磁石構造であり、第１永久磁石構造１００と第４永久磁石構造４００が固定永久磁石構造となる。

以上述べたように、本発明のアンジュレーターは以下のような有益な効果を有する。
第一に、本発明のアンジュレーターでは複数通りの複合磁場を形成可能であり、複合磁場の作用によって電子が交互に左回転及び右回転運動することで、直線偏光放射光又は円偏光放射光が発生する。また、電子の速度方向は永遠にアンジュレーターの軸線方向に沿うことがない。且つ、電子の速度方向とアンジュレーターの軸線との夾角が所望の基本波光子の発散角の半分よりも大きくなり、電子の速度方向が永遠にアンジュレーターの軸線方向に沿うことがないため、熱負荷がアンジュレーターの軸線方向から偏移して、アンジュレーターの軸線方向の熱負荷が著しく低減する。また、大部分の熱負荷を光学軸上に位置するダイアフラムによって濾過可能なことから、放射光を受光するビームライン上の光学素子の熱負荷が大幅に低減する。

第二に、本発明では４列の永久磁石群を利用可能なことから、既存のＡＰＰＬＥ−８やＡＰＰＬＥ−Ｋｎｏｔアンジュレーター構造に比べて永久磁石の数が半分ですみ、大幅にコストが削減される。また、既存の８列の永久磁石群構造における取り付け困難との課題が解消される。

第三に、本発明のアンジュレーターは、水平の直線偏光と垂直の直線偏光を発生可能であるとともに、楕円偏光と円偏光の発生も可能である。更に、０°〜３６０°のうち任意の偏光角度方向の直線偏光を発生させられるため、様々な放射光の応用要求を満たすことができる。

したがって、本発明によれば従来技術における様々な瑕疵を効果的に解消可能であり、高度な産業上の利用価値を有する。

なお、上記の実施例は本発明の原理と効果を例示的に説明するためのものにすぎず、本発明を限定する主旨ではない。当該技術を熟知する者であれば、本発明の精神と範疇から逸脱しないことを前提に、上記の実施例について補足又は変更が可能である。よって、当業者が本発明に開示される精神及び技術思想から逸脱することなく完了するあらゆる等価の補足又は変更も、本発明の請求項の範囲内とされる。

１００ 第１永久磁石構造
２００ 第２永久磁石構造
３００ 第３永久磁石構造
４００ 第４永久磁石構造
５００ 磁気ギャップ

Claims (8)

1. アンジュレーターであって、
   電子ビームの伝送方向に沿って順に配列されるＭ個の永久磁石周期を少なくとも含み、前記永久磁石周期ごとに４列の永久磁石構造が含まれ、前記永久磁石構造ごとにＮ列の永久磁石群が含まれ、前記永久磁石群ごとにＫ個の永久磁石ユニットが含まれ、Ｍ、Ｎ、Ｋがいずれも１以上の自然数であり、
   ４列の前記永久磁石構造は２つずつ対となって対向するように電子ビームの伝送方向両側に設けられるとともに、相対変位によって少なくとも１つの複合磁場を形成可能であり、電子ビームが前記複合磁場を通過する際に、楕円偏光、円偏光或いは０°〜３６０°のうち任意の偏光角度方向の直線偏光が発生し、且つ、電子の速度方向が前記アンジュレーターの軸線方向から偏移し、
   前記永久磁石構造ごとに２列の永久磁石群が含まれ、一方の永久磁石群が主磁場を発生させ、他方の永久磁石群が補助磁場を発生させ、前記補助磁場に対応する永久磁石群に含まれる永久磁石ユニットは、磁化方向が前記アンジュレーターの磁気ギャップの方向に対し垂直とされ、或いは、
   前記永久磁石構造ごとに永久磁石群が一列ずつ含まれ、当該永久磁石群が、磁場の偏向角度が異なるＫ個の永久磁石ユニットを含み、前記永久磁石群は、磁場を磁場周期の異なる主磁場と補助磁場に分解するとともに、自身に含まれる各永久磁石ユニットの磁場の偏向角度を調節することで、前記主磁場と前記補助磁場の磁場強度比率を調整する
   ことを特徴とするアンジュレーター。
2. 前記主磁場と前記補助磁場が異なる磁場周期を有することを特徴とする請求項１に記載のアンジュレーター。
3. 前記主磁場と前記補助磁場の磁場周期比は２：３であることを特徴とする請求項２に記載のアンジュレーター。
4. 前記補助磁場の磁場周期は、これに対応する永久磁石群に含まれる永久磁石ユニットの空白領域を設けることで調整されることを特徴とする請求項２に記載のアンジュレーター。
5. 前記主磁場と前記補助磁場は、電子の速度方向と前記アンジュレーターの軸線方向との夾角を所望の基本波光子の受入角の半分よりも大きくすることで、低熱負荷条件における最大光強度が得られるよう、所望の基本波光子のエネルギー、電子ビームのエネルギー及び前記アンジュレーターの長さに基づいて調節されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアンジュレーター。
6. 前記電子ビームのエネルギーは３．５ＧｅＶであり、前記アンジュレーターの長さは４．５mであり、所望の基本波光子はエネルギーが７ｅＶ、受入角が０．６ｍｒａｄであり、前記永久磁石構造ごとに永久磁石群が一列ずつ含まれる場合、当該永久磁石群により形成される主磁場と補助磁場の磁場強度比率は７：３であり、
   当該永久磁石群は２４個の永久磁石ユニットを含み、順時計回りを正方向、垂直上向きを角度基準である０度とすると、２４個の前記永久磁石ユニットにおける磁場の偏向角度はそれぞれ、０°、−２３°、６７°、６７°、１５７°、１５７°、−１１３°、−１１３°、−２３°、０°、９０°、９０°、１８０°、−１５７°、−６７°、−６７°、２３°、２３°、１１３°、１１３°、−１５７°、１８０°、−９０°、−９０°となることを特徴とする請求項５に記載のアンジュレーター。
7. 前記永久磁石ユニットにはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ材料が用いられ、その飽和磁場強度は１．２５Ｔ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアンジュレーター。
8. 前記アンジュレーターは静止磁石フレームと可動磁石フレームを更に含み、固定永久磁石構造と可動永久磁石構造がそれぞれ形成されるよう、互いに対となる２列の永久磁石構造がそれぞれ前記静止磁石フレームと前記可動磁石フレームに固定され、前記可動永久磁石構造は、前記可動磁石フレームに伴われて前記固定永久磁石構造に対し異なる変位で移動することで異なる複合磁場を発生させ、これにより異なる偏光を発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアンジュレーター。