5MeV 電子ビーム用双極子電磁石スペクトロメーター

CANDLEシンクロトロン研究所（アルメニア）が手掛けるAREAL（Advanced Research Electron Accelerator Laboratory）は、レーザー駆動RF電子銃をベースとする電子線形加速器プロジェクトです。超短パルス低エミッタンス電子ビーム生成を目的としたこのプロジェクトの成果は、革新的加速器や新しいコヒーレント光源、原子や分子プロセス工学分野における研究に活かされます。

双極子電磁石は、5 MeV電子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の測定に用いられる、磁界によるスペクトロメーターの構成要素です。スペクトロメーターは、磁界でビーム軌道が示す粒子エネルギー依存性を応用しています。磁界により荷電粒子の運動は円軌道を描きます。この運動の求心力はローレンツ力 F = qvB （qは粒子の電荷、vは粒子の速度、Bは速度方向に垂直な磁束密度）より求められます。この式の左辺を求心力に置換して式（1）を、さらに半径を磁束密度の関数として式（2）を得ます。

粒子が磁界を横断するとき、速度は（静止質量が同じならば）軌道の半径に比例します。すなわち曲率半径が大きいほど粒子が速いことが分かります。図2に示すように、粒子の軌道を曲げる双極子電磁石の磁界のシミュレーションをCST EM STUDIO（CST EMS）の静磁界ソルバーで行います。静磁界ソルバーは、ヨークの鉄材質がもつ非線形磁化曲線B（H）カーブを考慮して計算を実行します。電磁石を駆動する2つのコイルは電流10A、コイル巻き数500としてCST EMS内蔵のモデルを使用します。粒子を入射する向きを図2に示します。

磁界の断面を図3に示します。左は磁界強度を示し、主にエアギャップ周辺が高くなっています。右は磁束密度で、鉄ヨーク内部に集中しています。

論文[1]の記述に従い、粒子軌道に沿う磁界を調べます。カーブに沿う磁界をポスト処理によって得ることができます。図4はその結果で、2本のカーブに沿う磁束密度をそれぞれ示します。

最後にCST PARTICLE STUDIOのTrackingソルバーを使用して、粒子軌道解析を実行します。それぞれエネルギーが異なる5つの粒子を同じ位置から入射します。エネルギーは4?5MeVの間を0.25MeV間隔の値に設定します。

式（2）から予想される通り、高速な（エネルギーの高い）粒子の軌道は、より大きな曲率半径を描きます。粒子モニターを定義し、粒子軌道に沿う磁界を積分することにより、さらに詳細な解析が可能になります。詳しくは [1] を参照してください。シミュレーションの結果は、論文 [2] の測定結果と良好な相関を示します。

参考文献

[1] Andranik Tsakanian, "AREAL Dipole Magnet for 5MeV Electron Beam", CANDLE internal report, Yerevan, Armenia

[2] Andranik Tsakanian, "First Measurements of AREAL Dipole Magnet", AREAL project meeting, October 2013, Yerevan, Armenia /