DE69023602T2

DE69023602T2 - Synchrotronstrahlungsgerät.

Info

Publication number: DE69023602T2
Application number: DE69023602T
Authority: DE
Inventors: Yoshio Gomei
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2010-09-29
Also published as: EP0420671A3; US5101169A; EP0420671A2; DE69023602D1; EP0420671B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Synchrotronstrahlungsgerät mit der Befähigung zum Entnehmen von elektromagnetischen Wellen bzw. von elektromagnetischer Strahlung, die emittiert werden bzw. wird, wenn hochenergetische Elektronen durch ein Magnetfeld abgelenkt werden.
Wie auf diesem Fachgebiet bekannt, hängt die Integrationsdichte einer Halbleiteranordnung weitgehend von den in einer Belichtungslichtquelle verwendeten Wellenlängen ab. Derzeit werden Ultraviolettstrahlen als Belichtungslicht eingesetzt, doch hat es sich als äußerst schwierig erwiesen, die Integrationsdichte mittels der angegebenen Belichtungslichtarten weiter zu erhöhen.
Unter Berücksichtigung der obigen Probleme wurden in neuerer Zeit verschiedene Untersuchungen bezüglich des Einsatzes von elektromagnetischen Wellen (spezifisch weiche Röntgenstrahlung), die bei Ablenkung hochenergetischer Elektronen durch ein Magnetfeld emittiert werden und eine große Richtwirkung bzw. Bündelung aufweisen, als Belichtungslicht durchgeführt. Tatsächlich sind bereits einige Vorschläge bezüglich der Verwendung eines Synchrotronstrahlungsgeräts, das ein solches Belichtungslicht zu emittieren vermag, gemacht worden.
Im allgemeinen ist das Synchrotronstrahlungsgerät ausgelegt, um hochenergetische Elektronen, die durch einen Vorbeschleuniger beschleunigt worden sind, in einen in einem Vakuumzustand gehaltenen Sammel- bzw. Speicherring einzuschießen, die eingeschossenen hochenergetischen Elektronen mittels mehrerer, längs des Speicherrings montierter Ablenkelektromagnete abzulenken und umlaufen oder kreisen zu lassen und die bei Ablenkung der hochenergetischen Elektronen emittierte weiche Röntgenstrahlung herauszuleiten.
Zur Vereinfachung der Anwendung des Synchrotronstrahlungsgeräts auf z.B. dem Gebiet der LSI-Herstellung müssen gewisse Verbesserungen vorgenommen werden. Da z.B. beim herkömmlichen Synchrotronstrahlungsgerät die Lebensdauer niedrigenergetischer Elektronen als kurz angesehen wird, werden die Elektronen mittels eines Vorbeschleunigers auf einige 100 MeV oder mehr beschleunigt, und die hochenergetischen Elektronen werden in den Speicherring eingeschossen und allmählich auf die Nenn-Energie beschleunigt, oder die Elektronen werden mit 100 MeV oder weniger in den Beschleunigungsring eingeschossen und dann in diesem schnell auf die Nenn-Energie beschleunigt und in einen anderen Speicherring wiedereingeschossen. Da in den grundsätzlichen Fällen der verwendete Vorbeschleuniger groß ist, vergrößern sich die Abmessungen des gesamten Synchrotronstrahlungsgeräts.
Ferner wird beim herkömmlichen Synchrotronstrahlungsgerät als Kern für die Ablenkelektromagnete ein als Rechteck(typ)-Kern bezeichneter Kern, der durch Schichten einer großen Zahl dünner Platten, welche in einer Form entsprechend dem Querschnitt des Kerns oder z.B. in "Rechteck-C"-Form gestanzt sind, zu einer Sektorkonfiguration längs der Elektronenbahn geformt ist, oder ein als Sektor(typ)-Kern, der durch Schichten einer großen Zahl dünner Platten, die in einer "Rechteck-C"-Form gestanzt sind, zu einer Sektorkonfiguration außerhalb der Ablenkbahn mit zwischengefügten Abstandstücken geformt ist, verwendet.
Beim Sektor-Kern sind jedoch die Querschnittsbreite jedes der Magnetpole an der Elektronenbahnseite und die Querschnittsbreite des Rücklaufjoches praktisch einander gleich ausgelegt, und der Bereich oder die Fläche der Magnetflußbahn des Rücklaufjoches ist klein ausgebildet. Es ist daher schwierig, das Magnetfeld auf 1,5 T zu erhöhen, was als das maximal verfügbare Magnetfeld für das Kernmaterial angesehen wird, und die Umfangslänge des Speicherrings durch Verstärkung des Ablenkmagnetfelds zu verkleinern.
Wie oben angegeben, ist es beim herkömmlichen Synchrotronstrahlungsgerät schwierig, die Größe bzw. Abmessungen des gesamten Synchrotronstrahlungsgeräts zu verkleinern und Elektronen einer ausreichenden Energiemenge im Speicherring zu sammeln bzw. zu speichern.
Scientific American, Vol. (Band) 257, Nr. 5, November 1987, S. 72 - 81, 128, New York, US., H. Winick: "Synchrotron Radiation", offenbart ein Synchrotronstrahlungsgerät mit Einrichtung zum Einspeisen eines Elektronenstrahls und Ausgeben hochenergetischer Elektronen. Ein Speicherring mit einem in einem Vakuumzustand gehaltenen Hohlraum dient dazu, die hochenergetischen Elektronen darin kreisen oder umlaufen zu lassen. Einschießeinrichtungen schießen die hochenergetischen Elektronen in den Speicherring ein. Um den Speicherring sind mehrere Ablenkmagnete angeordnet, welche die hochenergetischen Elektronen unter einem vorgegebenen Winkel ablenken, um diese hochenergetischen Elektronen im Speicherring kreisen zu lassen. Jeder Ablenkmagnet weist einen Kern mit zwei Magnetpolen auf, die einander in einer Richtung senkrecht zu einer Elektronenbahn oder -strecke, auf welcher die Elektronen kreisen, mit dazwischen angeordneter Elektronenbahn zugewandt sind. Der Kern weist auch ein Joch zum einheitlichen Koppeln der beiden Magnetpole auf. Der einen rechteckig C-förmigen Querschnitt aufweisende Kern ist mit der Form entsprechend einem vorgegebenen Ablenkwinkel ausgebildet. Strahlleitungsmittel leiten vom bzw. aus dem Speicherring dann emittiertes Eimissionslicht, wenn die hochenergetischen Elektronen mit hoher Geschwindigkeit im Speicherring umlauf en, zu einer vorbestiminten Position.
Die JP-A-1-41200 offenbart einen ähnlichen Ablenkmagneten.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines Synchrotronstrahlungsgeräts, bei dem die Größe des Vorbeschleunigers verkleinert, der Speicherstrom (Elektronenstrom) im Sammel- bzw. Speicherring erhöht und die Umfangslänge des Speicherrings verkürzt sein können, um die Größe oder Abmessungen des gesamten Synchrotronstrahlungsgeräts zu verringern und einen intensiven Synchrotronstrahlungsausgang zu erzeugen.
Gemäß einem Merkmal dieser Erfindung ist deren Gegenstand ein Synchrotronstrahlungsgerät, umfassend: eine Vorbeschleunigungseinheit zum Beschleunigen eines eingeschossenen (injected) Elektronenstrahls, eine Energieverdichtungssystemeinheit zum Reduzieren der Energiebreite des von der Vorbeschleunigungseinheit ausgegebenen Elektronenstrahls und zum Ausgeben hochenergetischer Elektronen, eine Sammelringeinheit mit einem in einem Vakuumzustand gehaltenen Hohlraum zur Ermöglichung eines Umlaufens oder Kreisens der von der Energieverdichtungssystemeinheit ausgegebenen hochenergetischen Elektronen darin, eine Einschießeinheit zum Einschießen der hochenergetischen Elektronen in die Sammelringeinheit, eine Anzahl von längs der Sanirnelringeinheit angeordneten Ablenkelektromagneten zum Ablenken der eingeschossenen hochenergetischen Elektronen von der Einschießeinheit unter einem vorgegebenen Winkel, um die hochenergetischen Elektronen in der Sammelringeinheit umlaufen oder kreisen zu lassen, wobei jeder der Ablenkelektromagnete einen Kern mit zwei Magnetpolen in einer solchen Anordnung, daß sie einander in einer Richtung senkrecht zu einer Elektronenbahn, auf welcher die hochenergetischen Elektronen umlaufen, mit dazwischen angeordneter Elektronenbahn gegenüberliegen, und ein Joch zum einheitlichen Koppeln der beiden Magnetpole an ihren an der einen Seite befindlichen Enden aufweist, welcher Kern mit einem rechteckig C-förmigen Querschnitt geformt ist und eine Form entsprechend einem vorgegebenen Ablenkwinkel aufweist, und eine Strahlleitungseinheit zum Führen von Emissionslicht, das von der Sammelringeinheit emittiert wird, wenn die hochenergetischen Elektronen in der Sammelringeinheit mit einer hohen Geschwindigkeit umlaufen bzw. kreisen, zu einer vorbestimmten Position, wobei die Vorbeschleunigungseinheit durch einen Linearbeschleuniger zum Beschleunigen von Elektronen auf 20 MeV oder weniger gebildet ist und die Querschnittsfläche der Magnetflußbahn des Joches gleich groß oder größer als die der Magnetpole eingestellt ist.
Gemäß einem anderen Merkmal dieser Erfindung ist deren Gegenstand ein Synchrotronstrahlungsgerät, umfassend: eine Vorbeschleunigungseinheit zum Beschleunigen eines eingeschossenen Elektronenstrahls und zum Ausgeben hochenergetischer Elektronen, einen Sammelring mit einem in einem Vakuumzustand gehaltenen Hohlraum zur Ermöglichung eines Umlaufens oder Kreisens der von der Vorbeschleunigungseinheit ausgegebenen hochenergetischen Elektronen darin, eine Einschießeinheit zum Einschießen der hochenergetischen Elektronen in den Sammelring, eine Anzahl von an den jeweiligen Eckabschnitten des Sammelrings angeordneten Ablenkelektromagneten zum Ablenken der eingeschossenen hochenergetischen Elektronen von der Einschießeinheit unter einem vorgegebenen Winkel, um die hochenergetischen Elektronen im Sammelring umlaufen oder kreisen zu lassen, wobei jeder der Ablenkelektromagnete einen Kern mit zwei Magnetpolen in einer solchen Anordnung, daß sie einander in einer Richtung senkrecht zu einer Elektronenbahn, auf welcher die hochenergetischen Elektronen umlauf en, mit dazwischen angeordneter Elektronenbahn gegenüberstehen, und ein Joch zum einheitlichen Koppeln der beiden Magnetpole an ihren an der einen Seite befindlichen Enden aufweist; welcher Kern mit rechteckig c-förmigem Querschnitt geformt und einstückig mit einer Form entsprechend einem vorbestimmten Ablenkwinkel ausgebildet ist, und eine Strahlleitungseinheit zum Führen von Emissionslicht, das vom Sammelring emittiert wird, wenn die hochenergetischen Elektronen im Sammelring mit einer hohen Geschwindigkeit umlaufen oder kreisen, zu einer vorbestimmten Position, wobei die Vorbeschleunigungseinheit durch ein Mikrotron zum Beschleunigen eines eingeschossenen Elektronenstrahls auf 60 - 140 MeV und zum Ausgeben von hochenergetischen Elektronen gebildet ist und die Querschnittsfläche der Magnetflußbahn des Joches gleich groß oder größer als die der Magnetpole eingestellt ist.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Synchrotronstrahlungsgeräts gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines der in das Synchrotronstrahlungsgerät eingebauten Ablenkelektromagnete,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2, in Pfeilrichtung gesehen,
Fig. 4 eine Schnittansicht eines gekrümmten Abschnitts eines in das Synchrotronstrahlungsgerät eingebauten Speicherrings,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Lebensdauer von Elektronen, abgeleitet durch Berechnung, welche die Grundlage dieser Erfindung bildet,
Fig. 6 eine Schnittansicht einer Abwandlung der Ablenkelektromagnete,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Synchrotronstrahlungsgeräts unter Verwendung von Ablenkelektromagneten mit einem Ablenkwinkel von 180º und
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines ein Mikrotron verwendenden Synchrotronstrahlungsgeräts gemäß einer anderen Ausführungsform.
Vor der Erläuterung der Ausführungsform gemäß dieser Erfindung soll die theoretische Basis oder Grundlage dieser Erfindung erläutert werden.
Gemäß herkömmlicherweise anerkannter Theorie wird die Elektronenlebensdauer τT im Niedrigenergiebereich als äußerst kurz angesehen. Aufgrund obiger Theorie ist das herkömmliche Synchrotronstrahlungsgerät so ausgelegt, daß es einen großen Vorbeschleuniger verwendet oder eine Methode des Einschießens von Elektronen in den Beschleunigungsring mit weniger als 100 MeV und des anschließenden schnellen Beschleunigens der Elektronen im Speicherring anwendet.
Vom Erfinder dieser Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß die herkömmliche Theorie nicht genau richtig ist. Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel einer spezifischen, vom Erfinder durchgeführten Berechnung. Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Elektronenlebensdauer τT und der Strahlungsdämpfungs- oder -abklingzeit τd sowie der Elektronenenergie unter einer Bedingung, daß der Vakuumgrad im Speicherring 10&supmin;&sup9; Torr und der Speicherstrom (Elektronenstrom im Speicherring) 500 mA betragen. Es ist äußerst wichtig anzumerken, daß gebündelte Elektronen durch das Auftreten einer kleinen Größe Coulomb-Streuung zwischen den Elektronen zum Anschwellen gebracht (are swollen) werden, wenn die Elektronenlebensdauer τT in einem Bereich, in welchem die Elektronenenergie etwa 200 MeV oder weniger beträgt, ausgewertet wird. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel ist das Schwellen oder Aufbeulen (swell) der konvergierten Elektronen mittels der spezifischen Berechnung ermittelt, und die Elektronenlebensdauer τT ist auf der Grundlage der Bewertung der Möglichkeit bestimmt, daß Elektronen unter einem so großen Winkel gestreut werden, daß sie gegen eine Wand prallen.
Wie aus Fig. 5 deutlich hervorgeht, wurde festgestellt, daß die Lebensdauer auch bei der Elektronenenergie von etwa 50 MeV, bei welcher die maximale Lebensdauer τT am kürzesten wird, 200 s lang sein würde. Dies erfordert eine Korrektur der herkömmlicherweise anerkannten Theorie. Wenn nämlich Elektronen von 20 MeV oder weniger eingeschossen werden, kann die Lebensdauer τT der eingeschossenen Elektronen für einige Minuten bis zu mehreren 10 min erhalten bleiben. Dies ist durch den Erfinder dieser Erfindung und Mitarbeiter in "Nuclear Instruments und Methods in Physics Research A262 (1987), 534-536, North-Holland, Amsterdam," offenbart worden.
Beim erfindungsgemäßen Synchrotronstrahlungsgerät wird ein Linearbeschleuniger zum Beschleunigen von Elektronen auf 20 MeV oder weniger oder ein Mikrotron zum Beschleunigen von Elektronen auf 60 - 140 MeV als Vorbeschleuniger eingesetzt.
Wenn Elektronen einer Energie von 20 MeV oder weniger in den Speicherring eingeschossen werden, wird die Zeit, in welcher zum Elektroneneinschießzeitpunkt hervorgerufene große Schwingung (Betatronschwingung) einer Elektronenstrahlbahn gedämpft wird, länger als die Elektronenlebensdauer τT. Bei Verwendung des Linearbeschleunigers zum Beschleunigen der Elektronen auf 20 MeV oder weniger als Vorbeschleuniger wird es daher unmöglich, Elektronen mehrmals einzuschießen. Bei Verwendung des Linearbeschleunigers ist es jedoch möglich, durch Vorsehen einer Energiestrahl-Konvergiervorrichtung in der letzten Stufe Elektronen von 500 mA oder mehr in einem Einschießzyklus einzuschießen. Demzufolge kann ein intensiver Synchrotronemissionsausgang durch Beschleunigung der Elektronen auf 800 MeV als Nenn-Größe in z.B. einer vergleichsweise langen Zeitspanne von beispielsweise 1 min, die ausreichend kürzer ist als die Lebensdauer τT, nach Einspeisung eines großen Stroms und anschließendes Einstellen eines Speicherzustands gewonnen werden.
Wenn andererseits ein Mikrotron zum Beschleunigen der Elektronen auf 60 - 140 MeV als Vorbeschleuniger eingesetzt wird, kann aufgrund seiner Charakteristika ein großer Strom nicht in einem Einschießzyklus eingespeist werden; da jedoch die Elektronenlebensdauer τT vergleichsweise länger ist als die Emissionsabklingzeit τd, wie dies deutlich aus Fig. 5 hervorgeht, können Elektronen mehrmals eingeschossen werden, indem die Elektronen jedesmal dann eingeschossen werden, wenn die Betatronschwingung des einfallenden Strahls ausreichend abgeklungen ist. Es ist daher auch möglich, Elektronen von 500 ma oder mehr einzuschießen. In diesem Fall kann ebenfalls ein intensiver Synchrotronemissionsausgang durch Beschleunigen der Elektronen auf 800 MeV als Nenn-Größe in z.B. einer vergleichsweise langen Zeitspanne von beispielsweise 1 min und anschließendes Einstellen eines Speicherzustands gewonnen werden.
Auf diese Weise kann ein Elektronenstrahl eines großen Stroms mit der erforderlichen Energie unter Verwendung des Linearbeschleunigers zum Beschleunigen von Elektronen auf 20 MeV oder weniger oder des Mikrotrons zum Beschleunigen von Elektronen auf 60 - 140 MeV, ohne die Elektronen nach dem Elektroneneinschießvorgang schnell zu beschleunigen, im Speicherring gespeichert werden. Der Linearbeschleuniger oder das Mikrotron mit den angegebenen Charakteristika ist im allgemeinen klein und trägt zu einer Verringerung der Größe des gesamten Synchrotronstrahlungsgeräts bei. Da ferner die Elektronen auf ein gewünschtes Energieniveau beschleunigt werden können, ohne die Elektronen nach ihrem Einschießen in den Speicherring schnell zu beschleunigen, wird zum Beschleunigungszeitpunkt in dem die Ablenkelektromagnete bildenden Kern kein großer Wirbelstrom induziert, so daß es nicht nötig ist, die Ablenkfelder in einer laminierten oder Schichtstruktur zu bilden.
Da beim erfindungsgemäßen Synchrotronstrahlungsgerät die Beziehung zwischen den Breiten des Joches und der Magnetpole des Kerns für jeden Ablenkelektromagneten auf oben angegebene Weise festgelegt ist, kann die Querschnittsfläche der Magnetbahn des Joches gleich groß oder größer als die des Magnetpols eingestellt sein. Mit der Sektor-Kernstruktur wird es daher möglich, ein Magnetfeld von etwa 1,5 T, das als das maximal verfügbare Magnetfeld für das normale Kernmaterial auf der Elektronenbahn angesehen wird, zu liefern. Damit wird eine Wirkung der Vergrößerung des Ablenkwinkels eines Sektortyps sowie der genannte Entmagnetisierungseffekt des Elektromagneten erzielt. Als Ergebnis wird es möglich, die Umfangslänge des Speicherrings weiter zu verkürzen.
Nachstehend ist die Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Synchrotronstrahlungsgeräts gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Vorbeschleuniger 1 als Linearbeschleuniger dargestellt; der Linearbeschleuniger 1 verwendet einen Linearbeschleuniger kleiner Abmessungen zum Beschleunigen von Elektronen auf 20 MeV oder weniger und (bzw.) 15 MeV bei diesem Beispiel.
Ein durch den Linearbeschleuniger 1 beschleunigter Elektronenstrahl wird durch ein Energieverdichtungssystem 2 mit drei Elektronen-Ablenkmagneten und einem Beschleunigungshohlraum geleitet und dann über eine Einschießsektion 3 in einen in einen Vakuumzustand von etwa 10&supmin;&sup9; Torr gesetzten Sammel- bzw Speicherring 4 eingeschossen.
Der Speicherring 4 enthält die Strahlleitung. Bei diesem Beispiel ist der Speicherring 4 nicht mit einer vollkommenen Kreisform, sondern mit einer Rechteckrahmenform ausgebildet. Die vier Eckabschnitte des Speicherrings 4 sind mit einer kreisbogenförmigen Konfiguration einer Länge entsprechend einem Viertel eines Kreises mit einem vorgegebenen Krümmungsradius ausgebildet. In der Nähe bzw. im Bereich der vier Kreisbogenabschnitte des Speicherrings 4 sind Ablenkelektromagnete 5 zum Ablenken von im Speicherring 4 laufenden Elektronen mittels eines Magnetfelds um 90º angeordnet.
Jeder der Ablenkelektromagnete 5 umfaßt einen Kern 6 und eine Wicklung oder Spule 7 aus einer um den Kern 6 gewickelten normalleitenden Spule. Der Kern 6 ist materialeinheitlich in einer Sektor- bzw. Kreissegmentform ausgebildet. Gemäß Fig. 2 umfaßt der Kern 6 nämlich zwei Magnetpole 8 und 9, die einander in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene einer Elektronenbahn P mit dazwischen angeordneter Elektronenbahn P oder dazwischen angeordnetem Speicherring 4 zugewandt sind, und ein Joch 10 zum Koppeln der Magnetpole 8 und 9 miteinander im Umgebungsbereich der Mittelachse der Elektronenbahn P. Der Kern 6 ist mit einem "rechteckig C"-förmigen Querschnitt geformt und materialeinheitlich mit einer Sektorbzw. Kreissegmentkonfiguration ausgebildet. In diesem Fall ist gemäß Fig. 3 die Breite L1 des Joches 10 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Elektronenbahn P größer eingestellt als die Breite L2 des Magnetpols 8 (9) in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Elektronenbahn P. Dies bedeutet, daß durch Wahl der Breiten L1 und L2 mit der angegebenen Beziehung die Querschnittsfläche der Magnetflußbahn des Joches 10 gleich groß oder größer als die des Magnetpols 8 oder 9 eingestellt ist.
Nahe dem geraden Abschnitt des Speicherrings 4 ist ein Vierpol-Magnet 11 angeordnet, und in einem der geraden Abschnitte ist ein Hochfreguenz-Beschleunigungshohlraum 12 angeordnet. Strahlleitungen 13 zum Leiten des Emissionslichts, das generiert wird, wenn Lichtenergieelektronen durch das Magnetfeld abgelenkt werden, sind an den Innenabschnitt des Speicherrings 4 in Bereichen außerhalb der Elektronenbahn P und an den Wänden der Kreisbogenabschnitte des Speicherrings 4 angeschlossen. Jede Strahlleitung ist mit dem Speicherring so gekoppelt, daß sie in der Richtung der Tangente zu seinem Kreisbogenabschnitt verläuft.
Ferner sind gemäß Fig. 4 aus z.B. vergleichsweise dünnen Bleiplatten oder -blechen geformte Gammastrahlung-Abschirmelemente 14 am Außenumfang des Speicherrings 4 in Bereichen montiert, die in bezug auf die Laufrichtung der Elektronen von den geraden Abschnitten zu den gekrümmten Abschnitten des Speicherrings 4 reichen. Ferner sind aus z.B. vergleichsweise dünnen Bleiplatten oder -blechen geformte Gammastrahlung- Abschirmelemente 15 längs Verlängerungslinien von Bereichen montiert, die von den geraden Abschnitten zu den gekrümmten Abschnitten des Speicherrings 4 reichen. Ein in Fig. 4 dargestelltes Element 16 stellt die Wand eines Gehäuses dar.
Beim Synchrotronstrahlungsgerät mit dem beschriebenen Aufbau werden Elektronen durch den Linearbeschleuniger 1 auf 15 MeV beschleunigt. Im allgemeinen ist die Energiebreite des beschleunigten Elektronenstrahls größer als 1 % oder mehr. Wenn die Elektronen ohne weiteres in den Speicherring 4 eingeschossen werden, wird der Anteil der gegen die Wand des Speicherrings 4 prallenden Elektronen größer, so daß es schwierig wird, einen großen Speicherstrom zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform wird daher der Elektronenstrahl der großen Energiebreite zunächst in eine Energiestrahl-Konvergier- oder -Verdichtungsvorrichtung 2 zum Reduzieren der Energiebreite eingespeist und dann in den Speicherring 4 eingeschossen.
Der in den Speicherring 4 eingeschossene Elektronenstrahl wird zum Laufen längs der Umfangsbahn in dem durch die Ablenkmagnete 5 aufgestellten Feld abgelenkt, durch den Hochfrequenz-Beschleunigungshohlraum 12 auf eine höhere Energie beschleunigt und zum Umlaufen oder Kreisen gebracht. In diesem Fall wird unter wirksamer Nutzung der Tatsache, daß die Elektronenlebensdauer τT - wie in Fig. 5 gezeigt -ausreichend lang ist, wie Felderhöhungsgeschwindigkeit des Ablenkmagneten eingestellt, um Elektronen mit einer vergleichsweise kleinen Änderungsgröße von z.B. etwa 20 MeV/s zu beschleunigen. Ein Emissionslicht, das emittiert wird, wenn ein im Speicherring 4 auf ein gewünschtes Energieniveau beschleunigter Elektronenstrahl durch das Magnetfeld abgelenkt wird, wird über die Strahlleitungen 13 herausgeführt.
Wenn der Elektronenstrahl auf oben angegebene Weise im Speicherring 4 kreist, prallt ein Teil der Elektronen gegen die den Speicherring 4 bildende Wand, wobei durch den Aufprall bzw. die Kollision Gammastrahlen erzeugt werden. Eine spezifische Analyse dieser Erscheinung hat ergeben, daß es der Wandabschnitt im geraden Abschnitt des Speicherrings 4 ist, gegen den Elektronen mit vergleichsweise hoher Dichte prallen, wobei die Elektronen mit einem Einfallswinkel von etwa 1 oder weniger gegen den Wandabschnitt prallen. Als Ergebnis der obigen Analyse sind bei diesem Beispiel die Gammastrahlung-Abschirmelemente 14 und 15 am Außenumfang des geraden Abschnitts des Speicherrings 4 und auf der Verlängerungslinie des geraden Abschnitts angeordnet.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird daher der Linearbeschleuniger 1 zum Beschleunigen von Elektronen auf 15 MeV als Vorbeschleuniger benutzt. Letzterer kann daher klein sein, so daß die Abmessungen des gesamten Geräts verkleinert sein können. Da ferner - wie oben beschrieben - auch die Elektronenlebensdauer τT von niederenergetischen Elektronen ausreichend lang ist, ist es nicht nötig, die Elektronen nach ihrem Einschießen in den Speicherring 4 schnell zu beschleunigen. Damit kann die Entstehung des bei schneller bzw. kurzer Beschleunigungszeit auftretenden Fehlermagnetfelds der Ablenkelektromagnete 5 vermieden werden. Da weiterhin die Querschnittsfläche der Magnetflußbahn des Joches 10 des in den Ablenkelektromagneten 5 eingebauten Kerns 6 gleich groß oder größer als die der Magnetpole 8 und 9 eingestellt ist, kann auf die Elektronenbahn P des Ablenkabschnitts ein Magnetfeld von etwa 1,5 T, das als das maximal verfügbare Magnetfeld des Kernmaterials angesehen wird, einwirken. Das einwirkende Magnetfeld kann mithin auf praktisch einen durch das Kernmaterial bestimmten oberen Grenzwert erhöht werden, indem ein Sektor-Kern, der vorteilhaft zur Verkleinerung der Größe verwendet wird, eingesetzt wird, als Ergebnis kann der Ablenkwinkel mit dem verwendeten Ablenkelektromagneten 5 kleiner Abmessungen groß eingestellt werden, so daß die Größe des gesamten Geräts weiter verkleinert werden kann.
Wenn die Gammastrahlung-Abschirmelemente 14 und 15 in den bei der beschriebenen Ausführungsform angegebenen Positionen angeordnet sind, können Gammastrahlen in den Bereichen, in denen sie mit vergleichsweise großer Dichte emittiert werden, wirksam abgeschirmt werden. Die für die Wand 16 des Gehäuses geforderte Abschirmfunktion kann mithin erheblich verringert sein; infolgedessen kann insgesamt eine beträchtliche Kostensenkung für das Gehäuse und die Gammastrahlungsabschirmung erreicht werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Gemäß Fig. 6 kann nämlich der Kern 6 materialeinheitlich so geformt sein, daß er der Bedingung L1 > L2 genügt, und eine solche Form aufweisen, daß die Stirnflächen 16a und 16b des Kerns 6 in der Richtung der Elektronenbahn P diese auf ihrer Ebene unter einem Winkel θ von 90º oder weniger schneiden, um damit die Querschnittsfläche der Magnetflußbahn des Joches 10 weiter zu vergrößern. Ferner kann der Ablenkelektromagnet für eine Ablenkung des Elektronenstrahls unter einem gewünschten Ablenkwinkel von z.B. 60º oder 180º geformt sein. Bei Verwendung z.B. eines 180º-Ablenkelektromagneten (eines halbkreisförmigen Elektromagneten) 20 besitzt das Synchrotronstrahlungsgerät den Aufbau gemäß Fig. 7.
Weiterhin wird bei der obigen Ausführungsform der kleine Abmessungen aufweisende Linearbeschleuniger zum Beschleunigen von Elektronen auf 20 MeV oder weniger als Vorbeschleuniger eingesetzt. Gemäß Fig. 8 kann jedoch als Vorbeschleuniger ein Mikrotron (21) zum Beschleunigen von Elektronen auf 60 - 140 MeV verwendet werden. Bei Verwendung des Mikrotrons entfällt die Energiestrahl-Konvergiervorrichtung 2.
Das Mikrotron mit der oben angegebenen Funktion kann vergleichsweise klein ausgelegt sein und hat keinen ungünstigen Einfluß auf die kompakte Bauweise des gesamten Geräts. Im Fall des Mikrotrons ist ein Einschießstrom im Betriebszyklus aufgrund seiner Charakteristik klein; da jedoch die Elektronenlebensdauer τT im obigen Energiebereich vergleichsweise länger ist als die Emissionsabklingzeit τd, wird es möglich, Ströme - wie oben beschrieben - mehrmals einzuschießen. Aus diesem Grund kann auch bei Verwendung des Mikrotrons ein großer Strom gespeichert werden, wobei die gleiche Wirkung wie bei der obigen Ausführungsform erreicht werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, kann erfindungsgemäß bei kleinen Abmessungen des gesamten Geräts ein starker Synchrotronemissionsausgang erzielt werden.

Claims

1. Synchrotronstrahlungsgerät, umfassend:

eine Vorbeschleunigungseinheit (1) zum Beschleunigen eines eingeschossenen (injected) Elektronenstrahls,

eine Energieverdichtungssystemeinheit (2) zum Reduzieren der Energiebreite des von der Vorbeschleunigungseinheit (1) ausgegebenen Elektronenstrahls und zum Ausgeben hochenergetischer Elektronen,

eine Sammelringeinheit (4) mit einem in einem Vakuumzustand gehaltenen Hohlraum zur Ermöglichung eines Umlaufens oder Kreisens der von der Energieverdichtungssystemeinheit aus gegebenen hochenergetischen Elektronen darin,

eine Einschießeinheit (3) zum Einschießen der hochenergetischen Elektronen in die Sammelringeinheit (4),

eine Anzahl von längs der Sarnmelringeinheit (4) angeordneten Ablenkelektromagneten (5) zum Ablenken der eingeschossenen hochenergetischen Elektronen von der Einschießeinheit (3) unter einem vorgegebenen Winkel, um die hochenergetischen Elektronen in der Sammelringeinheit (4) umlaufen oder kreisen zu lassen, wobei jeder der Ablenkelektromagnete (5) einen Kern (6) mit zwei Magnetpolen (8, 9) in einer solchen Anordnung, daß sie einander in einer Richtung senkrecht zu einer Elektronenbahn, auf welcher fflu hochenergetischen Elektronen umlaufen, mit dazwischen angeordneter Elektronenbahn gegenüberliegen, und ein Joch (10) zum einheitlichen Koppeln der beiden Magnetpole an ihren an der einen Seite befindlichen Enden aufweist, welcher Kern mit einem rechteckig C-förmigen Querschnitt geformt ist und eine Form entsprechend einem vorgegebenen Ablenkwinkel aufweist, und

eine Strahlleitungseinheit (13) zum Führen von Emissionslicht, das von der Sammelringeinheit (4) emittiert wird, wenn die hochenergetischen Elektronen in der Sammelringeinheit (4) mit einer hohen Geschwindigkeit umlaufen bzw. kreisen, zu einer vorbestimmten Position,

wobei die Vorbeschleunigungseinheit (1) durch einen Linearbeschleuniger zum Beschleunigen von Elektronen auf 20 MeV oder weniger gebildet ist und die Querschnittsfläche der Magnetflußbahn des Joches (10) gleich groß oder größer als die der Magnetpole (8, 9) eingestellt ist.

2. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelringeinheit (4) eine Anzahl von geraden Abschnitten und eine Anzahl von kreisbogenförmigen Eckabschnitten aufweist und der Kern eines jeden Ablenkmagneten (5) aus einem Kern entsprechend den mehreren kreisbogenförmigen Eckabschnitten der Sammelringeinheit geformt ist.

3. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (6) durch einen Kern gebildet ist, der zum Ablenken von Energieelektronen um 90º mit einer Kreisausschnitt- oder Sektorkonfiguration ausgebildet ist.

4. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (20) durch einen Kern gebildet ist, der zum Ablenken von Energieelektronen um 180º mit einer halbkreisförmigen Konfiguration ausgebildet ist.

5. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbeschleunigungseinheit durch einen Linearbeschleuniger (1) zum Beschleunigen von Elektronen auf 20 MeV oder weniger gebildet ist.

6. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbeschleunigungseinheit durch einen Linearbeschleuniger (1) zum Beschleunigen von Elektronen auf 15 MeV gebildet ist.

7. Synchrotronätrahlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gammastrahlungs-Abschirmelemente (15) an mindestens einem Teil des Außenumfangs der geraden Abschnitte der Sammelringeinheit (4) und den Verlängerungslinien der geraden Abschnitte montiert sind.

8. Synchrotronstrahlungsgerät, umfassend:

eine Vorbeschleunigungseinheit (21) zum Beschleunigen eines eingeschossenen Elektronenstrahls und zum Ausgeben hochenergetischer Elektronen,

einen Sammelring (4) mit einem in einem Vakuumzustand gehaltenen Hohlraum und mit vier Eckabschnitten zur Ermöglichung eines Umlaufens oder Kreisens der von der Vorbeschleunigungseinheit (21) ausgegebenen hochenergetischen Elektronen darin, eine Einschießeinheit (3) zum Einschießen der hochenergetischen Elektronen in den Sammelring,

eine Anzahl von an den jeweiligen Eckabschnitten des Sammelrings angeordneten Ablenkelektromagneten (5) zum Ablenken der eingeschossenen hochenergetischen Elektronen von der Einschießeinheit unter einem vorgegebenen Winkel, um die hochenergetischen Elektronen im Sammelring umlaufen oder kreisen zu lassen, wobei jeder der Ablenkelektromagnete (5) einen Kern (6) mit zwei Magnetpolen (8, 9) in einer solchen Anordnung, daß sie einander in einer Richtung senkrecht zu einer Elektronenbahn, auf welcher die hochenergetischen Elektronen umlaufen, mit dazwischen angeordneter Elektronenbahn gegenüberstehen, und ein Joch (10) zum einheitlichen Koppeln der beiden Magnetpole an ihren an der einen Seite befindlichen Enden aufweist, welcher Kern mit rechteckig C-förmigem Querschnitt geformt und einstückig mit einer Form entsprechend einem vorbestimmten Ablenkwinkel ausgebildet ist, und

eine Strahlleitungseinheit (13) zum Führen von Emissionslicht, das vom Sammelring emittiert wird, wenn die hochenergetischen Elektronen im Sammelring mit einer hohen Geschwindigkeitumlaufen oder kreisen, zu einer vorbestimmten Position,

wobei die Vorbeschleunigungseinheit (21) durch ein Mikrotron zum Beschleunigen eines eingeschossenen Elektronenstrahls auf 60 - 140 MeV und zum Ausgeben von hochenergetischen Elektronen gebildet ist und die Querschnittsfläche der Magnetflußbahn des Joches (10) gleich groß oder größer als die der Magnetpole (8, 9) eingestellt ist.

9. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 8, wobei Gammastrahlungs-Abschirmelemente an mindestens einem Teil des Außenumfangs der geraden Abschnitte des Sarnmelrings und den Verlängerungslinien der geraden Abschnitte montiert sind.

10. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 8, wobei der Kern durch einen Kern mit einer Kreisausschnitt- oder Sektorkonfiguration zum Ablenken von Energieelektronen um 90º gebildet ist.

11. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern durch einen Kern gebildet ist, der zum Ablenken von Energieelektronen um 180º mit einer halbkreisförmigen Konfiguration ausgebildet ist.

12. Synchrotronstrahlungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelringeinheit (4) eine Anzahl von geraden Abschnitten und eine Anzahl von kreisbogenförmigen Abschnitten aufweist und der Kern eines jeden Ablenkmagneten (5) aus einem Kern entsprechend den mehreren kreisbogenförmigen Abschnitten der Sammelringeinheit geformt ist.