JP3121017B2 - ビーム調整方法 - Google Patents

ビーム調整方法

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JP3121017B2
JP3121017B2 JP07509676A JP50967695A JP3121017B2 JP 3121017 B2 JP3121017 B2 JP 3121017B2 JP 07509676 A JP07509676 A JP 07509676A JP 50967695 A JP50967695 A JP 50967695A JP 3121017 B2 JP3121017 B2 JP 3121017B2
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淳一 廣田
和夫 平本
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は工業用又は医薬用加速器におけるビーム調整
方法に関する。
背景技術 従来技術としては、電子リニアックのビームモニター
OHO'86高エネルギー加速器セミナー；ビームモニターと
ビーム不安定性p.4−１（1986）に記載のように、円形
加速器の立ち上げ運転や動作パラメータの変更は、予め
計算されたパラメータをもとに形状モニター、位置モニ
ター、電流モニター等のモニター出力を観測し手動で行
なわれていた。
図２の電子蓄積リングを例にとり従来技術を説明す
る。前段加速器10より得られる電子ビームをビーム輸送
系11と呼ばれる電磁石群により電子ビームを整形、位置
合わせ、及びエネルギー選別した後、電子蓄積リング12
に入射する。その後、電子ビームは、蓄積リング12の電
磁石群によりある一定の軌道（以後、閉軌道と呼ぶ）上
に保持される。また、電子ビームは、蓄積リング内の加
速空胴22からエネルギーの供給を受けて加速或いは蓄積
状態に保持される。このような一連の動作はビーム調整
と呼ばれ、ビーム輸送系11、蓄積リング12内に置かれた
各種モニター出力を見ながら手動で調整されており、加
速器の運転は一部のエキスパートに頼るところが多かっ
た。
上記従来技術は、ビーム調整を手動で行なっていたた
め立ち上げ運転又は動作パラメータの変更などが容易で
ない。また、決定すべきパラメータ（電磁石の励磁電流
など）が多いため真の動作パラメータを容易に決定でき
ないと共に、運転員の技量にも大きく左右されるという
問題がある。
他の従来技術として、特開平４−169100号公報に、シ
ンクロトロン加速器への荷電粒子ビームの入射時および
出射時において補正電磁石（ビームの軌道補正を行う）
に供給する励磁電流値を予め記憶し、所定のタイミング
でこの励磁電流を補正電磁石に供給する加速器が開示さ
れている。
また、特開昭58−140999号公報には、サイクロトロン
から引出されたビーム電流値を検出し、ビーム電流値が
最大となるように電磁石の励磁電流を制御する制御方法
が開示されている。
本発明の目的は、動作パラメータを容易に決定できる
ビーム調整方法を提供することにある。
発明の開示 上記目的は、荷電粒子ビームを偏向する複数の偏向磁
石と荷電粒子ビームを収束及び発散させる複数の４極磁
石とを有するビーム輸送系或いはシンクロトロンにおけ
るビーム調整方法において、前記偏向磁石と前記４極磁
石の間に配置された複数の電流モニターによって測定さ
れる荷電粒子ビームの電流値が各々最大となるように、
荷電粒子ビームの進行方向における上流側から下流側へ
と配置された順番に偏向磁石及び４極磁石を制御し、そ
の後、荷電粒子ビームの進行方向において最も下流側に
配置された電流モニターによって測定される荷電粒子ビ
ームの電流値が最大となるように複数の偏向磁石及び４
極磁石を制御することにより達成される。
本発明によれば、磁石の漏れ磁場などによる結合関係
を補正した最適なパラメータを容易に決定できる。
図面の簡単な説明 図１は、本発明を半導体露光装置に適用した第１の実
施例を示す図である。
図２は、従来の電子蓄積リングを示す図である。
図３は、図１の制御装置の詳細を示す図である。
図４は、図１の加速器本体の立ち上げ運転方法を示す
図である。
図５は、図３の制御量設定装置の詳細を示す図であ
る。
図６は、図３の制御量測定装置の詳細を示す図であ
る。
図７は、図３のビーム電流測定装置の詳細を示す図で
ある。
図８は、図３のトリガ発生装置の詳細を示す図であ
る。
図９は、磁石と磁石用電源の接続を示す図である。
図10は、加速器本体の定常運転方法を示す図である。
図11は、加速器本体の運転条件を変更する場合の運転
方法を示す図である。
図12は、本発明を半導体露光装置に適用した第２の実
施例を示す図である。
図13は、図12の加速器本体の運転方法を示す図であ
る。
図14は、本発明を医療用装置に適用した第３の実施例
を示す図である。
図15は、図14の医療用装置の運転方法を示す図であ
る。
発明を実施するための最良の形態 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。図１
は本発明を半導体露光装置に適用した第１の実施例を示
す図であり、図３は図１の制御装置の詳細を示す図であ
る。本実施例の半導体露光装置は、電子ビームの発生か
ら加速，蓄積を行う加速器本体と、加速器本体から出射
した放射光501を用いて半導体基板上に所望のパターン
を転写するパターン転写装置500と、加速器本体の複数
の構成要素の制御を主に行う制御装置400とから構成さ
れる。
加速器本体は、電子ビームを発生する前段加速器10
と、前段加速器10から発生した電子ビームを蓄積リング
12に輸送するビーム輸送系11と、電子ビームの加速・蓄
積を行なう蓄積リング12とで構成され、これら構成要素
内のビーム軌道は内部を真空排気された真空ダクト25で
囲まれている。ビーム輸送系11は、電子ビームを偏向す
る偏向磁石20と、電子ビームの収束及び発散を行う４極
磁石21と、電子ビームのビーム電流を測定する電流モニ
ター320〜324とで構成される。蓄積リング12は、電子ビ
ームを蓄積リングに入射させる入射器23と、偏向磁石20
と、４極磁石21と、電子ビームの位置を微調整するステ
アリング磁石26と、電子ビームを加速する加速空胴22
と、電流モニター330〜338とで構成される。電流モニタ
ー320〜338は、偏向磁石20を挟むようにその前後に配置
してある。
加速器の動作監視及び制御を行なう制御装置400は、
図３に示すように所定のタイミングで加速器のビーム電
流を測定するビーム電流測定装置42と、前段加速器10の
カソード温度や、偏向磁石20,4極磁石21,ステアリング
磁石26の励磁電流などの制御量を所定のタイミングで測
定する制御量測定装置43と、所定のタイミングで加速器
の各構成要素の制御量を設定する制御量設定装置44と、
ビーム電流測定装置42によるビーム電流の測定、制御量
測定装置43による制御量の測定、制御量設定装置44によ
る制御量の設定、及び加速器における電子ビームの入
射，出射，加速，減速のためのトリガ信号（以下、各種
トリガ信号と呼ぶ）を発生するトリガ発生装置41と、全
ての構成要素の制御量及び制御のタイミングを決定する
主制御装置40とで構成される。
制御量設定装置44は、図５に示すように、主制御装置
40から出力される制御量信号81を保持するバッファ441
と、トリガ発生装置41から出力される設定トリガ信号99
に従ってディジタル信号をアナログ信号に変換するD/A
変換器442からなる。
制御量測定装置43は、図６に示すように、トリガ発生
装置41から測定トリガ信号97が出力された時点におい
て、前段加速器10や各種磁石のための電源から出力され
るモニター信号を保持するサンプルホールド回路431
と、サンプルホールド回路431で保持したアナログ信号
をディジタル信号に変換するA/D変換器432と、ディジタ
ル信号を蓄えるバッファ434とからなる。
ビーム電流測定装置42は、図７に示すように、トリガ
発生装置41から出力される測定トリガ信号93又はビーム
蓄積確認トリガ信号94が出力された時点において、電流
モニター320〜338から出力されるモニター信号を保持す
るサンプルホールド回路421と、サンプルホールド回路4
21で保持したアナログ信号をディジタル信号に変換する
A/D変換器422と、ディジタル信号を蓄えるバッファ424
とからなる。
トリガ発生装置41は、図８に示すように、マスター発
振器412と、マスター発振器412の単一出力を複数の出力
に分配する分配器413と、制御量設定，制御量測定，ビ
ーム電流測定のための各トリガ信号に適切な遅延量を与
える遅延器414と、遅延器414の出力を前段加速器10と入
射器23に分配する分配器415と、分配器415の出力に前段
加速器10と入射器23に必要な固有遅延量を与える遅延器
416と、遅延器414及び416が出力する遅延量を設定する
遅延設定回路411と、ビーム電流の測定トリガ信号93又
はビーム蓄積確認トリガ信号94のどちらか一方が入力さ
れたとき、ビーム電流測定装置42を動作させるOR回路41
7からなる。尚、分配器415にマスター発振器412の出力
を直接入力する構成にしても良い。
偏向磁石20,4極磁石21,ステアリング磁石26と、制御
量測定装置43及び制御量設定装置44との接続を図９に示
す。磁石用電源201は、負荷である磁石（20,21,又は2
6）の励磁電流を測定する励磁電流モニター202と、磁石
に励磁電流を供給する電流源203と、電流源203の出力電
流を制御するフィードバック回路204とからなる。フィ
ードバック回路204は、制御量設定装置44から出力され
る磁石の励磁電流に関する設定値と、励磁電流モニター
202で測定した励磁電流の測定値とを比較し、その誤差
分を電流源203に設定する。これと同時に、励磁電流モ
ニター202で測定した励磁電流値は制御量測定装置43に
送信される。
主制御装置40とビーム電流測定装置42,制御量測定装
置43,及び制御量設定装置44とは、双方向にデータのや
り取りができるようにパラレルケーブルで接続される。
以下、図４に示すフローチャートを用いて、図１の加
速器本体の立ち上げ運転方法について説明する。電子ビ
ームは、前段加速器10により発生され、ビーム輸送系11
によりエネルギー及び形状を揃えられて蓄積リング12に
入射される。その後、電子ビームは蓄積リング12内でシ
ンクロトロン加速され、蓄積される。この一連の加速器
の運転方法をまとめると、次のようになる。
（１）主制御装置40から制御量設定装置44に加速器の各
構成要素の制御量の初期設定値，可変範囲，及び可変ス
テップに関する制御量信号81を、トリガ発生装置41に制
御量の設定・測定周期，ビームの入射・加速・減速時
期，ビームの加速・減速パターン等に関する各種トリガ
信号91及び92を夫々出力する。
（２）各構成要素を初期設定値の状態で待機させる。
（３）トリガ発生装置41から前段加速器10にビーム出力
信号96を送信して電子ビームを発生させると共に（図４
の150）、ビーム電流測定装置42に測定トリガ信号93を
送信する。
（４）ビーム輸送系11の電流モニター320から始めて324
までビーム進行方向に沿って、連続した２個の電流モニ
ター信号のうち下流側のモニター出力が最大となるよう
に、電流モニター間の構成要素の制御量について、
（１）で設定した可変範囲を可変ステップ毎に順次探索
する。例えば、電流モニター320と321の場合は偏向磁石
20の励磁電流が、電流モニター323と324の場合は２個の
４極磁石21の励磁電流が制御対象となる。これによりビ
ーム輸送系11におけるビーム輸送を行う（図４の15
1）。
（５）（４）と同様な操作を電流モニター324と330の間
で行ない、蓄積リングに電子ビームを入射させる（図４
の152）。
（６）（４）と同様な操作を、電流モニター330から338
まで行ない、蓄積リング12におけるビーム輸送を行う
（図４の153）。
上記（１）〜（６）の操作により、即ち電流モニター
338のモニター出力を最大にすることにより、蓄積リン
グ12における電子ビームの周回を確認したことになる。
しかし、この段階では蓄積状態までは確認できていな
い。電子ビームの蓄積状態は、蓄積リング12を構成する
任意の電流モニター（330から338の何れか）の出力信号
の時間幅が蓄積時間の経過に伴い広がることで確認する
ことができる。
（７）トリガ発生装置41からビーム蓄積確認トリガ信号
94を、前段加速器10へのビーム出力信号96より十分に遅
れた時間（電子ビームが蓄積リング12内を100〜200回周
るのに要する程度の時間）の後発生し、電流モニター33
8から得られるビーム電流信号を最大にするように、蓄
積リング12内の偏向磁石20及び４極磁石21の励磁電流を
順次探索する（図４の154）。
この操作により蓄積を確認すると共に、加速の準備段
階としての粗調整が完了したことになる。
（８）蓄積リング12の最下流の電流モニター338のモニ
ター信号、即ち蓄積電流が最大となるように、再び、ビ
ーム輸送系11の初めの構成要素から始めて（１）で設定
した可変範囲内で可変ステップ毎に設定値を各構成要素
毎に調整する。
（８）のような微調整が必要なのは、次のような理由
による。前段加速器10から得られるビームは、そのエネ
ルギーはおおよそ既知であるが、位置及び勾配は未知で
ある。また、蓄積リングやシンクロトロンで捕獲できる
エネルギー、位置、及び勾配の幅は、一般に大きくない
（例えば、１％程度）。従って、（７）で得られるビー
ム輸送パラメータは、ビーム輸送を行う磁石系が互いに
独立な場合は真のパラメータとなるが、実際には、磁石
の多極磁場成分、漏れ磁場、設置誤差などで緩やかに結
合しているので、必ずしも所望のエネルギー、位置、及
び勾配を得ていることにはならない。むしろ、最終段に
設置した電流モニター出力を最終的に最大とするために
は、ビーム輸送途中の電流モニター出力が各々最大とな
らない場合が多い。従って、最適なビーム輸送のための
パラメータは、（８）のように、最終段の電流モニター
出力を最大となるように、ビーム輸送で使用する各構成
要素を調整することにより初めて決定できる。
以上により、図４における加速の準備条件が確定した
ことになる。
（９）（８）で得られた蓄積リング12の構成要素の設定
値をもとに（１）で与えた加速パターンデータを修正
し、加速トリガ信号を各構成要素に送信して加速を行う
（図４の155）。
（10）加速動作を行っている間、トリガ発生装置41から
ビーム電流測定装置42に測定トリガ信号93を送信し、加
速途中でのビーム電流変化を測定する。この時、電子ビ
ームが放射光を放出する場合は、その放射光量を測定し
てもよい。この測定結果からビーム電流が急激に変化す
る場合、その位置を特定し、特定した位置に配置した構
成要素の設定値を（１）で設定した可変範囲内で可変ス
テップ毎に調節する。
（11）蓄積電流の急激な変化がなくなるまで（９）〜
（10）の操作を繰り返す。
（９）〜（11）の操作は、加速前に対する加速終了時
の蓄積電流の比が最大になるまで実施する。この操作に
より所望のエネルギーまで電子を加速・蓄積したことに
なる（図４の156）。
（12）加速成功後は、予め設定した蓄積時間を経過する
か、又は、蓄積電流が予め設定した蓄積電流値以下にな
ったとき蓄積を終了し、各機器に減速のトリガ信号を送
信し、予め設定した減速パターンデータに基づき減速動
作を行う（図４の157）。
以上により、１回の運転が終了する。
また、ここでは連続した２個の電流モニター間のビー
ム電流の透過量を最大とするようにしたが、任意の２個
のモニター間でも同様にビーム輸送を行うことができ
る。更に、電流の透過量を最大値に限らず所望値にする
ことも可能である。
次に、ビーム輸送の良否判定について詳述する。ビー
ム輸送のためには前述したように、まず主制御装置40内
部で設定データ，初期値，最終値，増分，遅延時間，及
び各種トリガ信号のパターンを計算し、各装置に設定す
る。次に、主制御装置40からトリガ発生装置41に対し
て、運転開始信号（ビームオン、前段加速器10に対する
ビーム出力信号）を送信する。これにより、マスター発
振器412の出力信号が分配器413に送信される。分配器41
3により分配された各種トリガ信号は、各装置に固有の
遅延時間だけ遅延されて各装置に送信される。
初めに、制御量設定装置44により偏向磁石20,4極磁石
21,ステアリング磁石26,加速空胴22の電源の電流値等が
設定され、各負荷に電流を流す。この電流を電流モニタ
ー（磁石電源の場合、主にシャント抵抗）を用いて制御
量測定装置43で測定し、この測定値98を主制御装置40に
転送する。これと同時に、加速器本体に設置された電流
モニター320〜338を用いてビーム電流測定装置42でビー
ム電流を測定し、この測定値82を主制御装置40に転送す
る。
以上の運転により主制御装置40が、予め設定した設定
値とビーム電流の測定値82とに基づいてビーム輸送の良
否を判定し、ビーム輸送が成功するまでこれを繰返す。
また、加速段階では、予め制御量設定装置44に加速パタ
ーンを設定しておき、その後、主制御装置40からトリガ
発生装置41に加速トリガ信号を送信し、この信号を加速
終了まで保持することにより、加速途中の制御量及びビ
ーム電流を測定することができる。このようにして、加
速の良否が判定できることになる。
以上は、加速器本体の立上げ運転の方法であるが、運
転条件を一定にした定常運転の場合は、前記（１）〜
（12）で求まった運転パターンに従って、図10に示すよ
うに、ビームの発生，入射，加速，蓄積，及び減速をパ
ターン運転する。また、運転条件を変更する場合は、図
11に示すように、初めに新たなパラメータを設定し、こ
のパラメータに基づいて運転パターンを修正して、ビー
ムの発生から減速までをパターン運転する。
次に、図12を用いて本発明を半導体露光装置に適用し
た第２の実施例について説明する。本実施例の加速器本
体は、電子ビームを発生する前段加速器10と、前段加速
器10から発生した電子ビームを加速用シンクロトロン13
に輸送するビーム輸送系11と、電子ビームの加速を行な
う加速用シンクロトロン13と、加速用シンクロトロン13
から蓄積リング12へ高エネルギーに加速された電子ビー
ムを輸送するビーム輸送系14と、電子ビームの蓄積を行
なう蓄積リング12とで構成される。これは、図１で示し
た実施例における蓄積リング12の電子ビーム加速機能を
加速用シンクロトロン13として独立した構成としてい
る。
図13に図12の加速器本体の運転方法を示す。図13の運
転方法の流れは図４とほぼ同じであるが、加速用シンク
ロトロン13からのビーム出射、ビーム輸送系14でのビー
ム輸送（ビーム輸送３）、及び蓄積リング13へのビーム
入射（入射２）が新しく追加される。しかし、図１の電
流モニター320〜338を用いた調整方法を、図10の電流モ
ニター320〜347に対しても適用できる。また、図８で示
したトリガ発生装置41は、加速用シンクロトロン13から
のビーム出射、及び蓄積リング12へのビーム入射のトリ
ガ信号も発生するように構成される。
更に、図12において、加速用シンクロトロン13と蓄積
リング12をつなぐビーム輸送系14の中にビーム振り分け
磁石を設置することにより、加速用シンクロトロン13か
ら出射した電子ビームを複数の蓄積リング12に供給する
ような加速器システムを構成することもできる。
次に、図14を用いて本発明を医療用装置に適用した第
３の実施例について説明する。本実施例は、荷電粒子ビ
ームを発生する前段加速器10と、前段加速器10が発生し
た荷電粒子ビームを加速用シンクロトロン13に輸送する
ビーム輸送系11と、荷電粒子ビームの加速を行なう加速
用シンクロトロン13と、加速用シンクロトロン13から照
射室16へ高エネルギーに加速された荷電粒子ビームを輸
送するビーム輸送系15と、荷電粒子ビームを用いて照射
治療を行う照射室16とからなる。
加速用シンクロトロン13で加速された荷電粒子ビーム
は、出射器27により出射され、ビーム輸送系15中に設置
した振り分け磁石28により複数の照射室16に順次振り分
けられる。
図15に図14の医療用装置の運転方法を示す。荷電粒子
ビームを照射治療に使用する場合、荷電粒子ビームを照
射する患者の患部深度に応じて加速エネルギー及びビー
ム電流（照射量）を変化させる必要がある。加速エネル
ギーは、加速用シンクロトロイ13の偏向磁石20の加速パ
ターンデータの最終値で決定され、これは予め設定す
る。
次に、荷電粒子ビームを複数の照射室16までビーム電
流を制御しながら輸送する方法を説明する。第１の方法
は、照射室16に患者がいない状態で、偏向磁石20毎に設
置した電流モニター320〜346の出力信号が最大となるよ
うに、又は、上流側の電流モニター位置に対する下流側
の電流モニター位置におけるビーム電流の減衰が最小に
なるように各照射室16までの各構成要素の制御量を決定
する。このようにして加速器システムの運転パラメータ
が決定される。この時、複数の照射室16の直前の電流モ
ニター344,345,346の出力を記憶する。この出力を照射
量に換算し、予め決められた照射室16での照射量に合う
ように前段加速器10から発生させるビーム電流を増減さ
せる。
第２の方法は、加速用シンクロトロン13の運転パラメ
ータの決定までは第１の方法と同じで、ビーム電流が最
大となるように図15の出射までを行なう。その後、ビー
ム輸送系15のある位置におけるビーム電流が所望のビー
ム電流となるようにビーム輸送系15の途中にダンパー29
を挿入する。ダンパー29としては、例えば散乱体を用
い、散乱によりビーム電流を低下させる。このダンパー
29を用いることにより複数ある照射室毎に照射量を変化
させることが可能となる。この時、ビーム電流のモニタ
ー手段としては、ビーム電流を直接測定するものでも、
ビームと物質の衝突による放射線量等を測定するもので
も良い。この方法により所望のエネルギーで、所望の照
射量を患者に照射することができる。
また、加速器を構成する構成要素の何れかに不具合が
発生した場合、各位置に設置した電流モニターを常時モ
ニターすることにより、ビーム電流が異常に低下した電
流モニターの位置から不具合の発生した構成要素を特定
することができる。従って、異常箇所を制御装置におい
て検出、表示することが可能となる。
産業上の利用可能性 以上説明したように、本発明によれば、加速器の立ち
上げ運転、定常運転、及び運転条件の変更などの全ての
運転モードに対して、運転員の技量によらず自動運転が
可能な加速器の運転方法及び加速器並びに加速器システ
ムを提供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平本 和夫 茨城県常陸太田市小目町1485―２番地 (56)参考文献 特開 平１−149399（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−127500（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−144599（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−5397（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05H 13/04 H05H 7/00 - 9/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】荷電粒子ビームを偏向する複数の偏向磁石
    と荷電粒子ビームを収束及び発散させる複数の４極磁石
    とを有するビーム輸送系或いはシンクロトロンにおける
    ビーム調整方法において、 前記偏向磁石と前記４極磁石の間に配置された複数の電
    流モニターによって測定される荷電粒子ビームの電流値
    が各々最大となるように、荷電粒子ビームの進行方向に
    おける上流側から下流側へと配置された順番に偏向磁石
    及び４極磁石を制御し、その後、荷電粒子ビームの進行
    方向において最も下流側に配置された電流モニターによ
    って測定される荷電粒子ビームの電流値が最大となるよ
    うに複数の偏向磁石及び４極磁石を制御することを特徴
    とするビーム調整方法。
  2. 【請求項２】荷電粒子ビームを偏向する複数の偏向磁石
    と荷電粒子ビームを収束及び発散させる複数の４極磁石
    とを有するビーム輸送系或いはシンクロトロンにおける
    ビーム調整方法において、 前記偏向磁石と前記４極磁石の間に配置された複数の電
    流モニターによって測定される荷電粒子ビームの電流値
    が各々所望値となるように、荷電粒子ビームの進行方向
    における上流側から下流側へと配置された順番に偏向磁
    石及び４極磁石を制御し、その後、荷電粒子ビームの進
    行方向において最も下流側に配置された電流モニターに
    よって測定される荷電粒子ビームの電流値が予め定めら
    れた所望値となるように複数の偏向磁石及び４極磁石を
    制御することを特徴とするビーム調整方法。
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