JP4623879B2

JP4623879B2 - ビームの評価方法および装置

Info

Publication number: JP4623879B2
Application number: JP2001235262A
Authority: JP
Inventors: 祐嗣大石; 孝七根本; 琢弥名雪; 健一近藤; 一隆中村; 陽一郎弘中; 泰彬岡野
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP2003045367A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームの評価方法および装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、ビームに含まれる電子や陽電子のエネルギスペクトルやビーム形状を測定するビームの評価方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２に示すように高強度レーザ１００をターゲット１０１に照射して電子を発生させる場合、ターゲット１０１を通過する際に電子ビーム１０２の発生だけでなく制動放射の形でＸ線１０３を発生する。この電子ビーム１０２を蛍光スクリーンなどの電子検出手段にそのまま照射して検出しようとするとＸ線１０３の影響を受けて正確な測定ができないので、発生したビーム１０２，１０３を磁場１０５を通過させて電子ビーム１０２の軌道を曲げてＸ線１０３と分離して検出することが一般に行われている。ここで、電子が磁場１０５から受ける外力は電子エネルギの大きさによって異なるので、電子エネルギの大きさに応じて電子軌道の曲率半径が異なる。これにより、電子が電子エネルギの大きさによって弁別されて検出されるので、これに基づき電子エネルギのスペクトルを求めることができる。
【０００３】
磁場１０５で曲げた電子を捉える方法としては、磁場１０５を通過した電子を蛍光スクリーン１０４あるいはシンチレーションファイバに照射して、発生した蛍光をＣＣＤ１０６により検出する方法が実施されている。そして、電子が発生してから検出されるまでの経路を形成する各部材、即ちターゲット１０１→磁石１０５→蛍光スクリーン１０４あるいはシンチレーションファイバ→結像系１０９→ＣＣＤ１０６は全て真空チャンバ１０７の中に設けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＣＣＤ１０６を使用する検出方法では、エネルギ分解能がＣＣＤ画素数あるいはシンチレーションファイバを使用する方法であればその本数にも依存するので、エネルギ分解能を十分に高くすることができない。例えば、ＣＣＤ画素数は５００画素／１０ｃｍ程度しかなく、またシンチレーションファイバの本数は３０本／１０ｃｍ程度でしかない。このため、より高いエネルギ分解能を得られる検出方法が望まれている。
【０００５】
また、蛍光スクリーン１０４あるいはシンチレーションファイバで電子を検出すると同時に検出結果である蛍光をＣＣＤ１０６により受光しなければならないので、検出の精度や効率を考慮してＣＣＤ１０６およびその結像系１０９を真空チャンバ１０７の中に設けるようにしている。このため、測定装置１１０が大型化してしまう。
【０００６】
さらに、２次元に配列したＣＣＤ１０６を用いて電子エネルギのスペクトルおよびビーム形状を同時に計測する場合は、ＣＣＤ１０６の１画素あたりの感度を高める必要があるので、ＣＣＤ１０６を冷却する冷却装置１０８を設ける必要があり、測定装置１１０が大型化してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は高いエネルギ分解能を得られると共に装置を小型化できるビームの評価方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電子ビームを含むビームを磁場中に通過させることにより電子ビームの各電子の軌道を曲げて電子検出手段に照射して、検出された電子の磁場に垂直な方向の分布から電子エネルギスペクトルを求めるか、あるいは磁場に平行な方向の分布から電子ビーム形状を求めるかの少なくとも一方を行うビームの評価方法において、電子検出手段はイメージングプレートであるようにしている。また、請求項３記載の発明は、磁場を形成する磁石と、電子ビームを含むビームを磁場中に通過させたときに軌道が曲げられた電子ビームの電子を検出する電子検出手段とを備えたビームの評価装置において、電子検出手段はイメージングプレートであるようにしている。ここで、本明細書中で、イメージングプレートとは輝尽蛍光性の粉末（例えばBaFBr:Eu²⁺）を塗布した放射線画像検出シートを意味する。これは、照射された電子や陽電子により感光され、赤色レーザによって現像することにより電子や陽電子の数量に応じた画像を表すものである。
【０００９】
したがって、イメージングプレートにより電子が検出されるので、従来のように電子検出手段として蛍光スクリーンあるいはシンチレーションファイバを使用する場合に比べて高い解像度を得ることができる。また、イメージングプレートを使用しているので、一旦照射だけしておいてイメージングプレートを取り出してから現像するようにできる。このため、従来の電子検出手段である蛍光スクリーンあるいはシンチレーションファイバのように電子が照射されることにより発せられる蛍光を受光するためのＣＣＤを設ける必要が無いので、装置の小型化および扱いの容易化を図ることができる。
【００１０】
請求項１記載の発明は、さらに、磁場に入る直前のビームの光路を中心に磁場を回転させて、回転させた各位置で電子エネルギスペクトルまたは電子ビーム形状の少なくとも一方を求めるようにしている。そして、請求項３記載の発明は、さらに、磁場に入る直前のビームの光路を中心に磁石を回転させることにより磁場を回転させる磁場回転機構を備えるようにしている。
【００１１】
したがって、磁場に入る直前のビームの光路を中心に磁場を回転させているので、ビームの光路を中心とする径方向の各方向の電子エネルギスペクトルまたは電子ビーム形状を測定することができる。よって、電子ビームを２次元的に測定することができる。
【００１２】
さらに、請求項２記載の発明は、請求項１記載のビームの評価方法において、ビームは陽電子ビームを含むと共に、ビームを磁場中に通過させることにより陽電子ビームの各陽電子の軌道を曲げてイメージングプレートから成る陽電子検出手段に照射して、検出された陽電子の磁場に垂直な方向の分布から陽電子エネルギスペクトルを求めるか、あるいは磁場に平行な方向の分布から陽電子ビーム形状を求めるかの少なくとも一方を行うようにしている。また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のビームの評価装置において、ビームには陽電子ビームを含むと共に、ビームを磁場中に通過させたときに軌道が曲げられた陽電子ビームの陽電子を検出する陽電子検出手段を備えるようにしている。したがって、電子ビームの測定と同時に陽電子ビームも測定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す一実施の形態に基づいて詳細に説明する。図１〜図３に本発明のビームの評価装置１の実施形態の一例を示す。この評価装置１は、磁場２を形成する磁石３と、電子ビーム４を含むビーム５を磁場２中に通過させたときに軌道が曲げられた電子ビーム４の電子を検出する電子検出手段６とを備えたものである。そして、電子検出手段６はイメージングプレート（例えば、商品名ＦＤＬ−ＵＲ−Ｖ、富士フイルム社製）であるようにしている。イメージングプレートは通常は電子顕微鏡の像を観察するために使用されるものであり、空間分解能が例えば２５μｍと高く、ダイナミックレンジは冷却無しでも１８ビット階調に対応できる。このため、イメージングプレートにより電子が検出されるので、従来のように電子検出手段として蛍光スクリーン等を使用する場合に比べて高い解像度を得ることができる。また、イメージングプレートを使用しているので、検出と同時に発せられる蛍光を受光する必要が無く、一旦照射だけしておいてイメージングプレートを取り出して現像するようにできる。よって、従来の電子検出手段である蛍光スクリーン等のように電子が照射されることにより発せられる蛍光を受光するためのＣＣＤを設ける必要が無いので、評価装置１の小型化および扱いの容易化を図ることができる。
【００１４】
磁石３は、図３に示すように互いに平行に向い合わせた２枚の平板状のフェライト磁石から成る。各磁石３，３同士の間に磁場２が形成されている。また、各磁石３，３は、各磁石３の外側面に設けられた鉄板から成るヨーク７と、ヨーク７同士を連結する連結部材８とにより、平行な状態で保持されている。
【００１５】
この評価装置１は、電子ビーム４を含むビーム５をレーザ光９から発生させるために、レーザ光９を受光して電子ビーム４を含むビーム５を発生するターゲット１０と、ターゲット１０にレーザ光９を集光するための放物面ミラー１１とを備えている。レーザ光９としてはチタンサファイアレーザを使用している。ターゲット１０としては銅のテープを使用している。
【００１６】
さらに、ターゲット１０と磁石３との間には、スリット１２を有する鉄製のコリメータ１３が配置されている。これにより、ターゲット１０から発せられたビーム５の形状がスリット１２によって調整される。ここでのスリット１２は、図２に示すように磁場２に平行に長い矩形状としている。
【００１７】
そして、コリメータ１３と電子検出手段６とは、磁石３の同じ端面に向けて配置されている。このため、コリメータ１３のスリット１２を通過したビーム５の電子は、磁場２で軌道を１８０度曲げられて電子検出手段６に照射される。
【００１８】
また、電子検出手段６の磁場２との反対側には鉛ブロック１４が配置されている。これにより、電子検出手段６の裏側から電子検出手段６に不要な電子等が入射して検出精度を悪くすることを防止できる。
【００１９】
さらに、レーザ光９やビーム５の光路となる放物面ミラー１１、ターゲット１０、コリメータ１３、磁石３、電子検出手段６と、鉛ブロック１４とは、全て真空チャンバ１５に収容されている。このため、従来の電子検出手段６である蛍光スクリーンあるいはシンチレーションファイバのように近傍に蛍光受光用のＣＣＤを設ける必要が無いので、真空チャンバ１５の小型化を図ることができる。
【００２０】
上述した評価装置１を使用してレーザ光９から発生する電子ビーム４の評価を行う手順を以下に説明する。ここでの評価としては、電子エネルギスペクトルと電子ビーム４の形状とを求めるものとする。
【００２１】
レーザ光９を真空チャンバ１５の外から放物面ミラー１１に向けて照射する。
これにより、レーザ光９がターゲット１０に集光されて、ターゲット１０から電子ビーム４を含むビーム５が発生される。ターゲット１０を通過する際には、電子ビーム４の発生だけでなく制動放射の形でＸ線１６も発生される。
【００２２】
磁場２では、図２に示すように電子エネルギの大きさに応じた曲率半径で電子ビーム４の軌道が曲げられる。これにより、電子ビーム４がＸ線１６から分離される。そして、電子エネルギが大きいほど電子ビーム４の軌道の曲率半径は大きく、また電子エネルギが小さいほど曲率半径は小さくなる。軌道が１８０度曲げられたときに、ビーム５が入射された磁石３の端面と同じ端面から電子ビーム４が射出されて電子検出手段６に照射される。
【００２３】
電子検出手段６での検出が終わると、真空チャンバ１５から電子検出手段６を取り出して現像する。これにより、図２および図４に示すような模様を得ることができる。各図において、黒化度は入射した電子数に比例する。そして、図４（ａ）に示す場合の電子検出手段６でのＸ軸方向の位置と黒化度との関係を求める（図５）。
【００２４】
ここで、磁場２の磁力線に対して垂直な電子軌道は電子エネルギの大きさに依存する。このため、電子検出手段６のＸ軸方向の反応分布（黒化度分布）は電子エネルギ分布に関係している。そこで、本装置１での電子ビーム４の軌道計算を行って、電子検出手段６でのＸ軸方向の位置と各位置での電子エネルギとの関係を算出する（図６）。
【００２５】
さらに、図５および図６における電子検出手段６でのＸ軸方向の位置を消去して、電子エネルギと電子数との関係を求める（図７）。これにより、電子エネルギスペクトルを求めることができる。
【００２６】
一方、磁場２の磁力線に対して平行な方向には電子は力を受けない。このため、電子検出手段６のＹ軸方向の分布は電子ビーム一次元形状、即ちＹ軸方向への一次元形状を示している。これにより、電子ビーム４の形状を求めることができる。
【００２７】
上述したように、電子エネルギスペクトルと電子ビーム４の形状とを求めることにより、電子ビーム４を評価することができる。しかも、磁場２の強度を変更することにより、広範囲のエネルギ分布を測定できるようになる。
【００２８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態ではターゲット１０で発生されたビーム５のうちで電子ビーム４のみを検出しているが、これには限られず陽電子ビームを検出するようにしても良い。この場合、図８に示すようにビーム５を磁場２中に通過させたときに軌道が曲げられた陽電子ビームの陽電子を検出する陽電子検出手段１７を備えるようにする。ここでは、陽電子検出手段１７と電子検出手段６とスリット１２とは、いずれも磁石３の同じ端面に向き合って配置されている。このため、スリット１２を通過したビーム５の電子が磁場２で軌道を１８０度曲げられて電子検出手段６に照射されるのと同時に、ビーム５の陽電子が磁場２で軌道を電子とは反対側に１８０度曲げられて陽電子検出手段１７に照射される。よって、電子ビーム４の測定と同時に陽電子ビームも測定することができるようになる。
【００２９】
ここで、本実施形態では電子ビーム４の評価として電子エネルギスペクトルと電子ビーム４の形状とを求めているが、これには限られずいずれか一方であっても良い。
【００３０】
また、上述した実施形態では、電子ビーム４を一方向のみに曲げて評価しているが、これには限られず磁場２に入る直前のビーム５の光路を中心に磁場２を回転させて、回転させた各位置で電子エネルギスペクトルまたは電子ビーム形状の少なくとも一方、あるいは陽電子エネルギスペクトルや陽電子ビーム形状を求めるようにしても良い。これにより、電子ビーム４あるいは陽電子ビームを２次元的に測定することができる。
【００３１】
この場合、図８〜図１１に示すように、磁場２に入る直前のビーム５の光路を中心に磁石３，３を回転させる磁場回転機構１８を備えるようにする。磁場回転機構１８は、磁石３，３を支持する回転ステージ２０と、回転ステージ２０の周囲のギア部２１に噛み合って回転により回転ステージ２０を回転させるウォーム２４を有する回転モータ２２と、磁石３，３に固定された並進モータ１９とを備えている。並進モータ１９は、ピニオンギア２５を介して電子検出手段６および陽電子検出手段１７の縁のギア部２６に噛み合っている。そして、並進モータ１９の駆動により、電子検出手段６および陽電子検出手段１７は磁石３に対して磁場２に平行な方向に摺動される。各モータ１９，２２はステッピングモータから成り、コンピュータ等の制御装置に接続されて制御される。
【００３２】
また、回転ステージ２０の回転中心にはビーム５が入射できる開口２３が設けてある。そして、磁場２がビーム５と直交するように、磁石３，３が配置されている。なお、図８〜図１１中では、コリメータ１３や鉛ブロック１４の図示を省略している。
【００３３】
この評価装置１では、図８に示すように回転ステージ２０を位置決めして、当該位置でビーム５を照射して電子ビーム４を電子検出手段６に照射すると共に陽電子ビームを陽電子検出手段１７に照射する。そして、図９に示すように、回転モータ２２を駆動して回転ステージ２０を回転させて、次の位置で位置決めする。これと同期させて並進モータ１９を駆動させ、電子検出手段６および陽電子検出手段１７を磁場２に対してずらして位置決めする。この状態でビーム５を照射して、電子ビーム４を電子検出手段６に照射すると共に陽電子ビームを陽電子検出手段１７に照射する。
【００３４】
具体的には、電子検出手段６および陽電子検出手段１７として摺動方向の長さが１８ｃｍのものを用意する。磁石３，３の間隔は１ｃｍとする。回転ステージ２０の各位置での測定が終了してから、回転ステージ２０を１０度回転させると共に電子検出手段６および陽電子検出手段１７を１ｃｍずらす。この動作を１０度ごとに１８０度に達するまで繰り返すことにより、電子ビーム４および陽電子ビームの２次元形状を１０度の分解能で求めることができる。ここで、１０度以下の分解能で測定する場合は、電子検出手段６および陽電子検出手段１７として本実施形態のようなシート状のものを使用せずに、テープ状のものを使用して巻き取りながら磁場２に対してずらしていくことが望ましい。
【００３５】
これにより、電子検出手段６では順次異なる位置に電子が照射されて検出される。同様に、陽電子検出手段１７では順次異なる位置に陽電子が照射されて検出される。よって、電子ビーム４および陽電子ビームを２次元的に評価することができる。
【００３６】
また、上述した各実施形態では電子ビーム４および陽電子ビームのいずれも軌道を１８０度曲げているが、これには限られず９０度等の他の角度であっても良い。
【００３７】
そして、上述した各実施形態ではレーザ光９としてチタンサファイアレーザを使用しているが、これには限られずガラスレーザ等の他のレーザを使用しても良い。さらに、上述した各実施形態ではターゲット１０として銅を使用しているが、これには限られず他の金属や水素、プラスチック等の原子番号の小さい材料を使用することができる。そして、上述した各実施形態ではターゲット１０としてテープ状のものを使用しているが、これには限られずディスク状やガス状など、他の形状・形態であっても良い。
【００３８】
【実施例】
図１〜図３に示す評価装置１を用いて電子ビーム４の評価を行った。電子検出手段６としては、ＦＤＬ−ＵＲ−Ｖ（富士フイルム社製）を使用した。この電子検出手段６は、空間分解能が２５μｍであると共にダイナミックレンジは冷却無しで１８ビット階調に対応可能である。
【００３９】
磁石３の寸法は図３に示したものとした。磁場は約１．５ｋＧとした。スリット１２の寸法は、５ｍｍ×１５ｍｍとした。レーザ光は、パルス幅４３ｆｓ、出力１００ｍＪ、集光強度２．７×１０^１８Ｗ／ｃｍ^２とした。ターゲット１０の寸法は５μｍ×２０μｍ、厚さ３０μｍとした。
【００４０】
この評価装置１により電子ビーム４を検出した。そのときの電子検出手段６の現像した状態を図４（ａ）に示す。また、この電子検出手段６から電子検出手段６でのＸ軸方向の位置と黒化度との関係を求めた。その結果を図５に示す。そして、この評価装置１での電子ビーム４の軌道計算を行って、電子検出手段６でのＸ軸方向の位置と各位置での電子エネルギとの関係を算出した。その結果を図６に示す。同図に示すように、本評価装置１によれば最大で２ＭｅＶのエネルギの電子を計測可能であることが判明した。
【００４１】
さらに、図５および図６における電子検出手段６でのＸ軸方向の位置を消去して、電子エネルギと電子数との関係を求めた。その結果を図７に示す。同図に示すように、このレーザ光９から発生した電子エネルギスペクトルを求めることができた。
【００４２】
また、アパーチャを用いて電子ビーム径および形状を変更した場合も、上述と同様に評価を行った。このときの電子検出手段６の現像した状態を図４（ｂ）に示す。
【００４３】
図４（ａ）に示すものでは電子ビーム４のＹ軸方向形状が一様になり、図４（ｂ）に示すものでは電子ビーム４のＹ軸方向形状が中央が密になったものとなった。したがって、この評価装置１の利用によりビーム形状を評価できることが明らかになった。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載のビームの評価方法および請求項３記載のビームの評価装置によれば、イメージングプレートにより電子が検出されるので、従来のように電子検出手段として蛍光スクリーンあるいはシンチレーションファイバを使用する場合に比べて高い解像度を得ることができる。よって、ビームの評価を高精度に行うことができるようになる。
【００４５】
また、イメージングプレートを使用しているので、一旦照射だけしておいてイメージングプレートを取り出してから現像するようにできる。このため、従来の電子検出手段である蛍光スクリーンあるいはシンチレーションファイバのように電子が照射されることにより発せられる蛍光を受光するためのＣＣＤを設ける必要が無いので、装置の小型化および扱いの容易化を図ることができる。
【００４６】
請求項１記載のビームの評価方法および請求項３記載のビームの評価装置によれば、さらに、磁場に入る直前のビームの光路を中心に磁場を回転させているので、ビームの光路を中心とする径方向の各方向の電子エネルギスペクトルまたは電子ビーム形状を測定することができる。よって、電子ビームを２次元的に測定することができる。
【００４７】
さらに、請求項２記載のビームの評価方法および請求項４記載のビームの評価装置によれば、電子ビームの測定と同時に陽電子ビームも測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るビームの評価装置を示す概略図である。
【図２】磁場と電子ビームの軌道との関係を示すグラフである。
【図３】磁石の配置を示す平面図である。
【図４】電子検出手段により検出された電子を示す図であり、（ａ）はＹ軸方向形状が一様である場合、（ｂ）はＹ軸方向形状が中央に収束している場合である。
【図５】電子検出手段でのＸ軸方向の位置と黒化度との関係を示す図である。
【図６】電子検出手段でのＸ軸方向の位置と各位置での電子エネルギの理論値との関係を示す図である。
【図７】電子エネルギと電子数との関係を示す図である。
【図８】ビームの評価装置の他の実施形態を示す回転ステージを回転させる前の平面図である。
【図９】ビームの評価装置の他の実施形態を示す回転ステージを４５度回転させた後の平面図である。
【図１０】ビームの評価装置の他の実施形態を示す回転ステージを回転させる前の側面図である。
【図１１】ビームの評価装置の他の実施形態を示す回転ステージを９０度回転させた後の側面図である。
【図１２】従来のビームの評価装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１評価装置
２磁場
３磁石
４電子ビーム
５ビーム
６電子検出手段
１７陽電子検出手段
１８磁場回転機構

Claims

電子ビームを含むビームを磁場中に通過させることにより前記電子ビームの各電子の軌道を曲げて電子検出手段に照射して、検出された前記電子の前記磁場に垂直な方向の分布から電子エネルギスペクトルを求めるか、あるいは前記磁場に平行な方向の分布から電子ビーム形状を求めるかの少なくとも一方を行うビームの評価方法において、前記電子検出手段はイメージングプレートであると共に前記磁場に入る直前の前記ビームの光路を中心に前記磁場を回転させて、回転させた各位置で前記電子エネルギスペクトルまたは前記電子ビーム形状の少なくとも一方を求めることを特徴とするビームの評価方法。
前記ビームは陽電子ビームを含むと共に、前記ビームを前記磁場中に通過させることにより前記陽電子ビームの各陽電子の軌道を曲げてイメージングプレートから成る陽電子検出手段に照射して、検出された前記陽電子の前記磁場に垂直な方向の分布から陽電子エネルギスペクトルを求めるか、あるいは前記磁場に平行な方向の分布から陽電子ビーム形状を求めるかの少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項１記載のビームの評価方法。
磁場を形成する磁石と、電子ビームを含むビームを前記磁場中に通過させたときに軌道が曲げられた前記電子ビームの電子を検出する電子検出手段とを備えたビームの評価装置において、前記電子検出手段はイメージングプレートであると共に前記磁場に入る直前の前記ビームの光路を中心に前記磁石を回転させることにより前記磁場を回転させる磁場回転機構を備えることを特徴とするビームの評価装置。
前記ビームには陽電子ビームを含むと共に、前記ビームを前記磁場中に通過させたときに軌道が曲げられた前記陽電子ビームの陽電子を検出する陽電子検出手段を備えることを特徴とする請求項３記載のビームの評価装置。