JPH01319242A - ビーム強度分布制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷電粒子ビーム発生装置に係り、特に、金属融
解、蒸発装置等に用いるシート状荷電粒子ビーム発生装
置に好適なビーム強度分布制御装置に関する。

〔従来の技術〕゛ 従来、磁石またはコイルを用いて荷電粒子ビームを偏向
、収束、Ｉ？面形状変形、収差補正等を行なう技術は、
電子銃、加速器等に多数用いられている。なお、この種
の装置として関連するものには、特公昭６０−１５０９
８号、同６１−４６９３５号、同６１−１４６２９号公
報が挙げらるが、これらは円柱ビームに適用されること
を前提としている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、いずれも円柱状ビームに対して偏向、
収束、断面形状変形、収差補正等を行なうためのもので
あり、シート状ビームに対してビーム強度の分布を制御
、補正するための考慮がされておらず、シート状ビーム
に対しては適用できないという問題があった。

シート状の荷電粒子ビーム、特に、粒子質量の小さいシ
ート状電子ビームでは、ビーム自身の作る磁場による自
己ピンチ効果、ビーム経路中に残留する正イオンによる
イオン収束効果等のため、長い飛程距離にわたってシー
ト状の形状を保つのが難しい。また、シート状ビームを
放出する細長いカソードは、長手方向全域にわたって温
度を均一に保つのが難しく、放出電流量の均一性を保つ
のが困難であり、さらに、金属融解・蒸発装置等に用い
る場合、カソードに付着するよごれ等の原因による放出
電流量の不均一も起こる。

本発明の目的は、シート状ビームに対してビーム強度の
分布を制御し、分布が均一になるように補正したビーム
強度分布制御方法および装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、シート状の荷電粒子ビーム発生装置におい
て、ビームの出射口上部にビーム面に垂直な磁場を印加
する磁石を設置し、ビームをビーム面内で偏向させ、ビ
ーム強度の高い部分を低い部分にふり分けることにより
達成される。さらに磁石を多数の独立な電磁石の配列で
構成し、それぞれの電磁石の励磁量を独立に変化させる
ことによってビームの各部分の詳細な均一化が達成され
る。さらに、ビーム強度分布をモニタし、電磁石の配列
の各励磁量にフィードバックさせることにより外部要因
の変化に対応した均一化が、常時、達成される。

〔作用〕

シート状の荷電粒子ビーム発生装置のビーム出射口の上
部に、磁極をビーム面に向け、磁極でビームをはさむよ
うにして設置した磁石から、ビーム面とビームの進む方
向との両者に直交する向きに磁場Ｂが印加される。速度
Ｖで運動する電荷ｑをもった荷電粒子にはローレンツ力
ｆ　＝　ｑ　ｙ　Ｘ　Ｂが働くから、ビームはビーム面
内で偏向される。

これにより、あらかじめ長手方向の中心に集まる傾向の
あるビームに対しては中心部分を外側に曲げる方向に、
外側に発散する傾向のあるビームに対しては外側部分を
内側に曲げる方向に磁場Ｂを印加すれば、ビーム強度分
布の大きい部分が小さい部分にふり分けられ、ビームが
均一化される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。シー
ト状荷電粒子ビーム発生装置１から出射されたシート状
荷電粒子ビーム８に、１の上部に設置された磁石３によ
って、ビーム面に垂直な磁場Ｂが印加される。電荷ｑを
もち、速度Ｖで運動する荷電粒子にはローレンツ力ｆ　
＝　ｑ　ｙ　Ｘ　Ｂが作用するから、ビーム中の荷電粒
子はビームの長手方向に偏向される。磁場が半分ずつ逆
向きに、図の向きに印加され、ビームの電荷−ｅをもつ
電子ビームであるとすると、ビームは長手方向に広げら
れる向きに偏向される。図の向きと逆方向に印加される
と、ビームは長手方向に収束される向きに偏向される。

磁石３を電磁石で構成すると、磁場の励磁量、励磁方向
は自由に変えられる。さらに磁石３を多数の電磁石の束
で構成し、それぞれの電磁石の励磁量を独立に変えるこ
とができるようにすると、さらに詳細なビームの偏向の
調整が可能になる。

次に、本発明の第二の実施例を第２図により説明する。

第２図はシート状荷電粒子ビーム発生装置１の上部に設
置した五チャンネルの電磁石を上部から見た図である。

ここで、ガス封じ込めケース２は、電磁石のコイルをビ
ームから保護し、また、コイルからの脱ガスが、真空に
保たれる外部にもれないよう封じ込めるためのものであ
る。上側の磁石は２の内部の電磁石３の配列を図解した
もので、下側の磁石の内部にもこれと上・下対称に電磁
石が配列されている。このような配列で、例えば、上側
の磁石の右側をＳ極、左側をＮ極、下側の磁石の右側を
Ｎ極、左側をＳ極となるように励磁すると、電子ビーム
は長手方向に広げられるように偏向され、ビームの自己
ピンチ等の現象に対抗できる。また、単に中心部分の放
出電流密度が高くなっているような場合には、中心部の
電磁石のみこの方向に励磁することによって、放出電流
密度の高い部分を他に分散させることができる。また、
外側部分の放出電流密度が高くなっているような場合に
は、外側の電磁石のみこれと逆方向に励磁することによ
って同様のことができる。

次に、本発明の第三の実施例を第３図により説明する。

第３図は、左右のｊｌ！磁石を独立にし、一つの磁石の
二つの極同士が、互いに対向面にくるように配列したも
ので、十チャンネルの可変磁石をもっている０図はシー
ト状荷電粒子ビーム発生装置１の上部に設置した電磁石
３と、ガス封じ込めケース２を上部から見たもので、右
側のケース２の内部にも左右対称に電磁石３が配列され
ている。このよう°な配列にすることにより、左右非対
称な分布調整が可能になる。左右非対称な分布調整は、
特に、カソードの温度分布不均一等の、粒子源における
粒子放出能力の不均一化に対処する上で重要である。

次に、本発明の第四の実施例を第４図により説明する。

第４図はシート状荷電粒子ビーム発生装置１を電磁石３
が下側からとり囲むように配列した構成の斜視図である
。このようにすることにより、電磁石の配列のそれぞれ
を同じ条件で駆動することができる。

次に、本発明を金属融解・蒸発装置に適用し、フィード
バック制御を行なうシステムの実施例を第５図により説
明する。シート状荷電粒子ビーム発生装置１から出射さ
れた荷電粒子ビーム８は、ビーム発生装置１の上部に設
置した電磁石３により、ビーム面内でわずかに偏向され
、分布を調整された後、直進し、ビーム全体をＵ字型に
曲げる一様磁場領域に入って１８００偏向される。この
−様磁場による１８０”偏向は、蒸発し、イオン化した
金属がビーム発生装置１に飛び込まないようにするため
のものである。偏向されたビームはルツボ４内の被融解
・蒸発金属５を照射し、これを加熱して融解、蒸発させ
る。融解面の温度分布はビーム強度の分布を反映する。

この温度分布を赤外線温度測定装置６によって計測し、
測定値の出力を解析・制御装置７に送り解析・制御装置
７は補正すべき磁石３の励磁量を解析して、磁石３の励
磁量を制御する。これにより、被融解蒸発金属５の融解
表面におけるビーム強度、及び、表面温度は常に均一に
なり、常に、均一な蒸気の発生が可能となる。

第６図に示すように、シート状荷電粒子ビーム発生装置
ｌｌから出射したシート状ビーム２のビーム経路に、ビ
ームを挟み込むように二枚の超伝導体の板９を配置する
。二枚の超伝導体の板９はビームの進行方向に向って互
いの間隔が狭くなるへの字型にしである。これにより荷
電粒子ビームが作る磁力線は、第７図、第８図に示すよ
うに超伝導体のマイスナー効果により超伝導体中に入れ
ずに圧縮され、磁力線の密度が高くなり、ビームの偏向
に強いローレンツ力を及ぼしてビームを圧縮し、空間電
荷効果によって発散する傾向のあるシート状ビームの厚
みを薄くすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シート状の荷電粒子ビームをビーム面
内で偏向させ、ビーム強度の高い部分を低い部分にふり
分けることができるので、ビーム強度を容易に均一化で
き、また、ビームの不均一状態や変化に対応した均一化
が自動的に行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のビーム発生装置と磁石の構
成を示した斜視図、第２図、第３図は第１図に示した磁
石の内部構成の実施例を示した上面図、第４図は第３図
に示した磁石と同様な機能をもつ磁石の斜視図、第５図
は金属融解・蒸発装置に本発明の磁石と制御装置を適用
した斜視図、第６図はシート状ビームを超伝導体で挟ん
だ斜視図、第７図、第８図は超伝導体で挟まれたシート
状ビームの断面図である。 １・・・シ・−ト状荷電粒子ビーム発生装置、２・・・
ガス封じ込めケース、３・・・電磁石、４・・・ルツボ
、５・・・被融解・蒸発金属、６・・・赤外線温度測定
装置５７・・・解析・制御装置、８・・・荷電粒子ビー
ム、９・・超電導板。 第１図 ！ 第２図 第３因 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シート状の荷電粒子ビームを出射する荷電粒子ビー
   ム発生装置において、 前記荷電粒子ビームの出射口上部に、永久磁石または電
   磁石を設け、前記シート状荷電粒子ビームに、ビーム面
   に垂直な磁場を印加し、ローレンツ力によりビームの一
   部または全部をビーム面内で偏向させることを特徴とす
   るビーム強度分布制御装置。 ２、シート状ビームに磁場を印加する電磁石を、それぞ
   れ独立に励磁量を変化させうる多数の前記電磁石の配列
   で構成し、前記シート状ビームの各部分に異なる大きさ
   の磁場を印加することを特徴とするビーム強度分布制御
   装置用電磁石。 ３、特許請求の範囲第１項において、 ビームの強度分布をビームの出射位置から一定距離離れ
   た位置でモニタし、これを入力信号として所望する特定
   位置におけるビーム強度が均一になるように電磁石の配
   列の各励磁量を自動的に制御することを特徴とするビー
   ム強度分布制御装置。 ４、特許請求の範囲第２項において、 個々の磁石の二つの極同士が、互いにビームをはさんだ
   対向面にくるように配列し、長手方向の両側の領域で、
   非対称な磁場調整ができるようにしたビーム強度制御用
   電磁石。 ５、特許請求の範囲第４項において、 個々の電磁石のリターンヨークをビーム発生装置の下側
   に通し、個々の電磁石の磁路の長さを同一にしたことを
   特徴とするビーム強度制御用電磁石。 ６、ビーム、強度分布制御装置を備えたシート状ビーム
   発生装置を用い、シート状ビームのビーム面に平行で、
   ビームの進む向きに直角な方向に振動磁場をかけ、前記
   ビーム面に直角方向に前記シート状ビームをスキャンす
   ることにより広範囲に均一なビームを照射することを特
   徴とするビーム照射装置。 ７、特許請求の範囲第６項において、電磁石の励磁量を
   変化させることで照射面の横幅を調整し、前記ビーム面
   に平行でビームの進む向きに直角な方向にかけた前記振
   動磁場の振幅を変化させることで照射面の縦の長さを調
   整することを特徴とするビーム照射装置。 ８、シート状荷電粒子ビーム発生装置から出射したシー
   ト状ビームの前記ビームの経路に、前記ビームを挟み込
   むように二枚の超伝導体の板を配置することにより、前
   記超伝導体のマイスナー効果によつてビームの作る磁場
   を圧縮して前記シート状ビームの厚みを調整することを
   特徴とする荷電粒子ビーム整形装置。