JPH04101400A - シンクロトロン装置の入射エネルギ安定化装置 - 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〕 この発明は、シンクロトロン装置に関し、線型加速装置
から蓄積リングへ入射する粒子ビームエネルギの安定化
を図ったものである。

〔従来の技術〕

近年、シンクロトロン装置は、シンクロトロン放射光（
ＳＯＲ光）装置として、超々ＬＳＩ回路の作成、医療分
野における診断、分子解析、構造解析等様々な分野への
適用か期待されている。

シンクロトロン光装置の概要を第２図に示す。

シンクロトロン光装置１において、電子発生装置（電子
銃等）］０て発生した電子ビームは線型加速装置（ライ
ナック）１２て光速近くに加速され、ビーム輸送部１４
の偏向電磁石１６．１７で偏向されて、インフレクタ１
８を介してシンクロトロン２０の蓄積リング２２内に入
射される。蓄積リング２２に入射された電子ビームは高
周波加速空洞２１てエネルギを与えられながら収束電磁
石２Ｂで収束され、偏向電磁石２４て偏向されて真空ダ
クト２２内を周回し続ける。偏向電磁石２４で偏向され
る時に発生するンンクロトロン放射光はビームチャンネ
ル２６を通して例えば露光装置２８に送られて超々ＬＳ
Ｉ回路作成用の光源等として利用される。

線型加速装置１２は、複数の加速管１３−１゜１３−２
　、・・・・・・を直列に配して構成され、それぞれ外
部から与えられる高周波により電場を発生し、電子ビー
ムをこの電場による波乗り運動により加速する。

各加速管１３−１．１’３−２．・・・・・は発生され
る電場と電子ビームの位相か一致するように相互に調整
されているが、電源電圧変化等により位相等かずれてく
ると効果的に加速することかできず、線型加速装置１２
から出力される電子ビームエネルギが次第に低下してく
る。また、エネルギ分布も広がり、所望のエネルギでの
ピーク状態が得られなくなる。また、高周波のエネルギ
自体も電源電圧変化により変動する。

従来においては、このような電源電圧変化等による出力
エネルギの変動やエネルギ分布の広かりに対して、これ
を自動的に補償する機能は有しておらす、単に蓄積リン
グのへの入射電流を検出して、これが低下したならば加
速管１３−１．１３−２．・・・・・に供給する高周波
エネルギ及び位相調整しているたけてあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、従来においては電源電圧変化等による出
力エネルギの変化やエネルギ分布の広かりに対して、こ
れを自動的に補償する機能を有していないため、線型加
速装置の出力エネルギは不安定であり、高周波エネルギ
の利用効率が低く、出力最大エネルギも徐々に変化して
いた。

この発明は、前記従来の技術における問題点を解決して
、出力エネルギの安定化を図ったシンクロトロン装置の
入射エネルギ安定化装置を提供しようとするものである
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、複数の加速管を直列に配した線型加速装置
の各加速管に高周波を供給して粒子ビームを加速して蓄
積リングに入射するシンクロトロン装置において、この
線型加速装置の粒子ビーム出口側に配置されて、当該線
型加速装置で加速された粒子ビームに磁場をかけて偏向
させるエネルギ測定用偏向電磁石と、前記エネルギ測定
用偏向電磁石で偏向された粒子ビームのビームサイズお
よびビーム位置を検出するビームプロファイルモニタと
、このビームプロファイルモニタによる検出結果に基づ
き前記加速管に供給する高周波のレベルまたは位相の一
方または両方を自動的に制御して所定ビームサイズおよ
び所定ビーム位置となるように制御する制御装置とを具
備してなるものである。

〔作　用〕

この発明によれば、粒子ビームはエネルギ測定用偏向電
磁石の磁界中を通過するときに、そのビムエネルギに応
じて偏向量か変わる。したかって、ビームプロファイル
モニタで偏向位置を検出することにより、ビームエネル
ギを計測することができる。また、粒子ビームと高周波
の位相かすれるとエネルギ分布が広がるため、エネルギ
測定用偏向電磁石を通過した粒子ビームはエネルギか低
い部分は大きく偏向され、エネルギか高い部分は小さく
偏向されて、ビームサイズは水平方向に広がる。したか
って、ビームプロファイルモニタでビームサイズを検出
することにより粒子ビームと高周波の位相ずれを計測す
ることかできる。

そして、制御装置は、これらの検出に基づいて高周波の
レベルまたは位相の一方または両方を自動的に制御して
、理せのビームサイズおよびビーム位置が得られるよう
にする。

これにより、粒子ビームと高周波の位相ずれおよびビー
ムエネルギの変動か修正されて、線型加速装置の出力エ
ネルギを安定化することができる。

なお、ビームプロファイルの検出は、線型加速装置から
蓄積リングへ至るビーム輸送部を利用して行なう（ビー
ム輸送部偏向電磁石をエネルギ測定用偏向電磁石に兼用
する）ほか、ビームプロファイル検出用の系統をビーム
輸送路とは別個に設けて検出することができる。

〔実施例〕

この発明を電子シンクロトロンに適用した一実施例を第
１図に示す。ここては、蓄積リングのビーム輸送部を利
用してビームプロファイルモニタを配置した場合につい
て示しており、ビーム輸送部偏向電磁石をエネルギ測定
用偏向電磁石に兼用している。

電子発生装置（電子錠等）］０から発生した電子ビーム
は線型加速装置１２て光速近くに加速され、ビーム輸送
部１４の偏向電磁石１６．１７で偏向されてシンクロト
ロン２０の蓄積リング２２に入射される。線型加速装置
１２は、２本の加速管］−３−１，，１，３−２を直列
に配設して構成されている。

発振器３０からは、高周波信号が発振される。

この高周波信号Ｍは出力パワーが可変のクライストロン
（大電力増幅器）３２−１．３２−２で増幅され、導波
管３３−１．３３−２を介して加速管１３−１．１３−
２にそれぞれ供給される。

加速管１Ｂ−１，１３−２内にはこの高周波信号Ｍによ
り電場が立ち、電子ビームと電場の位相が合っている場
合には、電子ビームは電場の最も強い部分に乗せられ、
波乗り運動により加速される。位相がずれてくると、電
子ビームは電場の最も強い部分からずれた部分で加速さ
れるので、加速効率が低下してくる。また、エネルギ分
布も広がる。

導波管３Ｂ−１，３３−２の途中には高層ｌ＆信号Ｍの
位相を変移させる移相器３６−１．３６−２が配設され
ている。

ビーム輸送部１４の途中（偏向電磁石１６１７の途中）
には、偏向電磁石１６て偏向された電子ビームのビーム
サイズやビーム位置を検出するためのビームプロファイ
ルモニタ３８か配設されている。

ビームプロファイルモニタ３８は、例えば第３図に示す
ように、ビーム輸送部真空ダクト４０内のビーム３３が
通る位置にスクリーン４２を進出、退出可能に配置する
。スクリーン４２には蛍光物質が塗布されており、ビー
ムが衝突した位置で蛍光を発する。スクリーン４２の側
方にはカメラ（テレビカメラ等）３４が配設され、スク
リーン４２上の蛍光を観測する。この観測を行なうため
、スクリーン４２はビーム軸に対してカメラ３４の方向
に適当な角度θだけ傾斜して配設されている。

スクリーン４２はシンクロトロン蓄積リング２２への電
子ビームの入射時にはビーム軌道位置から退出して、電
子ビームの通過の妨げとならないようにされる。入射に
先たって行なわれる線型加速装置１２の入射エネルギ調
整時には、スクリーン４２はビーム軌道位置に進出する
。進出状態で、線型加速装置１２から電子ビームを出射
すると、スクリーン４２の面のいずれかの部分に衝突し
、その部分で蛍光を発する。そして、この位置およびサ
イズをカメラ３４て観測することによりビームの所定の
軌道からのずれやビームサイズを測定することかできる
。

スクリーン４２は、例えば第４図に正面図で示すように
、ガラス等の基板４６に原点４７（ビームの設計軌道位
置）を中心に垂直方向および水平方向にけがき等で目盛
４８．５０を付して構成され、カメラ３４て蛍光を発し
た部分５２を電子ビーム位置として観測する。

第１図において、カメラ３４て観測された画像信号は、
画像処理装置５４に送られ、ここで画像処理されてエネ
ルギ分布か算出される。算出されたエネルギ分布情報は
計算機５６に送り込まれ、予め求められていた理想のエ
ネルギ分布と比較される。そして、計算機５６は計測値
かこの理想値に一致するようにタライストロン３２−１
．３２−２の出力パワーを制御し、また移相器３６−１
３６−２を移相制御する。

ここで、ビームプロファイルモニタ３８の検出に基づく
エネルギ分布の計測原理について説明する。第５図に示
すように、電子ビームかエネルギ測定用偏向電磁石１６
の磁場中を運動する時の曲率半径は、運動量（エネルギ
）に依存し、次式の関係が成立つ。

Ｐ−ρｅＢ Ｅ２−ｃ２Ｐ２−ｍｏｃ ま たたし、Ｐ・電子の運動量 ρ、電子の曲率半径 Ｂ：偏向電磁石１６の磁束密度 Ｅ、電子のエネルギ ｍｏ　、電子の静止質量 Ｃ：真空中の光速塵 これによれば、ビームエネルギが高い場合は、電子ビー
ムの曲率半径か大きくなり（すなわち偏向量か小さくな
り）、ビームエネルギか低い場合は、電子ビームの曲率
半径が小さくなる（すなわち偏向量が大きくなる。）。

したかって、偏向された電子をスクリーン４２に衝突さ
せて蛍光を発した位置や形状、サイスをカメラ３４て観
ｔＩ［することにより電子ビームのエネルギ状態を検出
することができる。

第６図は、カメラ３４で観測されるスクリーン４２上の
電子ビームパターンを示したものである。

（ａ）は電子ビームエネルギが目標値にある理想状態で
、電子ビームはスクリーン４２の中心位置に衝突する。

（ｂ）は電子ビームエネルギが目標値よりも高い方にず
れた状態を示すもので、電子ビームはスクリーン４２の
中心位置から左側にずれた位置に衝突する。（ｃ）は線
型加速装置１２において電子ビームの位相と高周波の位
相がずれた状態で加速された場合のもので、エネルギ分
布が広がるため、電子ビームは水平方向に広がってスク
リーン４２に衝突する。

第７図は、カメラ３４の観測画像に基づく画像処理装置
５４によるエネルギ分布分析結果を示すものである。第
７図（ａ）は第６図（ａ）の理想状態のときのエネルギ
分布状態で、エネルギ幅および中心エネルギが所定状態
にある。第７図（ｂ）は第６図（ｂ）のビームエネルギ
が高い方へすれた状態で、中心エネルギがずれる。第７
図（ｃ）は第６図（ｃ）の電子ビームの位相と高周波の
位相がずれた状態で、エネルギ幅が広がる。

このビームエネルギ分布分析結果に基づく計算機５６に
よるビームエネルギ安定化制御を第８図のフローチャー
トに基づき説明する。

■　はじめに、蓄積リング２２への入射効率最大時のエ
ネルギ分布のグラフを予め計算または実験により求めて
計算機５６に取込む。

■　ビームプロファイルモニタ３８のスクリーン４２を
ビーム輸送部真空ダクト４０内のビーム軌道上に移動し
、偏向電磁石１６を励磁した状態で線型加速装置１２か
ら電子ビームを出射する。この時の偏向電磁石１６の励
磁量は、電子ビームが所定ビームエネルギのときにスク
リーン４２の中心位置に衝突する偏向量が得られる値に
設定する。カメラ３４でスクリーン４２上の画像を観測
し、画像処理装置５４でエネルギ分布を分析する。計算
器５６はこの分析結果を人力し、理想のエネルギ分布と
比較する。

■　比較の結果、中心エネルギがずれている場合は、ク
ライストロン３２−１．３２−２の電圧を制御して高周
波パワーを自動調整する。

■　高周波パワー調整の結果中心エネルギが一致したら
、今度はエネルギ幅を理想のエネルギ分布と比較する。

■　比較の結果エネルギ幅が異なっている場合は、移相
器３６−１．３６−２を位相制御して、高周波信号Ｍの
位相を自動調整する。

■　位相調整の結果エネルギ幅が一致したら理想のエネ
ルギ分布状態が得られたので、ビームエネルギ安定化制
御を終了し、スクリーン４２をビーム軌道から退避させ
て上記調整された状態で電子ビームを蓄積リング２２へ
入射する。これにより、電子ビームを安定かつ高効率に
蓄積リング２２に入射することかできる。

〔変更例〕

前記実施例では、蓄積リングへのビーム輸送部を兼用し
てビームエネルギ検出を行なったが、ビームエネルギ検
出用の経路を専用に設けることもできる。第９図はその
一例を示すものである。

線型加速装置１２の延長上にはビーム輸送部１４から分
枝してビームエネルギ測定用経路５８が具えられている
。このビームエネルギ測定用経路５８は、線型加速装置
１２の出口から直線状に延びる真空ダクト６０を具え、
偏向路６２に連通している。偏向路６２の端は閉塞され
ている。真空ダクト６０と偏向路６２との折曲部にはエ
ネルギ測定用偏向電磁石６４が配設されている。偏向電
磁石６４の下流には、ビームプロファイルモニタ３８お
よびカメラ３４が配設されている。

ビームエネルギの測定および設定はシンクロトロンへの
入射に先立って行なわれ、この時ビーム輸送部偏向電磁
石１６．１７は非励磁、エネルギ測定用偏向電磁石６４
は励磁とされ、線型加速装置１２から出射される電子ビ
ームは真空ダクト６０を直進して、エネルギ測定用偏向
電磁石６４で偏向路６２の方向に偏向されてビームプロ
ファイルモニタ３８およびカメラ３４てビームサイズ、
ビーム位置等が観測される。

また、前記実施例では移相器をクライストロンの後段に
配したが、前段に配してもよい。また、移送器を加速管
ごとに設けずに、いずれか１つの加速管を基準として他
の加速管についてのみ位相を制御することもできる。さ
らには、いずれの加速管にも移相器を設けずに、高周波
パワー制御たけするようにしてもある程度のビーム調整
を行なうことができる。

また、前記実施例ではビームプロファイルモニタを蛍光
スクリーンとカメラとて構成したが、スクリーン自体を
多数の電極をマトリックス状に配して、各電極から信号
線を引き出した構成として、ビームが衝突した位置の電
極から得られる信号によりビームサイズ、位置を検出す
ることもできる。

このようにすればカメラは不要となる。

また、前記実施例では、この発明を電子ビーム用線型加
速装置に適用した場合について説明したか、他の粒子ビ
ーム用の線型加速装置にも適用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、ビームプロフ
ァイルモニタによるビーム位置、サイズ検出に基づいて
高周波のレベルまたは位相の一方または両方を自動的に
制御して、理想のビームサイズおよびビーム位置が得ら
れるようにしたので、粒子ビームと高周波の位相ずれお
よびビームエネルギの変動か修正されて、線型加速装置
の出力エネルギを安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１実施例を示すプロ・ツク図で
ある。 第２図は、シンクロトロン装置の概要を示す平面図であ
る。 第３図は、ビームプロファイルモニタの構成例を示す平
面断面図である。 第４図は、第３図のスクリーン４２の正面図である。 第５図は、ビームプロファイルモニタによるビームエネ
ルギの検出原理を示す図である。 第６図は、第１図のカメラ３４による観測画像を示す図
である。 第７図は、第６図の観測画像に基づき分析されたビーム
エネルギ分布を示す図である。 第８図は、ビームエネルギ分布分析に基づくビ１２・・
・線型加速装置、１Ｂ−１，１３−２・・・加速管、２
２・・・蓄積リング、１６．６４・・・エネルギ測定用
偏向電磁石、３８・・ビームプロファイルモニタ、５６
・・・計算機（制御装置）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数の加速管を直列に配した線型加速装置の各加速管に
   高周波を供給して粒子ビームを加速して蓄積リングに入
   射するシンクロトロン装置において、 この線型加速装置の粒子ビーム出口側に配置されて、当
   該線型加速装置で加速された粒子ビームに磁場をかけて
   偏向させるエネルギ測定用偏向電磁石と、 前記エネルギ測定用偏向電磁石で偏向された粒子ビーム
   のビームサイズおよびビーム位置を検出するビームプロ
   ファイルモニタと、 このビームプロファイルモニタによる検出結果に基づき
   前記加速管に供給する高周波のレベルまたは位相の一方
   または両方を自動的に制御して所定ビームサイズおよび
   所定ビーム位置となるように制御する制御装置と を具備してなるシンクロトロン装置の入射エネルギ安定
   化装置。