JPH0536498A - 放射光発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環状加速器から得られる放射光強度の経時変
化を低減し一定に保つ。 【構成】 環状加速器５より発生する放射光10の強度を
測定する光量モニタ12あるいは蓄積中の荷電ビーム６の
電流値を測定するビーム電流モニタ20と上記光量モニタ
あるいはビーム電流モニタで測定した値に応じて蓄積中
の荷電ビームのエネルギーを制御する制御部13を備えた
構成とし、あるいは、蓄積中の荷電ビーム位置を測定す
る複数のビーム位置モニタ28あるいは放射光の照射位置
を測定する複数の光位置モニタ25と複数のビーム位置補
正用電磁石３と上記ビーム位置モニタ25あるいは光位置
モニタで測定した値に応じてビーム位置補正用電磁石を
制御する制御部27を備えた構成とし、あるいは放射光の
形状を測定する少なくとも１個の光形状モニタ22と、こ
の光形状モニタで測定した値に応じて収束用電磁石を制
御する制御部24を備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、荷電ビームの加速・蓄
積装置、特に例えば電子ビームを加速して蓄積し、ビー
ム偏向部より発生する放射光（シンクロトロン放射光）
を利用する放射光発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図11に従来の放射光発生装置の構成を示
す。少なくとも１個の偏向電磁石１、複数のビーム収束
用電磁石２、複数のビーム位置補正用電磁石３、少なく
とも１個の高周波加速空胴４を環状や円形状に配した環
状加速器５と入射用加速器７より成る荷電ビーム６は入
射用加速器７より入射部８を通して円形状加速器５に入
射され蓄積される。

【０００３】入射された荷電ビーム６は真空ダクト９内
を周回しながら、偏向電磁石１で偏向される際放射光10
を発生する。放射光10は放射光取出しダクト11により加
速器より取り出され、ＬＳＩのリソグラフィーの利用に
供される。（特開昭62−128500号公報参照）荷電ビーム
６が放射光10を発生する際に失なわれるエネルギーは高
周波加速空胴４内で発生する加速電圧により補なわれ
る。各電磁石の磁場強度は荷電ビーム６が真空ダクト９
内の適正な位置を適正な形状で周回するように設定され
る。周回中の荷電ビーム６のエネルギーを変える（加速
又は減速する）場合には各電磁石の磁場強度と高周波加
速空胴４の加速電圧をエネルギーに応じて適正に変化さ
せる。

【０００４】真空ダクト９内は荷電ビーム６が残留ガス
分子との相互作用により、そのエネルギーや、進行方向
が変化しても真空ダクト９の内壁に衝突して失なわれる
確率を低くして荷電ビーム６を長時間回し続けるために
10^-9Torr程度の真空度に保たれている。

【０００５】上記の荷電ビーム６と残留ガス分子の相互
作用や、荷電ビーム内の荷電粒子同志の散乱、放射光10
発生の際の反跳などに起因して環状加速器５内に蓄積さ
れ周回している荷電ビームの電流量すなわち荷電粒子数
は時間と共に徐々に減少していく。実際、従来の放射光
発生装置では、蓄積ビーム電流Ｉ_b は、元の電流値Ｉ_o
より、およそ次式に従って時間ｔと共に減少している。 Ｉ_b ＝Ｉ_o exp （−t/τ） ……（１） ここでτは、Ｉ_b がＩ_o の１／ｅ（〜36.8％）に減少す
るまでの時間で、一般にビーム寿命と呼ばれている。

【０００６】従来の装置は通常数時間から数十時間のビ
ーム寿命を持つ。また、ビーム寿命は装置運転時間の増
加とともに徐々に長くなっていくことが知られている。
これは、真空ダクト内壁からのガス放出量が徐々に減少
していくことと関係している。

【０００７】ビーム寿命はその装置の蓄積ビームエネル
ギー、蓄積ビーム電流、その他の様々なパラメーターや
真空ダクト内の真空度等と密接に関連していることは良
く知られているが、ビーム寿命に関する事象は単純では
なく、装置設計段階でその装置のビーム寿命を正確に予
測することは現状では不可能と言える。

【０００８】一方、放射光の全強度Ｐは、荷電ビーム電
流Ｉ_b 、荷電ビームのエネルギーＥにより次のように表
わすことができる。（日本結晶学会誌18、シンクロトロ
ン放射光の発生とさの特徴P.69（1976)） Ｐ＝αＥ⁴ Ｉ_b ……（２）

【０００９】ここでαは放射光発生装置（環状加速器）
内で荷電ビームが偏向する際の曲率で決まる定数であ
る。従って、放射光の強度は荷電ビーム電流の減少にと
もない時間とともに減少していくことになる。

【００１０】これに対し、荷電ビーム電流がわずかに減
少したところで少量の荷電ビームを追加入射することを
繰り返し、長時間にわたって蓄積している荷電ビーム電
流量、すなわち放射光の強度の変動を±0.5 ％以内にお
さえることに成功している例がある。（平成３年電気学
会電子・情報・システム部門全国大会予稿「ソルテック
におけるＳＯＲ光源施設の現状」）

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように従
来の放射光発生装置では、放射光の強度は時間とともに
減少し、放射光の強度の安定性が求められる利用に際し
て不都合であった。

【００１２】上述の追加入射によっても放射光の強度を
完全に一定にすることは不可能で、強度がノコギリ波状
に変動することは避けられない。さらにこの方法は、入
射用加速器で最終エネルギーまで加速してから環状加速
器に入射するいわゆる全エネルギー入射型の装置では実
施可能であるが、環状加速器で加速も行なう加速蓄積型
の装置においては実施困難である。

【００１３】また、追加入射の頻度は要求される放射光
強度の安定度と、蓄積中の荷電ビームの寿命により決定
する。第12図にいくつかの放射光強度の安定度につい
て、ビーム寿命と追加入射の時間間隔を示す。

【００１４】放射光強度の安定度に対する要求はその利
用目的、形態により異なるが、ここでは例えば必要安定
度±0.5 ％を想定する。この場合、ビーム寿命１時間の
場合には36秒毎に入射をくり返すことになる。非常に多
くの光取出しポートを必要とする場合、入射用加速器１
台あたりに多数の環状加速器を接続することが考えられ
るが、接続可能な環状加速器の数は追加入射間隔を１回
の追加入射に必要な時間で除した値以下に制限される。
ビーム寿命が１時間以下と短い場合や、要求される放射
光強度安定性がよりきびしい場合には、多くの入射用加
速器が必要となり、スペース上の効率が悪くなる。

【００１５】ビーム寿命が10時間以上あるような場合、
上記のような問題は無くなるが、このような寿命を得る
ためには、環状加速器を構成する各機器の高性能化が必
要であり、装置の大型化をまねく。また、前述の様にビ
ーム寿命は装置運転時間と共に長くなるので、所定のビ
ーム寿命を得るまでには一定閉間のいわゆる枯らし運転
が必要である。長寿命を得ようとすればそれだけ枯らし
運転期間が長くなり、装置の実働開始が遅れることにな
る。示らに±0.1 ％以下というような非常にきびしい放
射光強度安定度の要求があった場合、極めて少量づつの
追加入射が必要であるが、これを実現できる入射部と制
御部の製作は困難である。上記述べたきた課題は、放射
光強度が蓄積している荷電ビーム電流に比例して、時間
とともに減少していくことに起因している。

【００１６】本発明は、かかる従来技術の課題を解決す
るためになされたものであり、全エネルギー入射型にお
いても、加速蓄積型においても、放射光強度が時間とと
も減少することなく一定に保つことができる放射光発生
装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、環状加速器より発生する放射光の強度を測
定する光量モニタあるいは蓄積中の荷電ビームの電流値
を測定するビーム電流モニタと上記光量モニタあるいは
ビーム電流モニタで測定した値に応じて蓄積中の荷電ビ
ームのエネルギーを制御する制御部を備えた構成とし、
あるいは、蓄積中の荷電ビーム位置を測定する複数のビ
ーム位置モニタあるいは放射光の照射位置を測定する複
数の光位置モニタと複数のビーム位置補正用電磁石と上
記ビーム位置モニタあるいは光位置モニタで測定した値
に応じてビーム位置補正用電磁石を制御する制御部を備
えた構成とし、あるいは放射光の形状を測定する少なく
とも１個の光形状モニタと、この光形状モニタで測定し
た値に応じて収束用電磁石を制御する制御部を備えた構
成とする。

【００１８】

【作用】上記構成により、環状加速器に蓄積中の荷電ビ
ーム電流の変化に応じて荷電ビームのエネルギーを変化
させ、放射光の強度を一定に保つことができる。また、
荷電ビームのエネルギーが変化しても、放射光の照射位
置、形状を一定に保つことができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図１及び
図２を参照して説明する。

【００２０】図１は本発明の一実施例についてその構成
を示したものである。環状加速器５に蓄積されている荷
電ビーム６より生じる放射光10の強度を測定する光量モ
ニタ12を備える。光量モニタ12は目的に応じて放射光10
の全量を測定するものであってもある特定の波長又は波
長範囲の光量のみを測定するものでも良い。荷電ビーム
エネルギー制御部13は光量モニタ12より送られてくる放
射光10の強度に応じた光量信号18が一定になるように蓄
積中の荷電ビーム６のエネルギー制御するものである。

【００２１】図２は荷電ビームエネルギー制御部13の働
きを示すブロック図である。環状加速器５に蓄積されて
いる荷電ビーム６のエネルギーを変化させるためには偏
向電磁石１の磁場強度をエネルギーに比例して変えれば
良いことは加速器物理学より導びかれるところである。
このとき、偏向電磁石内での荷電ビームの曲率は不変で
ある。さらに、収束用電磁石２、ビーム位置補正用電磁
石３の強度もエネルギーに比例して変えれば、荷電ビー
ム６の断面形状と周回位置をほぼ一定に保つことが可能
である。さらに高周波加速空胴４の加速電圧も荷電ビー
ムのエネルギーに応じて変化させれば、より安定した荷
電ビームの特性が期待できる。したがって荷電ビームエ
ネルギー制御部13は具体的には偏向電磁石電源14、収束
用電磁石電源15、ビーム位置補正用電磁石電源16、高周
波電源17に制御信号19を送り、荷電ビーム６のエネルギ
ーを変化させ、光量モニタ12で測定する放射光強度を一
定に保ち、荷電ビーム６の断面形状、周回位置をほぼ一
定に保つ働きをする。なお、場合によっては、収束用電
磁石電源15、ビーム位置補正用電磁石電源16、高周波電
源17のいずれかもしくは全てについて制御を行なう必要
がない場合もあり得る。次に本実施例の作用について述
べる。

【００２２】放射光の全強度は前出の（２）式に示した
ように荷電ビームの曲率半径が一定であれば、荷電ビー
ム電流Ｉ_b に比例し、荷電ビームのエネルギーＥの４乗
に比例する。一方、一般に放射光を利用する場合、ある
特定の波長又は波長範囲の光を利用することが考えられ
る。ある特定の波長λにおける放射光の強度Ｐ（λ）は
次のように表わせる。（日本結晶学会誌18、シンクロト
ロン放射の発生とその特徴P.74（1976))

【００２３】ここでβは荷電ビームの曲率半径で決まる
定数、Ｇ（λ／λc ）は図３のような関数でuniversal
spectral function と呼ばれ、放射光のスペクトルの形
を決める関数である。λc は放射光の臨界波長と呼ばれ で表わせる。Ｒは荷電ビームの曲率半径である。

【００２４】図４は（３）式および（４）式に具体的な
値を代入してある特定の波長λにおける放射光強度を一
定にした場合の荷電ビームの電流量Ｉ_b と荷電ビームの
エネルギーＥおよび偏向電磁石磁場強度Ｂの関係を示し
たものである。ここである特定の波長λとしては10オン
グストローム荷電ビームの曲率半径Ｒとしては2.775m、
荷電ビームのエネルギーの初期値としては１GeV を例に
とっている。この例によれば、荷電ビームの電流Ｉ_b が
初期値（100 ％）に対して68％まで減少しても荷電ビー
ムエネルギーＥを１GeV から1.1GeVへ10％増加すれば、
すなわち偏向電磁石の磁場強度Ｂを10％増加させれば、
10オングストロームにおける放射光強度を一定に保つこ
とができる。ちなみに（２）式を用い放射光全強度を一
定に保つ場合について計算した結果も本例においては図
４とほぼ同様な結果となっている。

【００２５】図４に示したような関係は一義的なもので
はなく、環状加速器のパラメーターと、どのような波長
又は波長範囲において放射光強度を一定に保つかによっ
て変化するものであるが、荷電ビームエネルギーＥを変
化させることにより荷電ビーム電流Ｉ_b の変化を補って
ある特定の波長又は波長範囲の放射光強度を一定にする
ことは可能である。また、荷電ビームのエネルギーをど
の程度まで変化させることができるかは、環状加速器の
パラメーターと、放射光利用上の要求により決まるもの
である。

【００２６】図５は図４で示した例において、荷電ビー
ムのエネルギー変化を最大10％として、放射光強度を一
定に保つために必要な追加入射の間隔と環状加速器内で
の荷電ビームの寿命の関係を示したものである。ビーム
寿命が0.5 時間程度と短い場合にも追加入射間隔は700
秒以上あり、入射用加速器１台あたり多数の環状加速器
を接続する際にも十分な数を接続できる。また、ビーム
寿命が10時間程度となると追加入射間隔は14000 秒（約
４時間）以上となり、１日数回の追加入射で済むことに
なる。

【００２７】図６及び図７は本実施例により得られる放
射光強度の時間変化を示したものである。比較のために
従来の放射光発生装置より得られる放射光強度の時間変
化についても示してある。図６は全エネルギー入射型の
場合である。従来の装置では、放射光強度がノコギリ波
状に変化することは避けられなかった。しかし、本実施
例によれば、追加入射の際にも蓄積している荷電ビーム
電流の増加に応じて荷電ビームのエネルギーを変化させ
ることにより、放射光強度をほぼ完全に一定に保ち続け
ることが可能である。図７は加速蓄積型の場合について
示したものである。従来の装置では、放射光強度を長時
間一定に保つことは不可能であったが、本実施例によれ
ば、入射、加速にかかる時間以外については放射光強度
を一定に保ち続けることが可能となる。 （他の実施例）

【００２８】図８に示す実施例においては、荷電ビーム
エネルギー制御部13はビーム電流モニタ20により測定さ
れ蓄積中の荷電ビーム電流値に対応した電流値信号21を
受け、その電流値信号21の変化に応じて、ある特定の波
長のあるいは波長範囲の放射光強度が一定となるように
蓄積中の荷電ビーム６のエネルギーを変化させる構成と
なっている。ビーム電流モニタ20は荷電ビーム６に非接
触で荷電ビームの電流値、あるいは電流値に対応した信
号を測定できるものである。また、荷電ビームエネルギ
ー制御部13以後の構成は図２に示したものと同様である
が、荷電ビーム電流値の変化に対応する荷電ビームエネ
ルギーの変化の割合は、環状加速器５のパラメーター及
び強度を一定としたい放射光の波長、あるいは波長範囲
により異なるので、あらかじめ算出した関係にしたがっ
て荷電ビームエネルギー制御を行なう。本実施例におい
ても光量モニタを用いた場合と同様な効果が得られる。

【００２９】図９に示す実施例においては、第１の実施
例にさらに放射光10の照射形状を測定する少なくとも１
個の光形状モニタ22と光形状例えば照射野の半値幅など
に対応する光形状信号23を受け、その光形状信号23が一
定となるように収束用電磁石電源を制御する収束用電磁
石制御部24を備え、また、放射光10の照射位置を測定す
る複数の光位置モニタ25と、光位置に対応する光位置信
号26を受け、その光位置信号26が一定となるようにビー
ム位置補正用電磁石電源を制御するビーム位置補正用電
磁石制御部27を備える構成となっている。本実施例によ
れば、放射光10の照射形状と位置を蓄積ビームエネルギ
ーが変化した際にもほぼ完全に一定に保てるため、放射
光の利用に際して有利である。

【００３０】ここでは光位置モニタ25が２個の例を示し
たが、理想的には各偏向電磁石に１個の光位置モニタを
備えることが望ましい。また、光量モニタ12、光形状モ
ニタ22、光位置モニタ25の全ての機能を又は複数の機能
を持つ放射光モニタを用いることも考えられる。

【００３１】さらに、光位置モニタ25の替わりに、非接
触で円形状加速器５内に蓄積され周回している荷電ビー
ム６の位置を測定する複数のビーム位置モニタ28を用い
て、ビーム位置に対応するビーム位置信号29をビーム位
置補正用電磁石制御部27に送り環状加速器５内を周回し
ている荷電ビーム６の位置を一定に保つことによっても
光位置モニタ25を使用した場合と同様に放射光10の照射
位置を一定に保つことが可能である。

【００３２】図10は本実施例の制御部のブロック図を示
したものである。ここでは、荷電ビームエネルギー制御
部13は収束用電磁石電源15とビーム位置補正用電磁石電
源16を制御しない例を示したが、制御の行ない方は図10
に限定されるものではない。また、上述のようにビーム
位置補正用電磁石制御部には光位置信号26の代わりにビ
ーム位置信号29を送っても良い。本実施例は第１の実施
例を基本にしているが、第２の実施例に同様の機能を付
加した構成としても同等の効果が得られることは明らか
である。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、環状加速
器に蓄積中の荷電ビームより発生する放射光強度あるい
は荷電ビームの電流値の変化に対応して荷電ビームのエ
ネルギーを変化させることが可能で、かつ放射光の照射
形状と位置を一定に保つことが可能なようにモニタと制
御部を備えることにより、全エネルギー入射型において
も加速蓄積型においても、時間とともに変化しない一定
強度の放射光を得ることができ、さらに追加入射の時間
間隔を従来の装置に比べ長くできるので１台あたりの入
射器に多数の円形状加速器を接続する際にもビーム寿命
の短い円形状加速器が使用可能であるため、放射光強度
の一定の小型で、制作容易で、信頼性が高く、実働開始
までの期間が短い高性能の放射光発生装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の放射光発生装置の構成
を示す平面図

【図２】上記実施例の制御部のブロック図

【図３】上記実施例の作用を説明するために必要なuniv
ersal spectral function を示た図

【図４】本実施例の原理を説明するためのグラフ

【図５】本実施例により達成される追加入射間隔を説明
するためのグラフ

【図６】全エネルギー入射型の装置について本実施例と
従来装置から得られる放射光強度の時間変化を比較する
図

【図７】加速蓄積型の装置について図６と同様の比較を
する図

【図８】本発明の第２の実施例の構成を示す平面図

【図９】本発明の第３の実施例の構成を示す平面図

【図１０】第３の実施例の制御部のブロック図

【図１１】従来装置の説明をするための平面図

【図１２】従来装置での追加入射間隔を説明するための
グラフ

【符号の説明】

１…偏向電磁石 ２…収束用電磁石 ３…ビーム位置補正用電磁石 ４…高周波加速空
胴 ５…環状加速器 ６…荷電ビーム ７…入射用加速器 ８…入射部 ９…真空ダクト 10…放射光 11…放射光取出しダクト 12…光量モニタ 13…荷電ビームエネルギー制御部 14…偏向電磁石電
源 15…収束用電磁石電源 16…ビーム位置補
正用電磁石電源 17…高周波電源 18…光量信号 19…制御信号 20…ビーム電流モ
ニタ 21…電流値信号 22…光形状モニタ 23…光形状信号 24…収束用電磁石
制御部 25…光位置モニタ 26…光位置信号 27…ビーム位置補正用電磁石制御部 28…ビーム位置モ
ニタ 29…ビーム位置信号

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電ビームを加速あるいは蓄積する環状
   加速器と、前記荷電ビームより発生する放射光の強度を
   観測する光量モニタと、この光量モニタでモニタした光
   量に応じて放射光の強度がある一定の値となるように前
   記環状加速器に蓄積中の荷電ビームのエネルギーを制御
   する制御部とを有することを特徴とする放射光発生装
   置。
2. 【請求項２】 放射光の光量モニタが、ある特定の波長
   又は波長範囲の光量のみを測定する機能を備え、ある特
   定の波長又は波長範囲の放射光の強度を一定とすること
   を特徴とする請求項１記載の放射光発生装置。
3. 【請求項３】 荷電ビームを加速あるいは蓄積する環状
   加速器と、前記荷電ビームの電流値をモニタするビーム
   電流モニタと、このビーム電流モニタでモニタした電流
   値に応じて前記環状加速器より発生する放射光の任意の
   波長範囲の強度がある一定の値となるように環状加速器
   に蓄積中の荷電ビームのエネルギーを制御する制御部と
   を有することを特徴とする放射光発生装置。
4. 【請求項４】 蓄積中の荷電ビームの周回軌道位置を観
   測する複数のビーム位置モニタと複数のビーム位置補正
   用電磁石を備え、モニタしたビーム位置に応じてビーム
   位置が一定となるようにビーム位置補正用電磁石を制御
   する制御部を有し、蓄積中の荷電ビームのエネルギーが
   変化しても荷電ビームの周回軌道位置は一定であり、放
   射光の照射位置が一定であるようにしたことを特徴とす
   る請求項１または３記載の放射光発生装置。
5. 【請求項５】発生する放射光の照射位置を観測する複数
   の光位置モニタと環状加速器の中を周回する荷電ビーム
   の周回軌道位置を補正する複数のビーム位置補正用電磁
   石とを備え、モニタした放射光位置に応じて放射光位置
   が一定となるようにビーム位置補正用電磁石を制御する
   制御系を有し、蓄積中の荷電ビームのエネルギーが変化
   しても放射光の照射位置が一定であるようにしたことを
   特徴とする請求項１または３記載の放射光発生装置。
6. 【請求項６】発生する放射光の照射形状を観測する少な
   くとも１個の光形状モニタを備え、モニタした形状に応
   じて光形状が一定となるように環状加速器の収束用電磁
   石を制御する制御部を有し、蓄積中の荷電ビームのエネ
   ルギーが変化しても放射光の照射形状が一定であるよう
   にしたことを特徴とする請求項１，３，４，５いずれか
   記載の放射光発生装置。
7. 【請求項７】光位置モニタの少なくとも１個が光量モニ
   タを兼ねることを特徴とする請求項５記載の放射光発生
   装置。
8. 【請求項８】光位置モニタの少なくとも１個が光形状モ
   ニタを兼ねることを特徴とする請求項５記載の放射光発
   生装置。