JPH08279624A

JPH08279624A - 放射光位置モニター

Info

Publication number: JPH08279624A
Application number: JP8288095A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kitamura; 英男北村; Hisaharu Sakae; 久晴栄; Yoshiyuki Yamamoto; 喜之山本; Keiichiro Tanabe; 敬一朗田辺
Original assignee: IHI Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: IHI Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】新規な放射光位置モニターを提供する。【構成】少なくともダイヤモンド板及び該ダイヤモンド
板に配置された複数の金属膜プローブからなり、放射光
に垂直に配置できることを特徴とする放射光位置モニタ
ー。特に好ましくは中央に穿孔または膜厚の薄い部分を
有する。【効果】耐熱、耐放射線性に優れ、高速応答、高感度
で、しかもビームラインへの設置、調整、補修も非常に
簡便である。高強度、高熱伝導性、耐放射線性を利用し
て窓材併用の用途や放射光以外の放射線モニターにも利
用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＳＯＲビーム等の放射
光の位置を検出するための放射光位置モニターに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】放射光とはＳＯＲビームなど、電子加速
器加速された電子から軌道の接線方向に放射される電磁
波であり、波長連続で軌道面内に偏光した電気ベクトル
を有し、非常に強度が大きい。また波長連続であるので
可視光から硬Ｘ線にわたる分光、回折実験に理想的な光
であり、この種の実験設備では放射光を精度よく導入測
定および調整するために、放射光位置モニターは必須の
装置である。現在までに発表されている放射光位置モニ
ターとしては次の５種類が挙げられる。蛍光板上の蛍
光像の画像解析によるモニター、チョッパー型モニタ
ー、２分割陰極型イオンチャンバー、蛍光Ｘ線を利
用したモニター、光電子放出を利用したモニター。上
記〜に関しては、特定の条件下、例えばビームを大
幅に遮るとか、ビームラインの真空に挿入できないなど
の問題があるため特定の条件下でのみビームラインに挿
入できる。

【０００３】蛍光板上の蛍光像の画像解析によるモニ
タービームラインの放射光の一部を蛍光板で受けて、その蛍
光をＴＶカメラによって観察し、画像解析にかけて放射
光の位置をみようというものである。蛍光体の粒度、カ
メラレンズの拡大率、ＴＶカメラのＣＣＤ画素数などで
制限され、位置分解能を５０μｍよりもよくすることは
難しい。

【０００４】チョッパー型モニター適当な蛍光体を塗ったリードを放射光の中で高速に振動
させて、光位置を観測するモニターである。

【０００５】２分割陰極型イオンチャンバーイオンチャンバーの陰極をその対角線に沿って２つの直
角三角形に分割した構造をしている。このモニターでは
放射光が陰極と陽極の間を通過するときにできるイオン
を上下に分割された陰極に集光し、放射光が動くと、２
つの陰極に流れ込むイオン電流に差ができることによ
り、放射光の位置を測るものである。イオン電流を読み
出すために、陽極に数百Ｖの電圧をかける。このモニタ
ーの問題点は、その感度がチャンバーの中に流すガス
（通常はＨe ガス）の流量に大変敏感であることが挙げ
られる。ところで、放射光のビームラインは、加速リン
グをはじめとして基本的に高真空を必要とするため、位
置モニターもその高真空を保持したまま使用することが
前提となる。このモニターは、ガスを使用する関係上、
ビームラインにそのまま挿入することはできず、ビーム
ラインに本来不要な真空隔壁を新たに設けねばならず、
リーク等の問題も発生しやすくなるため、高真空を要す
るビームラインのモニターとしてはあまり用いられてい
ない。

【０００６】蛍光Ｘ線を利用したモニターＴａ（タンタル）製のターゲットをビームラインの中に
設置して、このターゲットからの２次蛍光Ｘ線をシンチ
レーションカウンターで観測して放射光位置を測定する
というものである。このモニターは光ビームをかなり遮
るという問題がある。

【０００７】光電子放出を利用したモニター光電子放出を利用したモニターは低真空から高真空まで
の真空に引かれたビームラインに直接挿入でき、ＶＵＶ
領域から、高エネルギーＸ線領域までの広い波長領域に
感度があり、安定度、位置分解能、ダイナミックレンジ
の点でも優れているので、何種類かのタイプのものが開
発され、広く使用されている。金属表面での光電子放出
の量子効率はあまり大きくなく、金属表面への直入射
で、数％オーダーの大きさである。金属には、Ｗ，Ｍｏ
などが用いられる。

【０００８】挿入光源用の放射光位置モニターとして
は、の光電子放出を利用したものがほとんどであり、
放射光の端の裾野の部分に光電極を配置する。このた
め、どうしても偏向電磁石からの放射光によるバックグ
ラウンドの影響を受けやすい。また、上流のモニターの
ブレードの作る影が下流のモニターに影響を及ぼすとい
う欠点もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】挿入光源用の放射光位
置モニターとしては、以下のような性能を持つことが要
求されている。 1)サブミクロンレベルの高い位置分解能が得られるこ
と。 2)高い真空中に設置することが可能であること。 3)熱伝導率がよく、高熱負荷に耐えられること。 4)放射光に対する応答速度の早いこと。 5)耐放射線性を有し、長期間安定に動作できること。

【００１０】従来主に用いられている金属ブレードによ
る光電効果を利用した放射光位置モニターでは、使用時
にブレードも放射光にさらされ、非常な高温となる。そ
こで、高融点金属を使用し、側面を強制水冷するなどの
放熱手段を講じて、ブレードの損傷を防ぎ、放熱効率を
増大させる改良が行われている。しかし、近年、放射光
発生装置の出力の増大に従い、従来の金属ブレードを用
いた放射線位置モニターでは、熱的に耐えられなくなっ
てきている。本発明は、上述した従来装置の問題点を解
消し、しかも要求される特性を満足して、大出力の放射
光の位置を、高精度、高速に測定し、かつ安定に動作す
るとともに製造コストも低減された放射光位置モニター
を提供することを目的とするものである。

【００１１】上記課題を解決する手段として、本発明は
少なくともダイヤモンド板及び該ダイヤモンド板に配置
された複数の金属膜プローブからなり、放射光に垂直に
設置できることを特徴とする放射光位置モニターを提供
する。本発明においては、前記ダイヤモンド板が気相合
成ダイヤモンドからなることが特に好ましい実施態様と
して挙げられる。また、本発明においては、前記気相合
成ダイヤモンド板が多結晶ダイヤモンドからなることも
特に好ましい実施態様として挙げられる。さらに、本発
明においては、前記ダイヤモンド板が中央に穿孔または
膜厚の薄い部分を有してなることが他の特に好ましい実
施態様として挙げられる。さらにまた、本発明におい
て、前記金属膜プローブが、Ａｌ，ＣｕまたはＢｅのう
ちの１種からなることが特に好ましい。

【００１２】

【作用】本発明者らは、物質中最大の熱伝導率をもち、
耐放射線能力も高いダイヤモンドに着目し、これを放射
光位置モニターに利用することを考えつき、様々な構造
のモニターを試作し、試験、検討を重ねた結果、非常に
簡便に安価に作成できるため製造コストを低減でき、そ
の使用も簡便でありながら安定に作動でき、高精度な装
置である放射光位置モニターを発明することができた。
本発明は放射光に対し垂直に設置されるダイヤモンド板
及び該ダイヤモンド板の少なくとも一方の面に配置され
た複数の金属膜プローブおよび集電極からなり、放射光
検出器として働き、放射光の位置を検出するものであ
る。集電極は複数であっても１個でもよい。

【００１３】図１は本発明の一具体例を説明する概略説
明図、図２は本発明の放射光位置モニターの作用を説明
する模式図、図３は本発明の放射光位置モニターの実施
の態様を示す概略説明図である。図１において、１はダ
イヤモンド板、２は穿孔、３と３′はそれぞれ対をなす
金属膜プローブの組である。このような放射光位置モニ
ターを製造するには、まず平板状のダイヤモンド板（ダ
イヤモンド自立膜）１を用意し、その表裏に金属膜プロ
ーブ３，３′を配置する。このとき、表裏同一の位置に
金属膜プローブを形成することが好ましい。図２に示す
ようにこの金属膜プローブに放射光が照射されると、光
電効果により電子が表面より放出される。金属膜プロー
ブに対して正の電位を持った集電極を適当な位置に配置
しておくと、これが飛びだした電子を捕獲し、放射光検
出素子として機能する。放射光の位置をモニターするた
めにはダイヤモンドの片面に最低限２個の金属膜プロー
ブ及び集電極が必要であり、好ましくは片面に４個以上
である。各々の検出素子の出力の大小から放射光の重心
を算出することができる。また、金属膜プローブ及び集
電極は、ダイヤモンド板の片面にのみ配置してもよい。
ここで、集電極として特段のものを設けなくとも、金属
膜プローブをアースに対して負の電位を持つようにし、
真空系の金属配管等を設置して測定回路を組んでもよ
い。

【００１４】このように、金属膜プローブを複数有する
ダイヤモンド板を図２に示すように放射光ビームに垂直
に配置し、集電極に対し正の電圧を印加しておく。加速
リングからの放射光が金属膜プローブを照射して発生し
た光電子による電流を検出する複数の放射光検出素子と
して機能し、各々の検出素子の出力の大小から、放射光
の重心を算出することができ放射光位置モニターとして
使用することができる。即ち、図３に示すように電極に
取り付けたリード線より演算装置に信号を送り、該演算
装置において放射光の重心を算出し、得られた結果を放
射光源の電子軌道補正装置にフィードバックして放射光
の位置を精密に制御できる。

【００１５】従来の光電効果を利用する放射光位置モニ
ターでは、ブレード状に加工された複数枚の金属板を放
射光に平行に設置する。しかし、近年の放射光の高輝度
化にともない放射光が何らかの要因でずれた場合にブレ
ードが損傷を受けること、また金属板により放射光が遮
られてしまうということが問題となってきている。

【００１６】一方、本発明では金属膜を複数配置したダ
イヤモンド板を放射光に垂直に配置するが、ダイヤモン
ド板に金属薄膜を形成した本発明の構造によれば、垂直
に配置してもダイヤモンドが非常に高熱伝導率を有しか
つ耐放射線能力が高いため、損傷は非常に起こりにくく
なる。また、ダイヤモンドは放射光の透過率が高く、放
射光の減衰が小さくなる。さらに、本発明では複数の放
射光検出素子を単一のダイヤモンド基板上に形成した一
体型構造を有しているので、素子を別々のダイヤモンド
板上に作成してこれを複数個用いる構造に比較し、製造
コストが低減され、かつビームラインへの設置、調整、
補修が非常に簡便である。

【００１７】以下に更に詳細に本発明を説明する。本発
明に用いる金属膜プローブの金属は、耐放射線能力が高
く、また室温から１０００℃の範囲で真空中で安定であ
ることが望ましく、また熱伝導率が大きい物質がよい。
例えば、Ａｌ，Ｃｕ，Ｂｅ，Ｗ，Ｍｏ等が挙げられ、特
に好ましくはＡｌ，Ｃｕ，Ｂｅの内から選ばれる。膜厚
は、厚すぎるとダイヤモンドに熱を伝えにくくなり、ま
た薄すぎても剥離等の問題が生じやすい。そこで０．１
μｍ〜１０μｍ程度が適当である。金属膜プローブはで
きるだけ放射光の中心に近づけて配置することが好まし
いが、あまり近づけすぎることも損傷の恐れがあり好ま
しくない。各々のプローブの分割幅（間隔）は、狭すぎ
ると放射光検出素子同士が相互作用を及ぼし、正確に位
置を測定できないが、広すぎるとまた面積が稼げず検出
感度が落ちてしまう。モニターの大きさにもよるが、
０．５μｍ〜２ｍｍ程度が適当である。

【００１８】放射光の位置をモニターするためには、最
低限片面に２個の金属膜プローブが必要である。ｘ，ｙ
方向の位置を特定するためには、例えば図５に示すよう
に放射光の光路の中心に対称に４個以上の金属膜プロー
ブがあることが好ましく、上記の間隔を持ってできるだ
けモニター表面を広く覆うように配置することが適当で
ある。

【００１９】本発明の放射光位置モニターに用いるダイ
ヤモンド板は、具体的な形状は設置するビームラインの
形状に合わせる必要があるが、通常は直径１０ｍｍφ以
上の平板型のダイヤモンドが要求されるため、人工の高
温・高圧合成ダイヤモンドや、天然産ダイヤモンドでは
形状的に無理があり、例え得られたとしても非常に高価
なものとなる。これに対し、気相合成法により合成され
るダイヤモンドは大面積のものが安価に作成できる点で
有利である。また、ダイヤモンド板は単結晶ダイヤモン
ドでもよいが、多結晶ダイヤモンドでも使用できる。コ
スト的には多結晶ダイヤモンドが安価であるが、単結晶
ダイヤモンドと多結晶ダイヤモンドを併用することも可
能である。前記のようにダイヤモンド形状はモニターと
して設置されるビームラインの形状に合わせる必要があ
るため、通常１０ｍｍφ以上の平板である。放射光がダ
イヤモンド、金属膜に照射されることにより熱を発生す
るが、これをモニターの端部から逃がす必要がある。厚
さは少なくとも１０μｍ以上が好ましく、より好ましく
は５０μｍ以上である。厚くなりすぎると高価になるの
で、コストの面から１ｍｍ以上は好ましくない。最も適
当な厚さとしては５０〜４００μｍが挙げられる。

【００２０】本発明に用いるダイヤモンド板を気相合成
により合成する方法としては、この種分野において公知
のいずれの方法によってもよい。また、成長させる際の
基板としてはＳｉ，Ｍｏ，ＳｉＣなどを使用することが
できる。

【００２１】通常、モニターは放射光がモニターの中心
を通過するように設計され、モニターを設置することに
より放射光は減衰及び散乱，屈折するため、できるだけ
その影響を小さくする必要がある。放射光の大部分が通
過する部分に貫通孔を設けることにより、モニター設置
の影響を最小限に抑えることができ、かつモニター自体
にかかる熱負荷も同様に最小限に抑えることができる。
放射光は、ある広がりを有してして、その幅は光源及び
モニターが設置される位置に依存する。どの程度の孔を
あければよいかはこの放射光の広がりに依存するが、
０．５〜２ｍｍφ程度が適当である。この孔はマスク等
を利用した選択成長で開けることができる。また孔を開
けるかわりに、該当する部分のダイヤモンド板厚を薄く
することも有効である。薄くする部分のダイヤモンドの
板厚は、使用条件と薄くする部分の径によって異なる
が、強度面から１０μｍ以上が必要である。また、薄く
する部分は０．５〜２ｍｍφ程度が適当である。このよ
うな薄膜にすることにより真空隔壁のある位置モニター
としての使用が考えられる。

【００２２】プローブとしての金属薄膜は、上記の穿
孔、あるいは厚さを薄くする部分にほぼ接するように配
置すると最も感度を高くすることができる。このような
構造をとることにより、金属の損傷を格段に抑えつつ、
かつ感度，精度を高くすることができるが、金属薄膜の
損傷が著しい場合は、いくらか外周方向にずらしてもよ
く、その場合でも従来のモニターより感度，精度の向上
が認められる。信号取り出し用金属電極は、高温で安定
でありまた、耐放射光能力のできるだけ高いものが適当
である。例えばＴｉ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｔａ，
Ｃｒ等が挙げられる。真空蒸着法など公知手段により、
金属膜プローブ上で放射光の中心から最も遠い位置に取
り付けることが望ましい。

【００２３】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。〔実施例１〕φ２０ｍｍ×２．５ｍｍｔのＳｉ基板上の
中心上に直径１ｍｍφのＴｉ薄膜を０．５μｍ厚さに予
め成長させておいた。該Ｓｉ基板のＴｉ薄膜を設けた側
の表面に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモ
ンドを２６０μｍ厚さに成長させた。原料として、１．
５％ＣＨ₄−Ｈ₂混合ガスを２５０ｓｃｃｍ、Ａｒガス
を４５ｓｃｃｍ供給し、圧力８０Ｔｏｒｒ、基板温度９
００℃、マイクロ波出力は８００Ｗで、１４０時間成長
させた。ダイヤモンド成長後、Ｓｉ基材，Ｔｉ膜を溶解
除去し、その中心に直径１ｍｍφの孔２が開いたφ２０
ｍｍ×ｔ０．２６ｍｍのダイヤモンド多結晶（抵抗率：
３．３×１０⁹Ωｃｍ）を得た〔図５の(a) 〕。この
後、メタルマスクを用いた選択的な真空蒸着により、金
属膜プローブ３，３′としてＡｌを図５の(b) のよう
に、該ダイヤモンド板１の表，裏両面に１．５μｍ蒸着
した。さらに信号取り出し用電極４（４′），５
（５′），６（６′），７（７′）をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ
の積層で各Ａｌ薄膜上に１個ずつ配置した〔図５の(c)
〕。

【００２４】上記のようにして作製したダイヤモンド放
射光位置モニター（２０ｍｍφ×０．２６ｍｍｔ）を、
図３に示すようにビームラインに設置した。このモニタ
ーは図４に示すように合計４個のＡｌ薄膜（金属膜プロ
ーブ３）と、外部に設置された集電極により４個の放射
光検出素子３−１，３−２，３−３および３−４を構成
している。金属膜プローブ３と集電極間に電圧を印加
し、この４個の放射光検出素子の出力からビームの位置
ぶれを検出する。通常は中央部に約１ｍｍφのビームが
図１において紙面に垂直な方向に入射するが、ビームが
中心からずれた場合、上記各ブレードに流れる電流値が
変化し、以下の数１の式により重心を求めることによっ
てビームの位置（ずれ）を検出することができる。

【数１】Ｘ＝（（Ｉ₁＋Ｉ₂）−（Ｉ₃＋Ｉ₄））／（Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃＋Ｉ₄）Ｙ＝（（Ｉ₁＋Ｉ₄）−（Ｉ₂＋Ｉ₃））／（Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃＋Ｉ₄）なお、数１の式においてＩｉはｉ番目の放射光検出素子
の出力電流を表す。ビームの位置ずれが検出されると、
その信号をアンジュレーター側にフィードバックするこ
とによりビームの位置補正が可能となる。

【００２５】本実施例における放射光施設、挿入光源の
仕様は、電子ビームエネルギー：６．５ＧｅＶ、電子ビ
ーム電流：５０ｍＡ、光源：アンジュレーター、フラッ
クス密度：〜１×１０¹⁶ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ mrad ２
0.1%ｂ．ｗ．であった。この光源のビーム位置モニター
を行い出力値をアンジュレーターにフィードバックする
ことにより非常に高速にビーム位置を制御することが可
能であった。さらに、放射光の殆どはモニター中央に貫
通した孔の中を通過するため、モニターの後方でもその
パワーの減衰は少なく、またモニターの下流側への散乱
等も認められなかった。３週間の使用の後も検出感度、
位置制御性に変化はなく、装置から取り出してみたとこ
ろ、ダイヤモンド，金属電極ともに放射光による損傷は
ほとんど認められなかった。

【００２６】〔比較例１〕図６の(a),(b) に概略断面図
を示す従来のＷ（タングステン）による四ブレードの放
射光位置モニターを用いて、上記実施例１と同様の条件
でモニターしてみたところ、感度、位置検出精度、検出
速度のいずれについても本発明品の方が高性能であっ
た。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は耐熱、耐
放射線性に優れ、高速応答、高感度でしかも製造が容易
で安価な放射光位置モニターであり、しかもビームライ
ンへの設置、調整、補修も非常に簡便である。ダイヤモ
ンドとして気相合成多結晶ダイヤモンドを使用すれば、
一層の製造コスト低減を実現できる。また、本発明の放
射光位置モニターは、ダイヤモンドの高強度、高熱伝導
性、耐放射線性を利用して窓材を併用した用途において
の使用も有効であるし、放射光以外の放射線モニターと
しての利用も勿論可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】は本発明の放射光位置モニターの一具体例を概
略説明するための俯瞰図及び断面図である。

【図２】は本発明の放射光位置モニターの光電効果によ
り放射光を検出するメカニズムを説明する模式図であ
る。

【図３】は本発明の放射光位置モニターをビームライン
に設置して放射光をモニタする構成の一例を示す概略説
明図である。

【図４】は本発明の放射光位置モニターの一具体例を概
略説明するための俯瞰図である。

【図５】は本発明の放射光位置モニターをその製造工程
から説明した概略図である。

【図６】は比較例１で用いた従来のＷによる四ブレード
の放射光位置モニターの概略断面図である。

【符号の説明】

１ダイヤモンド板２穿孔３，３′ 金属膜プローブ４，４′ 信号取り出し用電極５，５′ 信号取り出し用電極６，６′ 信号取り出し用電極７，７′ 信号取り出し用電極８従来のＷを用いた四ブレードの放射光位置モニター

フロントページの続き (72)発明者栄久晴神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地石川島播磨重工業株式会社横浜エンジニアリングセンター内 (72)発明者山本喜之兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者田辺敬一朗兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともダイヤモンド板及び該ダイヤ
モンド板に配置された複数の金属膜プローブからなり、
放射光に垂直に設置できることを特徴とする放射光位置
モニター。
【請求項２】前記ダイヤモンド板が気相合成ダイヤモ
ンドからなることを特徴とする請求項１記載の放射光位
置モニター。
【請求項３】前記気相合成ダイヤモンドが多結晶ダイ
ヤモンドからなることを特徴とする請求項２記載の放射
光位置モニター。
【請求項４】前記ダイヤモンド板が中央に穿孔または
膜厚の薄い部分を有してなることを特徴とする請求項１
ないし請求項３のいずれかに記載の放射光位置モニタ
ー。
【請求項５】前記金属膜プローブが、Ａｌ，Ｃｕまた
はＢｅのうちの１種からなることを特徴とする請求項１
ないし請求項４のいずれかに記載の放射光位置モニタ
ー。