JPS62110300A

JPS62110300A - 荷電粒子加速器

Info

Publication number: JPS62110300A
Application number: JP24877285A
Authority: JP
Inventors: 達村下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-11-08
Filing date: 1985-11-08
Publication date: 1987-05-21

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、閉軌道に沿って荷電粒子を周回させながら
、荷電粒子を加速または蓄積する荷電粒子加速器に係り
、特に、荷電粒子が周回する閉軌道の不安定性を軽減し
て加速・蓄積電流を増大させることを図った荷電粒子加
速器に関するものである。

〔従来の技術〕

高エネルギー物理学における素粒子物理の進展に伴って
、高エネルギーの荷電粒子を生成する加速器が開発され
てきた。その中で衝突実験に使用する目的で長時間荷電
粒子を蓄積しておくための蓄積リングが開発されてきた
１周回軌道をほぼ光速度で走行する荷電粒子からはシン
クロトロン放射光（以下、ＳＯＲ光と略す）と呼ばれる
強力な光が放射される６ＳＯＲ光を得るには荷電粒子を
ほぼ光速度まで加速する必要があり、陽子などの質量の
大きな粒子に対しては非常に大きな加速エネルギーが要
求される。一方、質量の小さな電子あるいは陽電子は小
さな加速エネルギーで比較的容易に５（５Ｒ光を得るこ
とができる。

近年、シンクロトロンに蓄積した電子から発生するＳＯ
Ｒ光をリングラフィに利用しようとする研究開発が進ん
でいる。ＳＯＲ光をリソグラフィに適用するためには電
子の蓄積電流量を向上させ、さらにそれを長時間蓄積し
ておくことが要求される。ところが周回軌道を走行する
電子は雰囲気との種々の相互作用を通して不安定になり
、散逸してしまう。したがって、電子を長時間蓄積して
おくためには、これらの不安定化の要因を取り除き、電
子を安定に周回させる？？積クリング必要である。

従来技術とその問題点を第９図、第１０図により説明す
る。第９図は従来のシンクロトロンの真空容器の断面図
を示す。従来の装置において周回軌道７を不安定化する
原因には、主に、（ａ）’ａ電子が周囲に誘起する゛市
場（この電場をウェーク場と呼ぶ）の乱れと、（ｂ）電
子６の周回軌道７近傍にある残留気体との衝突がある。

これらについて以下に詳細に述べる。

（ｎ）電子６の周囲に導電性部材がある場合、電子６が
走行するとその導電性部材表面に電場を誘起する。この
電場をウェーク揚と呼ぶ。周回軌道７に沿って導電性部
材が内包する空間（ドリフト空間４と呼ぶ）の断面形状
の変化が急激であると、断面形状が変化する部分でイン
ピーダンスの不整合などによりウェーク場が乱れ、この
乱れと電子６が相互作用して周回軌道７が不安定になる
。したがって、電子６を安定にするためには、周回軌道
７を内包するドリフト空間４の断面形状が一様かあるい
は変化が滑らかな静電シールドが必要である。

従来の装置では導電性の真空容器１を静電シールドとし
て用いていた。ところが真空容器１には真空ポンプＩ１
．真空配管あるいはフランジなどが不可欠であり、また
真空容器１内には各種の検出１（（や偏向器、（８号線
などを設置する必要があるので、周回軌道７に沿って断
面の急激な変化を避けることは礪めて困難である。

（［））真空容器ＩにＳＯＲ光８が照射されると。

＄　ｊｉｌ：の光電子９が生じる。光電子９は刺激脱離
により真空容器１からガスを放出させ、さらに放出した
ガスをイオン化する。このイオン１０のエネルギーは初
め高いものもあるが、ドリフト空間４に拡散して真空容
器１などと衝突を繰り返し、熱平衡状態のエネルギー（
数ｅＶ以下）まで下がる。

熱平衡状態の陽イオン１０は速度が遅く、電子６の負電
荷に容易に引き寄せられて周回軌道７近傍に接近する。

このとき、周回軌道７より離れたところで生じた陽イオ
ンは、イオンが持つ静電ポテンシャルエネルギーのため
に１周回軌道７近傍に留まれないが、周回軌道７を横切
るときに電子６と衝突するので、電子６を散乱させる。

なお、陰イオンは電子６の負電荷に反発して周回軌道７
近傍に接近しない。

一方、周回軌道７に接近した中性気体が電子６と衝突し
て陽イオン化した場合は、周回軌道７近傍に留まり、電
子６を散乱する。

このようにして電子６近傍の残留気体濃度が高まると、
電子６が残留気体で散乱される確率が高まり、残留気体
で散乱した電子６は周回軌道７から外れ周囲の真空容器
１などと衝突して失われるので、電子６の寿命が短くな
る。

こうなるとシンクロトロン中で加速、蓄積できる電流を
高めることができない。そこで蓄積電流量を増やすため
には、周回軌道７近傍の残留気体濃度を低減させる必要
がある。

従来の装置では、周回軌道７近傍の残留気体濃度を低減
させるために次の様な手段を用いた。

■　パンチの間引き電子６は周回軌道７上にある多数の電子の塊（パンチと
呼ぶ）から成っている。多パンチ運転を行うと、パンチ
間隔が短くなり周回軌道７全周にわたり常に比較的強い
負電位が存在することになり、陽イオン１０が周回軌道
７近傍から離れにくい。そこで、パンチを間引いてパン
チ間隔を大きくすれば、周回軌道７上に電子６によって
生じる静電ポテンシャルが低い部分（時間）が長くなる
ので、この間に陽イオンＩＯは周回軌道７から離れやす
くなり、自由運動して真空容器１あるいは真空ポンプ１
１に衝突して失われる確率が増す。

この方法ではシンクロトロンのパンチ収容能力が下がる
ので、蓄積電流を大きくすることができないという欠点
がある。

■　真空ポンプの電界の利用加速器には真空ポンプ１１としてイオンポンプが配置さ
れているので、ドリフト空間４には電場が存在し、陽イ
オンＩＯはこの電場で加速されて真空容器１に衝突し、
あるいは真空ポンプ１１に引き込まれて失われる。

■、■はいずれもイオン発生源と周回軌道７との間に、
陽イオン１０の周回軌道７への接近を妨げる機能がない
ので、たとえ真空系全体として排気能力があるとしても
、電子６の静電ポテンシャルに捕らえられた陽イオン１
０が周回軌道７近傍に滞留することは避けられない。

■　アンティ・チャンバ構造アンティ・チャンバの構造〔ナショナル・センタ・フォ
ア・アドバンスト・マテリアルズ・コンセプチュアル・
デザイン・リポート（ＮａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｅｒ　
Ｆｏｒ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏｎ
ｃｅｐｔｕａｌ　　Ｄｅｓｉｇｈｎ　　Ｒｅｐｏｒｔ）
　　Ｖｏｌ、　　　１　　　（１９８３）参照〕を第１
０図に示す。ＳＯＲＯｓＯ４射される壁面部分を含み、
真空ポンプ１１を設けた断面積の大きなアンティ・チャ
ンバ１２と周回軌道７のある真空容器１を分離し、ＳＯ
ＲＯｓＯ４過する部分にスリット１３を設けて、上記二
つの真空容器１．１２をこのスリット１３で結合した形
状のものである。

この方法は真空容器１．１２およびスリット１３を含め
た構造の形状が複雑であり、加工が困難であるという欠
点がある。特に、偏向電磁石の磁束密度を急速に変化さ
せる場合には、真空容器１の壁に渦電流が生じて磁場を
乱し、周回軌道７を不安定にしてしまう。渦電流の発生
を防ぐため真空容器１として金属等の厚い導電材料を使
用することはできない。金属以外の導電率の低い材料（
たとえばセラミックス）は加工性の悪いものが多く、上
記形状の真空容器を作製することはさらに難しし）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、従来技術での上記した諸問題点を解決し、静
電シールドの断面の急激な変化を除去し。

あるいは周回軌道近傍の残留気体濃度を低減させること
により、ウェーク場の乱れあるいは荷電粒子と残留気体
との散乱に起因する周回軌道の不安定性を軽減して、加
速・蓄積電流を増大させることのできる荷電粒子加速器
を提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、従来技術での上記した問題点を解決するた
めに、閉軌道に沿って荷電粒子を周回させながら荷電粒
子を加速または蓄積する荷電粒子加速器において、上記
閉軌道を内包する真空容器の内壁と上記閉軌道との間に
、残留気体またはイオンが通過できる隙間を有し上記真
空容器と電気的に絶縁された導電性部材を配置し、上記
真空容器と上記導電性部材との間に電位差を与える手段
を具備した構成とする。

第１図は本発明の周回軌道７に対する垂直断面図であり
、第２図は周回軌道７を含む面を上部から見た図である
。従来装置においては真空容器が静電シールドを兼用し
ていたのに対し、本発明では、真空容器とは別個に、ド
リフト空間の断面形状が一様あるいは変化の滑らかな導
電性部材を配置して静電シールドとした点に特徴がある
。この導電性部材をシールド電極と呼ぶことにする。本
発明の構成によれば、周回軌道に沿って広範囲に真空排
気機能を有し、かつ、ウェーク場の乱れを低減して、荷
電粒子の長時間の蓄積を可能とする高真空を実現できる
特徴がある。

〔作用〕

本発明の作用を第３図によって説明する。

（ａ）ウェーク場はドリフト空間４に面したシールド電
極２に生じる。電子６から見てシールド電極２の外側に
ある真空容器１やその他の構造物に生じるウェーク場は
電子６との相互作用が無視できる程度に小さい。シール
ド電極２は真空容器１とは独立して形状を決定できるの
で断面を一様あるいは変化を滑らかにすることが可能で
あり、真空容器１の断面が急激に変化する部分があって
も、ウェーク場の乱れを少なくできる。

ウェーク場はパンチの周回周波数あるいはパンチの長さ
に対応する高周波成分を主に有している。

シールド電極２が周回軌道７の軸方向において部分的に
接続されておらず隙間があっても、その部分のカップリ
ングインピーダンスがウェーク場のｊ−，１嬰な周波数
成分を通過させるものであればウェーブ場の乱れは少な
いので、シールド電極２は周回軌道７の全周にわたって
接続されている必要はない。またシールド電極！極２の
配設が部分的であり、隙間が極めて大きな場合でも、ウ
ェーク場の主要な周波数成分を通過されるものであれば
配設部分に相当する範囲に効果があるのは勿論である。

（ｂ）　　ドリフト空間４に存在する陽イオン１０は光
電子９により真空容器１からたたき出されたものと、中
性気体が光電子９または電子６により陽イオン化したも
のとがある。

前者のエネルギーは発生当所数十ｅＶであるが、発生後
真空容器１等と衝突を繰り返してエネルギーを失い熱平
衡状態になる。

残留気体はすでに熱平衡状態にあるので、陽イオン化し
てもそのエネルギーは高々１　ｅＶ程度である。

シールド電極２と真空容器１との間に、シールド電極２
が真空容器１に対して正電位となるように電圧を印加す
る。

光電子９はこの電場によりシールド電極２の方向に加速
され、その際電界を印加した空間５を走行中に中性気体
と衝突して中性気体を陽イオン化し、最終的にシールド
電極２に衝突して失われる。

、＝のとき生成した陽イオンＩＯは電界により真空容器
１の方向に加速され、真空容器１あるいは真空ポンプ１
１に衝突して失われる。

この電位差に抗してドリフト空間４に侵入した陽イオン
１０はエネルギーが高いので周回軌道７近傍の静電ポテ
ンシャルに捕らえられることなく。

そのままドリフト空間４を通過して再び電界を印加した
空間５に出る。この高エネルギーの陽イオン１０は真空
容器１と衝突を繰り返し、エネルギーか下がる。陽イオ
ン１０のエネルギーが小さくなれば１ｕ界を印加した空
間５の電場に捉えられ真空容器１へ引き戻され失われる
。

ドリフ１〜空間４に入った中性気体の一部は電子６と衝
突して陽イオン化する。この陽イオンＩＯは発生直後は
電子６と静電気力で引き合い周回軌道７の近傍に留まる
が、運動を続けているうちに、電子６との静電気力の変
化あるいは陽イオン１０自信のエネルギーの変化などに
より周回軌道７近傍から離れ、電界を印加した空間５に
出る。このとき電界を印加した空間５に形成された電界
によって真空容器１へ引き込まれ排気される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について述べる。

実施例　１この発明の一実施例を第４図に示す。これはシールド電
極２として周回軌道７を軸とする円筒面上に周回軌道７
と並行して導体を籠状に配列したものである。シールド
電極２を構成する各導体は互いに電気的に導通しており
、一方真空容器１とは電気的に絶縁されている。真空容
器１とシールド電極２の間に、シールド電極２が真空容
器１に対して正電位になるように電圧を印加する。シー
ルド電極２は周回軌道７に沿って、一様な断面を保つよ
うに配設しである。内包するドリフ１へ空間４の断面を
一様とするあるいは断面の変化を滑らかにしたシールド
電極２の製作は容易である。

Ｓ　ＯＲ光８は周回軌道７から軌道面内の接線方向に放
射されるので、シールド’ｉＹ！　ｔｆｉ　２のうちＳ
ＯＲ光８が通過する部分に隙間を設けて、シールド’、
ｉｔ極２にＳＯＲ光８が当たらないようにする。

シールド電極２は絶縁性の支持材を介して真空容器ｌに
固定しである。

次に本実施例の動作を第５図、第６図により説明する。

（ａ）ウェーク場はシールド電極２に生じる。第５図に
示すようにシールド電極２は周回軌道７の全周にわたっ
て断面形状が一様となるように滑らかに接続されている
ので、生じたウェーク場の乱れが少ない。ウェーク場は
シールド電極２の外側には生じにくいので、シールド電
極２と真空容器１との間に任意の構造物を設置でき、ま
た断面形状に急激な変化のある真空容器１を使用しても
ウェーク場の乱れは極めて小さい。

（ｂ）第６図に示すように、真空容器１から光電子９に
よりたたき出された陽イオン１０は真空容器１とシール
ド電極２との間に印加した電圧による静電界により真空
容器１に押し戻される。

光電子９は静電界によりシールド電極２に向かって流れ
る。このとき中性気体と衝突して陽イオン化する。この
陽イオンのエネルギーは高々１ｅＶ以下であるので、静
電界により速やかに真空容器１に引き込まれる。

陽イオン１０の一部は真空容器１に打ち込まれて失われ
、他も加速空間５の電界により真空容器１の近傍に束縛
されて運動しながら移動し最終的に真空ポンプ１１に捉
えられ排気される。

このように周回軌道７の存在するドリフト空間４には真
空容器１からのイオンや分子の供給がわずかである。ま
た中性気体も光電子９等により陽イオン化されて排気さ
れるので、ドリフト空間４の真空度は向上する。

シールド電極２は周回軌道７を包み込むように設置しで
あるので、シールド電極２の静電シールド効果により周
回軌道７には印加電圧による電界の影響はない。

なお、この発明のシールド電極２はアルゴン洗浄する際
の放電電極として使用することができる。

従来はこの放電電極として真空ポンプ１１のアノードを
利用していた。シールド電極２は真空容器１に近接して
円形加速器全周にわたって設置しであるので、放電電極
として使用した場合、従来方法に比べて真空容器１の内
壁全面を効果的に洗浄できる利点がある。

ところで、偏向電磁石等の磁場を急速に変化させる場合
には、厚みのある導電体には渦電流が生じて磁場が乱れ
周回軌道７の不安定化の原因になる。シールド電極２と
して絶縁体の表面に導電物質等をコーティングしたもの
や、厚みの薄い筒状の導電材料等を用いることにより、
渦電流の発生を軽減できる。

シールド電極２の電気伝導率が高いほどウェーク場の乱
れが少なく、周回軌道７の安定化に寄与する。シールド
電極２を冷却すれば電気伝ｆＡ”ｄを向上させることが
できる。例えば、シールド電極２を金属パイプで構成し
、パイプ内に液体窒素などの冷媒を循環させることによ
り、シールド電極２を冷却できる。金属として歳を用い
たとすれば、７７°Ｋにおける電気伝導率は常温のほぼ
１０倍に向−ヒする。従来の装置で同様の効果を得よう
とすれば真空容器１全体を冷却する必要があり、体積が
大きくまた大気中にあることなどにより冷却することは
田辺であるが、この発明では、シールド電極２の体積が
小さいこと、真空中にあることなどにより熱の流入が少
なく、冷却は容易である。シールド電極２の冷却方法は
上記のほかにヒートパイプなど種々の冷却方法を適用で
きることは勿論である。

ここでは、シールド電極２として導電体を箱状にした場
合について述べたが、網状や板状のものなど色々の形状
で変形実施できる。

上述では、周回する荷電粒子として電子を例に上げて述
べたが、陽電子あるいはイオンの場合についても同様に
取り扱うことができる。陰イオンの場合は」二連におい
て電子を陰イオンと読み換えることにより同様に取り扱
うことができる。陽電子あるいは陽イオンの場合には、
周回軌道７近傍に滞留して荷電粒子を散乱させるのは陰
イオンである。−［−述においてシールド電極２に印加
する電位の符号を電子の場合と逆符号にすることにより
同様の効果が期待できることは勿論である。ここで、光
電子９により作られた陽イオン１０は周回軌道７の陽電
子あるいは陽イオンと電気的に反発し。

周回軌道に接近しないので、それによる散乱は無視でき
る。

実施例　２第７図は、シールド電極２と真空容器１との間にシール
ド電極２とほぼ同電位の細い導体１４（第２シールド電
極と呼ぶ）を、シールド電極２と真空容器１との間の加
速電界を消失させない程度に粗に付加した実施例である
。第２シールド電極Ｉ４の周囲には比較的強い電界が生
じ、電極１４の導体は細いので光電子９が第２シールド
電極１４に当たるまでにシールド電極１４のまわりを長
い距離周回するので、中性気体と衝突してイオン化する
確率が高まる。これにより中性気体の補集効率が向上す
る。

さらに、第８図はシールド電極２と第２シールド電極１
４との間に電極１５　（第３シールド電極と呼ぶ）を設
置し、第３シールド電極１５をシールド電極２や第２シ
ールド電極１４よりも負の電位に保つ構造とした実施例
である。この電位差は第２シールド７Ｉｉ極１４近傍で
発生した陽イオンＩＯがシールド電極２の方向へ接近す
ることを妨げるので、中性気体の補集効率がより高まる
。

〔発明の効果〕

上述したように、この発明によれば静電シールドの断面
の急激な変化を除去し、あるいは加速器の周回軌道近傍
の残留気体濃度を低減することにより、ウェーク場の乱
れや荷電粒子と残留気体との散乱に起因する周回軌道の
不安定性を低減し、荷電粒子加速器の加速・蓄積電流の
向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における周回軌道に対する垂直断面図、
第２図は円形加速器の上部から見た図、第３図は本発明
の詳細な説明する図、第４図、第５図、第６図は本発明
の第一実施例を説明する図、第７図、第８図は本発明の
第二実施例を説明する図、第９図、第１０図は従来技術
の説明図である。符号の説明１・・・真空容器　　　　　２・・・シールド電極３・
・・電圧を印加する手段４・・ドリフト空間５・・電界が印加された空間６・・荷電粒子（電子）　７・・・周回軌道８・・・Ｓ
ＯＲ光　　　　　９・・・光電子１０・・イオン（陽イ
オン）１１・・・真空ポンプＩ２・・・アンティ・チェ
ンバ１３・・・スリット　　　　　１４・・・第２シールド
電極１５・・・第３シールド電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）閉軌道に沿って荷電粒子を周回させながら荷電粒
子を加速または蓄積する荷電粒子加速器において、上記
閉軌道を内包する真空容器の内壁と上記閉軌道との間に
、残留気体またはイオンが通過できる隙間を有し上記真
空容器と電気的に絶縁された導電性部材を配置し、上記
真空容器と上記導電性部材との間に電位差を与える手段
を具備したことを特徴とする荷電粒子加速器。
（２）前記導電性部材が内包する空間の断面を一様とし
たあるいは断面の変化を滑らかにしたことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の荷電粒子加速器。
（３）前記導電性部材として表面に導電性材料を付加し
た絶縁体を使用したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項または第２項記載の荷電粒子加速器。
（４）前記導電性部材を冷却する手段を具備したことを
特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の荷
電粒子加速器。
（５）前記導電性部材と前記真空容器との間に、上記導
電性部材または上記真空容器と異なる電位を有する導電
性部材を付加したことを特徴とする特許請求の範囲第１
項または第２項記載の荷電粒子加速器。