JPS63221598A - 空芯型偏向電磁石 - 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、荷電粒子を閉軌道上で回転させて加速あるい
は蓄積する荷電粒子加速蓄積装置としての蓄積リングす
なわちＳＯＲ露光装置の偏向電磁石の構造に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来のシンクロトロンや蓄積リングは高エネルギー物理
実験（主に電子と陽電子、陽子と反陽子との衝突実験に
よる素粒子の相互作用および新粒子の発見等のための実
験）のために製作されており、概して大型であった（直
径数十ｍ〜数十ｋｍ）。

このように従来の蓄積リングは大型で、多数の偏向電磁
石で構成されており、個々の偏向電磁石はほぼ直線状の
構造であったため、電子が長時間周回するために必要な
条件である磁場の均一度を確保するための磁極構造最適
化は２次元の磁場解析で充分であった。

これに対して、最近、電子あるいは陽電子が周回する時
に放出されるＳＯＲ光を、光電子分光等の表面分析や半
導体ＬＳＩを製造する時のＸ線リソグラフィー用光源と
して利用することが注目されている。これら半導体産業
にこのＳＯＲ光源が導入されるためには従来よりも小型
で専用に設計された蓄積リングが必要となる。このため
世界中で蓄積リングを小型化しようとする試みが行なわ
れている。

小型化の１つの有力な方向は、偏向電磁石を超伝導化し
、１つの偏向電磁石で１８０度電子を偏向し、電子の軌
道半径を数十ｃｍ程度のオーダにする方向である。これ
は、例えば［ホイバーガ著、固体工学、９３頁、１９８
６．２月（Ａ、Ｈｅｕｂｅｒｇｅｒ、５ｏｌｉｄＳｔａ
ｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＋ｐ、９３．Ｆｅｂｒｕａ
ｒｙ　１９８６）Ｊに記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従って、従来の２次元解析では不充分であり、３次元解
析の取扱いが必須となるが、必要な磁場の均一度を電子
の通る軌道軸に沿ってそれに垂直な平面の広い領域に確
保する具体的な磁石構造は未だ実現されていない。

また、従来の超電導偏向電磁石は上記素粒子実験用に製
作されており、構造も直線状でＳＯＲ先取出し用スペー
スのない、いわゆるｃｏｓθ巻きのコイル構造で、２次
元の磁場解析により電子の通る軌道軸およびそれに垂直
な面内で磁場の均一領域を確保していたが、これをその
ままＳＯＲ光利用装置の電磁石とすることはできない。

すなわち、従来の問題点は、蓄積リングの小型化と電子
軌道に沿っての均一な磁界分布とが実現されていないと
いうことである。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、半導体産業用に小型化したＳＯ
Ｒ露光装置のための偏向電磁石を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、真空ダクト
の水平断面がほぼ扇形の形状を有する荷電粒子加速蓄積
装置の上記真空ダクトに偏向磁場を発生させる空芯型偏
向電磁石において、上記真空ダクトに沿った内側と外側
に反対方向の電流が流れるようにループを形成した励磁
コイルを上記真空ダクトを挟んで上下に一対以上置き、
上記外側コイルの上下間ギャップを内側コイルの上下間
ギャップよりも大きくなるように配置したものである。

〔作用〕

本発明においては、小型蓄積リングおよび電子軌道に沿
っての均一な磁界分布の実現を図ることができる。

〔実施例〕

まず、本発明の特徴について述べる。本発明は、１個の
偏向電磁石で１８０度電子を偏向させ、電子の通る軌道
軸およびそれに垂直な平面内の広い領域に均一な磁場を
実現したことを最も主要な特徴とする。

また、ＳＯＲ光を取り出す領域を確保しつつ超電感化す
ることにより、軌道半径を数十ｃｍ程度と小さくした３
次元的コイル構造を明確化した。

さらに、空芯型コイル構造をベースにしているので、得
られたコイルの配置を相似形に縮小拡大することにより
、同一の起磁力（コイルに流す電流とコイルのターン数
との積であり、電源容量を決定する因子である）で同一
のエネルギーの電子を周回させることができることを特
徴とする。すなわち、同一のエネルギーで軌道半径が変
化するので、任意の波長の光を、単に相似形に拡大縮小
するだけの構造で提供することができることを特徴とす
る。

なお、今回、３次元の磁場解析を実行し、ＳＯＲ光取出
しを容易にしたコイル配置を実現できた。

以下、上記コイル配置について説明する。

第１図〜第４図は、本発明による空芯型偏向電磁石とし
ての空芯コイルの実施例を種々の角度から見た配置図で
あり、ｌは内側コイル、２は外側コイル、３は渡りの部
分のコイル、４は真空ダクトである。第１図〜第４図に
おいて、（ａ）は実際のコイル巻線の外形、（ｂｌは上
記コイルの中心線と真空ダクトの外形を示す。同図に示
すコイル配置構造により、電子の軌道半径を数十ｃｍ（
この例では５２．３８ｃｍであり、これは３．５Ｔ、　
５５０ＭｅＶの軌道半径に相当する）としたものである
。本実施例においては、電子の通る軌道軸に沿って均一
な領域を確保するために内側コイル１より外側コイル２
の方を高くし、なおかつその２つのコイル１，２を結ぶ
渡りの部分のコイル３を外側に成る一定の角度だけ跳上
げた構造になっている。また、実際の磁場計算では、線
電流モデルにより計算するだけで充分な精度がある。

第５図〜第７図は、具体的なコイル配置の３つの実施例
を上（±２方向）と横（±Ｘ方向）から見たコイル切詰
配置図であり、コイルの中心線のみを示したものである
。第６図のＸ≧Ｏ１ｙ≧０．２≧Ｏの空間におけるコイ
ルの中心線は、２＝ＤＩ、ｘ”＋ｙ”＝Ｒ１”の円弧と
Ｚ＝Ｄ２．Ｘ”＋ｙ２＝Ｒ２２の円弧（ただし、Ｄｉ＞
Ｄ２＞０．Ｒ１＞Ｒ２＞０）のα≦θＸ≦９０度（第６
図（ａ）参照）の部分である。すなわち、コイルの中心
線は所定の範囲で円弧と一致する。ここで、α、θＸは
３次元円柱座標の角度を表し、αはＯ度≦α≦９０度の
間にある一定値である。この例ではα≠０である。第６
図、第７図のいずれにおいても、内側コイル１と外側コ
イル２の中心線をその中に含む平面は２＝０の平面と３
０度±１５度の角度で交差し、交線はｙ＝ｔａｎα・Ｘ
あるいはｙ＝αに平行である。第５図は、第６図のα＝
０または第７図のａ＝０の場合に相当する。

以下、第１図〜第４図の実施例について詳細に述べる。

第１図〜第４図の詳細なコイル配置は次の通りである（
第１５図参照）。

外側コイル中心の半径Ｒ１＝７８４．９ｍｍ外側コイル
中心の高さＤ１＝１６１．３ｍｍ内側コイル中心の半径
Ｒ２＝２６８．４ｍｍ内側コイル中心の高さＤ２＝１２
４．８ｍｍ渡りの部分のコイルの跳上げ角度＝３０度こ
こで、コイルの太さは、起磁力およびコイルに流すこと
のできる最大電流密度によって規定され、線材の特性・
コイル内経験磁場・励磁速度等の因子によって異なる。

第８図（ａｌ、　（ｂ）は、上記のコイル配置の時、電
子軌道軸に沿ってそれに垂直な面内の磁場の均一度の分
布である。同図は、上から電子軌道軸に沿ってθＸ方向
に０度（Ｘ軸）〜４０度（第８図（ａｌ）。

５０度〜９０度（ｙ軸）（第８図中））までの１０度毎
の各断面について磁場の均一度（［Ｉｎｉｆｏｒｍｉｔ
ｙ、以下ｒＵＪと略称する）を示している。図中横軸は
均一度Ｕを表わし、縦軸は電子の軌道面に垂直な断面を
とった時の動径方向の位置を示している（ｃｍ単位）。

また、実線、鎖線、一点鎖線。

二点鎖線の各曲線は、電子軌道軸に垂直な方向の高さｚ
＝Ｑｃｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍの位置に対する均一
度Ｕを示す。ここで、均一度Ｕとは、縦軸と各曲線で決
定される位置における磁場の２成分ＢＺの値と、ｚ＝Ｑ
ｃｍで電子の平衡軌道の位置（図中縦軸の５２ｃｍの位
置）にあたるＢＺの値ＢＺＯのから次の式で定義される
量である。

Ｕ＝　（ＢＺ−ＢＺＯ）／ＢＺＯ 第８図の横軸の均一度Ｕは真中が０であり、１目盛が±
Ｉ　Ｘ　１０−’である。また、縦軸の太線は±５　Ｘ
　１０−’を表わす。すなわち、この図は、電子の軌道
軸に沿ってそれに垂直な平面のｌＱｃｍｘ５ｃｍ＜高さ
方向については系の対称性から２−３ｃｍｘ２＝６ｃｍ
）の広い領域でほぼ±５×１０−４の均一度を達成して
いることを示している。

この値は、従来の電子蓄積リングの偏向電磁石に要求さ
れている磁場精度（均一度）とほぼ同等の値である。こ
のように補正コイルを付加することなく、外側コイル２
の上下間ギャップが内側コイル１の上下間ギャップより
大きくなるように配置され、Ｘ＝Ｏの面に対して面対称
の形状を有するコイルが２＝０の面に対して面対称に配
置されるだけで、電子軌道軸に沿ってそれに垂直な平面
の高さおよび動径方向の広い領域にこれだけの磁場精度
を達成したものである。これらの計算はビオ・サバール
の法則を用いた厳密な３次元の磁場解析の結果であり、
上記のコイル配置もこのプログラムによるパラメータサ
ーベイの結果得られた値である。

次に渡りの部分のコイル３の跳上げ角度について、その
角度の設定精度を明らかにする。第９図〜第１４図は、
上記の最適コイル配置において内側コイル１と外側コイ
ル２の位置を第１図〜第４図のままにして、渡りの部分
のコイル３の跳上げ角度を１５度〜４５度まで５度ずつ
変化させた時、第８図に相当する磁場の均一度の様子を
示したものである。これらの図から明らかなように、渡
りの部分のコイル３の跳上げ角度に関しては、最適の値
３０度から離れるに従って、特に偏向電磁石出口の０度
〜２０度付近で均一度が乱れてくるものの、おおむね３
０度±１５度の範囲に入っていればよいことが分かる。

次に、内側コイル中心と外側コイル中心の位置の影響に
ついて述べる。第１５図は内側コイル中心と外側コイル
中心の位置の許容範囲（斜線部）を示した図である。た
だし、この範囲内に入っているＲ１．Ｒ２，Ｄｉ、Ｄ２
の任意の組合せではなく、内側コイル１から外側コイル
２を見た相対角度θが、 ｔａｎθ＝　（Ｄｉ−Ｄ２）／　（Ｒ１−Ｒ２）＝　０
．０７０７±０．００８９ の範囲に入っていることが必要である。

次に、これらの範囲に入っているコイル配置について均
一度の程度がどの位であるかを示す。

第１６図はコイル中心の位置関係を示しており、表１は
、第１図〜第４図に示す実施例で述べたコイル位置にお
いて、動径方向の位置はそのままにして（Ｒ１，Ｒ２，
θ一定）、高さ方向に内側コイル中心と外側コイル中心
を同じ長さだけ平行移動させた時の均一度の程度を示す
ものである。表中左端の数値は平行移動量を表わし、Ｊ
、に、Ｉで示されている数値は、第８図〜第１４図に示
されている均一度を表わすグラフにおいて、均一度Ｕが
それぞれ±５Ｘ１０−’、　　±Ｉ　Ｘ　１０−３．　
　±２×１０″３の範囲に入っているポイントの数であ
る。

すなわち、０度〜９０度の１０度ごとの各断面の１０通
り、動径方向４７ｃｍ〜５７ｃｍの１ｃｍごとの位置を
示す１１通り、さらに、高さ方向２＝Ｏ〜３ｃｍの１ｃ
ｍごとの位置を示す４通りで偏向電磁石内部の電子の通
る空間を計１０ＸＩＩＸ４＝４４０のポイントで表わし
、その内上記の均一度の範囲に入っているポイントの数
を示したものである。この表１から、±２Ｘ１０−”の
範囲に入っているポイントの数ｌが３００個程度あれば
、すなわち、上記空間の３００／４４０＝７割程度の体
積において±２Ｘ１０−”の均一度を達成していれば良
いという基準で、高さ方向への平行移動の許容範囲を決
定した。その結果、第１６図に示されているように、第
１図〜第４図の実施例で述べたコイル配置に対して、−
１１，９ｍｍ〜＋２１．１ｍｍの範囲を許容値とした。

同様に、第１７図２表２は内側コイル中心と外側コイル
中心の中央の位置ＰＣを動かさず（（Ｒ１＋Ｒ２）／２
．　　（ＤＩ＋Ｄ２）／２．　　θ一定）、動径方向に
コイル配置を内側、外側共に動かした時の均一度の程度
を示したものである。また、第１８図１表３は、動径方
向の位置Ｒ１，Ｒ２および高さＤ２は一定で、内側コイ
ル中心から外側コイル中心を見た相対角度θを変化させ
た時の均一度の程度を示したものである。これらいずれ
の表においても±２Ｘ１０−’に入っているポイントの
数が３００個程変色いう基準からコイル配置の許容値を
設定し、第１５図に示されている許容値の範囲を算出し
た。

１１、〔発明の効果〕 以上説明したように本発明は、真空ダクトに沿った内側
と外側に反対方向の電流が流れるようにループを形成し
た励磁コイルを真空ダクトを挟んで上下に一対以上置き
、外側コイルの上下間ギャップを内側コイルの上下間ギ
ャップよりも大きくなるように配置したことにより、小
型蓄積リングの実用化を図ることができるので、半導体
ＬＳＩのリソグラフィ一工程での微小パターンの形成が
可能になり、半導体工場で小型蓄積リングをＳＯＲ露光
装置として設置することが可能になるという効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明に係わる空芯型偏向電磁石の一
実施例を示す配置図、第５図〜第７図はコイル切詰配置
図、第８図は第１図〜第４図に示す空芯型偏向電磁石に
おける磁場の均一度を示すグラフ、第９図〜第１４図は
内側コイルと外側コイルを結ぶ渡りの部分のコイルの跳
上げ角度を変化させた時の均一度を示すグラフ、第１５
図は内側コイル中心と外側コイル中心の位置の許容範囲
を示した説明図、第１６図は表１に対応する説明図、第
１７図は表２に対応する説明図、第１８図は表３に対応
する説明図である。 １・・・内側コイル、２・・・外側コイル、３・・・渡
りの部分のコイル、４・・・真空ダクト。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空ダクトの水平断面がほぼ扇形の形状を有する
   荷電粒子加速蓄積装置の前記真空ダクトに偏向磁場を発
   生させる空芯型偏向電磁石において、前記真空ダクトに
   沿った内側と外側に反対方向の電流が流れるようにルー
   プを形成した励磁コイルを前記真空ダクトを挟んで上下
   に一対以上置き、前記外側コイルの上下間ギャップを内
   側コイルの上下間ギャップよりも大きくなるように配置
   したことを特徴とする空芯型偏向電磁石。
2. （２）外側コイルと内側コイルを結ぶ渡りの部分のコイ
   ルを外側に跳上げた構造にすることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の空芯型偏向電磁石。
3. （３）偏向電磁石を構成するコイルは超電導コイルであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の空芯型
   偏向電磁石。