WO2007108320A1

WO2007108320A1 - 電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置及び方法

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Publication number: WO2007108320A1
Application number: PCT/JP2007/054410
Authority: WO
Inventors: Daisuke Ishida; Hiroyuki Nose; Namio Kaneko; Mitsuru Uesaka; Fumito Sakamoto; Katsuhiro Dobashi
Original assignee: Ihi Corporaion; The University Of Tokyo; National Institute Of Radiological Sciences
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2007-09-27
Also published as: JP2007257986A; JP4963368B2; EP1998601A4; EP1998601B1; US20090051937A1; US7817288B2; EP1998601A1

Abstract

　電子ビーム１とレーザービーム３が正面衝突する衝突位置近傍の各ビームの断面プロファイルを測定するプロファイル測定装置３０と、プロファイル測定装置を各ビームの軸方向にほぼ一致する所定の方向に連続的に移動する移動装置４０とを備える。さらにプロファイル形成装置５０により、プロファイル測定装置による断面プロファイル、その所定方向の位置、及びビームの発振タイミングから電子ビーム及びレーザービームの３次元プロファイルの時間変化を形成する。

Description

明細書

電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置及び方法技術分野

[0001] 本発明は、電子ビーム及びレーザービームの 3次元プロファイルの時間変化を測定するプロファイル測定装置及び方法に関する。

背景技術

[0002] 電子ビームとレーザービームの衝突によってコンプトン散乱に起因する準単色 X線が得られることが知られている（例えば、非特許文献 1)。

[0003] 非特許文献 1の「小型 X線発生装置」は、図 1に示すように、小型の加速器 81 (Xバンド加速管）でカ卩速された電子ビーム 82をレーザー 83と衝突させて X線 84を発生させるものである。 RF (Radio Frequency)電子銃 85 (熱 RFガン）で生成されたマルチパンチ電子ビーム 82は Xバンド加速管 81で加速され、パルスレーザービーム 83と衝突する。コンプトン散乱により、時間幅 10nsの硬 X線 84が生成される。

この装置は、一般に線形加速器で用いられる Sバンド（2. 856GHz)の 4倍の周波数にあたる Xバンド（11. 424GHz)を RFとして用いて小型化を図っており、例えば X 線強度（光子数）：約 1 X 10⁹photons/s、パルス幅：約 10psの強力な硬 X線の発生が予測されている。

[0004] また、電子ビーム又はレーザービームのプロファイルを測定する手段が非特許文献 2, 3に開示されている。

[0005] 非特許文献 2に開示されたプロファイル測定手段は、電子ビームとレーザービームの衝突点に設置された 3連のチャンバ一であり、このチャンバ一はビームパイプと一体となってビームラインの真空を保ちながら、遠隔操作で様々な診断装置をビームラインに揷入し、電子ビームとレーザービーム双方の位置'サイズを測定するものである。 3連の各チャンバ一には、スクリーンが組み込まれ、さらに中央のチャンバ一には、ワイヤースキャナーとナイフエッジスキャナーを一体化したコンバインドスキャナーが組み込まれている。電子ビームとレーザービームの位置は、 3連チャンバ一の各スクリーンで正確に一致するように、レーザービームの角度調整と平行移動を組み合わせて調整するようになっている。

[0006] 非特許文献 3に開示されたプロファイル測定手段は、蛍光板スクリーン、ワイヤースキヤナー、遷移放射光（OTR)ターゲットを装備したものである。

[0007] 非特許文献 1：土橋克広、他、「Xバンドリニアックを用いた小型硬 X線源の開発」、第 27回リニアック技術研究会、 2002

非特許文献 2 :大森恒彦、福田将史、「高品質 ·短パルス偏極光子ビームの生成と偏極度測定」、日本物理学会誌 Vo. 58, No. 4， 2003

非特許文献 3 : F. Sakamoto, et al. , Japanese Journal of Applied Ph ysics, Vol. 44， No. 3， 2005

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 電子ビームとレーザービームの衝突により発生する X線の強度 Yは、コンプトン散乱の断面積 σと衝突におけるノレミノシティ一 Lによって式（ 1 )で表される。

Y= o L- - - (l)

ここで、散乱断面積 σは電子ビームのエネルギーとレーザービームの波長が決まると一意に与えられる物理定数として考えられるため、 X線の強度を上げるにはルミノシティー Lを増大させなければならない。

ノレミノシティ一 Lは式（2)で表される。

[0009] [数 1]

L = JJJJ p _e(x,y,z,t) p _{{x,y,z,t) dxdydzdt ■ ■ ■ (2)

[0010] ここで、 ρ， ρは電子ビーム及びレーザービームの衝突点付近における 4次元（空 e 1

間及び時間）密度分布（プロフアイノレ)である。

つまり、 4次元空間での両ビームのプロファイルのオーバーラップが大きいほどルミノシティ一 Lは増大する。ルミノシティ一 Lを増大させるには、電子ビーム及びレーザ一ビームの強度を増大させるだけでなぐ空間的かつ時間的に両ビームを一致させる必要がある。

特に、電子ビームとレーザービームを絞った焦点（ビームウェイスト）及び入射角度を一致させ、その上で、衝突点（ビームウェイスト位置）を通過するタイミングを合わせなければならない。

[0011] 非特許文献 2、 3に開示されたワイヤースキャナ一は、ビームライン上でワイヤを動かし、ワイヤと電子が散乱して発生した光子の数を測定するものである。また、ナイフエッジスキャナ一は、ナイフエッジをビームに直角に横切って機械的に走査し、走查中のパワー値を微分してビームプロファイルを求めるものである。

し力、し、ワイヤースキャナーやナイフエッジスキャナ一は、ビームを横切って走査する必要があるため、測定時間がかかり、 2次元全体の瞬間的なビームプロファイルを測定できない問題点があった。

[0012] また、非特許文献 2のように 3連のチャンバ一を用いた場合でも、各チャンバ一のスクリーンで計測されるのは、ビームラインに対して固定された位置でのビームプロファィルであった。そのため、スクリーン位置から外れた位置にある電子ビーム及びレーザ一ビームの焦点（ビームウェイスト）を各スクリーンで直接測定することができず、結果として、電子ビームとレーザービームの焦点及び入射角度を精密に一致させることは非常に困難であった。

[0013] さらに、電子ビーム及びレーザービームがパルスビームである場合、焦点位置で衝突により発生する X線の強度 Yを高めるためには、それぞれの 4次元プロファイル（3 次元プロファイルの時間変化）を精密に測定することが強く望まれていた。

発明の要約

[0014] 本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電子ビームとレーザービームの焦点及び入射角度を精密に一致させることができ、かつ電子ビーム及びレーザービームの 4次元プロファイル（3次元プ口ファイルの時間変化）を測定することができ、これによりレーザービームの利用効率を大幅に高めることができる電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置及び方法を提供することにある。

[0015] 本発明によれば、電子ビームとレーザービームが正面衝突する衝突位置近傍の前記各ビームの断面プロファイルを測定するプロファイル測定装置と、

該プロファイル測定装置を前記各ビームの軸方向にほぼ一致する所定の方向に連続的に移動する移動装置と、を備えることを特徴とする電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置が提供される。

[0016] 本発明の好ましい実施形態によれば、前記プロファイル測定装置により測定された断面プロファイル、その前記所定方向の位置、及び前記各ビームの発振タイミングから前記各ビームの 3次元プロファイルの時間変化を作成するプロファイル作成装置をさらに備える。

[0017] また、前記移動装置は、プロファイル測定装置を前記所定方向に連続的に移動する直動ァクチユエータと、プロファイル測定装置の前記所定方向の位置を検出する位置検出装置とを有する。

[0018] 本発明の好ましい一実施形態によれば、前記プロファイル測定装置は、前記所定の方向に対して所定の角度で配置された平板状のターゲット板と、

該ターゲット板と電子ビームとの衝突で発生する遷移放射光の ₂次元プロファイルを測定する第 1光検出器と、

前記ターゲット板で反射されたレーザービームの 2次元プロファイルを測定する第 2 光検出器とを有する。

[0019] また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記プロファイル測定装置は、前記所定の方向に対して所定の角度で配置された平板状のターゲット板と、

遷移放射光とレーザービームの 2次元プロファイルを測定する単一の光検出器と、ターゲット板と電子ビームとの衝突で発生する遷移放射光を前記光検出器へ導く第 1の反射ミラー系と、

ターゲット板で反射されたレーザービームを前記光検出器へ導く第 2の反射ミラー系とを有する。

[0020] また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記プロファイル測定装置は、遷移放射光とレーザービームの 2次元プロファイルを測定する単一の光検出器と、前記所定の方向に対して所定の角度で配置され、電子ビームとの衝突で発生する遷移放射光を前記光検出器へ導く平板状の第 1のターゲット板と、

前記所定の方向に対して所定の角度で配置され、レーザービームを前記光検出器へ反射する第 2のターゲット板とを有する。 [0021] また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記プロファイル測定装置は、前記所定の方向に直角に配置され電子ビームの 2次元プロファイルを測定する第 1プロフアイル測定器と、

前記所定の方向に直角に配置されレーザービームの 2次元プロファイルを測定する第 2プロファイル測定器とを有する。

[0022] また、本発明によれば、電子ビームとレーザービームが正面衝突する衝突位置近傍の前記各ビームの断面プロファイルを連続的に測定するプロファイル測定装置を前記各ビームの軸方向にほぼ一致する所定の方向に連続的に移動する連続移動ステツプと、

該連続移動ステップで得られた断面プロファイル、その前記所定方向の位置、及び各ビームの発振タイミングから前記各ビームの 3次元プロファイルの時間変化を作成するプロファイル作成ステップと、を有することを特徴とする電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定方法が提供される。

[0023] 上記本発明の装置及び方法によれば、移動装置により、プロファイル測定装置を電子ビーム及びレーザービームの軸方向にほぼ一致する所定の方向に連続的に移動するので、プロファイル測定装置により、前記所定方向の各位置で電子ビーム及びレーザービームの各 2次元プロファイルを測定することができる。

従って、電子ビーム及びレーザービームの焦点（ビームウェイスト）が特定の位置（例えば衝突予定点）から外れた位置にある場合でも、その位置に移動して焦点を直接測定することができる。

また、前記所定方向の各ビームの中心位置から各ビームの入射角度を直接測定すること力 Sできる。

従って、電子ビームとレーザービームの焦点及び入射角度を精密に一致させることができる。

[0024] また、プロファイル作成装置を用いることにより、プロファイル測定装置により測定された断面プロファイル、その前記所定方向の位置、及び各ビームの発振タイミングから電子ビーム及びレーザービームの 4次元プロファイル（3次元プロファイルの時間変ィ匕）を作成することができる。図面の簡単な説明

[0025] [図 1]は、非特許文献 1の「小型 X線発生装置」の構成図である。

[図 2]は、本発明によるプロファイル測定装置を備えた X線発生装置の全体構成図である。

[図 3A]は、電子ビームとレーザービームの衝突態様を示す図である。

[図 3B]は、電子ビームとレーザービームの衝突態様を示す別の図である。

[図 3C]は、電子ビームとレーザービームの衝突態様を示す別の図である。

[図 3D]は、電子ビームとレーザービームの衝突態様を示す別の図である。

[図 4A]は、本発明によるプロファイル測定装置の第 1実施形態図である。

[図 4B]は、本発明による遷移放射光の発生状態を示す模式図である。

[図 4C]は、本発明による遷移放射光の発生状態を示す別の模式図である。

[図 5]は、本発明によるプロファイル測定装置の第 2実施形態図である。

[図 6]は、本発明によるプロファイル測定装置の第 3実施形態図である。

[図 7]は、本発明によるプロファイル測定装置の第 4実施形態図である。

好ましい実施例の説明

[0026] 以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図 2は、本発明によるプロファイル測定装置を備えた X線発生装置の全体構成図である。この X線発生装置は、電子ビーム発生装置 10およびレーザー発生装置 20を備える。

[0027] 電子ビーム発生装置 10は、電子ビームを加速してパルス電子ビーム 1を発生し所定の直線軌道 2を通過させる機能を有する。

この例において、電子ビーム発生装置 10は、 RF電子銃 11、 a -磁石 12、加速管 13 、ベンディング磁石 14、 Q—磁石（四極電磁石） 15、減速管 16、およびビームダンプ 17を備える。

[0028] RF電子銃 11と加速管 13は、 Xバンド（11. 424GHz)の高周波電源 18により駆動される。 RF電子銃 11から引き出された電子ビームは、 α -磁石 12により軌道を変えて加速管 13に入射する。加速管 13は、小型の Xバンド加速管であり、電子ビームを加速し、好ましくは約 50MeV前後の高エネルギーの電子ビームを形成する。この電子ビームは、例えば約 1 μ s前後のパルス電子ビーム 1である。

特にパルス電子ビーム 1は、 1つの電子の塊に、周回するレーザービームを何度も衝突させるため、レーザービームの周回時間（約 10ns)よりも、大きな電子ビームを発生する必要があるため、マルチパンチパルス電子ビームであるのが良い。

[0029] ベンディング磁石 14は、パルス電子ビーム 1の軌道を磁場で曲げて所定の直線軌道 2を通過させ、通過後のパルス電子ビーム 1をビームダンプ 17まで導く。 Q_磁石 15はパルス電子ビーム 1の収束具合を調整する。減速管 16は、パルス電子ビーム 1 を減速する。ビームダンプ 17は、直線軌道 2を通過した後のパルス電子ビーム 1を捕捉して、放射線の漏洩を防止する。

[0030] 同期装置 19は、電子ビーム発生装置 10とレーザー発生装置 20の同期をとり、パルス電子ビーム 1のタイミングと後述するパルスレーザービーム 3とのタイミングを合わせ、パルス電子ビーム 1とパルスレーザービーム 3が所定の直線軌道 2上の衝突点 2 aで衝突するように制御する。

[0031] 上述した電子ビーム発生装置 10により、例えば、約 50MeV前後、約 1 μ s前後のパルス電子ビーム 1を発生し、これを所定の直線軌道 2を通過させることができる。

[0032] レーザー発生装置 20は、レーザー装置 21と可変ビームエキスパンダ 22を有し、レ一ザ一ビームを発生し、これを所定のビーム径に拡大して照射する機能を有する。レーザー装置 21は、例えば波長 1064nmの Nd—YAGレーザーである。またパルスレーザービーム 3は、この例に限定されず、エキシマレーザーの ArF (波長 193nm ) , KrF (波長 248nm) , XeCl (波長 308nm) , XeF (波長 351nm) , F2 (波長 157η m)や YAGレーザーの第 3高調波（波長 355nm)、第 4高調波（波長 266nm)、第 5 高調波（波長 213nm)、その他を用いてもよい。

[0033] またこの例でレーザー発生装置 20は、レーザービーム周回光学系 24を有し、パノレスレーザービーム 3を反射ミラーを介して周回路 5内に導入し、このパルスレーザービーム 3を周回する周回路 5内に閉じ込めて、周回路内のレーザービーム集光点 9 (図示せず、図 4 (C)参照）を繰り返し通過させるようになってレ、る。

[0034] なお、本発明において、レーザービームが連続レーザービームであり、レーザー装置 21が連続レーザー装置であってもよレ、が、レーザービームがパルスレーザービーム 3であり、レーザー装置 21がパルスレーザー装置であるのが好ましい。

また、本発明のプロファイル測定装置は、上述した X線発生装置に限定されず、電子ビームとレーザービームが正面衝突するその他の X線発生装置にも適用することができる。

以下、レーザービーム 3がパルスレーザービームであり、レーザー装置 21がパルスレーザー装置である場合にっレ、て説明する。

[0035] 図 2において、電子ビーム 1 (この例ではパルス電子ビーム）とレーザービーム 3 (この例ではパルスレーザービーム）は、所定の直線軌道 2上の衝突点 2aで正面衝突するように制卸される。

電子ビーム 1の制御は、ベンディング磁石 14により電子ビーム 1の軌道を制御し、 Q —磁石 15によりパルス電子ビーム 1の収束具合を制御し、同期装置 19により、パルス電子ビーム 1の衝突点 2aへの到着時間を制御するようになっている。

また、レーザービーム 3の制御は、反射ミラー又は集光レンズの横方向位置によりレ一ザ一ビーム 3の軌道を制御し、集光レンズの軸方向位置によりレーザービーム 3の集光位置を制御し、同期装置 19により、レーザービーム 3の衝突点 2aへの到着時間を制御するようになっている。

なお、本発明のプロファイル測定装置は、この制御手段に限定されず、その他の手段で電子ビーム 1の制御とレーザービーム 3の制御を行ってもよい。

[0036] 図 3A〜Dは、電子ビーム 1とレーザービーム 3の衝突態様を示している。この図において、図 3Aは両ビームの焦点（ビームウェイスト）及び入射角度の両方がずれている状態、図 3Bは両ビームの焦点及び入射角度の両方が一致している状態を示している。なお以下、ビームウェイストを含めて「焦点」と呼ぶ。

図 3Aのように、電子ビーム 1とレーザービーム 3の焦点及び入射角度の両方がずれている場合には、両ビームのプロファイルのオーバーラップが小さいため、衝突により発生する X線の強度は弱くなる。

そのため、発生する X線の強度を高めるためには、図 3Bのように、電子ビーム 1とレ一ザ一ビーム 3の焦点及び入射角度の両方を一致させる必要がある。 [0037] また、電子ビーム及びレーザービームがパルスビームである場合において、図 3C は両ビームが焦点を同時に通過しない状態、図 3Dは同時に通過する状態を示している。

図 3Cのように、電子ビーム 1とレーザービーム 3が焦点以外の位置で衝突する場合には、電子ビーム及びレーザービームの衝突時の密度分布が低いため、発生する X 線の強度は弱くなる。

そのため、発生する X線の強度を高めるためには、図 3Dのように、電子ビーム 1とレ一ザ一ビーム 3が焦点を同時に通過するように制御する必要がある。

[0038] 本発明の基本的概念は、後述するプロファイル測定装置を各ビームの軸方向にほぼ一致する所定の方向へ可動とすることにより、可動範囲全ての位置でレーザービーム 3及び電子ビーム 1の位置及び分布を測定することにある。

電子ビーム 1とレーザービーム 3の衝突効率を上げるには、図 3A, 図 3Bのようにレーザービーム 3、電子ビーム 1のビームウェイスト（焦点）を結ぶ様子を直接測定できれば、ビームサイズが最も小さく測定された位置をビームウェイスト（焦点）であると断定できる。

また、図 3Dのように、電子ビーム及びレーザービームがパルスビームである場合には、電子ビームとレーザービームが同時に収束され焦点となる位置を通過する必要力 ^sある。

本発明の装置及び方法は、図 3Dの状態を容易に実現することを目的としている。

[0039] 図 4A〜Cは、本発明によるプロファイル測定装置の第 1実施形態図である。

図 4Aにおいて、本発明のプロファイル測定装置は、プロファイル測定装置 30、移動装置 40、及びプロファイル作成装置 50を備える。

本発明において、電子ビーム 1及びレーザービーム 3の軸方向にほぼ一致する所定の方向を X方向と定義する。この X方向は、図 2における設計上の直線軌道 2と同一であり、同様に設計上の衝突点 2aを原点とするのがよい。なお、実際の使用状態において、電子ビーム 1及びレーザービーム 3の軸方向は、 X方向と厳密には一致しなくてもよい。

[0040] プロファイル測定装置 30は、この例では、平板状のターゲット板 31、第 1光検出器 32、及び第 2光検出器 33を有する。

平板状のターゲット板 31は、好ましくは金属製であり、上述した X方向に対して所定の角度（例えば 45度）で配置されている。ターゲット板 31は、好ましくは遷移放射光用ターゲット（例えばアルミ蒸着ミラー）であるのがよレ、。

第 1光検出器 32は、光電子増倍管又はストリークカメラであり、ターゲット板 31と電子ビーム 1との衝突で発生する遷移放射光 6の 2次元プロファイルを連続的に測定する。遷移放射光 6は電子ビーム 1がターゲット板 31を通過する際に放射されるため、この遷移放射光の時間方向分布を第 2光検出器 33 (光電子増倍管やストリークカメラ等）で測定することにより、電子ビームが衝突点を通過するタイミングを正確に知ることが可能となる。

第 2光検出器 33は、ターゲット板 31で反射されたレーザービーム 3の 2次元プロフアイルを測定する。ターゲット板 31 (この例で、遷移放射光用ターゲット）はレーザービーム 3の反射ミラーとしても使用できるため、レーザービーム 3が衝突点を通過するタイミングを同様に測定することが可能となる。この両タイミングを比較し適切に両タイミングを合わせることにより X線強度を最大化できる。

なお、第 1光検出器 32で、ターゲット板 31と電子ビーム 1との衝突で発生する遷移放射光 6の 2次元プロファイルを測定すると同時に、ターゲット板 31とレーザービーム 3との衝突によりできた投影像を測定することもできる。その場合は、第 2光検出器 33 は不要となる。

[0041] この構成により、電子ビーム 1とレーザービーム 3が正面衝突する衝突位置 (衝突点 2a)の近傍の電子ビーム 1とレーザービーム 3の断面プロファイルを連続的に測定すること力 Sできる。

すなわち、レーザービーム 1と電子ビーム 3の空間的位置が一致した時点で、レーザ一ビーム 1と電子ビーム 3の時間的な関係を知るには、遷移放射光用ターゲット（金属ミラー）から放射される遷移放射光 6とレーザービーム 3の時間分布を直接比較することが一番確実である。

[0042] なおこの図において、 52はプロファイル測定装置 30を内部に格納する真空チャンバー、 53, 54は真空べローズ（又は蛇腹）であり、真空チャンバ一 52をビームパイプと一体に連結してビームラインの真空を保ちながら、真空チャンバ一 52を x方向に移動可能にしている。

[0043] 移動装置 40は、この例では、直動ァクチユエータ 42と位置検出装置 44を有する。

またこの図において、 41aはレーノレ、 41bはガイドである。ガイド 41bは真空チャンバー 52に固定されており、レール 41aに沿って真空チャンバ一 52 (及び内部のプロファイル測定装置 30)を X方向に精密に案内している。

直動ァクチユエータ 42は、直動の電動又は流体圧シリンダであり、ターゲット板 31 の X方向に連続的に移動する。なお、直動ァクチユエータ 42は、回転ァクチユエータと直動機構 (例えばラックピニオン)であってもよい。

位置検出装置 44は、例えばマグネスケール (登録商標）であり、移動中のターゲット板 31の X方向位置を好ましくは 10 z m以下の分解能で精密に検出する。

この構成により、プロファイル測定装置 30を電子ビーム 1及びレーザービーム 3の軸方向にほぼ一致する X方向に連続的に移動しかつその X方向位置を精密に検出すること力 Sできる。

[0044] この図において例えば斜め 45度に設置された金属ターゲット 31に電子ビーム 1が入射すると同時にこの図の上方向に遷移放射光 6が発生する。この遷移放射光 6とレ一ザ一ビーム 3の時間差を光電子増倍管などで電気信号へ変換し、信号の時間差を測定することで、レーザービーム 3と電子ビーム 1の衝突点での時間差を知ることができる。

ただし、 2つの光検出器 32, 33の遅延時間は既知であり、またターゲット 31からそれぞれの光検出器までの光路差は同じ力、或いはその差が正確にわかっているものとする。

[0045] 図 4Bは、遷移放射光 6の発生状態を模式的に示している。電子ビーム 1の焦点が金属ターゲット 31の表面上に位置するとき（太い実線）には、金属ターゲット 31の焦点に相当する狭レ、領域 (例えば楕円形)から強レ、遷移放射光 6が発生する。

図 4Cは、これに対し、電子ビーム 1の焦点が金属ターゲット 31の表面上に位置しなレ、とき（細線）には、金属ターゲット 31の焦点より広い領域から弱い遷移放射光 6が発生する。従って、金属ターゲット 31を移動し、最も狭い領域から最も強い遷移放射光 6が発生する箇所に電子ビーム 1の焦点が位置すると判断することができる。

レーザービームの場合も同様である。

[0046] プロファイル作成装置 50は、例えば PC (コンピュータ）であり、プロファイル測定装置 30により測定された断面プロファイル、その X方向位置、及び各ビームの発振タイミングから電子ビーム 1及びレーザービーム 3の 3次元プロファイルの時間変化を作成する。

プロファイル作成装置 50で得られた 3次元プロファイルの時間変化は、記憶装置に記憶するとともに、図示しないディスプレイ装置やプリント装置に出力すると共に、上述した同期装置 19に出力するのがよい。

[0047] 図 5は、本発明によるプロファイル測定装置の第 2実施形態図である。

この例において、プロファイル測定装置 30は、平板状のターゲット板 31、単一の光検出器 34、第 1反射ミラー系 36a， 35b、及び第 2反射ミラー系 36a, 36bを有する。平板状のターゲット板 31は、第 2実施形態図と同様に、好ましくは金属製であり、上述した X方向に対して所定の角度（例えば 45度）で配置されている。

単一の光検出器 34は、遷移放射光 6とレーザービーム 3の 2次元プロファイルを測定する。

第 1反射ミラー系 36a, 35bは、この例では 2枚の反射ミラー 36a, 35bからなり、タ一ゲット板 31と電子ビーム 1との衝突で発生する遷移放射光 6を光検出器 34へ導く。第 2反射ミラー系 36a, 36bは、この例では別の 2枚の反射ミラー 36a, 36bからなり、ターゲット板 31で反射されたレーザービーム 3を同一の光検出器 34へ導くようになつている。第 1反射ミラー系 36a， 35bと第 2反射ミラー系 36a, 36bの光路長は好ましくは正確に一致するのがよい。

なおその他の構成は、第 1実施形態と同様である。

[0048] この例は、光検出器 34を 1台とし、金属ターゲット 31以降の光路は適切な光輸送系となっている。この構成によれば、レーザービーム 3の光路と遷移放射光 6の光路差が既知又は 0となっていれば、光検出器 34で時間差がある 2つのパルス信号として測定することができる。この構成により、単一の光検出器 34で、遷移放射光 6とレーザービーム 3の 2次元プロファイルを測定することができる。なお、遷移放射光 6とレーザービーム 3を同時に測定して波長の相違で分離してもよぐ或いは別個に測定してもよい。

従って、この構成により、第 1実施形態と同様に、電子ビーム 1とレーザービーム 3が正面衝突する衝突位置 (衝突点 2a)の近傍の電子ビーム 1とレーザービーム 3の断面プロファイルを連続的に測定することができる。

[0049] 図 6は、本発明によるプロファイル測定装置の第 3実施形態図である。

この例において、プロファイル測定装置 30は、単一の光検出器 34、平板状の第 1 ターゲット板 31a及び第 2ターゲット板 31bを有する。

平板状のターゲット板 31aは、上述したターゲット板 31と同様に、好ましくは金属製であり、上述した X方向に対して所定の角度（例えば 45度）で配置されている。

単一の光検出器 34は、第 2実施形態図と同様に、遷移放射光 6とレーザービーム 3 の 2次元プロファイルを測定する。

平板状の第 2ターゲット板 31bは、所定の X方向に対して所定の角度（例えば 45度 )で配置され、レーザービーム 3を同一の光検出器 34へ反射する。すなわち、第 1タ一ゲット板 31aと第 2ターゲット板 31bは、遷移放射光 6とレーザービーム 3を同一の光検出器 34へ導くようになつている。

第 1ターゲット板 31 aと第 2ターゲット板 31bから光検出器 34までの光路長は好ましくは正確に一致するのがよい。

[0050] また、移動装置 40は、第 1ターゲット板 31aと第 2ターゲット板 31bを好ましくはその X方向長さを超えて連続的に移動し、移動中の第 1ターゲット板 31aと第 2ターゲット板 31bの X方向位置を精密に検出するようになっている。

その他の構成は、第 1、 2実施形態と同様である。

[0051] この例は、金属ターゲット 31a， 31bをレーザー用と遷移放射光用の 2枚用意することにより、光路差が金属ターゲットの部分のみになるようにしたものである。図のように逆向きに 45度に傾けた第 2ターゲット板 31bを、遷移放射光ターゲット（第 1ターゲット板 3 la)の裏側に設置する。

あらかじめ、蛍光板スクリーン等により、レーザー及び電子ビームの空間位置が正確に調整されてレ、れば、レーザービーム或いは電子ビームがターゲットのどの部分を通過するかわ力つているので、レーザービームと遷移放射光の光路差は既知となる。

[0052] この構成により、第 1ターゲット板 31aと第 2ターゲット板 31bにより、単一の光検出器 34で、遷移放射光 6とレーザービーム 3の 2次元プロファイルを測定することができる。なお、遷移放射光 6とレーザービーム 3を同時に測定して波長の相違で分離してもよぐ或いは別個に測定してもよい。

従って、この構成により、第 1、 2実施形態と同様に、電子ビーム 1とレーザービーム 3が正面衝突する衝突位置（衝突点 2a)の近傍の電子ビーム 1とレーザービーム 3の断面プロファイルを連続的に測定することができる。

[0053] 図 7は、本発明によるプロファイル測定装置の第 4実施形態図である。

この例において、プロファイル測定装置 30は、第 1プロファイル測定器 37及び第 2 プロファイル測定器 38を有する。

第 1プロファイル測定器 37は、電子ビーム用のビームプロファイラであり、上述の X 方向に直角（垂直）に配置され、電子ビーム 2の 2次元プロファイルを直接測定するようになつている。

また、第 2プロファイル測定器 38は、レーザービーム用のビームプロファイラであり、 X方向に直角に配置され、レーザービーム 3の 2次元プロファイルを直接測定するようになっている。

なお第 1プロファイル測定器 37と第 2プロファイル測定器 38の間には、電子ビーム及びレーザービームを遮断する遮蔽板 39が挿入されているのがよい。

また、この例において、移動装置 40は、第 1プロファイル測定器 37及び第 2プロフアイル測定器 38を好ましくはその X方向長さを超えて連続的に移動し、移動中の第 1 プロファイル測定器 37及び第 2プロファイル測定器 38の X方向位置を精密に検出するようになっている。

その他の構成は、第 1〜3実施形態と同様である。

[0054] 上述した本発明による各プロファイル測定装置を用いて、本発明のプロファイル測定方法は、連続移動ステップ S1とプロファイル作成ステップ S2とを有する。

連続移動ステップ S1では、上述したプロファイル測定装置 30を電子ビーム 1とレーザ一ビーム 3が正面衝突する衝突位置 2aの近傍において、電子ビーム 1及びレーザ一ビーム 3の軸方向にほぼ一致する X方向に連続的に移動する。

プロファイル作成ステップ S2では、連続移動ステップ S1で得られた多数の断面プロフアイノレ、 X方向位置、及び各ビームの発振タイミングから電子ビーム 1及びレーザ一ビーム 3の 3次元プロファイルの時間変化を作成する。

[0055] 上述した本発明のプロファイル測定装置 30で測定される電子ビーム 1とレーザービーム 3の断面プロファイルは、ある瞬間の各断面プロファイルのみである。従ってこの単一のプロファイルのみからは、両ビームの焦点及び入射角度を求めることはできなレ、。

そこで本発明では、直動ァクチユエータ 42により、ターゲット板 31、反射ミラー 37、第 1プロファイル測定器 38及び第 2プロファイル測定器 39をその X方向長さを超えて連続的に移動し、その際に連続的に得られる多数の断面プロファイルから、電子ビーム 1及びレーザービーム 3の 3次元プロファイルを作成する。

また、電子ビーム 1及びレーザービーム 3がパルスビームである場合には、各ビームの 3次元プロファイルを瞬時に同時には測定できないので、ビームの発振タイミングとの関連で多数のプロファイルデータを記憶装置（図示せず）に記憶し、これらを統合して電子ビーム 1及びレーザービーム 3の 3次元プロファイルの時間変化を作成する

[0056] 電子ビーム 1及びレーザービーム 3の 3次元プロファイルが得られると、これから、図 3 (A)に示したように両ビームの焦点及び入射角度を求めることができる。

またこの両方が互いにずれている状態、例えば、電子ビーム 1の焦点及び入射角度は一般に調整が困難なため、レーザービーム 3の反射ミラー又は集光レンズの位置を調整して図 3 (B)のように両ビームの焦点及び入射角度の両方が一致している状態に容易に調整することができる。

また 3次元プロファイルの時間変化から、図 3 (C)に示したように両ビームが焦点を同時に通過しない状態を確認することができる。

この場合、同期装置 19により、ノ^レス電子ビーム 1の衝突点 2aへの到着時間を制御し、或いは同期装置 19により、レーザービーム 3の衝突点 2aへの到着時間を制御することにより、図 3 (D)のように、電子ビーム 1とレーザービーム 3が焦点を同時に通過するように制御することができる。

[0057] 上述したように本発明は、電子ビームとレーザービームの衝突による X線生成装置において、衝突点付近でのレーザービーム 3と電子ビーム 1の 4次元（空間 3次元及び時間軸）パラメータを正確に測定することにより、電子ビームとレーザービームの 4 次元空間での完全なオーバーラップを実現し、 X線の生成を最大化するものである。

[0058] 電子ビームとレーザービームの衝突装置においては、衝突点と想定される地点に 1 台のプロファイル測定装置を設置することが従来一般的であるが、この場合、プロフアイル測定装置の位置での両ビームの位置及びプロファイルが測定できるにすぎなレ、。

そのためこの場合、レーザービーム及び電子ビームのビームウェイスト（焦点）を特定することはできない。そこでビームウェイスト（焦点）を特定するためには、プロフアイル測定装置の設置地点が焦点位置であると仮定し、プロファイル測定装置上でのプ口ファイルが最小となるように 4極電磁石の収束強度を変化させることによりビーム光学系を調整しなくてはならない。

また、ビーム光学系の調整では衝突点への入射角を特定することは不可能である。そのため、電子ビームとレーザービームの衝突確率の向上には従来限界があった。

[0059] 衝突確率の向上のためには、特に、電子ビームとレーザービームを絞った焦点及び入射角度を一致させ、その上で、衝突点（ビームウェイスト位置）を通過するタイミングを合わせなければならない。

本発明によれば、電子ビームとレーザービームの衝突点での両ビームの空間及び時間的分布を精密に測定することが可能である。そのため、電子ビームとレーザービームを設計どおりに衝突させ、高い衝突確率で X線を発生させることが可能となる。また、衝突時の X線強度を計算する際に重要なレーザービームの M2や電子ビームのェミッタンスおよび twissパラメータ等を、レーザービームや電子ビームの光学系を崩すことなく衝突点にて直接測定できる。

一般に、電子ビームでは Qスキャン法による測定が一般である力収束のための Q 磁石の K値のエラーや、 Q磁石からプロファイル測定装置までの距離の誤差、 K値を変化させる必要があるため、電磁石磁性体のヒステリシスの問題があるなど、測定誤差の要因が多い。本発明では、プロファイル測定装置を前記 X方向に例えば数 10ミクロンの精度で移動させながらそれぞれの位置でのプロファイルを測定するので、上記のような問題は発生しない。

[0060] 非特許文献 2に開示されたプロファイル測定手段との相違点をここで再度説明する従来技術と最も異なるのは 4次元でビームおよびレーザービームの状態を把握できることにある。従来のように固定されたモニタでは測定可能なデータは固定されたモユタを通過する時の状態だけであり、モニタ位置でのパルスの状態（空間 &時間軸）を完全に予測することは不可能である。すなわち理論的な軌道解析シミュレーションと実際のモデルには多くの相違があり、完全な位置と状態を理論的に導出したものを実モデルに反映することは極めて困難である。

[0061] また、非特許文献 2のようにモニタを所定の 3箇所に置いた場合、焦点位置やパルスの状態を完全にトレースすることは不可能である。例えばある状態における焦点がどの位置にレ、るのかを把握することは固定されたモニタでは不可能（見かけ上の焦点と焦点の区別をする等）である。

また、時間軸に対するレーザノ^レスとパルス電子ビームの一致させることも非現実的である。

そこで、上述したようにレーザービームとビームの軌道を時間的空間的にトレースすること力 S 完全な衝突を実現するためには必要且つ最も容易な方法である。

本発明は例えば 10 μ m単位で任意の位置でレーザービームおよびビームの状態を確認することができる機構を有した装置であり、上記課題を容易に解決するものである。

言い換えれば、完全な衝突を実現するためには間接的な測定（固定モニタで観測した状態から衝突位置での状態 (空間的位置、時間的位置、傾き)を推測する)では不可能である。そのため、本発明のように直接測定 (ビームおよびレーザービームの進行方向（軸方向）に沿って状態をスキャンすることで全ての状態 (空間的、時間的、傾き）を行うことが完全衝突には必要不可欠である。なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。例えば、プロファイル測定装置として、周知の蛍光板スクリーン、ワイヤースキャナー、ナイフエッジ等を用いることもできる。

Claims

請求の範囲

[1] 電子ビームとレーザービームが正面衝突する衝突位置近傍の前記各ビームの断面プロファイルを測定するプロファイル測定装置と、

該プロファイル測定装置を前記各ビームの軸方向にほぼ一致する所定の方向に連続的に移動する移動装置と、を備えることを特徴とする電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置。

[2] 前記プロファイル測定装置により測定された断面プロファイル、その前記所定方向の位置、及び前記各ビームの発振タイミングから前記各ビームの 3次元プロファイルの時間変化を作成するプロファイル作成装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項 1に記載の電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置。

[3] 前記移動装置は、プロファイル測定装置を前記所定方向に連続的に移動する直動ァクチユエータと、

プロファイル測定装置の前記所定方向の位置を検出する位置検出装置とを有する、ことを特徴とする請求項 1に記載の電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置。

[4] 前記プロファイル測定装置は、前記所定の方向に対して所定の角度で配置された平板状のターゲット板と、

前記ターゲット板で反射されたレーザービームの 2次元プロファイルを測定する第 2 光検出器とを有する、ことを特徴とする請求項 1に記載の電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置。

[5] 前記プロファイル測定装置は、前記所定の方向に対して所定の角度で配置された平板状のターゲット板と、

ターゲット板で反射されたレーザービームを前記光検出器へ導く第 2の反射ミラー系とを有する、ことを特徴とする請求項 1に記載の電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置。

[6] 前記プロファイル測定装置は、遷移放射光とレーザービームの 2次元プロファイルを測定する単一の光検出器と、

前記所定の方向に対して所定の角度で配置され、電子ビームとの衝突で発生する遷移放射光を前記光検出器へ導く平板状の第 1のターゲット板と、

前記所定の方向に対して所定の角度で配置され、レーザービームを前記光検出器へ反射する第 2のターゲット板とを有する、ことを特徴とする請求項 1に記載の電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置。

[7] 前記プロファイル測定装置は、前記所定の方向に直角に配置され電子ビームの 2 次元プロファイルを測定する第 1プロファイル測定器と、

前記所定の方向に直角に配置されレーザービームの 2次元プロファイルを測定する第 2プロファイル測定器とを有する、ことを特徴とする請求項 1に記載の電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定装置。

[8] 電子ビームとレーザービームが正面衝突する衝突位置近傍の前記各ビームの断面プロファイルを連続的に測定するプロファイル測定装置を前記各ビームの軸方向にほぼ一致する所定の方向に連続的に移動する連続移動ステップと、

該連続移動ステップで得られた断面プロファイル、その前記所定方向の位置、及び各ビームの発振タイミングから前記各ビームの 3次元プロファイルの時間変化を作成するプロファイル作成ステップと、を有することを特徴とする電子ビーム及びレーザービームのプロファイル測定方法。