JPH0448600A - シンクロトロン放射装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、高エネルギ電子が磁場によって偏向されると
きに放射される電磁波を取出すことができるシンクロト
ロン放射装置に関する。

（従来の技術） 周知の如く、半導体装置の集積度は露光光源の波長によ
って大きく左右される。現在、紫外線等が露光光に使用
されているが、これらの光では集積度が限界に近付いて
いる。

このようなことから、最近では、高エネルギ電子が磁場
によって偏向されたときに放射される指向性の良い電磁
波（具体的には軟Ｘ線）を露光光として使用する研究が
なされており、既にこの光を送出し得るシンクロトロン
放射装置の提案が幾つかなされている。

シンクロトロン放射装置は、通常、前段加速器で加速さ
れた高エネルギ電子を真空状態に保持された蓄積リング
内に入射させ、この入射した電子を上記蓄積リングに沿
って複数設けられた偏向用電磁石で偏向させながら周回
させるとともに偏向時に放射される軟Ｘ線を取出すよう
に構成されている。

ところで、シンクロトロン放射装置を、たとえばＬＳＩ
製造分野等に利用し易くするためには幾つかの改善すべ
き点が残されている。たとえば、従来のシンクロトロン
放射装置では、低エネルギ電子は寿命が極めて短いとの
考えから、前段加速器で電子を数１００　ＭｅＶ以上に
加速し、この高エネルギ電子を蓄積リングに入射して徐
々に定格エネルギまで加速したり、あるいは１００　Ｍ
ｅＶ以下で入射させた後に蓄積リング内で定格エネルギ
まで急加速したりする方式を採用している。

しかし、前者の場合は前段加速器が大型化するので、装
置全体が大型化するのを免れ得ない問題があった。また
、後者にあっては蓄積リング内で電子流を急加速すると
きに偏向用電磁石を構成している鉄心に大きな渦電流が
誘起され、この渦電流に伴う減磁作用で偏向磁場の強さ
が減少する。

このため、偏向用電磁石１個当りの偏向角を大きくする
ことができず、これが原因して多数の偏向用電磁石を必
要とするばかりか、蓄積リングの周長を長くしなければ
ならず、この場合もやはり装置全体の大型化を招く問題
があった。

また、従来のシンクロトロン放射装置では、偏向用電磁
石の鉄心として、鉄心断面の形に打ち抜かれた薄板を電
子軌道に沿って扇型に積層したレキュタンギュラー型と
呼称されているもの、同じく打ち抜かれた薄板を偏向軌
道の外側にスペーサを介在させながら扇型に積層したセ
クター型と呼称されているもの、あるいは機械加工によ
って同様な形状に形成されたものなどを用いている。

しかし、いずれの鉄心にあっても、電子軌道側の磁極幅
とリターンヨーク部の断面幅とが同程度に形成されてい
るものが多い。このため、リターン側の磁束通路面積が
小さく、これが原因して鉄心材料の最大有効利用磁場と
考えられている１、５Ｔ近くまで上げることが困難で、
偏向磁場の強さを大きくして偏向用電磁石の数を減らす
とともに蓄積リングの周長を短くすることが困難であっ
た。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来のシンクロトロン放射装置にあっては
、全体の小型化を図り、なおかつ蓄積リングに十分な電
子を蓄積することが困難であフた。

そこで本発明は、前段加速器の小型化、偏向用電磁石の
数の減少化、蓄積リングの周長の短縮化を図れ、もって
全体の小型化を図れるとともに、高強度のシンクロトロ
ン放射出力が得られるシンクロトロン放射装置を提供す
ることを目的とじている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明に係るシンクロトロ
ン放射装置では、前段加速器として、電子を２０　Ｍｅ
Ｖ以下に加速する線形加速器または電子を６０〜１４０
　ＭｅＶに加速するマイクロトロンを用いている。また
偏向用電磁石の鉄心として、電子軌道を挟んで電子軌道
平面と直交する方向に対峙する一対の磁極部および上記
一対の磁極部を電子軌道の中心軸回りに繋ぐヨーク部を
備え、全体が扇形に形成されるとともに磁極部の電子軌
道と直交する方向の幅よりヨーク部の電子軌道と直交す
る方向の幅が大に設定されたものを用いている。

（作　用） 従来の定説によると、エネルギの低い領域では、電子寿
命τアが著しく短いとされていた。この定説に基いて従
来のシンクロトロン放射装置では、前述の如く、大型の
前段加速器を用いたり、あるいは１００　ＭｅＶ以下で
入射させた後に蓄積リング内で急加速したりする方式を
採用している。

しかし、本発明者の研究によると、この定説は正確では
ないことが判った。第５図には本発明者によって詳細に
計算された例が示されている。この図は、蓄積リング内
の真空度が１０−９Ｔｏｒｒ、蓄積電流が５００ｓ＾の
条件で、電子寿命１丁および放射減衰時間τ４と電子エ
ネルギとの関係を示している。電子エネルギが２００　
ＭｅＶ近く、あるいはそれ以下の領域における電子寿命
１丁を評価する際には、電子同志の微少なり−ロン散乱
による電子の集団塊が膨らむことを考慮することが極め
て重要である。第５図に示す例では、電子の集団塊の脹
らみを詳細な計算によって求めており、その上で電子が
壁に衝突してしまう程度に大角散乱される確率を評価し
て電子寿命τ７を決めている。

この第５図から判るように、電子寿命１丁が最も短くな
る５　０　ＭｅＶ近傍でも２００秒におよぶ寿命がある
ことが判った。これは、従来の定説を修正しなければな
らない事柄である。つまり、２０ＭｅＶ以下の電子を入
射させても、この入射電子の寿命１丁は数分から数１０
分に亘って保たれる。

本発明は、この新たな知見をベースにしている。

本発明に係るシンクロトロン放射装置では、前段加速器
として電子を２０　ＭｅＶ以下に加速する線形加速器ま
たは電子を６０〜１４０１１ｅＶに加速す。

るマイクロトロンを用いている。

エネルギが２０ＭｅＶ以下の電子を蓄積リングに入射さ
せると、入射時に生じる電子ビーム軌道の大きな振動（
ベータトロン振動）が減衰する時間τ、が電子寿命τ７
より長くなる。したがって、前段加速器に電子を２０　
ＭｅＶ以下に加速する線形加速器を使った場合には、複
数回に亘って電子を入射させることはできない。しかし
、線形加速器は、後段にエネルギ幅圧縮装置を設けるこ
とによって１回の入射で５００腸＾あるいはそれ以上の
電子を入射させることができる。したがって、このよう
な大電流を１回で入射させた後に比較的長時間、つまり
電子寿命τＴまでは十分に余裕のある１分程度の時間を
かけて定格のたとえば８００ＭｅＶまで加速し、その後
に蓄積状態に移行させれば、高強度のシンクロトロン放
射出力が得られることになる。

一方、前段加速器として電子を６０〜１４０ＩｅＶに加
速するマイクロトロンを用いる場合には、マイクロトロ
ンの特性上、１回の入射で大電流を入射することはでき
ないが、第５図から判るように、電子寿命τ↑が放射減
衰時間τ４を大幅に上回っているため、入射ビームのベ
ータトロン振動が減衰するのを待って複数回電子を入射
することができる。したがって、この場合も５００ｓ＾
あるいはそれ以上の電子の入射が可能となる。そして、
この場合も比較的長時間、つまり１分程度の時間をかけ
て定格のたとえば８００　ＭｅＶまで加速し、その後に
蓄積状態に移行させれば、高強度のシンクロトロン放射
出力が得られることになる。

このように、電子を２０Ｍｅｖ以下に加速する線形加速
器または電子を６０〜１４０１ｅＶに加速するマイクロ
トロンを使い、しかも入射後に急加速を行うことなく所
要のエネルギを持った大電流電子ビームを蓄積リングに
蓄積することができる。

これらの特性を備えた線形加速器やマイクロトロンは、
通常、小型であり、装置全体の大型化を抑制するのに寄
与する。また、蓄積リングへ電子を入射させた後に急加
速を行うことなく、所要のエネルギに加速することがで
きるので、加速時に偏向用電磁石を構成している鉄心に
大きな渦電流を誘起させることがなく、偏向磁場の強さ
が減少するようなこともない。このため、偏向用電磁石
１個当りの偏向角を大きくすることができ、偏向用電磁
石の数の減少化および蓄積リングの周長の短縮化にも寄
与できる。

また、本発明に係るシンクロトロン放射装置では、各偏
向用電磁石の鉄心における磁極部およびヨーク部の上述
した幅を前記関係に設定しているので、ヨーク部の磁束
通路断面積を磁極部のそれと同等もしくはそれ以上にす
ることができる。したがって、セクター型の鉄心構成に
しても、電子軌道上で通常鉄心材料の最大有効利用磁場
と考えられている１、５Ｔ程度の磁場を供給することが
可能となり、前述した減磁作用を受けないことと相まっ
て、偏向用電磁石１個当りの偏向角を一層大きくするこ
とができ、その結果、偏向用電磁石の数の減少化および
蓄積リングの周長の短縮化を一層促進できる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係るシンクロトロン放射
装置の概略構成が示されている。

同図において、１は前段加速器として線形加速器を示し
ている。この線形加速器１は電子を２０）ｌＩｅｖ以下
、この例では１５Ｍｅ■に加速する小型のものが用いら
れている。

線形加速器１で加速された電子ビームは、１組の電子蛇
行用磁石および加速空胴を用いたエネルギ幅圧縮装置２
を通った後、入射器３を介して約１０−’Ｔｏｒｒの真
空状態下にある蓄積リング４内に入射される。

蓄積リング４内は周回する空洞により形成されている。

この例では、蓄積リング４は完全な円形リングではなく
、四角枠状に形成されている。そして、４箇所の頂部は
所定の曲率半径の円の４分の１の長さを持つ円弧状に形
成されている。蓄積リング４の４つの円弧状部分の近傍
には蓄積リング４内を走行する電子を磁場によって９０
°偏向させるための偏向用電磁石５が配置されている。

各偏向用電磁石５は、鉄心６と、この鉄心６に巻装され
た常電導コイルあるいは超電導コイルで形成されたコイ
ル７とで構成されている。鉄心６は、セクター型に形成
されており、第２図に示すように、電子軌道Ｐ、つまり
蓄積リング４を挟んで電子軌道平面と直交する方向に対
峙する一対の磁極部８．９およびこれら磁極部８，９を
電子軌道Ｐの中心軸回りに繋ぐヨーク部１０を備え、全
体として扇形に形成されている。そして、第３図に示す
ように、磁極部８（９）の電子軌道Ｐと直交する方向の
幅Ｌ２より、ヨーク部１０の電子軌道Ｐと直交する方向
の幅Ｌ１が大に設定されている。すなわち、幅Ｌ２およ
びＬｌを上記関係に設定することによって、ヨーク部１
０の磁束通路断面積が磁極部８，９のそれと同等あるい
はそれ以上になるようにしである。

蓄積リング４の直線部分近傍には４極磁石１］が配置さ
れており、また直線部分の１箇所には高周波加速空洞１
２が設けられている。そして、蓄積リング４の円弧状部
分の壁で電子軌道Ｐより外側に位置する部分には、発生
した放射光を所定の場所へ導くためのビームライン１３
が蓄積リング４内に通し、かつ接線方向に延びる関係に
接続されている。

また、蓄積リング４の外周で、電子の走行方向を基準に
して蓄積リングが直線部分から曲線部分に差し掛かる位
置には、第４図に示すように、比較的薄い鉛板などで形
成されたγ線遮蔽体１４が装着されている。さらに、蓄
積リング４が直線部分から曲線部分に差し掛かる延長線
上にも比較的薄い鉛板などで形成されたγ線遮蔽体１５
が配置されている。なお、第４図中１６は建屋の壁を示
している。

このように構成されたシンクロトロン放射装置では、線
形加速器１で電子が１．５ＭｅＶまて加速される。この
加速された電子ビームのエネルギ幅は、通常、１％ある
いはそれ以上に広い。もし、このまま蓄積リング４に入
射させると、蓄積リング４の壁に衝突する電子が多くな
り、蓄積電流を大きくすることが困難となる。そこで、
この実施例ではエネルギ幅の広い電子ビームを一旦、エ
ネルギ幅圧縮装置２に通してエネルギ幅を縮めた後に蓄
積リング４に入射させるようにしている。

蓄積リング４に入射し、た電子ビームは、偏向用電磁石
５によって与えられた磁場で周回軌道に添うように偏向
されるとともに高周波加速空洞１２でさらに高いエネル
ギに加速されて周回する。この場合、第５図に示したよ
うに電子寿命τ↑が十分に長いことを有効利用して、２
０　ＭｅＶ　／　ｓｅｃ程度の比較的緩やかな変化率で
加速するように高周波加速空胴１２が制御される。そし
て、目標とするエネルギまで加速された状態で蓄積リン
グ４内の電子ビームが磁場によって偏向されるときに放
射される放射光がビームライン１３を介して取り出され
る。

なお、上記のように蓄積リング４内を電子ビームが周回
すると、電子の一部が蓄積リング４を構成している壁に
衝突し、この衝突に伴ってγ線が放射される。この現象
を詳しく解析したところ、電子が集中して衝突する部分
は、蓄積リング４の直線状部分に位置する壁で、しかも
この壁に対して］°程度あるいはそれ以下の入射角で衝
突することが判った。このような解析結果をベースにし
、この例では蓄積リング４の直線状部分の外周および直
線状部分の延長線上にγ線遮蔽体１４．１５を配置して
いる。

このように上記実施例では、前段加速器として電子を１
５ＭｅＶに加速する線形加速器１を用いている。したが
って、前段加速器の小型化を図ることができ、装置全体
の小型化を実現できる。また、上記のように低エネルギ
電子の場合でもその寿命τＴが十分長いので、蓄積リン
グ４へ入射させた後に急速に加速する必要もない。した
がって、急速加速時に起こる偏光用電磁石５の磁場強さ
の減少も防止できる。この結果、磁場を有効利用でき、
偏向角を大きくできるので、偏向用電磁石５の数を最小
にできるとともに蓄積リング４の周長の短縮化を図れ、
装置全体を一層小型化できる。さらに、偏向用電磁石５
に組込まれた鉄心６のヨーク部１０の磁束通路断面積を
磁極部８．９のそれと同等あるいはそれ以上に設定して
いるので、偏向部における電子軌道Ｐ上で鉄心材料の最
大有効利用磁場であると考えられている１、５Ｔ程度の
磁場を供給することができる。したがって、小型化に有
利なセクター型の鉄心を用いて供給磁場を鉄心材料によ
って決まる上限値程度まで高めることができ、この結果
、偏向用電磁石５の小型化を図った状態で偏向角を大き
くできるので、装置全体の一層の小型化を図ることがで
きる。

また、実施例に示す位置にγ線遮蔽体１４゜１５を設け
ておくと、γ線が集中して発生する部位で有効に遮蔽す
ることができるので、建屋の壁１６に要求される遮蔽機
能を大幅に軽減させることができ、総合的に見て建屋と
γ線遮蔽に必要な費用を大幅に軽減することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。すなわち、上述した実施例では、前段加速器として
電子を２０　ＨｅＶ以下に加速する小型の線形加速器を
用いているが、電子を６０〜１４０　ＭｅＶに加速する
マイクロトロンを前段加速器として用いてもよい。上記
範囲のマイクロトロンは比較的小型であり、装置全体の
小型化に悪影響を与えることはない。マイクロトロンの
場合には、その特性上、１回の入射電流は小さいが、上
述したエネルギ範囲では放射減衰時間τ、に比べて電子
寿命τ７が大幅に長いので、前述の如く複数回入射が可
能である。したがって、マイクロトロンを使用しても大
電流を蓄積することができ、上述した実施例と同様の効
果を得ることができる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、全体の小型化を図った
状態で、なおかつ高強度のシンクロトロン放射出力を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るシンクロトロン放射装
置の概略構成図、第２図は同装置に組込まれた偏向用電
磁石を１つだけ取出して示す斜視図、第３図は第２図に
おけるＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た図、第４
図は同装置に組込まれた蓄積リングの曲り部たけを取出
して示す図、第５図は本発明のベースとなった計算例を
示す図である。 １・・・線形加速器、２・・・エネルギ幅圧縮装置、４
・・・蓄積リング、５・・偏向用７は磁石、６・・・鉄
心、７・・・コイル、８，９・・・磁極部、１０・・ヨ
ーク部、１２・・・高周波加速空洞、１３・・・ビーム
ライン、１４．１５・・γ線遮蔽体、Ｐ　電子軌道。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第４ 図 第２区 第３区 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）前段加速器で加速された高エネルギ電子を真空状
   態に保持された蓄積リング内に入射させ、この入射した
   電子を上記蓄積リングに沿って複数設けられた偏向用電
   磁石で偏向させながら周回させるとともに上記偏向時に
   放射される電磁波を取出すようにしたシンクロトロン放
   射装置において、前記前段加速器は電子を２０ＭｅＶ以
   下に加速する線形加速器または電子を６０〜１４０Ｍｅ
   Ｖに加速するマイクロトロンで構成されており、前記各
   偏向用電磁石は電子軌道を挟んで電子軌道平面と直交す
   る方向に対峙する一対の磁極部および上記一対の磁極部
   を電子軌道の中心軸回りに繋ぐヨーク部を備えて全体が
   扇形に形成されるとともに前記磁極部の電子軌道と直交
   する方向の幅より前記ヨーク部の電子軌道と直交する方
   向の幅が大に設定された鉄心を備えてなることを特徴と
   するシンクロトロン放射装置。
2. （２）前記線形加速器の後段にはエネルギ幅圧縮装置が
   設けられていることを特徴とする請求項１に記載のシン
   クロトロン放射装置。
3. （３）前記蓄積リングにおける直線部分の外周および上
   記直線部分の延長線上の少なくとも一方にγ線遮蔽体が
   設けられていることを特徴とする請求項１に記載にシン
   クロトロン放射装置。