JPH06501334A - シンクロトロン放射源 - 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】 シンクロトロン放射源 本発明は、閉鎖軌道上で電子またはポジトロンから成る粒子ビームを加速および 蓄積するためのビーム案内装置を備えたシンクロトロン放射源に関する。

特に超伝導巻線装置から形成された磁石が使用されるこの種のシンクロトロン放 射源は、物理学研究において多種多様な使用に供されると共に、特に半導体チッ プ製造の際のリソグラフィーのためのＸ線源としても作用される。

シンクロトロン放射は電子またはポジトロンから成る粒子ビームが直線軌道から 偏向される場合に生じる０通常、粒子ビームは閉鎖軌道上のビーム案内装置内を 案内（蓄積〕され、軌道を曲げるために必要である偏向磁石内に生じるシンクロ トロン放射に使用される。シンクロトロン放射を特に効率良く発生させるために 、軌道は出来る限り小さい曲率半径で曲げられなければならず、このためには比 較的大きな磁場が必要であるが、このような磁場は経済的には実際上超伝導磁石 を用いてしか形成可能ではない。

超伝導磁石を備えたシンクロトロン放射源は例えばヨーロッパ特許第０２０８１ ６３号明細書、ヨーロッパ特許出願公開？１０２７７５２１号公報ならびにドイ ツ連邦共和国特許出願公開第３１４８１００号公報に記載されている。最も簡単 な例（ドイツ連邦共和国特許出願公開第３１４８１００号公報参照）では、シン クロトロン放射源は超伝導磁石装置を備えた電子蓄積リングから構成される。こ の種のシンクロトロン放射源は特にコンパクトであるが、しかしながらスペース が非常に狭いために実際の実現は困難である。同様にヨーロッパ特許出願公開第 ０２０８１６３号公報においては、電子ビーム用のビーム案内装置がリング状に 形成されるのではなく、２つの互いに間隔を持って配置された超伝導偏向磁石が 設けられ、これによって粒子軌道が２つの直線軌道部分を備えた“レース゛形状 を含み、その２つの直線軌道部分内に粒子を加速するためならびに粒子を注入お よび／または抽出するための装置が配置され得る。この種のシンクロトロン放射 源の変形例は例えばヨーロッパ特許出願公開第０２７７５２１号公報に記載され ている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３１４８１００号公報およびヨーロッパ特許出 願公開第０２７７５２１号公報には、特に蓄積すべき粒子のエネルギーを選定し て磁石を適当に配置するという観点の下に、Ｘ線リソグラフィーおよびＸ線顕微 鏡のような工程において使用するためのシンクロトロン放射源を形成することが 開示されている。特にサブマイクロメータ範囲のパターンを有する半導体集積回 路等の製造のためにシンクロトロン放射源を使用することは産業上の重要な適用 分野である。

超伝導磁石の容易でない取扱は場合によっては公知の構成の欠点と見做すことが できる。つまり、一方では磁石の機械的配置に最高の要求が出され、このことに より相応した高い製造コストが掛かり、そして他方では（例えば、予め与えられ たエネルギーで粒子ビームを加速する際に必要であるような）時間的に変化する 電流を超伝導磁石に与えることは特に磁石の保持構造内に生じる渦電流のために 非常に困難である。さらに、長時間に亘って良好なビーム特性を保証しかつ強度 損失を出来るだけ防止するために、一般的に、粒子ビームを蓄積するためのビー ム案内装置内に粒子ビームの集束装置を設けることが望ましい、英国特許出願公 開第２０１５８２１号公報には、４つの無彩色偏向磁石を用いて構成され如何な る種類の集束装置も含んでいないビーム案内装置が記載されている。ミラー磁石 とも称される無彩色偏向磁石は例えば刊行物“レビュー・オブ・サイエンティフ ィック・インスツルメント」　（第３４巻、１９６３年発行、第３８５頁）に掲 載されたエンゲの論文「イオン・ビーム用無彩色磁気ミラーに」記載されている 。

英国特許出願公開第２０１５８２１号公報に記載されているビーム案内装置は長 時間に亘って粒子ビームを蓄積するには適していない、つまり、粒子ビームが次 への転送のために予め抽出されない場合、そのビーム粒子はビーム案内装置内を 僅かな回数循環した後に消失してしまう。

本発明の課題は、電子またはポジトロンから成る粒子ビームの加速および長期間 の蓄積を可能にし、かつ超伝導磁石の使用を大幅に限定し得るような、ビーム案 内装！を備えたシンクロトロン放射源を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明によるノンクロトロン放射源は、閉鎮 軌道上で電子またはポジトロンから成る粒子ビームを蓄積するためのビーム案内 装置を有し、このビーム案内装置が超伝導巻線装置から形成されて軌道を約２７ ０°曲げる少なくとも１つのほぼ無彩色のミラー磁石を有することを特徴とする 。

本発明によれば、超伝導体の使用は特にシンクロトロン放射発生のために設けら れたビーム案内装置の構成要素に制限することができる。具体的には本発明によ るシンクロトロン放射源は、超伝導ロープから成る巻線装置を有し軌道を約２７ ０°曲げる少なくとも１つのミラー磁石を含む、その場合、軌道は交差点におい てそれ自体が交差し、その交差点位置は軌道を走行する粒子ビームのエネルギー に殆ど依存しない（このような特性は“無彩色”に基づいている）、ビーム案内 装置内へ注入された粒子ビームを予め与えられたエネルギーで加速する間、無彩 色ミラー磁石を貫流する電流は変えられる必要なく、従って本発明によるシンク ロトロン放射源を駆動する際には超伝導磁石の磁気的励磁の変化に起因する全て の問題が奉賀的に回避され得る。２７０°というミラー磁石の大きな偏向角度に よって、シンクロトロン放射を放出する大きな角度範囲が得られる。従って、本 発明によるシンクロトロン放射源は多（のユーザーによって利用され得る。

本発明によるシンクロトロン放射源におけるその他のビーム案内装置は通常の技 術で構成することができ、その場合偏向磁石（双極子）および集束磁石（四極子 ）は同様に通常の知識で任意に相互に組み合わせることができる。その際、場合 によっては、各偏向磁石の最小曲率半径をミラー磁石の最小曲率半径よりも大き く選定することは利点がある。それによって、偏向磁石内でのシンクロトロン放 射の発生が低減する。このことにより、ビーム案内装置に設けられてシンクロト ロン放射の発生に起因する循環ビームのエネルギー損失を補償しなければないら ない加速装置のパワーに関する要求が少なくなり、ビーム保護の理由から必要で ある偏向磁石の遮蔽に関する要求も同様に小さくなる。

本発明の有利な実施態様においては、ミラー磁石内に形成可能な磁場は約０゜８ 〜約１．５の磁場上数を有する。ミラー磁石内の磁場は第１方向に沿って一定で あり、この第１方向に対して垂直な第２方向においては、入射点から第２方向に 沿って見て、浸透深さの所定の累乗に比例するように変化する。磁場指数はその 際にはこの累乗を表す指数である。このための他の実施例はエンゲの上述した論 文に記載されている。上述した大きさの磁場指数を用いると無彩色特性が最も有 利に達成可能となる。特にこのような磁場指数を用いると完全にアフォーカルな ミラー磁石が得られる。

さらに軌道がミラー磁石内で２７０°曲げられるようにミラー磁石を配置するこ とは有利である。

さらに本発明の全ての実施１１様の枠内においてミラー磁石がシンクロトロン放 射の出射のために少なくとも１つのビーム管を備えることは有利である。このよ うなビーム管によって、シンクロトロン放射はシンクロトロン放射源からその目 的地へ確実に案内され得る。

Ｘ線リソグラフィー等において使用するためのシンクロトロン放射は、それぞれ 約４００ＭｅＶ〜約２０００ＭｅＶの運動エネルギーを存する電子またはポジト ロンから作られた粒子ビームから有利に発生する。

Ｘ線リソグラフィー等の目的のためのシンクロトロン放射源の枠内においてシン クロトロン放射を発生させるために特に定められない偏向磁石の曲率半径の下限 としては約１ｍの値が挙げられる。十分に大きな曲率半径によって、偏向磁石内 に発生したシンクロトロン放射はビーム保護上の理由から特に危険のない強さに 保つことができ、それゆえ簡単な遮蔽手段によって有効なビーム保護が達成可能 となる。

当然のことながら、偏向磁石が大きな曲率半径を有することによって、シンクロ トロン放射源のコンパクト性がある程度失われる。しかしながら、具体的な空間 的構成条件（場合によっては三次元のビーム案内）にビーム案内装置を整合させ るために多数の構成が考えられるが、これらは完全に超伝導のシンクロトロン放 射源においてかかる自由度でもって実現可能ではない。

本発明の有利な実施態様によれば、ミラー磁石において、ミラー磁石の内部の湾 曲した粒子軌道の領域内では強磁性ヨークは使用されず、必要な場合には強磁性 部品が遮蔽目的のために使用される０強磁性部品はほどほどの大きさの磁場で明 らかな飽和現象を呈し、それゆえこのような部品を備えた装置における磁場強度 は最高でも約２テスラの値に制限されなければならない０強磁性部品を有してい ないミラー磁石の配置は特に高い磁場、従って特に小さい曲率半径および特に高 いシンクロトロン放射量を可能にする。

次に本発明を図面に示された実施例に基づいて説明する。

図１は本発明に基づくシンクロトロン放射源の概略図である。

図２および図３は本発明による使用に供するためにミラー磁石内に巻線装置を配 置するための概略図である。

図１は本発明によるシンクロトロン放射源の全体構成を概略的に示す、加速され るべき及び／又は蓄積されるべき電子またはポジトロンが軌道１に沿って移動す るが、この軌道１はビーム案内装置の種々の構成要素によって決定される。この ビーム案内装置には特にミラー磁石２ならびに偏向磁石３．４および集束磁石５ ．６が所属しており、ミラー磁石２内では粒子軌道が２７０°偏向されてループ 内へ案内される。偏向磁石３．４は軌道１を曲げるために主として双極子磁場を 形成する。この偏向磁石は単一の偏向磁石３としておよび複数の偏向磁石４の組 み合わせとして実施され得る。その際に場合によってはその組み合わせに特別な 集束磁石５を加えることができる。偏向磁石３．４の選定は個々のケースのその 都度の要求に合わせられる。その際、設置すべき偏向磁石３．４の個数および各 偏向磁石の偏向角度は任意に選定することができる。さらにビーム案内装置は粒 子ビームの断面の形成に使われて強度損失を防止する集束磁石５．６を存してい る。このことは、シンクロトロン放射源の産業上の使用が長期間に亘って出来る 限り一定の性質と強さとを有するシンクロトロン放射１５を必要とするために特 に要求される。要求に応じて、一対で用いられる集束磁石６および／または偏向 磁石４に結合された集束磁石５が設置される。勿論、ビーム案内装置には他の構 成要素、例えば各放射方何に対して垂直な平面において粒子ビームの位！調節を 行うための装置を含ませることができる０通常、粒子ビームを構成するための装 置、例えばビームインジェクタ１３と、粒子を加速してシンクロトロン放射１５ を発生することによって生じるエネルギー損失を補償するための装置、例えば高 周波共振器１４とが設けられている。シンクロトロン放射１５は本発明におし） てはミラー磁石２から出射しビーム管７を通って各用途に供される。

図２はミラー磁石２を形成するために使用される超伝導巻線ｌＯから成る巻線装 置８を示す０図は概略的に示されており、巻線１０の具体的な配置は通常の方法 でミラー磁石２に出される要求に合わせることができる。各巻線１０は軌道１を 含む平面に対して平行でかつミラー磁石２の軌道１を含む領域上に配置されてい る主部分１１を有している。この主部分１１は互いに所定の間隔をもって配置さ れており、それゆえ所望の磁場が軌道１の平面内に得られる０巻線１０はミラー 磁石の軌道１から離れたところに位置する領域に配置された帰還部分１２によっ て閉じられている０巻線装置８の他に、一方ではミラー磁石２以外の軌道１をこ のミラー磁石の磁場から遮蔽し他方では帰還部分１２によって作られた磁場を軌 道１から遠ざける遮蔽要素１６が設けられている。

図３はミラー磁石を形成するための２つの巻線装置８．９の空間配置を示す。

主部分１１と帰還部分１２とを備えた巻線装置８．９の構成は既に説明した通り である。即ち、上側巻線装置８および下側巻線装置９はほぼ相等しく所定の間隔 を持って上下に配置され、粒子はほぼ上側巻線装置８と下側巻線装置９との間の 中間に位置する平面内を移動する。遮蔽要素１６は開口部１７を有しており、こ の開口部エフを通って粒子が巻線装置８．９によって作られた磁場内へ入る０巻 線装置８．９の帰還部分１２はそれぞれコンパクトな棒の形に纏められ、従って 超伝導磁石装置に対する機械的要求は最良に考慮され得る。

本発明によれば、超伝導体の全ての利点を利用してその超伝導体の欠点を大幅に 回避したシンクロトロン放射源が提供される。このようなシンクロトロン放射源 は容易に取扱可能であり、長期間一定の特に有利なパラメータを有するシンクロ トロン放射を発生することが可能である。

ＦＩＧ　２ ＦＩＧ　３ 閏＠調査報告 国際調査報告

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．閉鎖軌道（１）上で電子またはポジトロンから成る粒子ビームを蓄積するた めのビーム案内装置を備え、このビーム案内装置は超伝導巻線装置（８、９）か ら形成されて軌道（１）を約２７０°曲げる少なくとも１つのほぼ無彩色のミラ ー磁石（２）を有することを特徴とするシンクロトロン放射源。
2. ２．ビーム案内装置は非超伝導の巻線装置から形成された偏向磁石（３、４）お よび／または集束磁石（５、６）を有することを特徴とする請求項１記載のシン クロトロン放射源。
3. ３．各偏向磁石（３、４）内およびミラー磁石（２）内の軌道（１）はそれぞれ 最小の曲率半径を有し、ミラー磁石（２）内の軌道（１）の最小曲率半径は各偏 向磁石（３、４）内の軌道（１）の最小曲率半径よりも小さいことを特徴とすろ 請求項１または２記載のシンクロトロン放射源。
4. ４．ミラー磁石（２）は約０．８〜約１．５の磁場指数を有することを特徴とす る請求項１ないし３の１つに記載のシンクロトロン放射源。
5. ５．ミラー磁石（２）内では軌道（１）は２７０°曲がることを特徴とする請求 項１ないし４の１つに記載のシンクロトロン放射源。
6. ６．ミラー磁石（２）はシンクロトロン放射（１５）の出射のために少なくとも １つのビーム管（７）を備えることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載 のシンクロトロン放射源。
7. ７．軌道（１）は粒子ビーム内へエネルギーを供給するための装置、特に高周波 共振器（１４）を通って案内されることを特徴とする請求項１ないし６の１つに 記載のシンクロトロン放射源。
8. ８．ビーム案内装置内にはそれぞれ約４００ＭｅＶ〜約２０００ＭｅＶの運動エ ネルギーを有する電子またはポジトロンを蓄積可能であることを特徴とする請求 項１ないし７の１つに記載のシンクロトロン放射源。
9. ９．各偏向磁石（３、４）は約１ｍよりも大きい曲率半径を有することを特徴と する請求項１ないし８の１つに記載のシンクロトロン放射源。
10. １０．ミラー磁石（２）はこのミラー磁石（２）の内部の軌道（１）領域に強磁 性の構成要素を持たないことを特徴とする請求項１ないし９の１つに記載のシン クロトロン放射源。
11. １１．ａ）ミラー磁石（２）は２つの互いに完全に一致する巻線装置（８、９） を有し、これらはほぼ相等しく対向しかつ互いに間隔を持って配置され、これら の巻線装置（８、９）の間を軌道（１）が延び、ｂ）各巻線装置（８、９）内に はそれぞれほぼ直線状の主部分（１１）を有する複数の巻線（１０）が配置され 、 ｃ）各巻線装置（８、９）の全ての主部分（１１）はほぼ互いに平行でかつ互い に間隔を持って配置される、 ことを特徴とする請求項１０記載のシンクロトロン放射線。
12. １２．ａ）各巻線装置（８、９）において各巻線（１０）はほぼ直線状の帰還部 分（１２）を有し、 ｂ）各巻線装置（８、９）の全ての帰還部分（１２）は１つの棒の形に纏められ る、 ことを特徴とする請求項１１記載のシンクロトロン放射源。
13. １３．各巻線装置（８、９）はほぼ平らであることを特徴とする請求項１１また は１２記載のシンクロトロン放射源。
14. １４．Ｘ線リソグラフィーまたはＸ線頭微鏡の工程においてＸ線を発生するため に使用される請求項１ないし１３の１つに記載のシンクロトロン放射源。