挿入光源装置
【課題】挿入光源の永久磁石列に接触する電子ビームのハロー部の強度を高い応答速度で高感度に検出することができる電子ビーム検出器を備えた挿入光源装置を提供する。
【解決手段】本発明の挿入光源装置は、ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を備え前記永久磁石列間に挿入された電子ビームに蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源と、前記電子ビームの強度を検出する電子ビーム検出器を備え、前記電子ビーム検出器は、半導体板と、前記半導体板を挟んで配置され且つ前記電子ビームの入射側から見て互いに重なる重なり部分を有する第１及び第２電極を備え、前記重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されることを特徴とする。
【解決手段】本発明の挿入光源装置は、ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を備え前記永久磁石列間に挿入された電子ビームに蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源と、前記電子ビームの強度を検出する電子ビーム検出器を備え、前記電子ビーム検出器は、半導体板と、前記半導体板を挟んで配置され且つ前記電子ビームの入射側から見て互いに重なる重なり部分を有する第１及び第２電極を備え、前記重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、挿入光源と電子ビーム検出器を備える挿入光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
挿入光源は、ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を有しており、一対の永久磁石列が発生させる周期的磁場によってギャップ空間に挿入された電子ビームに蛇行運動させ、蛇行運動の各周期にシンクロトロン光を発生させる。各周期において発生するシンクロトロン光が互いに重なり合うために、挿入光源からは輝度の高い光が放出される。
【０００３】
一対の永久磁石列は、多くの場合、永久磁石の特別な配列によって構成されている。ギャップ空間に挿入される電子ビームは、ビーム強度の大半が集中するコア部とその周辺に位置するハロー部からなり、有限のビーム広がりを持っている。
このハロー部の広がりは、僅かなビーム条件の変動により増加し、電子ビームのコア部の位置が変動していないのにもかかわらず、電子ビームのハロー部が永久磁石列を照射することがある。永久磁石は、電子線の照射を受けることで磁場強度を失うことが知られており、これを防ぐためには、永久磁石列を照射するハロー部の強度を常に監視し、かつ、その強度が閾値を越えた時に電子ビーム発生器の運転を停止させることが求められる。
【０００４】
電子ビームのハロー部の強度を監視する方法としては、例えば熱蛍光線量計（ＴＬＤ結晶）を検出器として用いる方法、光ファイバーを検出器として用いる方法（例えば、特許文献１を参照）、シンチレータを用いる方法（例えば、特許文献２を参照）、複数のトロイダルコイルを挿入光源のビームパイプに取り付け電子ビームの損失量をその差分から検知する方法（例えば、特許文献３を参照）が考えられる。
【非特許文献１】H. Henschel et al., "Fibre optical radiation sensing system for TESRA", Proc. of DIPAC 2001, p.73
【非特許文献２】H. Schlarb et al., "Expansion of the fast LINAC protection system for high duty cycle operation at the TESLA Test Facility", Proc. of EPAC 2002, Paris, France
【非特許文献３】J. Fusellier, J.M. Joly "Beam intensity monitoring and machine protection by toroidal transformers on the Tesla Test Facility", Proc. of EPAC 96, p.1591
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、熱蛍光線量計を用いる方法や光ファイバーを検出器として用いる方法は、応答速度が十分でない。また、シンチレータを用いる方法やトロイダルコイルを用いる方法は、検出感度が十分でない。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、挿入光源の永久磁石列に接触する電子ビームのハロー部の強度を高い応答速度で高感度に検出することができる電子ビーム検出器を備えた挿入光源装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
本発明の挿入光源装置は、ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を備え前記永久磁石列間に挿入された電子ビームに蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源と、前記電子ビームの強度を検出する電子ビーム検出器を備え、前記電子ビーム検出器は、半導体板と、前記半導体板を挟んで配置され且つ前記電子ビームの入射側から見て互いに重なる重なり部分を有する第１及び第２電極を備え、前記重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されることを特徴とする。
【０００８】
第１及び第２電極間にバイアス電圧が印加された状態で第１及び第２電極の重なり部分に電子ビームが照射されるとこの重なり部分の半導体板内で電子−正孔対が発生し、発生した電子−正孔対が上記バイアス電圧によって第１及び第２電極に引き出され、出力信号となる。
【０００９】
第１及び第２電極の重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されているので、挿入光源の永久磁石列に接触する電子ビームのハロー部の強度が強くなるに従って、第１及び第２電極の重なり部分に照射されるハロー部の強度も大きくなり、上記出力信号も大きくなる。従って、この出力信号の強度を検出することによって挿入光源の永久磁石列に接触する電子ビームのハロー部の強度を検出することができる。そして、この出力信号の強度が所定の閾値を超えているかどうかに基づいて挿入光源への電子ビームの挿入を停止させるかどうかの判断をすることによって、挿入光源の永久磁石列への電子ビームの過剰な照射を防ぐことができる。
【００１０】
また、第１及び第２電極の重なり部分に電子ビームが照射されれば即座に上記出力信号が得られるので、高い応答速度で電子ビームのハロー部の強度の検出を行うことが可能である。また、上記出力信号はパルス幅が小さいので、電子−正孔対の量が少なくても出力波高が高くなり微量な電子−正孔対の検出が可能である。従って、本発明によれば、高い応答速度で電子ビームのハロー部の強度を高感度に検出することができる。
【００１１】
さらに、従来技術の項に記載した方法は、電子ビームのハロー部の強度を直接観察するのではなく電子ビームが損失されたことによる二次的な現象（例えば、電磁シャワー）を観察しているので電子ビームが永久磁石列に照射される割合の算定には複雑なシミュレーションが必要であるが、本発明の挿入光源装置では、電子ビームのハロー部の強度を直接観察しているので、電子ビームが永久磁石列に照射される割合の算定が容易である。
【００１２】
さらに、本発明の挿入光源装置の電子ビーム検出器は、（１）真空度悪化の原因となるガス放出が少ないため、超高真空中の使用に適しており、（２）サイズを小型化にすることが出来るので、スペースが限られた場所に設置するのに適しており、電極のサイズを小型化することで、浮遊電気容量を小さくて時間応答の速い素子を構成し、高周波特性を高めることができるという利点を有している。
【００１３】
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも上流側に配置され、前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面と同一平面上に位置するように配置され、前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも下流側に配置され、前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面よりも前記ギャップ空間側に位置するように配置され、前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられてもよい。
前記半導体板は、長方形状であり、前記半導体板の前記一辺は、長方形の長辺であってもよい。
前記半導体板は、ダイヤモンドからなってもよい。
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、前記クランプ装置は、前記永久磁石列に取り付けられてもよい。
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、前記クランプ装置は、別途設けられた真空装置内に配置されてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記永久磁石列ごとに設けられてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側に前記電子ビームの進行方向に沿った複数箇所に配置されてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側と下流側のそれぞれに配置されてもよい。
第１及び第２電極間にバイアス電圧を印加するバイアスバイアス電圧印加用電源と、電子ビーム検出器からの出力信号を検出してアラーム信号を出力する信号処理部とをさらに備えてもよい。
【００１４】
ここで示した種々の実施形態は、互いに組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下，本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す内容は，例示であって，本発明の範囲は，図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１６】
１．挿入光源装置とこれを用いた挿入光源システム
図１〜図４を用いて本発明の一実施形態の挿入光源装置１と、この挿入光源装置１を用いた挿入光源システムについて説明する。図１は、本実施形態の挿入光源装置を用いた挿入光源システムの構成を示す正面図である。図２（ａ）は、図１から挿入光源９の永久磁石列５と電子ビーム検出器１１を抜き出して拡大した正面図である。図２（ｂ）は、電子ビーム７の入射側から見た図２（ａ）の側面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、図１中の電子ビーム検出器１１の詳細図であり、図３（ａ）は、斜視図であり、図３（ｂ）は、電子ビーム７の入射側から見た平面図（図２（ｂ）の側面図に相当する。）であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の裏面図である。図４は、クランプ装置２３を用いて電子ビーム検出器１１のクランプを行う方法を示す図２（ｂ）に対応した側面図である。
【００１７】
本実施形態の挿入光源装置１は、図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、ギャップ空間３を介して対向配置された一対の永久磁石列５を備え永久磁石列５間に挿入された電子ビーム７に蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源９と、電子ビーム７の強度を検出する電子ビーム検出器１１を備える。挿入光源９と電子ビーム検出器１１は、同じ真空容器１２内に配置されている。
以下、各構成要素について説明する。
【００１８】
１−１．挿入光源
挿入光源９の永久磁石列５は、本実施形態では、図１に示すように、ホルダ１０に保持されている。永久磁石列５は、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、電子ビーム７の進行方向に周期的に変動する磁場がギャップ空間３に形成されるようにギャップ空間３側がＮ極の永久磁石５ａとギャップ空間３側がＳ極の永久磁石５ｂが交互に並んで構成されるが、これ以外の構成であってもよい。永久磁石列５とは、少なくとも一部が永久磁石で構成されている磁石列を意味し、電磁石を含んでいてもよい。
【００１９】
１−２．電子ビーム検出器
電子ビーム検出器１１は、図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体板１３と、半導体板１３を挟んで配置され且つ電子ビーム７の入射側から見て互いに重なる重なり部分１７を有する第１電極１９及び第２電極２１を備え、重なり部分１７は、永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃを含む平面の近傍に配置される。重なり部分１７は、面５ｃを含む平面上に配置してもよく、永久磁石列５に接触する電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出可能な範囲で面５ｃよりもギャップ空間３に近づく側又はギャップ空間３から離れる側にずれた位置に配置してもよい。
【００２０】
１−２−１．電子ビームのハロー部の強度を検出する原理
電子ビーム検出器１１は、電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出することができる。以下、その原理について説明する。
【００２１】
電子ビーム７は、電子ビーム発生器２２から出射され、挿入光源９のギャップ空間３に送られる。電子ビーム発生器２２は、一例では、電子ビームを出射する電子銃と、出射された電子ビームを加速する加速器とで構成される。電子ビーム発生器２２から出射された電子ビーム７は、ビームパイプ４１内を通って真空容器１２に送られる。電子ビーム７は、真空容器１２内でギャップ空間３を通って進み、真空容器１２から出射された後は、ビームパイプ４３内を通ってビームダンプ４５に衝突する。電子ビーム発生器２２からビームダンプ４５までの空間は、超高真空に保持される。
【００２２】
電子ビーム７は、図２（ｂ）に示すように、ビーム強度の大半が集中するコア部７ａとその周辺に位置するハロー部７ｂからなり、有限のビーム広がりを持っている。正常な状態では、電子ビーム７は、図１に示すようにギャップ空間３の中央を通過し、ハロー部７ｂの広がりが小さいので、電子ビーム７のハロー部７ｂは永久磁石列５に接触しない（別の表現では、永久磁石列５に接触する電子ビーム７のハロー部７ｂの強度は、極めて小さい。）。
【００２３】
電子ビーム発生器２２等になんらかの異常が発生した場合、電子ビーム７の位置がずれたり、ハロー部７ｂの広がりが大きくなったりする。この場合に、電子ビーム７のハロー部７ｂが永久磁石列５に接触する（別の表現では、永久磁石列５に接触する電子ビーム７のハロー部７ｂの強度が大きくなる。）。ハロー部７ｂが永久磁石列５に触れると永久磁石列５に含まれる磁石５ｂ，５ｃの磁力が低下するという問題が生じるので、このような状態はできるだけ速く検知して挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させることが必要である。
【００２４】
図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の挿入光源装置１では、第１電極１９と第２電極２１の重なり部分１７が永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃを含む平面の近傍に配置されている。重なり部分１７がこのような位置に配置されているので、電子ビーム７のハロー部７ｂが永久磁石列５に接触するような状態になった場合には、重なり部分１７にも電子ビーム７のハロー部７ｂが接触する。このとき、ハロー部７ｂに含まれる高エネルギーの電子によって半導体１３内で電子−正孔対が生成される。生成された電子−正孔対は、第１電極１９と第２電極２１の間に印加されたバイアス電圧によって第１電極１９と第２電極２１に引き出され（つまり、正孔と電子の一方が一方の電極に移動し、正孔と電子の他方が他方の電極に移動し）、出力信号となる。この出力信号の強度は、電子ビーム７のハロー部７ｂの強度に依存しているので、この出力信号を検出することによって電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出することができる。
【００２５】
１−２−１．電子ビーム検出器の配置
電子ビーム検出器１１は、本実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、挿入光源９よりも上流側に配置され、半導体板１３は、その一辺１３ａが永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃと同一平面上に位置するように配置され、重なり部分１７は、前記一辺１３ａに沿って帯状に設けられる。電子ビーム検出器１１は、永久磁石列５ごとに設けられる。
【００２６】
半導体板１３の一辺１３ａは、面５ｃよりもギャップ空間３に近づく側又はギャップ空間３から離れる側にずれていてもよい。但し、前者の場合、半導体板１３が電子ビーム７に接触して電子ビーム７の品質を悪化させる場合があり、後者の場合、重なり部分１７が電子ビーム７から離れるのでハロー部７ｂの強度の検出が行いにくくなる。従って、半導体板１３の一辺１３ａは、永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃと同一平面上に位置することが好ましい。
【００２７】
電子ビーム検出器１１は、本実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、永久磁石列５ごとに１つずつ設けられるが、図５（ａ）に示すように電子ビーム７の通り道を囲むように４つの電子ビーム検出器１１を設けてもよく、図５（ｂ）に示すように、電子ビーム７の通り道に開口を有する電子ビーム検出器１１を設けてもよい。図５（ａ），（ｂ）の何れの場合も、左右方向に広がる電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出することができる。
【００２８】
電子ビーム検出器１１は、別の実施形態では、図６（ａ），（ｂ）に示すように、挿入光源９よりも下流側に配置され、半導体板１３は、その一辺１３ａが永久磁石列５のギャップ空間１３側の面５ｃよりもギャップ空間３側に位置するように配置され、重なり部分１７は、前記一辺１３ａに沿って帯状に設けられてもよい。図６（ａ）は、図２（ａ）に対応した正面図であり、図６（ｂ）は、電子ビーム７の出射側から（図６（ａ）の第１電極１９が見える側から）見た図６（ａ）の側面図である。この実施形態では、既にシンクロトロン光放射が行われた後の電子ビーム７の観測を行うので、電子ビーム検出器１１を電子ビーム７に近づけて電子ビーム７の品質を悪化させても問題ない。従って、この実施形態では、電子ビーム検出器１１を電子ビーム７に近接させることが容易であり、電子ビーム７のハロー部７ｂの強度の検出を行いやすい。また、電子ビーム７のハロー部７ｂが永久磁石列５に接触する状態になる前に電子ビーム７の異常を検出できるので、永久磁石列５の磁力低下をさらに効果的に抑制することができる。
【００２９】
電子ビーム検出器１１は、さらに別の実施形態では、図７（ａ）に示すように、挿入光源９の上流側と下流側のそれぞれに配置してもよく、図７（ｂ）に示すように、挿入光源９の上流側に電子ビーム７の進行方向に沿った複数箇所に配置してもよい。図７（ａ）又は（ｂ）の構成によれば、複数箇所に設けられた電子ビーム検出器１１のうちの少なくとも１つからの出力信号が閾値を超えた場合に挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させることができ、より効果的に挿入光源９を保護することができる。
【００３０】
１−２−２．半導体板
半導体板１３は、シリコン系半導体、ゲルマニウム系半導体、ガリウム砒素系半導体からなってもよいが、ダイヤモンドからなることが好ましい。ダイヤモンドは、（１）耐久性が高いため長期間の使用に適しており、（２）機械的高度が高いので樹脂や金属などの枠を用いることなくクランプすることが容易であり、（３）印加するバイアス電圧を比較的高くできるという特徴を有している。上記（２）の特徴のため、ダイヤモンドを用いた電子ビーム検出器１１は、超高真空中での使用に適しており、また、枠に邪魔されることなく重なり部分１７を電子ビーム７のハロー部７ｂに近づけることができるという利点がある。また、上記（３）の特徴のため、ダイヤモンドを用いた電子ビーム検出器１１は、微弱な信号を捉えるのに適している。半導体板１３は、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、長方形状であるが、半導体板１３の形状は、長方形状以外であってもよい。半導体板１３の厚さは、出力信号の取り出しが可能な範囲であれば特に限定されず、例えば、０．１〜５ｍｍ程度であり、具体的には、例えば、０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１，２，３，４又は５ｍｍである。半導体板１３の厚さは、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。ダイヤモンド板の製造方法は、特に限定されないが、ダイヤモンド板は、例えば、メタンと水素を用いたプラズマＣＶＤ法で形成することができる（例えば、特開２００６−１５６４６４号公報を参照）。
【００３１】
１−２−３．第１電極及び第２電極
第１電極１９及び第２電極２１の材料や形成方法は特に限定されない。第１電極１９及び第２電極２１は、例えば、アルミニウム等の金属を蒸着することによって形成することができる。第１電極１９及び第２電極２１は、ホウ素等のへビードープすることによって電気伝導度を高めた材料で形成してもよい。
【００３２】
第１電極１９及び第２電極２１の重なり部分１７は、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、長方形状の半導体板１３の長辺に沿って帯状に設けられる。一般に電子ビーム７のハロー部７ｂは、不規則な形状を有しているので、長方形の長辺に沿って重なり部分１７を形成することによって、広い範囲で電子ビーム７のハロー部７ｂの強度の検出を行うことが容易であり、また、信号線取り付け部を小型化できるので、信号特性が向上することが期待できる。また、第１電極１９及び第２電極２１の重なり部分１７は、長方形状の半導体板１３の短辺に沿って帯状に設けてもよい（図９（ａ），（ｂ）を参照）。また、重なり部分１７の形状は、帯状以外であってもよい。
【００３３】
１−３．クランプ装置
本実施形態では、図４に示すように、半導体板１３の前記一辺１３ａの反対側がクランプ装置２３によって保持される。本実施形態では、図１に示すように、クランプ装置２３は、ホルダ１０を介して永久磁石列５に取り付けられる。ギャップ空間３の間隔を調節するためにホルダ１０には、通常、電子ビーム７の進行方向に垂直な面内で永久磁石列５を移動させる駆動装置（図示せず）が取り付けられているが、クランプ装置２３をホルダ１０に取り付けることによって、永久磁石列５の移動に合わせてクランプ装置２３を移動させるための駆動装置を別途設ける必要がない。
【００３４】
また、別の実施形態では、図８に示すように、電子ビーム検出器１１とクランプ装置２３は、別途設けた真空容器４７内に配置してもよい。この場合、挿入光源９と電子ビーム検出器１１は、別々の真空容器内に配置される。このような構成では、永久磁石列５の移動に合わせてクランプ装置２３を移動させるための駆動装置が別途必要になるが、電子ビーム検出器１１のメンテナンスが容易になるという利点がある。
【００３５】
１−４．インターロック装置
次に、電子ビーム検出器１１からの出力信号を検出し、アラーム信号を出力するインターロック装置について説明する。このインターロック装置は、電子ビーム検出器１１と、電子ビーム検出器１１の第１電極１９と第２電極２１の間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加用電源２９と、電子ビーム検出器１１からの出力信号を検出してアラーム信号を出力する信号処理部３１とで構成される。
バイアス電圧印加用電源２９は、本実施形態では第１電極１９に電気的に接続され、第１電極１９と第２電極２１の間にバイアス電圧を印加する。第１電極１９と第２電極２１の間に印加するバイアス電圧は、特に限定されないが、例えば、５０〜３００Ｖ、具体的には、例えば、５０，１００，１５０，２００，２５０，３００Ｖである。バイアス電圧は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。バイアス電圧が小さすぎると出力信号のパルス波高が低くなって検出感度が悪化し、バイアス電圧が大きすぎると、半導体板１３が破損する場合があるからである。
信号処理部３１は、本実施形態では、図１及び図４に示すように電子ビーム検出器１１の第２電極２１に電気的に接続されているが、例えば、第１電極１９とバイアス電圧印加用電源２９の間に配置してもよい。信号処理部３１は、電子ビーム検出器１１からの出力信号を検出し、出力信号の強度が所定の閾値を超えたときにアラーム信号を出力する。このアラーム信号の出力を利用して挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させることによって永久磁石列５の劣化を防ぐことができる。挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させる方法は、特に限定されず、電子ビーム発生器２２からの電子ビーム７の出射を停止させることによって行ってもよく、電子ビーム発生器２２と挿入光源９の間に偏向電磁石を配置し、アラーム信号の出力に従ってこの偏向電磁石を作動させて電子ビーム７の進行方向を変化させることによって行ってもよい。
【００３６】
バイアス電圧印加用電源２９は、本実施形態では、図１及び図４に示すように、高電圧ケーブル２７とクランプ装置２３を介して第１電極１９に電気的に接続される。信号処理部３１は、本実施形態では、図１及び図４に示すように、高周波用信号ケーブル３０とクリップ２４を介して第２電極２１に電気的に接続される。真空容器１２の内外の高周波用信号ケーブル３０は、本実施形態では、図１に示すように、高周波用電流導入端子３３を介して互いに接続されている。高周波用信号ケーブル３０と高周波用電流導入端子３３を介して電子ビーム検出器１１からの出力信号を信号処理部３１に送ることによって帯域が１ＧＨｚ程度以上の信号を確実に読み出すことができる。また、この場合、出力信号のパルス毎の出力が時間的に広がることがなく、出力波高の低減が抑制され、検出感度を高く維持したまま、電子ビーム検出器１１からの出力信号が信号処理部３１に伝送される。
【００３７】
信号処理部３１は、本実施形態では、波高分析器（ディスクリミネータ）からなる。波高分析器は、入力信号の波高がしきい値を越えているかを判別し、閾値を超えている場合にアラーム信号を出力する。信号処理部３１は、別の例では、高速応答でアナログ・デジタルの変換を行うことができるフラッシュＡＤＣと、フラッシュＡＤＣからのデジタル波形を解析して入力信号の強度が閾値を超えているかどうかを判断して超えている場合にアラーム信号を出力する波形解析ソフトウエアで構成してもよい。
【００３８】
本実施形態では、図１に示すように、信号処理部３１からのアラーム信号は、信号伝送ケーブル３７を介して電子ビーム発生器２２に送られ、電子ビーム発生器２２の動作を停止させる。
【００３９】
２．実証実験
本発明の挿入光源装置の電子ビーム検出器を用いれば、電子ビームの強度を高感度に検出することができることを実証する実験を行った。
この実験は、図９（ａ）に示すような形状のプラズマＣＶＤ法によって作製したダイヤモンド板の両面に物理的蒸着法によりＡｌ電極を形成したものを用いて行った。ダイヤモンド板のサイズは、２６ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍである。Ａｌ電極の形状は、図９（ａ）に示すものである。Ａｌ電極（信号用）の形状は、図９（ｂ）に示す通りである。ダイヤモンド板の両面のＡｌ電極の重なり部分のサイズは、１ｍｍ×５ｍｍとした。また、図１０に示すように、Ａｌ電極（バイアス電圧用）と電気的に接続されるようにダイヤモンド板の一端をクランプ装置でクランプし、Ａｌ電極（信号用）と電気的に接続されるようにクリップを取り付けた。クランプ装置は、高電圧ケーブルを介してバイアス電圧印加用電源（２００Ｖ）に接続させた。クリップには、高周波用信号ケーブル（特性インピーダンス５０Ω）の一端を取り付け、高周波用信号ケーブルの他端をオシロスコープに接続した。
【００４０】
このような構成において、ダイヤモンド板の両面のＡｌ電極の重なり部分に８ＧｅＶの電子を約６.４×１０4個照射した。オシロスコープで観察された波形を図１１に示す。図１１によると、パルス高０．１９Ｖ、パルス幅ＦＷＨＭ０．６ｎｓのピークが得られたことが分かる。また、このパルスの時間積分は、０．１０Ｖ・ｎｓであった。この時間積分の値は、
【００４１】
（０．１０×１０-9［Ｖ・ｓｅｃ］／５０［Ω］）／１．６×１０-19［Ｃ］
＝1．２５×１０7（個の電子−正孔対）
により、1．２５×１０7個の電子−正孔対に相当することが分かる。
【００４２】
約６.４×１０4個の電子によって1．２５×１０7個の電子−正孔対が生成されたことから、ダイヤモンド板に入射した電子数の約２００倍の電子−正孔対が生成されたことが分かる。この結果は、ダイヤモンド板を用いた電子ビーム検出器の感度が極めて高いことを示している。
【００４３】
また、図９及び図１０の構成において、印加するバイアス電圧を１０Ｖ，２０Ｖ、５０Ｖ、１００Ｖ又は２００Ｖとし、それぞれのバイアス電圧を印加した状態で一定量の８ＧｅＶの電子を照射したときのパルス波高を測定することによってパルス波高のバイアス電圧依存性を調べた。その結果を図１２（ａ）及び（ｂ）に示す。図１２（ａ）及び（ｂ）を参照すると、バイアス電圧を大きくするほどパルス波高が高くなったことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態の挿入光源装置を用いた挿入光源システムの構成を示す正面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１から挿入光源の永久磁石列と電子ビーム検出器を抜き出して拡大した正面図であり、図２（ｂ）は、電子ビームの入射側から見た図２（ａ）の側面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、図１中の電子ビーム検出器の詳細図であり、図３（ａ）は、斜視図であり、図３（ｂ）は、電子ビームの入射側から見た平面図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の裏面図である。
【図４】クランプ装置を用いて電子ビーム検出器のクランプを行う方法を示す図２（ｂ）に対応した側面図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ、電子ビーム検出器の別の構成例を示す図２（ｂ）に対応した側面図である。
【図６】図６（ａ）は、図２（ａ）に対応した正面図であり、図６（ｂ）は、電子ビームの出射側から見た図６（ａ）の側面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ、電子ビーム検出器の別の配置例を示す図２（ａ）に対応した正面図である。
【図８】本発明の別の実施形態の挿入光源装置を用いた挿入光源システムの構成を示す正面図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明の挿入光源装置の電子ビーム検出器による電子ビームの高感度検出の実証実験に用いた電子ビーム検出器の構成を示す斜視図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中のＡｌ電極（信号用）の平面図である。
【図１０】図９（ａ）の電子ビーム検出器のクランプ方法を示す写真である。
【図１１】図９（ａ）の構成の電子ビーム検出器を用いた電子ビームの高感度検出の実証実験の結果を示すグラフである。
【図１２】図１２（ａ），（ｂ）は、図９（ａ）の構成の電子ビーム検出器のバイアス電圧依存性試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１：挿入光源装置 ３：ギャップ空間 ５：永久磁石列 ５ａ：ギャップ空間側がＮ極の永久磁石 ５ｂ：ギャップ空間側がＳ極の永久磁石 ５ｃ：永久磁石列のギャップ空間側の面 ７：電子ビーム ７ａ：コア部 ７ｂ：ハロー部 ９：挿入光源 １０：ホルダ １１：電子ビーム検出器 １２：真空容器 １３：半導体板 １３ａ：半導体板の一辺 １７：第１電極と第２電極の重なり部分 １９：第１電極 ２１：第２電極 ２２：電子ビーム発生器 ２３：クランプ装置 ２４：クリップ ２７：高電圧ケーブル ２９：バイアス電圧印加用電源 ３０：高周波用信号ケーブル ３１：信号処理部 ３３：高周波用電流導入端子 ３７：信号伝送ケーブル ４１：ビームパイプ ４３：ビームパイプ ４５：ビームダンプ ４７：真空容器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、挿入光源と電子ビーム検出器を備える挿入光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
挿入光源は、ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を有しており、一対の永久磁石列が発生させる周期的磁場によってギャップ空間に挿入された電子ビームに蛇行運動させ、蛇行運動の各周期にシンクロトロン光を発生させる。各周期において発生するシンクロトロン光が互いに重なり合うために、挿入光源からは輝度の高い光が放出される。
【０００３】
一対の永久磁石列は、多くの場合、永久磁石の特別な配列によって構成されている。ギャップ空間に挿入される電子ビームは、ビーム強度の大半が集中するコア部とその周辺に位置するハロー部からなり、有限のビーム広がりを持っている。
このハロー部の広がりは、僅かなビーム条件の変動により増加し、電子ビームのコア部の位置が変動していないのにもかかわらず、電子ビームのハロー部が永久磁石列を照射することがある。永久磁石は、電子線の照射を受けることで磁場強度を失うことが知られており、これを防ぐためには、永久磁石列を照射するハロー部の強度を常に監視し、かつ、その強度が閾値を越えた時に電子ビーム発生器の運転を停止させることが求められる。
【０００４】
電子ビームのハロー部の強度を監視する方法としては、例えば熱蛍光線量計（ＴＬＤ結晶）を検出器として用いる方法、光ファイバーを検出器として用いる方法（例えば、特許文献１を参照）、シンチレータを用いる方法（例えば、特許文献２を参照）、複数のトロイダルコイルを挿入光源のビームパイプに取り付け電子ビームの損失量をその差分から検知する方法（例えば、特許文献３を参照）が考えられる。
【非特許文献１】H. Henschel et al., "Fibre optical radiation sensing system for TESRA", Proc. of DIPAC 2001, p.73
【非特許文献２】H. Schlarb et al., "Expansion of the fast LINAC protection system for high duty cycle operation at the TESLA Test Facility", Proc. of EPAC 2002, Paris, France
【非特許文献３】J. Fusellier, J.M. Joly "Beam intensity monitoring and machine protection by toroidal transformers on the Tesla Test Facility", Proc. of EPAC 96, p.1591
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、熱蛍光線量計を用いる方法や光ファイバーを検出器として用いる方法は、応答速度が十分でない。また、シンチレータを用いる方法やトロイダルコイルを用いる方法は、検出感度が十分でない。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、挿入光源の永久磁石列に接触する電子ビームのハロー部の強度を高い応答速度で高感度に検出することができる電子ビーム検出器を備えた挿入光源装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
本発明の挿入光源装置は、ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を備え前記永久磁石列間に挿入された電子ビームに蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源と、前記電子ビームの強度を検出する電子ビーム検出器を備え、前記電子ビーム検出器は、半導体板と、前記半導体板を挟んで配置され且つ前記電子ビームの入射側から見て互いに重なる重なり部分を有する第１及び第２電極を備え、前記重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されることを特徴とする。
【０００８】
第１及び第２電極間にバイアス電圧が印加された状態で第１及び第２電極の重なり部分に電子ビームが照射されるとこの重なり部分の半導体板内で電子−正孔対が発生し、発生した電子−正孔対が上記バイアス電圧によって第１及び第２電極に引き出され、出力信号となる。
【０００９】
第１及び第２電極の重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されているので、挿入光源の永久磁石列に接触する電子ビームのハロー部の強度が強くなるに従って、第１及び第２電極の重なり部分に照射されるハロー部の強度も大きくなり、上記出力信号も大きくなる。従って、この出力信号の強度を検出することによって挿入光源の永久磁石列に接触する電子ビームのハロー部の強度を検出することができる。そして、この出力信号の強度が所定の閾値を超えているかどうかに基づいて挿入光源への電子ビームの挿入を停止させるかどうかの判断をすることによって、挿入光源の永久磁石列への電子ビームの過剰な照射を防ぐことができる。
【００１０】
また、第１及び第２電極の重なり部分に電子ビームが照射されれば即座に上記出力信号が得られるので、高い応答速度で電子ビームのハロー部の強度の検出を行うことが可能である。また、上記出力信号はパルス幅が小さいので、電子−正孔対の量が少なくても出力波高が高くなり微量な電子−正孔対の検出が可能である。従って、本発明によれば、高い応答速度で電子ビームのハロー部の強度を高感度に検出することができる。
【００１１】
さらに、従来技術の項に記載した方法は、電子ビームのハロー部の強度を直接観察するのではなく電子ビームが損失されたことによる二次的な現象（例えば、電磁シャワー）を観察しているので電子ビームが永久磁石列に照射される割合の算定には複雑なシミュレーションが必要であるが、本発明の挿入光源装置では、電子ビームのハロー部の強度を直接観察しているので、電子ビームが永久磁石列に照射される割合の算定が容易である。
【００１２】
さらに、本発明の挿入光源装置の電子ビーム検出器は、（１）真空度悪化の原因となるガス放出が少ないため、超高真空中の使用に適しており、（２）サイズを小型化にすることが出来るので、スペースが限られた場所に設置するのに適しており、電極のサイズを小型化することで、浮遊電気容量を小さくて時間応答の速い素子を構成し、高周波特性を高めることができるという利点を有している。
【００１３】
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも上流側に配置され、前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面と同一平面上に位置するように配置され、前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも下流側に配置され、前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面よりも前記ギャップ空間側に位置するように配置され、前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられてもよい。
前記半導体板は、長方形状であり、前記半導体板の前記一辺は、長方形の長辺であってもよい。
前記半導体板は、ダイヤモンドからなってもよい。
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、前記クランプ装置は、前記永久磁石列に取り付けられてもよい。
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、前記クランプ装置は、別途設けられた真空装置内に配置されてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記永久磁石列ごとに設けられてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側に前記電子ビームの進行方向に沿った複数箇所に配置されてもよい。
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側と下流側のそれぞれに配置されてもよい。
第１及び第２電極間にバイアス電圧を印加するバイアスバイアス電圧印加用電源と、電子ビーム検出器からの出力信号を検出してアラーム信号を出力する信号処理部とをさらに備えてもよい。
【００１４】
ここで示した種々の実施形態は、互いに組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下，本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す内容は，例示であって，本発明の範囲は，図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１６】
１．挿入光源装置とこれを用いた挿入光源システム
図１〜図４を用いて本発明の一実施形態の挿入光源装置１と、この挿入光源装置１を用いた挿入光源システムについて説明する。図１は、本実施形態の挿入光源装置を用いた挿入光源システムの構成を示す正面図である。図２（ａ）は、図１から挿入光源９の永久磁石列５と電子ビーム検出器１１を抜き出して拡大した正面図である。図２（ｂ）は、電子ビーム７の入射側から見た図２（ａ）の側面図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、図１中の電子ビーム検出器１１の詳細図であり、図３（ａ）は、斜視図であり、図３（ｂ）は、電子ビーム７の入射側から見た平面図（図２（ｂ）の側面図に相当する。）であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の裏面図である。図４は、クランプ装置２３を用いて電子ビーム検出器１１のクランプを行う方法を示す図２（ｂ）に対応した側面図である。
【００１７】
本実施形態の挿入光源装置１は、図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、ギャップ空間３を介して対向配置された一対の永久磁石列５を備え永久磁石列５間に挿入された電子ビーム７に蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源９と、電子ビーム７の強度を検出する電子ビーム検出器１１を備える。挿入光源９と電子ビーム検出器１１は、同じ真空容器１２内に配置されている。
以下、各構成要素について説明する。
【００１８】
１−１．挿入光源
挿入光源９の永久磁石列５は、本実施形態では、図１に示すように、ホルダ１０に保持されている。永久磁石列５は、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、電子ビーム７の進行方向に周期的に変動する磁場がギャップ空間３に形成されるようにギャップ空間３側がＮ極の永久磁石５ａとギャップ空間３側がＳ極の永久磁石５ｂが交互に並んで構成されるが、これ以外の構成であってもよい。永久磁石列５とは、少なくとも一部が永久磁石で構成されている磁石列を意味し、電磁石を含んでいてもよい。
【００１９】
１−２．電子ビーム検出器
電子ビーム検出器１１は、図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体板１３と、半導体板１３を挟んで配置され且つ電子ビーム７の入射側から見て互いに重なる重なり部分１７を有する第１電極１９及び第２電極２１を備え、重なり部分１７は、永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃを含む平面の近傍に配置される。重なり部分１７は、面５ｃを含む平面上に配置してもよく、永久磁石列５に接触する電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出可能な範囲で面５ｃよりもギャップ空間３に近づく側又はギャップ空間３から離れる側にずれた位置に配置してもよい。
【００２０】
１−２−１．電子ビームのハロー部の強度を検出する原理
電子ビーム検出器１１は、電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出することができる。以下、その原理について説明する。
【００２１】
電子ビーム７は、電子ビーム発生器２２から出射され、挿入光源９のギャップ空間３に送られる。電子ビーム発生器２２は、一例では、電子ビームを出射する電子銃と、出射された電子ビームを加速する加速器とで構成される。電子ビーム発生器２２から出射された電子ビーム７は、ビームパイプ４１内を通って真空容器１２に送られる。電子ビーム７は、真空容器１２内でギャップ空間３を通って進み、真空容器１２から出射された後は、ビームパイプ４３内を通ってビームダンプ４５に衝突する。電子ビーム発生器２２からビームダンプ４５までの空間は、超高真空に保持される。
【００２２】
電子ビーム７は、図２（ｂ）に示すように、ビーム強度の大半が集中するコア部７ａとその周辺に位置するハロー部７ｂからなり、有限のビーム広がりを持っている。正常な状態では、電子ビーム７は、図１に示すようにギャップ空間３の中央を通過し、ハロー部７ｂの広がりが小さいので、電子ビーム７のハロー部７ｂは永久磁石列５に接触しない（別の表現では、永久磁石列５に接触する電子ビーム７のハロー部７ｂの強度は、極めて小さい。）。
【００２３】
電子ビーム発生器２２等になんらかの異常が発生した場合、電子ビーム７の位置がずれたり、ハロー部７ｂの広がりが大きくなったりする。この場合に、電子ビーム７のハロー部７ｂが永久磁石列５に接触する（別の表現では、永久磁石列５に接触する電子ビーム７のハロー部７ｂの強度が大きくなる。）。ハロー部７ｂが永久磁石列５に触れると永久磁石列５に含まれる磁石５ｂ，５ｃの磁力が低下するという問題が生じるので、このような状態はできるだけ速く検知して挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させることが必要である。
【００２４】
図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の挿入光源装置１では、第１電極１９と第２電極２１の重なり部分１７が永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃを含む平面の近傍に配置されている。重なり部分１７がこのような位置に配置されているので、電子ビーム７のハロー部７ｂが永久磁石列５に接触するような状態になった場合には、重なり部分１７にも電子ビーム７のハロー部７ｂが接触する。このとき、ハロー部７ｂに含まれる高エネルギーの電子によって半導体１３内で電子−正孔対が生成される。生成された電子−正孔対は、第１電極１９と第２電極２１の間に印加されたバイアス電圧によって第１電極１９と第２電極２１に引き出され（つまり、正孔と電子の一方が一方の電極に移動し、正孔と電子の他方が他方の電極に移動し）、出力信号となる。この出力信号の強度は、電子ビーム７のハロー部７ｂの強度に依存しているので、この出力信号を検出することによって電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出することができる。
【００２５】
１−２−１．電子ビーム検出器の配置
電子ビーム検出器１１は、本実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、挿入光源９よりも上流側に配置され、半導体板１３は、その一辺１３ａが永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃと同一平面上に位置するように配置され、重なり部分１７は、前記一辺１３ａに沿って帯状に設けられる。電子ビーム検出器１１は、永久磁石列５ごとに設けられる。
【００２６】
半導体板１３の一辺１３ａは、面５ｃよりもギャップ空間３に近づく側又はギャップ空間３から離れる側にずれていてもよい。但し、前者の場合、半導体板１３が電子ビーム７に接触して電子ビーム７の品質を悪化させる場合があり、後者の場合、重なり部分１７が電子ビーム７から離れるのでハロー部７ｂの強度の検出が行いにくくなる。従って、半導体板１３の一辺１３ａは、永久磁石列５のギャップ空間３側の面５ｃと同一平面上に位置することが好ましい。
【００２７】
電子ビーム検出器１１は、本実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、永久磁石列５ごとに１つずつ設けられるが、図５（ａ）に示すように電子ビーム７の通り道を囲むように４つの電子ビーム検出器１１を設けてもよく、図５（ｂ）に示すように、電子ビーム７の通り道に開口を有する電子ビーム検出器１１を設けてもよい。図５（ａ），（ｂ）の何れの場合も、左右方向に広がる電子ビーム７のハロー部７ｂの強度を検出することができる。
【００２８】
電子ビーム検出器１１は、別の実施形態では、図６（ａ），（ｂ）に示すように、挿入光源９よりも下流側に配置され、半導体板１３は、その一辺１３ａが永久磁石列５のギャップ空間１３側の面５ｃよりもギャップ空間３側に位置するように配置され、重なり部分１７は、前記一辺１３ａに沿って帯状に設けられてもよい。図６（ａ）は、図２（ａ）に対応した正面図であり、図６（ｂ）は、電子ビーム７の出射側から（図６（ａ）の第１電極１９が見える側から）見た図６（ａ）の側面図である。この実施形態では、既にシンクロトロン光放射が行われた後の電子ビーム７の観測を行うので、電子ビーム検出器１１を電子ビーム７に近づけて電子ビーム７の品質を悪化させても問題ない。従って、この実施形態では、電子ビーム検出器１１を電子ビーム７に近接させることが容易であり、電子ビーム７のハロー部７ｂの強度の検出を行いやすい。また、電子ビーム７のハロー部７ｂが永久磁石列５に接触する状態になる前に電子ビーム７の異常を検出できるので、永久磁石列５の磁力低下をさらに効果的に抑制することができる。
【００２９】
電子ビーム検出器１１は、さらに別の実施形態では、図７（ａ）に示すように、挿入光源９の上流側と下流側のそれぞれに配置してもよく、図７（ｂ）に示すように、挿入光源９の上流側に電子ビーム７の進行方向に沿った複数箇所に配置してもよい。図７（ａ）又は（ｂ）の構成によれば、複数箇所に設けられた電子ビーム検出器１１のうちの少なくとも１つからの出力信号が閾値を超えた場合に挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させることができ、より効果的に挿入光源９を保護することができる。
【００３０】
１−２−２．半導体板
半導体板１３は、シリコン系半導体、ゲルマニウム系半導体、ガリウム砒素系半導体からなってもよいが、ダイヤモンドからなることが好ましい。ダイヤモンドは、（１）耐久性が高いため長期間の使用に適しており、（２）機械的高度が高いので樹脂や金属などの枠を用いることなくクランプすることが容易であり、（３）印加するバイアス電圧を比較的高くできるという特徴を有している。上記（２）の特徴のため、ダイヤモンドを用いた電子ビーム検出器１１は、超高真空中での使用に適しており、また、枠に邪魔されることなく重なり部分１７を電子ビーム７のハロー部７ｂに近づけることができるという利点がある。また、上記（３）の特徴のため、ダイヤモンドを用いた電子ビーム検出器１１は、微弱な信号を捉えるのに適している。半導体板１３は、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、長方形状であるが、半導体板１３の形状は、長方形状以外であってもよい。半導体板１３の厚さは、出力信号の取り出しが可能な範囲であれば特に限定されず、例えば、０．１〜５ｍｍ程度であり、具体的には、例えば、０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１，２，３，４又は５ｍｍである。半導体板１３の厚さは、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。ダイヤモンド板の製造方法は、特に限定されないが、ダイヤモンド板は、例えば、メタンと水素を用いたプラズマＣＶＤ法で形成することができる（例えば、特開２００６−１５６４６４号公報を参照）。
【００３１】
１−２−３．第１電極及び第２電極
第１電極１９及び第２電極２１の材料や形成方法は特に限定されない。第１電極１９及び第２電極２１は、例えば、アルミニウム等の金属を蒸着することによって形成することができる。第１電極１９及び第２電極２１は、ホウ素等のへビードープすることによって電気伝導度を高めた材料で形成してもよい。
【００３２】
第１電極１９及び第２電極２１の重なり部分１７は、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、長方形状の半導体板１３の長辺に沿って帯状に設けられる。一般に電子ビーム７のハロー部７ｂは、不規則な形状を有しているので、長方形の長辺に沿って重なり部分１７を形成することによって、広い範囲で電子ビーム７のハロー部７ｂの強度の検出を行うことが容易であり、また、信号線取り付け部を小型化できるので、信号特性が向上することが期待できる。また、第１電極１９及び第２電極２１の重なり部分１７は、長方形状の半導体板１３の短辺に沿って帯状に設けてもよい（図９（ａ），（ｂ）を参照）。また、重なり部分１７の形状は、帯状以外であってもよい。
【００３３】
１−３．クランプ装置
本実施形態では、図４に示すように、半導体板１３の前記一辺１３ａの反対側がクランプ装置２３によって保持される。本実施形態では、図１に示すように、クランプ装置２３は、ホルダ１０を介して永久磁石列５に取り付けられる。ギャップ空間３の間隔を調節するためにホルダ１０には、通常、電子ビーム７の進行方向に垂直な面内で永久磁石列５を移動させる駆動装置（図示せず）が取り付けられているが、クランプ装置２３をホルダ１０に取り付けることによって、永久磁石列５の移動に合わせてクランプ装置２３を移動させるための駆動装置を別途設ける必要がない。
【００３４】
また、別の実施形態では、図８に示すように、電子ビーム検出器１１とクランプ装置２３は、別途設けた真空容器４７内に配置してもよい。この場合、挿入光源９と電子ビーム検出器１１は、別々の真空容器内に配置される。このような構成では、永久磁石列５の移動に合わせてクランプ装置２３を移動させるための駆動装置が別途必要になるが、電子ビーム検出器１１のメンテナンスが容易になるという利点がある。
【００３５】
１−４．インターロック装置
次に、電子ビーム検出器１１からの出力信号を検出し、アラーム信号を出力するインターロック装置について説明する。このインターロック装置は、電子ビーム検出器１１と、電子ビーム検出器１１の第１電極１９と第２電極２１の間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加用電源２９と、電子ビーム検出器１１からの出力信号を検出してアラーム信号を出力する信号処理部３１とで構成される。
バイアス電圧印加用電源２９は、本実施形態では第１電極１９に電気的に接続され、第１電極１９と第２電極２１の間にバイアス電圧を印加する。第１電極１９と第２電極２１の間に印加するバイアス電圧は、特に限定されないが、例えば、５０〜３００Ｖ、具体的には、例えば、５０，１００，１５０，２００，２５０，３００Ｖである。バイアス電圧は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。バイアス電圧が小さすぎると出力信号のパルス波高が低くなって検出感度が悪化し、バイアス電圧が大きすぎると、半導体板１３が破損する場合があるからである。
信号処理部３１は、本実施形態では、図１及び図４に示すように電子ビーム検出器１１の第２電極２１に電気的に接続されているが、例えば、第１電極１９とバイアス電圧印加用電源２９の間に配置してもよい。信号処理部３１は、電子ビーム検出器１１からの出力信号を検出し、出力信号の強度が所定の閾値を超えたときにアラーム信号を出力する。このアラーム信号の出力を利用して挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させることによって永久磁石列５の劣化を防ぐことができる。挿入光源９への電子ビーム７の入射を停止させる方法は、特に限定されず、電子ビーム発生器２２からの電子ビーム７の出射を停止させることによって行ってもよく、電子ビーム発生器２２と挿入光源９の間に偏向電磁石を配置し、アラーム信号の出力に従ってこの偏向電磁石を作動させて電子ビーム７の進行方向を変化させることによって行ってもよい。
【００３６】
バイアス電圧印加用電源２９は、本実施形態では、図１及び図４に示すように、高電圧ケーブル２７とクランプ装置２３を介して第１電極１９に電気的に接続される。信号処理部３１は、本実施形態では、図１及び図４に示すように、高周波用信号ケーブル３０とクリップ２４を介して第２電極２１に電気的に接続される。真空容器１２の内外の高周波用信号ケーブル３０は、本実施形態では、図１に示すように、高周波用電流導入端子３３を介して互いに接続されている。高周波用信号ケーブル３０と高周波用電流導入端子３３を介して電子ビーム検出器１１からの出力信号を信号処理部３１に送ることによって帯域が１ＧＨｚ程度以上の信号を確実に読み出すことができる。また、この場合、出力信号のパルス毎の出力が時間的に広がることがなく、出力波高の低減が抑制され、検出感度を高く維持したまま、電子ビーム検出器１１からの出力信号が信号処理部３１に伝送される。
【００３７】
信号処理部３１は、本実施形態では、波高分析器（ディスクリミネータ）からなる。波高分析器は、入力信号の波高がしきい値を越えているかを判別し、閾値を超えている場合にアラーム信号を出力する。信号処理部３１は、別の例では、高速応答でアナログ・デジタルの変換を行うことができるフラッシュＡＤＣと、フラッシュＡＤＣからのデジタル波形を解析して入力信号の強度が閾値を超えているかどうかを判断して超えている場合にアラーム信号を出力する波形解析ソフトウエアで構成してもよい。
【００３８】
本実施形態では、図１に示すように、信号処理部３１からのアラーム信号は、信号伝送ケーブル３７を介して電子ビーム発生器２２に送られ、電子ビーム発生器２２の動作を停止させる。
【００３９】
２．実証実験
本発明の挿入光源装置の電子ビーム検出器を用いれば、電子ビームの強度を高感度に検出することができることを実証する実験を行った。
この実験は、図９（ａ）に示すような形状のプラズマＣＶＤ法によって作製したダイヤモンド板の両面に物理的蒸着法によりＡｌ電極を形成したものを用いて行った。ダイヤモンド板のサイズは、２６ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍである。Ａｌ電極の形状は、図９（ａ）に示すものである。Ａｌ電極（信号用）の形状は、図９（ｂ）に示す通りである。ダイヤモンド板の両面のＡｌ電極の重なり部分のサイズは、１ｍｍ×５ｍｍとした。また、図１０に示すように、Ａｌ電極（バイアス電圧用）と電気的に接続されるようにダイヤモンド板の一端をクランプ装置でクランプし、Ａｌ電極（信号用）と電気的に接続されるようにクリップを取り付けた。クランプ装置は、高電圧ケーブルを介してバイアス電圧印加用電源（２００Ｖ）に接続させた。クリップには、高周波用信号ケーブル（特性インピーダンス５０Ω）の一端を取り付け、高周波用信号ケーブルの他端をオシロスコープに接続した。
【００４０】
このような構成において、ダイヤモンド板の両面のＡｌ電極の重なり部分に８ＧｅＶの電子を約６.４×１０4個照射した。オシロスコープで観察された波形を図１１に示す。図１１によると、パルス高０．１９Ｖ、パルス幅ＦＷＨＭ０．６ｎｓのピークが得られたことが分かる。また、このパルスの時間積分は、０．１０Ｖ・ｎｓであった。この時間積分の値は、
【００４１】
（０．１０×１０-9［Ｖ・ｓｅｃ］／５０［Ω］）／１．６×１０-19［Ｃ］
＝1．２５×１０7（個の電子−正孔対）
により、1．２５×１０7個の電子−正孔対に相当することが分かる。
【００４２】
約６.４×１０4個の電子によって1．２５×１０7個の電子−正孔対が生成されたことから、ダイヤモンド板に入射した電子数の約２００倍の電子−正孔対が生成されたことが分かる。この結果は、ダイヤモンド板を用いた電子ビーム検出器の感度が極めて高いことを示している。
【００４３】
また、図９及び図１０の構成において、印加するバイアス電圧を１０Ｖ，２０Ｖ、５０Ｖ、１００Ｖ又は２００Ｖとし、それぞれのバイアス電圧を印加した状態で一定量の８ＧｅＶの電子を照射したときのパルス波高を測定することによってパルス波高のバイアス電圧依存性を調べた。その結果を図１２（ａ）及び（ｂ）に示す。図１２（ａ）及び（ｂ）を参照すると、バイアス電圧を大きくするほどパルス波高が高くなったことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態の挿入光源装置を用いた挿入光源システムの構成を示す正面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１から挿入光源の永久磁石列と電子ビーム検出器を抜き出して拡大した正面図であり、図２（ｂ）は、電子ビームの入射側から見た図２（ａ）の側面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、図１中の電子ビーム検出器の詳細図であり、図３（ａ）は、斜視図であり、図３（ｂ）は、電子ビームの入射側から見た平面図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の裏面図である。
【図４】クランプ装置を用いて電子ビーム検出器のクランプを行う方法を示す図２（ｂ）に対応した側面図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ、電子ビーム検出器の別の構成例を示す図２（ｂ）に対応した側面図である。
【図６】図６（ａ）は、図２（ａ）に対応した正面図であり、図６（ｂ）は、電子ビームの出射側から見た図６（ａ）の側面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ、電子ビーム検出器の別の配置例を示す図２（ａ）に対応した正面図である。
【図８】本発明の別の実施形態の挿入光源装置を用いた挿入光源システムの構成を示す正面図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明の挿入光源装置の電子ビーム検出器による電子ビームの高感度検出の実証実験に用いた電子ビーム検出器の構成を示す斜視図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中のＡｌ電極（信号用）の平面図である。
【図１０】図９（ａ）の電子ビーム検出器のクランプ方法を示す写真である。
【図１１】図９（ａ）の構成の電子ビーム検出器を用いた電子ビームの高感度検出の実証実験の結果を示すグラフである。
【図１２】図１２（ａ），（ｂ）は、図９（ａ）の構成の電子ビーム検出器のバイアス電圧依存性試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１：挿入光源装置 ３：ギャップ空間 ５：永久磁石列 ５ａ：ギャップ空間側がＮ極の永久磁石 ５ｂ：ギャップ空間側がＳ極の永久磁石 ５ｃ：永久磁石列のギャップ空間側の面 ７：電子ビーム ７ａ：コア部 ７ｂ：ハロー部 ９：挿入光源 １０：ホルダ １１：電子ビーム検出器 １２：真空容器 １３：半導体板 １３ａ：半導体板の一辺 １７：第１電極と第２電極の重なり部分 １９：第１電極 ２１：第２電極 ２２：電子ビーム発生器 ２３：クランプ装置 ２４：クリップ ２７：高電圧ケーブル ２９：バイアス電圧印加用電源 ３０：高周波用信号ケーブル ３１：信号処理部 ３３：高周波用電流導入端子 ３７：信号伝送ケーブル ４１：ビームパイプ ４３：ビームパイプ ４５：ビームダンプ ４７：真空容器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を備え前記永久磁石列間に挿入された電子ビームに蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源と、前記電子ビームの強度を検出する電子ビーム検出器を備え、
前記電子ビーム検出器は、半導体板と、前記半導体板を挟んで配置され且つ前記電子ビームの入射側から見て互いに重なる重なり部分を有する第１及び第２電極を備え、
前記重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されることを特徴とする挿入光源装置。
【請求項２】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも上流側に配置され、
前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面と同一平面上に位置するように配置され、
前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも下流側に配置され、
前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面よりも前記ギャップ空間側に位置するように配置され、
前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられる請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記半導体板は、長方形状であり、前記半導体板の前記一辺は、長方形の長辺である請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記半導体板は、ダイヤモンドからなる請求項１〜４の何れか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、
前記クランプ装置は、前記永久磁石列に取り付けられる請求項１〜５の何れか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、
前記クランプ装置は、別途設けられた真空装置内に配置される請求項１〜５の何れか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記電子ビーム検出器は、前記永久磁石列ごとに設けられる請求項１〜７の何れか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側に前記電子ビームの進行方向に沿った複数箇所に配置される請求項１〜８の何れか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側と下流側のそれぞれに配置される請求項１〜９の何れか１つに記載の装置。
【請求項１１】
第１及び第２電極間にバイアス電圧を印加するバイアスバイアス電圧印加用電源と、電子ビーム検出器からの出力信号を検出してアラーム信号を出力する信号処理部とをさらに備える請求項１〜１０の何れか１つに記載の装置。
【請求項１】
ギャップ空間を介して対向配置された一対の永久磁石列を備え前記永久磁石列間に挿入された電子ビームに蛇行運動させることによってシンクロトロン光を発生させる挿入光源と、前記電子ビームの強度を検出する電子ビーム検出器を備え、
前記電子ビーム検出器は、半導体板と、前記半導体板を挟んで配置され且つ前記電子ビームの入射側から見て互いに重なる重なり部分を有する第１及び第２電極を備え、
前記重なり部分は、前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面を含む平面の近傍に配置されることを特徴とする挿入光源装置。
【請求項２】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも上流側に配置され、
前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面と同一平面上に位置するように配置され、
前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源よりも下流側に配置され、
前記半導体板は、その一辺が前記永久磁石列の前記ギャップ空間側の面よりも前記ギャップ空間側に位置するように配置され、
前記重なり部分は、前記一辺に沿って帯状に設けられる請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記半導体板は、長方形状であり、前記半導体板の前記一辺は、長方形の長辺である請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記半導体板は、ダイヤモンドからなる請求項１〜４の何れか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、
前記クランプ装置は、前記永久磁石列に取り付けられる請求項１〜５の何れか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記半導体板の前記一辺の反対側がクランプ装置によって保持され、
前記クランプ装置は、別途設けられた真空装置内に配置される請求項１〜５の何れか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記電子ビーム検出器は、前記永久磁石列ごとに設けられる請求項１〜７の何れか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側に前記電子ビームの進行方向に沿った複数箇所に配置される請求項１〜８の何れか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記電子ビーム検出器は、前記挿入光源の上流側と下流側のそれぞれに配置される請求項１〜９の何れか１つに記載の装置。
【請求項１１】
第１及び第２電極間にバイアス電圧を印加するバイアスバイアス電圧印加用電源と、電子ビーム検出器からの出力信号を検出してアラーム信号を出力する信号処理部とをさらに備える請求項１〜１０の何れか１つに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図１０】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−３２６２３（Ｐ２００９−３２６２３Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９７９６９（Ｐ２００７−１９７９６９）
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（５９９１１２５８２）財団法人高輝度光科学研究センター (35)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月３０日（２００７．７．３０）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（５９９１１２５８２）財団法人高輝度光科学研究センター (35)
【Ｆターム（参考）】
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