(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した電子ビームを加速し偏向電磁石により電子周回部を周回させるエネルギー回収型リニアックと、
前記電子周回部に設けた複数の電磁石からなる周長補正用シケインと、
前記偏向電磁石で発生した放射光を２台のスライド移動可能なステージに設置した回転ミラーに斜入射させ、光軸を変えずに放射光の光路長を変化させる光学遅延機構と、
レーザー光を測定光と参照光に分割し、前記エネルギー回収型リニアックを構成する機器に設置したミラーにより前記電子周回部に沿って進むように前記測定光を斜入射させ、終端光学素子で反射した前記測定光と前記参照光を干渉させることで、前記測定光の光路長を計測するレーザー干渉計と、
前記測定光の光路長と前記機器の位置から電子周回部の周長を算出し、前記周長と予めデータベースに登録しておいた周長の基準値とを比較して電子軌道長の変化量を予測し、前記変化量を基に前記周長補正シケインの印加磁場の補正値を算出し、前記補正値を基に前記光学遅延機構のステージ移動量及びミラー回転角度を算出する手段とからなり、
前記周長補正シケインで電子の周回軌道長を補正し、前記光学遅延機構で光パルスのタイミングを調整することを特徴とする電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置。
【請求項２】
レーザー干渉計として光コム干渉計を使用し、レーザー光としてフェムト秒レーザーを用いることを特徴とする請求項１に記載の電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放射光パルス時間制御装置により、電子周回部の周長又はその一部を測長し、その変化量から放射光パルス時間を１００フェムト秒のオーダーで制御することを特徴とする電子周回部測長による放射光パルス時間制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シンクロトロン放射光などの光源装置において、光パルスの時間（タイミング）を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンクロトロン放射光は、加速器の一種であるシンクロトロンの軌道中にある偏向電磁石において高エネルギーの電子が曲げられるときに円軌道の接線方向に発生する電磁波である。
【０００３】
まず、線形加速器（リニアック）により電子を光速に近い速度まで加速し、次に、加速した電子ビームを電子蓄積リングで周回させることで、偏向電磁石またはアンジュレータなどの挿入光源から高強度の白色パルス光を生成することができる。
【０００４】
また、線形加速器で加速された電子ビームを、周回部で一回周回させ、再び線形加速器に減速位相で導入し、エネルギーを回収するエネルギー回収型リニアック（ＥＲＬ）も利用されている。
【０００５】
ただし、エネルギー回収型リニアックにおいては、開発過程で周長を補正する際のターゲット（基準）が曖昧であると、振動や温度による電子周回リングの周長変動が光パルスの時間的な精度を悪化させる懸念がある。
【０００６】
尚、従来のシンクロトロン放射光発生装置においては、シンクロトロン放射光の光パルスを検出・監視しながら、シンクロトロンの電子周回部の電子の軌道を補正することで、安定した放射光パルスを発生させるものもある。
【０００７】
特許文献１に記載されているように、簡単な方法で電子ビームを蓄積しながら電子ビームの軌道を正確な設計軌道に補正できる電子ビームの軌道補正装置及び補正方法の発明も公開されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の方法では、電子周回部の周長又はその一部が振動や温度ドリフトなどにより位置や長さが変動し、光パルスのタイミングにばらつきが出るおそれがあり、また、電子周回部が長い場合には測長が困難である。
【０００９】
そこで、本発明は、放射光発生装置、特にエネルギー回収型リニアックにおいて、電子周回部の周長又はその一部を測長し、その変化量から放射光パルス時間を制御する装置及び方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、入射した電子ビームを加速し偏向電磁石により電子周回部を周回させるエネルギー回収型リニアックと、前記電子周回部に設けた複数の電磁石からなる周長補正用シケインと、前記偏向電磁石で発生した放射光を２台のスライド移動可能なステージに設置した回転ミラーに斜入射させることにより光軸を変えずに放射光の光路長を変化させる光学遅延機構と、レーザー光を測定光と参照光に分割し、前記リニアックを構成する機器に設置したミラーにより前記電子周回部に沿って進むように前記測定光を斜入射させ、終端光学素子で反射した前記測定光と前記参照光を干渉させることで、前記測定光の光路長を計測するレーザー干渉計と、前記測定光の光路長と前記機器の位置から電子周回部の周長を算出し、前記周長と予めデータベースに登録しておいた周長の基準値とを比較して電子軌道長の変化量を予測し、前記変化量を基に前記周長補正シケインの印加磁場の補正値を算出し、前記補正値を基に前記光学遅延機構のステージ移動量及びミラー回転角度を算出する手段とからなり、前記周長補正シケインで電子の周回軌道長を補正し、前記光学遅延機構で光パルスのタイミングを調整することを特徴とする放射光パルス時間制御装置、及び、当該装置により電子周回部の周長又はその一部を測長し、その変化量から放射光パルス時間を１００フェムト秒のオーダーで制御することを特徴とする放射光パルス時間制御方法の構成とした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、エネルギー回収型リニアックなどの放射光源において、光パルスの時間的な繰り返し精度を向上させることができる。これにより、放射光源装置の長時間運転において生じる電子軌道変動や光ビームの位置変動などのドリフトの原因の解明にも繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法で使用するエネルギー回収型リニアックの概要を示す図である。
【図２】本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における制御の流れを示す図である。
【図３】本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における制御を行う測長システムの構成を示す図である。
【図４】本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における測長システムの測定装置の構成を示す図である。
【図５】本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における測定装置のレーザー測長器の構成を示す図である。
【図６】本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における測長システムの情報処理を示す図である。
【図７】本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における光学遅延機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置は、入射した電子ビームを加速し偏向電磁石により電子周回部を周回させるエネルギー回収型リニアックと、前記電子周回部に設けた複数の電磁石からなる周長補正用シケインと、前記偏向電磁石で発生した放射光を２台のスライド移動可能なステージに設置した回転ミラーに斜入射させることにより光軸を変えずに放射光の光路長を変化させる光学遅延機構と、レーザー光を測定光と参照光に分割し、前記リニアックを構成する機器に設置したミラーにより前記電子周回部に沿って進むように前記測定光を斜入射させ、終端光学素子で反射した前記測定光と前記参照光を干渉させることで、前記測定光の光路長を計測するレーザー干渉計と、前記測定光の光路長と前記機器の位置から電子周回部の周長を算出し、前記周長と予めデータベースに登録しておいた周長の基準値とを比較して電子軌道長の変化量を予測し、前記変化量を基に前記周長補正シケインの印加磁場の補正値を算出し、前記補正値を基に前記光学遅延機構のステージ移動量及びミラー回転角度を算出する手段とからなり、前記周長補正シケインで電子の周回軌道長を補正し、前記光学遅延機構で光パルスのタイミングを調整することを特徴とする。
【００１４】
また、電子周回部測長による放射光パルス時間制御方法は、当該放射光パルス時間制御装置により、電子周回部の周長又はその一部を測長し、その変化量から放射光パルス時間を１００フェムト秒のオーダーで制御することを特徴とする。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法で使用するエネルギー回収型リニアックの概要を示す図である。
【００１６】
エネルギー回収型リニアック１は、線形加速器とリング型加速器の利点をあわせ持った加速器であり、周回部２、電子銃３、主加速器５、偏向電磁石７、ビームダンプ８等からなる。
【００１７】
周回部２は、直線部と湾曲部を設けることにより環状に繋いだ真空ダクトであり、内部を電子バンチと呼ばれる電子集団が通過する。合流部２ａから電子ビームを入射し、１回又は複数回周回させて取出部２ｃから取り出す。
【００１８】
合流部２ａでは、電子銃３で生成した電子ビームを入射用加速器４を介して加速することで周回部２の電子軌道に乗せる。また、取出部２ｃでは、周回する電子を減速してビームダンプ８に送る。
【００１９】
電子銃３は、固体中の電子を高熱や高電界、あるいはレーザースパッタリングにより空間に放出させ高電圧で加速すると共にビーム状に収束させる。入射用加速器４は、周回部２に入射するための前段加速器であり、超伝導の線形加速器等を使用する。
【００２０】
周回部２において合流部２ａのすぐ後の直線部には、主加速器５を１台又は複数台配置して電子を加速し、その先の湾曲部には偏向電磁石７を配置して電子の軌道を曲げ放射光７ａを発生させる。
【００２１】
主加速器５は、超伝導の線形加速器等であり、入射した電子ビームのエネルギーが２００ＭｅＶ程度もしくは５ＧｅＶ程度になるまで加速する。また、周回した電子を減速してエネルギーを回収することで、次の電子ビームの加速に利用することができる。
【００２２】
主加速器５の加速空洞５ａは、ニオブ等により形成される。高周波電力を投入し高周波電場を発生することで、電子ビームを加速するが、超伝導技術を用いることで高電界かつ高効率の加速が可能となる。
【００２３】
偏向電磁石７は、磁場の力を利用して電子が進む向きを変える。偏向電磁石７を数回介すことにより電子の進行方向を徐々に反対側に向ける。尚、偏向により発生した放射光７ａを取り出しビームライン９にて放射光をユーザ９ｂに提供する。
【００２４】
また、その後の長直線部２ｂには、周長補正用シケイン１０やアンジュレータ光源を設置することができる。周長補正用シケイン１０は、複数の電磁石を配置して磁場の力で電子の軌道を調整するものである。
【００２５】
周回部２には、電子集団が真空ダクトの軸上近傍を通るように、何箇所かに収束用電磁石６が設けられる。収束用電磁石６は、４極電磁石や６極電磁石を組み合わせる等して中心への収束作用を持たせたものである。
【００２６】
加速及び収束させた電子集団にはエネルギー分布があり、エネルギーが大きい電子は磁場の力が効きにくく、湾曲部などにおいては中央よりも外側を通りやすく、エネルギーが小さい電子は磁場の力により中央よりも内側を通りやすい。
【００２７】
周長補正用シケイン１０では、逆に、エネルギーが大きい電子は磁場の力が効きにくいため直進するように近道をし、エネルギーが小さい電子は磁場の力により軌道が湾曲し遠回りをするので、エネルギーの大小による電子軌道長の誤差を相殺することができる。
【００２８】
また、アンジュレータ光源は、複数の永久磁石をＮ極とＳ極が交互になるように配置することで、電子ビームが細かく蛇行し放射光を発生する。放出される光同士が干渉するためエネルギーの揃った光を得ることができる。
【００２９】
ビームライン９では、放射光７ａを分光器９ａで必要な波長を選別してユーザ９ｂに提供するが、光パルスのタイミングを安定させるために、分光器９ａに通す前に光学遅延機構１１で光パルスのタイミングを調整する。
【００３０】
本発明は、光パルスのタイミングをリアルタイムに制御するにあたり、電子周回部を測長するために測長システム１２を設け、周長補正用シケイン１０及び光学遅延機構１１をフィードバック制御する。
【００３１】
図２は、本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における制御の流れを示す図である。
【００３２】
測長システム１２による制御方法１３は、電子周回部測長１３ａ、機器位置測定１３ｂ、電子軌道長変化量予測１３ｃ、周長制御１３ｄ、及び光路長制御１３ｅの手順により行われる。
【００３３】
電子周回部測長１３ａは、電子ビームが周回する周回部２の長さを計測するが、まず周回部２に沿ってレーザー光を照射しレーザー光の光路長を計測し、基準となる位置との関係から周回部２の長さを換算する。
【００３４】
機器位置測定１３ｂは、周回部２の長さを計測するにあたり、計測の基準となる周回部２に設置された主加速器５、収束用電磁石６、偏向電磁石７、合流部２ａ、アンジュレータ光源などの機器の位置、長さ、間隔等を測定する。
【００３５】
機器位置の測定器としては、ホモダイン方式又はヘテロダイン方式のレーザー干渉計、レーザートラッカー、非接触３次元計測装置、光コム干渉を使用して絶対距離を計測する光コム距離計などが挙げられる。
【００３６】
電子軌道長変化量予測１３ｃは、温度ドリフト及び振動による機器自体の位置や長さのずれ、電子のエネルギーの大きさにより磁場から受ける影響の違いなど様々な要素を考慮して電子の軌道長の変化量を予測する。
【００３７】
周長制御１３ｄは、電子の軌道長の変化量を補正すべく周長補正用シケイン１０を利用する。また、光路長制御１３ｅは、電子軌道の補正に伴い生じた時間的なずれを光学遅延機構で放射光７ａの光路長を調整することで放射光パルス時間制御する。
【００３８】
尚、本発明は、予め当該制御方法１３を行ってから電子ビームを入射して放射光７ａを取得しても良いし、連続的に電子ビームを入射しながら当該制御方法１３も随時行ってリアルタイムに調整しながら放射光７ａを取得することもできる。
【００３９】
図３は、本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における制御を行う測長システムの構成を示す図である。
【００４０】
測長システム１２を構成するコンピュータ１４は、測定装置１５から入力したデータを基に、周長補正用シケイン１０及び光学遅延機構１１を制御するための出力データを算出する。
【００４１】
尚、測定装置１５には、周回部２を計測するレーザー干渉計１６や、周回部２上の機器位置を測定する装置などがあり、周回部２の測長値や機器の位置情報などが入力データとなる。
【００４２】
図４は、本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における測長システムの測定装置の構成を示す図である。
【００４３】
周回部２を計測する測定装置１５として、周回部２上の機器に対し、レーザー干渉計１６と終端光学素子１５ｂを両端とし、間に複数のミラー１５ａを周回部２を構成する各機器に配して、周回部２を１周するように設置する。
【００４４】
レーザー干渉計１６から照射した測定光１５ｃをミラー１５ａで次々と斜入射により周回部２に沿って反射させ、終端光学素子１５ｂで反対側に反射させてレーザー干渉計１６まで戻し、光の干渉を利用して測定光１５ｃの光路長を測定する。
【００４５】
尚、終端光学素子１５ｂとしては、ミラーの他に、コーナーキューブプリズムなどを利用することができる。コーナーキューブプリズムは、反射する性質を持った平面を直角に組み合わせることで、光を元の方向に反射する素子である。
【００４６】
図５は、本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における測定装置のレーザー測長器の構成を示す図である。
【００４７】
レーザー干渉計１６は、光源１６ａから発したレーザー光１６ｂをビームスプリッタ１６ｃで測定光１５ｃと参照光１６ｅに分割し、測定光１５ｃを終端光学素子１５ｂで反射させ、参照光１６ｅを光学素子１６ｄで反射させる。
【００４８】
尚、レーザー光１６ｂの例としては、波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザー等があり、光コム干渉の場合にはフェムト秒レーザーを使用する。
【００４９】
そして、終端光学素子１５ｂで反射した測定光１５ｃと光学素子１６ｄで反射した参照光１６ｅとを光検出器１６ｆで干渉させ、干渉縞の数と位相を読むことで、測定光１５ｃの光路長を測る。
【００５０】
参照光１６ｅと測定光１５ｃを干渉させると、波長の整数倍で強め合い、その間で弱め合う干渉縞が現れることから、その干渉縞の数と位相を読むことで、測定光１５ｃの相対的な光路長を求めることができる。
【００５１】
図６は、本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における測長システムの情報処理を示す図である。
【００５２】
コンピュータ１４は、中央処理装置１７、記憶装置１８、入力装置、出力装置等からなり、測長システム１２が導入される。尚、入力装置と出力装置については、外部機器とのデータのやり取りとなる。
【００５３】
入力装置としては、測定装置１５が該当する。電子周回部測長１３ａにより測長値１８ａが入力され、機器位置測定１３ｂにより機器位置１８ｂが入力されて、記憶装置１８に保存される。
【００５４】
記憶装置１８には、データベース等を作成して、予め必要な基準値１８ｃと演算に必要な式や値などを蓄積しておき、また、電子軌道長変化量予測１３ｃの処理において必要に応じて一時的にデータを保存する。
【００５５】
基準値１８ｃは、予め設定しておく初期値やリアルタイム制御時の前回値であり、機器の規定位置、電子軌道長の規定値、周長補正用シケイン１０の電磁石の初期値又は前回値、光学遅延機構１１の初期位置及び初期角度又は前回制御後の位置及び角度などがある。
【００５６】
中央処理装置１７では、電子軌道長変化量予測１３ｃの処理が行われるが、周長算出１７ａ、変化量予測１７ｂ、補正値算出１７ｃ、制御値算出１７ｄの各ステップが順次実行される。
【００５７】
周長算出１７ａは、記憶装置１８に保存された測長値１８ａと機器位置１８ｂを入力し、機器の規定位置と機器位置１８ｂの誤差を求め、測長値１８ａに反映することにより、周回部２の実際の周長に換算し、一時記憶する。
【００５８】
変化量予測１７ｂは、算出した周回部２の周長から実際にどのような電子軌道長になるかを推測し、電子軌道長の規定値と比較して、変化量がどの程度になるかを予測し、一時記憶する。
【００５９】
補正値算出１７ｃは、算出した電子軌道長の変化量を修正するのに必要な電圧を求め、周長補正用シケイン１０の電磁石の初期値又は前回値からどの程度磁場を調整すれば良いか補正値を算出し、一時記憶する。
【００６０】
制御値算出１７ｄは、算出した補正値を基に、光学遅延機構１１の初期位置及び初期角度又は前回制御後の位置及び角度からどの程度調整すれば良いか各制御値を算出し、一時記憶する。
【００６１】
出力装置としては、周長補正用シケイン１０と光学遅延機構１１が該当し、補正値算出１７ｃのステップで算出された補正値１８ｄが周長補正用シケイン１０に送られ、制御値算出１７ｄのステップで算出された移動量１８ｅ及び回転角度１８ｆが光学遅延機構１１に送られる。
【００６２】
尚、リアルタイムで制御する場合には、処理を実行した時間を記憶しておくと共に、各実行時間ごとに各ステップにおいて一時記憶したデータを履歴としてデータベース等に蓄積し、次回の実行時に利用する。
【００６３】
図７は、本発明である電子周回部測長による放射光パルス時間制御装置及び方法における光学遅延機構を示す図である。
【００６４】
光学遅延機構１１は、放射光７ａをスライド移動可能なステージ１９ａに設置した回転ミラー１９ｃと、スライド移動可能なステージ２０ａに設置した回転ミラー２０ｃに斜入射させることにより、光軸を変えずに放射光７ａの光路長を変化させる仕組みである。
【００６５】
まず、２つの土台となるベース１９とベース２０を設ける。ベース１９とベース２０とは互いに平行だが位置を前方又は後方にずらして、ベース１９の斜め方向にベース２０が来るようにする。
【００６６】
ベース１９上には位置を把握できるように目盛りを付けたスケール１９ｄを貼付する。同様に、ベース２０上にも位置を把握できるように目盛りを付けたスケール２０ｄを貼付する。
【００６７】
ベース１９上にスケール１９ｄに沿うようにレール等を敷いて、その上にステージ１９ａを載置し、モータ１９ｂを動力としてステージ１９ａがレール上をスライド移動できるようにする。
【００６８】
同様に、ベース２０上にスケール２０ｄに沿うようにレール等を敷いて、その上にステージ２０ａを載置し、モータ２０ｂを動力としてステージ２０ａがレール上をスライド移動できるようにする。
【００６９】
ステージ１９ａにはスケールヘッド１９ｅを取り付け、スケールヘッド１９ｅでスケール１９ｄを読み取れるようにし、ステージ１９ａの移動に伴い、ステージ１９ａの位置を取得する。
【００７０】
同様に、ステージ２０ａにはスケールヘッド２０ｅを取り付け、スケールヘッド２０ｅでスケール２０ｄを読み取れるようにし、ステージ２０ａの移動に伴い、ステージ２０ａの位置を取得する。
【００７１】
ステージ１９ａ上に回転ミラー１９ｃをロータリーエンコーダスキャナ１９ｆ付きで載置し、ロータリーエンコーダスキャナ１９ｆで回転ミラー１９ｃを回転させると共に、回転ミラー１９ｃの角度を取得する。
【００７２】
同様に、ステージ２０ａ上に回転ミラー２０ｃをロータリーエンコーダスキャナ２０ｆ付きで載置し、ロータリーエンコーダスキャナ２０ｆで回転ミラー２０ｃを回転させると共に、回転ミラー２０ｃの角度を取得する。
【００７３】
回転ミラー１９ｃと回転ミラー２０ｃは、常に、放射光７ａが、回転ミラー１９ｃに向かって進み、回転ミラー１９ｃで反射して回転ミラー２０ｃに向かって進み、回転ミラー２０ｃで反射して分光器９ａに向かって進むような角度になる。
【００７４】
即ち、コンピュータ１４から、ステージ１９ａの移動量１８ｅ及び回転ミラー１９ｃの回転角度１８ｆと、ステージ２０ａの移動量１８ｅ及び回転ミラー２０ｃの回転角度１８ｆが送られても、光軸が変わらないように制御され、光路長のみが変化する。
【符号の説明】
【００７５】
１        エネルギー回収型リニアック
２        周回部
２ａ      合流部
２ｂ      長直線部
２ｃ      取出部
３        電子銃
４        入射用加速器
５        主加速器
５ａ      加速空洞
６        収束用電磁石
７        偏向電磁石
７ａ      放射光
８        ビームダンプ
９        ビームライン
９ａ      分光器
９ｂ      ユーザ
１０        周長補正用シケイン
１１        光学遅延機構
１２        測長システム
１３        制御方法
１３ａ      電子周回部測長
１３ｂ      機器位置測定
１３ｃ      電子軌道長変化量予測
１３ｄ      周長制御
１３ｅ      光路長制御
１４        コンピュータ
１５        測定装置
１５ａ      ミラー
１５ｂ      終端光学素子
１５ｃ      測定光
１６        レーザー干渉計
１６ａ      光源
１６ｂ      レーザー光
１６ｃ      ビームスプリッタ
１６ｄ      光学素子
１６ｅ      参照光
１６ｆ      光検出器
１７        中央処理装置
１７ａ      周長算出
１７ｂ      変化量予測
１７ｃ      補正値算出
１７ｄ      制御値算出
１８        記憶装置
１８ａ      測長値
１８ｂ      機器位置
１８ｃ      基準値
１８ｄ      補正値
１８ｅ      移動量
１８ｆ      回転角度
１９        ベース
１９ａ      ステージ
１９ｂ      モータ
１９ｃ      回転ミラー
１９ｄ      スケール
１９ｅ      スケールヘッド
１９ｆ      ロータリーエンコーダスキャナ
２０        ベース
２０ａ      ステージ
２０ｂ      モータ
２０ｃ      回転ミラー
２０ｄ      スケール
２０ｅ      スケールヘッド
２０ｆ      ロータリーエンコーダスキャナ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７６】
【特許文献１】特許第４０８５１７６号公報
【図１】
0005464332.tif 000002
【図２】
0005464332.tif 000003
【図３】
0005464332.tif 000004
【図４】
0005464332.tif 000005
【図５】
0005464332.tif 000006
【図６】
0005464332.tif 000007
【図７】
0005464332.tif 000008