(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面同士を互いに平行にして離間して配置され両面に電極を有する１対のダイヤモンド板からなる第１ユニットと、測定対象のビームが進行する方向に前記第１ユニットから離間した位置に配置された第２ユニットとを有し、この第２ユニットには端面同士を互いに平行にして離間して配置され両面に電極を有する１対のダイヤモンド板が測定対象のビームの進行方向に１又は複数組配置されていて、前記第１ユニット及び第２ユニットを構成するダイヤモンド板のうち、１又は複数対のダイヤモンド板はその相互間隔を調整可能であるビームモニタを使用して、前記ダイヤモンド板の間にビームを通過させて前記ダイヤモンド板の両面の電極間に流れる電流を測定する工程を有することを特徴とするビームの測定方法。
【請求項２】
端面同士を互いに平行にして離間して配置され両面に電極を有する１対のダイヤモンド板からなる第１ユニットと、測定対象のビームが進行する方向に前記第１ユニットから離間した位置に配置された第２ユニットとを有し、この第２ユニットには端面同士を互いに平行にして離間して配置され両面に電極を有する１対のダイヤモンド板が測定対象のビームの進行方向に１又は複数組配置されていて、前記第１ユニット及び第２ユニットを構成するダイヤモンド板のうち、１又は複数対のダイヤモンド板はその相互間隔を調整可能であるビームモニタを使用して、真空中で前記ダイヤモンド板の間にビームを通過させて、前記ダイヤモンド板から放出される光電子量を測定する工程を有することを特徴とするビームの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は紫外線、Ｘ線及び加速粒子等のビームの位置及び空間強度分布を測定するためのビームの測定方法に関し、特に、高精度であって、高速で測定することができるビームの測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、医療分野及び材料分野の研究のために、ビーム状の紫外線及びＸ線を発生するシンクロトロン放射光設備、又は素粒子研究のための加速器設備が一般的に応用されている。そこで、これらの分野における専門家以外であっても、目的とする測定を容易に短時間で実施する方法が要求されている。また、近時、短波長の強い紫外線レーザビームを発生するエキシマレーザが半導体の微細加工に使用されており、このような分野においても、同様の要求が高まっている。
【０００３】
このようなビームは、肉眼で確認することができないので、光学系及びビーム系の調整をする時間が長くなり、人体への悪影響も問題となっている。また、これらのビームは、位置（経路）、断面形状及び強度分布が時間の経過に伴って変化するので、測定している時点のビームの状態を正確に監視することが要求される。更に、高エネルギービームを長時間監視すると、ビームダメージが増加して、検知部の感度が劣化したり、発熱による破壊を引き起こしたりする。
【０００４】
そこで、これらの問題点を解決することができるダイヤモンド膜を利用した放射光位置モニタが提案されている（H. Sakae et al., J. Synchrotron Radiation, Vol.4, p.204, (1997)，特開平８−２７９６２４号公報及び特開平８−２９７１６６号公報）。
【０００５】
図５（ａ）は、従来の放射光位置モニタの構造を示す平面図であり、図５（ｂ）はその断面図である。円形状のダイヤモンド板２１の中心には、孔２２が形成されている。また、このダイヤモンド板２１の両面の孔２２から外周部に向かう位置には、半導体ダイヤモンド膜からなる扇状のダイヤモンド電極２８が４組配置されている。更に、これらの４組のダイヤモンド電極２８の表面上に、４組の金属電極２３が配置されている。
【０００６】
このように構成された放射光位置モニタにおいては、放射光に対して垂直となると共に、孔２２を放射光が通過するようにダイヤモンド板２１の位置を設定する。放射光は、その断面の中心部が最も光強度が高く、中心部から離れるにつれて光強度が低下する。従って、ダイヤモンド板２１に対して垂直に放射光が照射されると、放射光の中心部は孔２２を通過し、放射光の周辺部はダイヤモンド板２１に衝突する。そして、放射光が衝突した領域に多数の電子及び正孔対が発生して、これらが電極２８に集められ、金属電極２３に流れる電流を測定することにより、放射光の強度を得ることができる。
【０００７】
また、放射光が、最も強い光強度の位置を中心として、対称に広がった形状であると、ダイヤモンド板２１の表面側及び裏面側に配置された電極２８に流れる電流の分布から、放射光の重心位置を算出することにより、放射光の中心位置を検出することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示す従来の放射光位置モニタを使用する場合には、以下に示す問題点が発生する。即ち、実際の放射光の断面形状は円形状に限定されず、シンクロトロン放射光設備の構成又は運転条件によって、放射光の断面形状が楕円状になったり、円が重ねられたような複雑な形状になることがある。そうすると、ダイヤモンド板２１に孔２２が設けられていても、最も光強度が高い部分の放射光が孔２２を通過せず、ダイヤモンド板２１に衝突して、ダイヤモンド板２１が過熱され、損傷する。
【０００９】
一方、種々の断面形状の放射光に対応するために、孔２２を大きくすると、放射光の位置検出の精度が低下するという問題点が発生する。
【００１０】
また、図５に示す従来の放射光位置モニタにおいては、円形状で直径が１０ｍｍ以上である平板型のダイヤモンド板を使用している。このような大型のダイヤモンド板は気相合成でしか得ることができないが、円形状に切断するので無駄となる領域が多くなると共に、孔２２を設けるための工程が必要であるので、放射光位置モニタの製造コストが著しく高くなる。
【００１１】
更に、従来の放射光位置モニタにおいては、放射光の位置を検出するために、ダイヤモンド板２１の両面に配置された各組のダイヤモンド電極２８間に流れる光起電力を測定する。しかし、強力な放射光を放射光位置モニタに対して照射すると、この位置モニタが損傷することがあり、これにより、低抵抗の導電チャネルが生じて、位置モニタとしての機能を得ることができなくなる。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、大出力の放射光、エキシマレーザ光及びＸ線等のビームの位置及びその断面形状を高精度及び高速で測定することができ、長期間安定して動作するビームの測定方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るビームの測定方法は、端面同士を互いに平行にして離間して配置され両面に電極を有する１対のダイヤモンド板からなる第１ユニットと、測定対象のビームが進行する方向に前記第１ユニットから離間した位置に配置された第２ユニットとを有し、この第２ユニットには端面同士を互いに平行にして離間して配置され両面に電極を有する１対のダイヤモンド板が測定対象のビームの進行方向に１又は複数組配置されていて、前記第１ユニット及び第２ユニットを構成するダイヤモンド板のうち、１又は複数対のダイヤモンド板はその相互間隔を調整可能であるビームモニタを使用して、前記ダイヤモンド板の間にビームを通過させて前記ダイヤモンド板の両面の電極間に流れる電流を測定する工程を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る他のビームの測定方法は、本発明に係る前記ビームモニタを使用して、真空中で前記ダイヤモンド板の間にビームを通過させ、前記ダイヤモンド板から放出される光電子量を測定する工程を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明においては、２以上の複数対のダイヤモンド板間にビームを通過させて、ダイヤモンド板に流れる電流又はダイヤモンド板から放出される光電子量を測定することにより、ビームの位置及び強度分布を求める。このとき、ダイヤモンド板間の間隙部の幅を任意に調整することができるので、ビームの形状及び幅が時間等の経過によって変化しても、その変化に応じてビームを通過させる領域を最適化することができる。従って、ダイヤモンド板が受けるダメージの量を最小限にすると共に、ダイヤモンド板によるビーム強度の検出感度を最大になるように維持することができる。
【００１９】
また、本発明においては、ダイヤモンド板の形状を自由に設計することができ、複雑な加工工程が不要であるので、円形のダイヤモンド板の中心部に孔が形成された従来のモニタと比較して、製造コストを著しく低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係るビームモニタについて、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１の実施例の構成を示す斜視図である。また、図２（ａ）は本発明の第１の実施例に係るビームモニタを部分的に示す平面図であり、図２（ｂ）はその断面図である。図１及び２に示すように、例えば、抵抗率が１０7Ωｃｍ以上の１対の高抵抗ダイヤモンド板１ａ、１ｂが、その端面同士を平行にして若干離間した状態で駆動装置５に支持されており、このダイヤモンド板１ａ及び１ｂにより、第１ユニット７が構成されている。駆動装置５は、ダイヤモンド板１ａとダイヤモンド板１ｂとを互いに接近離隔する方向に移動させるものであり、例えば、圧電体を使用したミクロンオーダーの精度でダイヤモンド板を移動させる駆動部と、機械的にダイヤモンド板を移動させる駆動部とが組み合わされたものである。従って、ダイヤモンド板１ａとダイヤモンド板１ｂとの相互間隔は任意に調整可能であり、これらの間には間隙部１１ａが形成される。
【００２１】
ダイヤモンド板１ａ及び１ｂの両面には、夫々、抵抗率が１０2Ωｃｍ以下である半導体ダイヤモンド層２が間隙部１１ａが延びる方向に沿って形成されており、その表面には、選択的に配線用電極３が配置されている。ダイヤモンド板１ａ及び１ｂの両面側に形成された配線用電極３には、夫々、配線（図示せず）が接続されており、配線には、表面側の電極３と裏面側の電極３との間に電圧を印加する電源（図示せず）と、これらの間に流れる電流を測定する電流測定器（図示せず）とが接続されている。更に、ダイヤモンド板１ａ及び１ｂの両面には、夫々、放熱用金属層４が間隙部１１ａに面する端面に対向する端面に沿って配置されている。この放熱用金属層４は、冷却装置（図示せず）に接続されており、ダイヤモンド板１ａ及び１ｂ等を冷却することができるようになっている。
【００２２】
更にまた、ダイヤモンド板１ａ及び１ｂの板厚方向に離間した位置に、例えば抵抗率が１０7Ωｃｍ以上である１対の高抵抗ダイヤモンド板１ｃ、１ｄが、その端面同士を平行にして若干離間した状態で配置されていおり、これにより第２ユニット８が構成されている。従って、ダイヤモンド板１ｃとダイヤモンド板１ｄとの間にも、間隙部１１ｂが形成されている。なお、間隙部１１ａが延びる方向と、間隙部１１ｂが延びる方向とは、ビームの進行方向にみて直交している。更にまた、ダイヤモンド板１ｃ及び１ｄの両面には、ダイヤモンド板１ａ及び１ｂと同様に、抵抗率が１０2Ωｃｍ以下である半導体ダイヤモンド層２が形成されていると共に、配線用電極３及び放熱用金属層４が配置されている。
【００２３】
このように構成された第１の実施例に係るビームモニタを使用して、ビームの位置及び空間強度分布を測定する方法について、以下に説明する。先ず、ダイヤモンド板がビーム６の進行方向に垂直になるように、ビームモニタを設置する。その後、放射されたビーム６を、ダイヤモンド板１ａとダイヤモンド板１ｂとの間の間隙部１１ａに通過させた後、ダイヤモンド板１ｃとダイヤモンド板１ｄとの間の間隙部１１ｂに通過させる。そうすると、ビーム６の一部がダイヤモンド板１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄの表面に衝突して、この領域に多数の電子及び正孔対が発生する。各ダイヤモンド板の表面側の電極３と裏面側の電極３との間には、電源によって電圧が印加されているので、ビーム６のダイヤモンド板への衝突により、この電極３間が通電される。従って、この電流量を測定することにより、ビームの強度分布を求めることができると共に、この強度分布により、ビームの中心位置を検出することができる。
【００２４】
本実施例においては、ダイヤモンド板１ａとダイヤモンド板１ｂとの間の間隙部１１ａの幅を任意に調整することができるので、ビーム６の形状及び幅が時間等の経過によって変化しても、その変化に応じてビーム６を通過させる領域を最適化することができる。従って、ダイヤモンド板が受けるダメージの量を最小限にすると共に、ダイヤモンド板によるビーム強度の検出感度を最大になるように維持することができる。
【００２５】
また、本実施例においては、駆動装置５により、ダイヤモンド板１ａとダイヤモンド板１ｂとの間の間隙部１１ａの幅を任意に調整することができるので、間隙部１１ａの幅と、ビームの強度との関数を求めることにより、ビームの中心強度を推定することができる。更に、従来の放射光位置モニタは、直径が１０ｍｍである円板が使用されており、中央部に孔が設けられていたが、本実施例においては、例えば、５ｍｍ×１０ｍｍのダイヤモンド板を利用しており、これを孔空け加工する工程が不要となる。また、複雑な電極パターンの形成が不要となり、全体の面積は従来と同様かそれ以下となる。従って、本実施例にかかるビームモニタは、従来のダイヤモンド製の放射光位置モニタと比較して、製造コストが約１／２以下となり、コストを著しく低下させることができる。
【００２６】
更にまた、従来の放射光位置モニタにおいては、１枚のダイヤモンド板の上に電極を一括に形成して、相互の電極間で電気的絶縁性を確保しようとしていたので、電極を形成するために複雑なフォトリソグラフィの工程が必要であった。一方、本実施例においては、対抗する電極間のダイヤモンド板が絶縁性を有するので、電極形成のための複雑な工程が不要となり、容易に電極を形成することができる。
【００２７】
更にまた、本実施例においては、放熱用金属層４が冷却装置に接続されているので、ダイヤモンド板及び半導体ダイヤモンド層等の全体の冷却を図ることができ、ビームの照射によりこれらの過熱及び損傷を防止することができる。しかし、ビームが本来の軌道を著しく外れて、ダイヤモンド板の表面に照射された場合には、ダイヤモンド板の損傷を防止することができない。従って、図３に示すように、ダイヤモンド板１の表面に形成された半導体ダイヤモンド層２の上に１対の金属電極１２ａ及び１２ｂを配置し、この金属電極１２ａ及び１２ｂに配線を介して温度測定装置を接続すると、半導体ダイヤモンド層２の温度を測定することができる。これにより、半導体ダイヤモンド層２が極めて高い温度に過熱された場合であっても、この過熱を早期に発見することができるので、過熱による損傷の発生を低減することができる。
【００２８】
図４は本発明の第２の実施例に係るビームモニタを示す模式図である。なお、図４においては、ダイヤモンド板の表面に形成された半導体ダイヤモンド層及び配線用電極３等の図示を省略すると共に、図１及び２に示すものと同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。図４に示すように、１対の高抵抗ダイヤモンド板１ａ、１ｂは、その端面同士が若干離間した状態で配置されている。また、１対の高抵抗ダイヤモンド板１ｃ、１ｄについても、同様に、端面同士が若干離間した状態で配置されている。但し、本実施例においては、各対のダイヤモンド板の間に形成される間隙部１１ａ及び間隙部１１ｂがビーム６に平行に延びる状態、即ち、ダイヤモンド板１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄがビーム６の進行方向に平行になるように、ダイヤモンド板１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄが配置されている。
【００２９】
このように配置されたダイヤモンド板を有するビームモニタにおいても、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
なお、本発明において、１対のダイヤモンド板は、必ずしも同一平面上に配置される必要はない。駆動装置の構造により、１対のダイヤモンド板を同一平面上に配置することができない場合があるが、このような場合においても、ビームが通過することができる間隙部が形成されていれば、第１の実施例と同様に、ビームの強度及び位置を検出することができる。
【００３１】
更に、第１及び第２の実施例においては、２組のユニットからなるビームモニタについて説明したが、本発明のビームモニタは、複数対のダイヤモンド板を有していてもよい。その場合には、各対のダイヤモンド板により形成される間隙部が延びる方向を適切に選択することにより、より一層詳細なビーム断面の強度分布に関する情報を得ることができる。更にまた、本実施例においては、１対のダイヤモンド板１ａ、１ｂを移動させる駆動装置５を配置したが、本発明においては、少なくとも１対のダイヤモンド板間の間隔を任意に調整することができればよく、この一対のダイヤモンド板の少なくとも一方が駆動装置により移動して、相互の間隔を任意に調整できればよい。また、全ての対のダイヤモンド板に、これを移動させる駆動装置を配置してもよい。
【００３２】
本発明においては、ダイヤモンド板の抵抗率が１０7Ωｃｍ未満であると、暗電流が発生しやすくなる。また、半導体ダイヤモンド層の抵抗率が１０2Ωｃｍを超えると、ビームの放射により発生する信号（電流）の強度が損失されやすくなる。従って、本発明においては、１０7Ωｃｍ以上の抵抗率を有する高抵抗ダイヤモンド板の表面に、１０2Ωｃｍ以下の低抵抗の半導体ダイヤモンド層を形成することが好ましい。なお、１０2Ωｃｍ以下の抵抗率の半導体ダイヤモンド層は、ダイヤモンド板の表面にボロン（Ｂ）原子を１０18（／ｃｍ3）以上の濃度でドーピングすることにより、形成することができる。
【００３３】
また、本発明において、測定の対象は放射光に限定されず、エキシマレーザのような紫外線ビーム及びＸ線ビーム等であっても同様に測定することができる。真空中において、放射光、Ｘ線及び紫外線等のビームがダイヤモンド板に照射されると、その表面から光電子が放出される。この現象は、ダイヤモンド板以外の材料を使用した場合であっても観測されるが、特に、ダイヤモンドが有する負の電子親和力により、他の材料よりも光電子が多く放出される。そこで、第１の実施例又は第２の実施例に係るビームモニタを使用して、例えば、真空中においてビームの強度及び位置を検出する場合には、各ダイヤモンド板表面のビームが照射される位置の近傍に電極を配置して、各ダイヤモンド板から放出された光電子による通電量を測定することにより、ビームの位置及び強度分布を求めることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ビームが通過する領域の幅を任意に調整することができるので、ダイヤモンド板が受けるダメージの量を最小限にすると共に、ダイヤモンド板によるビーム強度の検出感度を最大になるように維持することができる。また、本発明においては、ビームモニタを製造するための複雑な加工工程が不要であるので、製造コストを著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施例に係るビームモニタを部分的に示す平面図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図３】本発明の実施例に係るビームモニタにおいて、温度測定用の電極の配置位置を示す平面図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係るビームモニタを示す模式図である。
【図５】（ａ）は、従来の放射光位置モニタの構造を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２１；ダイヤモンド板
２；半導体ダイヤモンド層
３；配線用電極
４；放熱用金属層
５；駆動装置
６；ビーム
７，８；ユニット
１１ａ，１１ｂ；間隙部
１２ａ，１２ｂ，２３；金属電極
２２；孔
２８；ダイヤモンド電極
【図１】
0003641736.tif 000002
【図２】
0003641736.tif 000003
【図３】
0003641736.tif 000004
【図４】
0003641736.tif 000005
【図５】
0003641736.tif 000006