放射光第 6 巻第 4 号( 1993年)

463

実験技術
光熱量法による大強度放射光の強度分布測定

柳原美広
東北大学科学計測l研究所

PhotocalorimetricMeasurementofPowerD
istribution
inMultipole‑
WigglerRadiation
MihiroYANAGIHARA
iv
er
sityResearchInst
ituteforScient
ifi
cMeasurements , TohokuUn
Thi
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econsistsofeatconductor, bot
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callymadefromacopperblock ,aphotoabsorber, ah
and a water
‑cooledheatsink. Based on thetemper
aturegradientalon
g th巴 heat
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nwasmeasuredonthebeamlineBL・28
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hePhoton Factor
y. The beamline had neither beryllium nor gr
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suringhig
h‑powerx‑radiation.

1.はじめにた特性を活かすも殺すも 偏に光学素子 に負 ってお放射光光源は今日第三世代を迎え，高輝度化がり，系統的な研究に基く開発が今日ほど望まれて益々進み，新 しい放射光物理の展開の糸口 になるいる時は無い。大型光源の建設が進む中で，各国こと が期待されている。 それは一 方で ，強 度

では地道な研究が続けられている 1) 。筆者は現在100W/mm を越すと予想さ れるビー ムを扱うこと

軟 X 線多居膜の開発とそれらの放射光実験への応を意味し，ビームライン光学索子にとっては極め用を一つの目標にしている。その一環として二結て過酷な時代を迎えている。しかし，光源の優れ晶型軟 X線分光器や光 CV D 用パワーフィルタ _ 2)

1p、unmu(C) 1993 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 6 巻第 4 号‑164(1993 年)

への応用を考えている。これらに用いる多層膜がる光熱量測定法である。測定子は銅でできた光吸要求される共通点は言うまでもなく放射光の高い収体，熱伝導体，及び熱浴から成り立っている O

熱負荷に対する耐久性である。一般に耐熱性光学

光吸収体に吸収された光エネルギーは熱エネル素子の開発には素子を実際に大強度放射光に晒すギーに変換され，熱伝導体を通って熱浴に流れて照射テスト 3) が不可欠である O このとき入射するいく。吸収体での損失が無視できる時は吸収されビームの全強度，或はパワー密度は照射面の温度たエネルギーは全て熱伝導体を通過するから，定と共に照射効果を正確に見積もるための重要な実常状態では 2 点聞の温度差と熱伝導度から熱流量験条件の一つである。そこで入射ビームの強度をを見積もることができる。熱伝導体の熱伝導度を高い精度で測定する方法を開発しようというのがk ， 断面積を a ，この仕事を始めた直接の動機である。実際の測定

温度差を L1T とすると，熱伝導体を流れる熱量 Q ははフォトンファクトリーにおいて BL-12C の偏光

よく知られている熱伝導の式，、、，ノ毛 EE品/gt、ムκ

G

ハ山可ィグラー光 5) について行なった。本稿はこのうち

Z7

電磁石からの放射光 4) と BL-28 のマルチポールウ

2 つの熱電対聞の距離を ß ，その•おし- 28 での経験を中心にして述べようと思う。

ところで，アンジュレータから放射されるパワーで与えられる。の角度分布については Kim の式 6) がよく知られて入射した光エネルギーの損失が少なく，それがいる。また最近では北村ら 7) がど…ムのサイズやどの程度熱エネルギーに変換されるかについては発散を考慮してより精度を高めた計算を行なって充分な検討が必要である。この点について本方法いる。測定するビームラインの途中にべリリウムが優れているのは次の点である。

やグラファイト窓，或は振り分けミラーがなけれ

1)銅の X 線に対する反射率は概ね 10【 3 以下である 8) 。

ば，直接測定値と計算値が比較できる。そこで両者を比較することでそれぞれの妥当性を検討する

2) 銅の光電子放出効率は無視できないが，ことや，アンジュレータについての情報を得るこの運動エネルギーは入射光のエネルギーに比べとが期待できる Oて極めて小さいので無視できる。
3) 鍋の放射率は赤外領域では約 0.01 なので 9) ，素2. 光熱量測定法

子の表面が鏡面に近い仕上げのときには放射熱損失は無視できる。

強力な放射光の強度を測定するにはどのような方法が優れているだろうか?その測定法が満たす以上みたように，反射，光電子，熱放射によるエべき条件は次の 3 点に集約される。

ネルギー損失は無視できるほど小さい。しかし

1) もともと強力な光に輔されるので増倍機構は不注意しなければならないのは，8.98keV 以上の入要である。むしろ，高エネルギー光の照射損傷

射 X 線成分の励起による銅の K 系列 X 線発光を通に耐えられる頑丈なものでなければならない 0した損失である。銅の K 発光量子効率は約 0.5 で2) 照射効果を見積もるときのパラメータにするのある 10) 。二次的に放出される K 発光の空間分布はだから入射光の光子数よりもエネルギーを観測放射面の法線方向が最も強い。 2 次 X 線が再び吸するものマある。

収された場合にはもはや 3 次的な X 線発光は無視

3) できるだけ短時間で高精度の測定が可能で，且できるので，この 2 次 X 線をいかに吸収体に閉じ込めるかにかかってくる。今回は吸収体の内側をつ装置も単純なものに越したことはない。

このような要請から考案されたのがこれから述べ円錐状にし，その頂角をできるだけ小さくとるこ‑86‑放射光第 8 巻第 4 号(1993 年)

465とにした。

HEATSINK

入射パワーを(1)式を使って計算する上で注意した点は鋭の熱伝導率の値である。文献 (9) からoc)を用いたが， これは純度 99.9% の3.89W/(cm銅についてのデータで 350 K に内挿して得たもの0である。厳密には熱伝導率は温度に依存するが，銅の材料によって約 2% のばらつきがあり，溢度100m m依存性と間程度であるので，測定された平均的なF
ig.
1 Crosssectionofthephotocalorimetr
icdevice. (Fromfor power distribution measurement)
Ref.5

温度での値を用いることにした。

3.

測定

初めに，測定に利用した PF の BL-28 について簡単に説明する。ここには楕円偏光発生用のマル厚は 2mm である。また，熱伝導体の直径は 5mm

チポールウィグラーが設置されている 11) 。磁極間で，熱電対間の距離は 50mm にとってある。強度ギャップを最小の 30mm にした場合，リング電流分布を測定する場合は実際にはユニットは国定しが 350mA の時に発生する全強度は計算ではたままで，ユニットの上流で光源から 14.1m の地2.56kW に達する。測定を行なった直進ビームライ点にある縦 0.8mm 横 1.6mm のスリット(実際にはンの途中には窓やミラーはない。測定に用いた照4 象限スリットで形成)を上下方向に動かしなが射テスト槽ロ)は光源から約 16.5m の地点に設置さら通過した光の強度を測定した。測定はウィグれている。

ラーの磁極間ギャップが 30mm (K 値で 14.7) と測定は入射ビームの全強度とその密度分布につ60mm (同 7.66 )の 2 つの場合についてリング電いて行なった。それぞれの測定に合わせて、測定ユ流が概ね 300mA の特に行なった。 2 つの熱電対がニットを 2 種類製作した。 2 つのユニットは基本的記録した最も高い温度はやはり最小ギャップの時には光吸収体，熱伝導体，及び水冷による熱浴かで 83.8 C と 40.6 C で，らなっている。熱伝導を良くするため光吸収体とワーは 6.78W である。このときの吸収体の照射点

熱伝導体は純度 99.9% の銅のフ守口ックから旋盤をに当る部分は局所的には 83.8 C より高いはずで，用いて一体仕上げで作製した。アルメルークロメ

おそらく 100 C より高くなっているであろう。熱、ル熱電対が 2 箇所に付けられている。その熱電対電対の出力はぺンレコーダで観測し温度が一定

は直径 0.3mm のものを選んだ。一方，両者の主たになったと判断された時点で測定した。一定の状る違いは各部の肉厚，太さであり，これは入射す態になるまでに 40 分から 60 分かかった。これだるエネルギーを基準にして決定した。具体的な説

け時間がかかったのはユニットのサイズに原因が明は個々の測定のところで行なうこととし，以下ある。熱伝導体の断面積に比べて光吸収体の容量で強度分布，全強度測定の)1慎で述べていく。

が大き過ぎたためである。それは次に述べる全強00

これから計算される入射パ00

度測定用ユニットと比較すると良くわかる。熱浴

3.
1 強度分布の測定の冷却水の温度上昇はこの場合はっきりとは認め

強度分布測定用のユニットの断面を図 1 に示られなかった。入射パワーは高々 6----7W なので，す。光吸収体は関口部が 80mm x40mm の楕円錐

熱浴の負担は問題にならなかったのである。真空0で，頂角は最も小さいところで約 30 で，その肉槽の真空度は 7 x 10→ Torr で，照射中は 1 x 10‑8‑87‑

放射光第 6 巻第 4466(1993 年)

Torrであった。図 2 と 3 に磁極間ギャップが 30mm上では充分な精度で与えてくれることが確認できと 60mm の場合の測定値を舗で示す。いずれもリた。なお，測定値で -5mm 付近の値が殆ど 0 に近ング電流 300mA の場合に換算しである。実線はいが，Kim の式を使って得られた計算値である。ビーム

13.2mm の散乱光防止用の水冷マスクに入射光のサイズを考慮した場合にはこれより 5% ほど低く一部がかかっているためである。ちなみに，水平なる。パワー密度の最高値で -15% から -25% 測

方向の分布については，定値の方が低い。測定の誤差 -5% (4 象限スリッ内では大きく変化しなかったので詳しい測定は省

トの巾の設定に伴うもの)を考慮しでもこの差はし "t.こ。

これはユニットの上流にある縦 8mm 横このダイアフラムの範囲明白である。一方，鉛直方向の全範囲で測定しなかったので(時間不足のため)はっきりしたこと

3.
2 全強度測定は言えないが，半値巾は約 10% 広がっているとみ

最後に全強度測定について述べる。全強度とられる。両者の間のこのような差はビームサイズってもウィグラー光の全パワーを受けるわけではだけでは説明が難しく，銅の K 発光による損失のなく縦 8mm 横 13.2mm の水冷マスクを通過する光他にウィグラーの装置そのものの不完全性を反映について測定したものである。図 2 や図 3 からわかしているとも考えられる。今後の精密な測定によるように，縦方向は大部分の光を受けているが，る解明が必要であるが，ともあれ，今回紹介して横方向に関してはかなり切っていることになる。

いる簡便な方法でかなり正確に強度が測定できる

しかし通常の光学素子が受けるビームサイズもことがわかっていただけたと思う。一方，またこの程度であるので全強度と表現したわけであKim の式もアンジュレータ光のパワーを見積もるる。時期的にはこの測定の方が密度分布測定より(自N由\注)

4(刊日自\偉)・.
炉、炉、。ー‘網e...‘tIltIlaロ 4

ω2ω

白白-岡w山注。 ιウ印l阿ω注。内同O55O

Vertical Distance (mm)Vertical Distance (mm)Fig.
2 Powerdensit
ydistribut
ionofxωradiation fromthe B し 28 mu
lt
i
polew
igglerofthe Photon
Factorymeasureda
tadistanceo
f14.
1m forthemagnetgapo
f30 mm.Thesoli
dc
i
rcles
andthecurveshow, respectively, the meaｭ
sureddataandthosecalculate
dusingKim's
formula, both are normalized to a r
ingcurren
tof300mA.(FromRef.5)Fig.
3 Powerdensitydistribut
ionofx輔 radiation fromthe B し 28 mult
i
pol
ew
i
ggl
e
ro
ft
he Photon
Factorymeasureda
tadistanceo
f14.
1mforthemagnetgapo
t60 mm.Thesoli
dcircleshe mea
andthecurveshow , respectively , tsureddataandthosecalculate
dusin
gKim'sformula , both are normalized to a ringcurren
tof300mA.(FromRet.5)… 88-“放射光第 6 巻第 4 号

467(1993 年)

400
Sli
tof8.
0
X13.2mm2 at1
6.
3m

UMEL

">ノnunu

QUARTZTU~Eさ CHROMEL

Normalized 10 300mA司h，(注)む言。弘司 gnzs

AﾟSORﾟER

尚Fig.
4 Crosss
ectio
nofthep
hotocalorimetri
cdevice
fortotal power measuremen.
tInt
hebottomisshownaschematicdrawingo
fthethermoｭ
couplefixe
dinsidetherod.(FromRef.5)

早く行なったのであるが，後で見るように計算値との差が明白だったので，密度の測定にまで及ん

0o

200

Calculated Power (W)

Fig.
5 P
lotso
f measured powerversus calcu
latedpowerofradi
atio
nfromthemultipolew
igglerof BL‑28 ofthe Photon Factory, passing
f8.0X13.2 mm2 ata
through an ape 吋 ure odistanceo
f16.
3m, forthemagnetgapo
f30 ,45 , and 60 mm. Theyare normalized toaringcurrentof300mA.(FromRef.5)

だ次第である。この時用いたユニットの断面を図4 に示す。光吸収体の関口部は直径 4cm の円で，頂角 40。の円錐で，その肉厚は 12mm である。熱低い直線上にのっている。この値は先に述べた強伝導体は直径 30mm であり，2 つの熱電対を度分布の積分と誤差の範閣でよく一致している。

100mm 離して熔着した。また，熱伝導体の断面内また 3 つの測定値が原点を通る直線上にのることでの温度の一様性を確認するため，図 4 の挿入図

は磁極間ギャップが最小のときでも放射による熱のように別の l 組の熱電対の接点、を軸の中心に M2エネルギー損失の影響が微少であることを示唆しのねじで固定した。熱電対ケーフ、、ルは直径 2mm のている。

孔にお英細管で絶縁して通した。
測定は磁極間ギャッフが 30mm ，45mm ,4.

おわりに60mm の 3 つの場合について行なった。熱電対で測ここで紹介した熱量測定法が大強度放射光の強定した最高の温度はやはりギャップが 30mm のと度測定にかなり効果的であることがわかっていた

きで，リングの電流が 294.5mA のとき 195.1 C とだけたと思う。ビームラインの途中にベリリウム98.7 C を記録した。このときのパワーは 270.6Wやグラファイト窓，或は振り分けミラーがなけれに達する。定常状態になるまでに約 20 分かかっ

ば Kim の式で充分予測できるが，ある場合にはそた。上に述べた 1 組の熱電対で熱伝導体の中心とれらの効果を入れて計算しなければならない。し表面の温度の差を調べたところ，違ってもせいぜかしデータの不足もあって見積もりが必ずしもい 0 .4 oC で，軸に垂直な平面内では温度は一様で信頼できない時は測定してみる以外に方法は無あることが確かめられた。これは(1)式が厳密に適く，そのような時に本方法が威力を発揮するだろ用できることを保証している。図 5 に睡で測定結つ。

00果を示した。ここでは測定値を縦軸に，それに対この方法で短時間で精度の高い測定をしようと応する計算値を横軸にとった。計算値より -13%するなら，設計の段階で各部のサイズを充分検討‑89‑400放封光第 6 巻第 4 号‑168(1993年)

しておく必要がある。温度差 L1Tを大きくして精度にシールドを取り付けてヒータで加熱し温度差を上げるためには(1)式からもわかるように熱伝導ができるだけ小さくなるように制御することなど体を断面積を小さくして長くすれば良い。しかが挙げられる。

しこうすると定常状態に達するまでに時間がかかってしまうので問題である。むしろ，逆に太く謝辞

短くした方が吸収体の温度上昇も抑えることがで

本文で述べた測定は高エネノレギ…物理学研究所きるので良さそうである。予想される入射強度を放射光実験施設の前沢秀樹教授，浅間聖二技官と0予め見積もって，それに対して L1T が 10 C前後に協力して行なった。またウィグラ一光の強度計算なるように設計するのが適当であろう。太さと長は東北大学科学計測研究所大学院生後藤良民Ij君がさの関係で終端効果に影響されないように熱電対行なった。ここで深く感謝の意を表したい。の取り付け位置には注意するべきである。熱吸収体の形状についても一言付け加えたい。今回は製作の容易さを優先させて円錐形にしたが，空洞を文献形成することを考えれば，入口にビームの入射を1)例えば， A.K. Freund , G. Marrot , H. Kawata , S.
tJoksch , E.Ziegler, L.E.Berman , andJ.B.Hastings:

妨げない程度のダイアブラムはあった方が良いだRev.Sc Instrum.63 , 442(1 992) ，及び，同書中の文ろう。また，吸収体の肉厚は薄過ぎては硬い X 線は通過してしまうが，熱容量とのかねあいから必要以上には厚くしない方が良い。

献。

2) M.Yanagihara , M.Yamamoto , A.Arai , J.Cao , and1989).
T.Namioka:SPIEProceedingsVo 1. 984 , 228(3) M. Yanagihara , K. Mayama , S. Asaoka , and H.

本方法が使えるのは本稿の最初のところで述べ

Maezawa:SPIEProceedingsVo 1.1 739 , 615(1992)

たような条件を満足する場合であり，測定を試み4) M. Yanagihara , T. Maehara , S. Gunadi , M. Asano ,た PF BL-28 のマルチポールウィグラー光はちょ

andT.Namioka:Appl.Opt.31 , 972(1992).
5) M. Yanagihara , Y. Goto , S. Asaoka , H. Maezawa ,うどこの条件にあてはまる光源であった。しかandH.Sugawara:SPIEProceedingsVol. 1739 , 282

し放射光スペクトルがず、っと高エネルギー側に(1992).

シフトする光源ではそのまま透過してしまう硬 X6)K.Kim:Nuc.Instrum.MethodsA246 , 67(1986).
7) 詳細は北村英男教授(高エ研)にお尋ねください

線成分の割合が問題になるであろうし低エネル
ギ一光源では反射損失が無視できない真空紫外光や可視光の占める割合が問題になるであろう。前(フ。ログラム名: SRCP) 。

8)H.‑
1. Hagemann , W. Gudat , andC
. Kunz: DESYｭ
974.
rep.SR ヴ 4/7 May1d. Thermophysical P
ropertiesof9)Y.S. Toulokian , e

者については光吸収体の肉厚を惇くし，後者につHigh Temperature Solid Materials (Macmillan ,いては光吸収体の内面を粗く，できれば黒く仕上

1967).

げて反射損失を抑えるなどの工夫が必要である。

.Crasemann:Phys.
10)V.O. Kostroun , M. Chen , andB
Rev
.A3 , 533(1971)

また，そもそも本方法は大強度光に対して用いる.Kamiya , H.Kobayakawa , T.Koide ,11)H.Kitamura , Y

ことを前提としており，強度の弱い光に対して用M.Kihara , andM.Kobayashi:KEKRep.89-24 , 297

いるには感度を上げる工夫が必要である。例え(1990).
12)S. Asaoka , H. Maezawa , Y. Kamiya , and M.

ば，吸収体からの放射熱損失を防ぐために，周りYanagihara:Rev.Sci.Instrum.63 , 473(1992)-90 ー