フレネルゾーンプレートを用いた高分解能
ビームプロファイルモニタの開発
中村典雄
阪井寛志
武藤俊哉
早野仁司

東京大学物性研究所附属軌道放射物性研究施設〒2778581 千葉県柏市柏の葉 515東京大学物性研究所附属軌道放射物性研究施設〒2778581 千葉県柏市柏の葉 515高エネルギー加速器研究機構〒3050801 茨城県つくば市大穂 11

高エネルギー加速器研究機構〒3050801 茨城県つくば市大穂 11

要旨
本稿では，フレネルゾーンプレートを用いた高分解能でリアルタイム性のある電子ビームプロファイルモニタについて紹介する。このモニタは，2 つのゾーンプレートで構成される X 線結像光学系を基本とするシステムであり，電子ビー
ムからの放射光をシリコン結晶分光器によって単色化し，電子ビーム像を 2 つのゾーンプレートによって拡大集光して X 線 CCD カメラによって検出する。KEK ATF ダンピングリングに建設されたビームプロファイルモニタは，単色化された3.235 keV の X 線に対して X 線結像光学系の拡大率が20倍で，空間分解能はガウス分布でサブミクロンレベルになるように設計されている。このモニタによって，高品質な 2 次元電子ビーム像を検出して10 mm 以下の極小ビーム
プロファイルを測定することに成功した。今後，高輝度放射光源や低エミッタンス加速器の常時モニタとしての利用が大いに期待される。

.

はじめに短波長の放射光成分を用いてプロファイル測定を行うこと

電子ビームプロファイル（ビームサイズ情報も含む）はは自然の流れである。新しい X 線光学素子の 1 つとして電子ビームのエミッタンス，運動量広がり及び光源の輝度注目されているフレネルゾーンプレート4)（Fresnel Zoneと関連する重要なパラメータで，その測定は電子ビームのPlate: FZP）は，数 keV の X 線に対しても0.1 mm 程度の位置や電流の測定と共に加速器内でのビームの状態を診断

最外郭ゾーン幅を持ち，理論値に近い回折効率で集光する

する上で不可欠なものである。特に近年の低エミッタンス

ことができる5)。ゾーンプレートを用いたビームプロファ

化された光源加速器では，高い空間分解能を持つビームプ

イル測定は APS において最初に試みられている6) 。しかロファイルモニタが要求されている。

し，1 枚のゾーンプレートによる縮小光学系を用いたため加速器内の電子ビームのプロファイル測定は，電子ビーに検出器に過度の空間分解能が要求され，X 線 CCD など

ムからの放射光の可視光部を光学系で結像させて行うことのリアルタイム性のある 2 次元検出器を利用することががこれまでの主流であった。しかし，最近の低エミッタン

不可能であった。そのために可動式のナイフエッジと 1

ス加速器では，可視光の回折限界のために垂直方向はもち次元半導体検出器を組み合わせた検出部をスキャンする必

ろん水平方向のビームサイズも測定不可能となりつつあ

要があり，プロファイルを取得するのに長い時間を要しる。電子ビームの軌道上に設けた蛍光板やワイヤーを用いた。屈折型レンズをゾーンプレートの代わりに用いた測定てビームプロファイルを測る方法もあるが，電子ビームそが ESRF で行われたが，同様な欠点を持っていた7)。

のものを破壊してしまう。最近では，破壊性を緩和する意

このような欠点を解消するために，我々は，ゾーンプ

味もあってレーザーと電子ビームのコンプトン散乱を利用

レートを 2 枚とする拡大結像光学系を用い，電子ビーム

してビームサイズやプロファイルを測定するモニタが高エ

像を数十倍に拡大することで 2 次元像をリアルタイムにネルギー物理学用加速器において開発されているが1,2) ，測定するモニタシステムを提案した8)。この電子ビームプ

高いビームの安定性が要求される光源加速器ではビーム電

ロファイルモニタは， 2 枚のゾーンプレートの他に X 線

流や寿命の減少が生じるために運転中の常時モニタとしてを単色化してエネルギー収差を消すための結晶分光器，2使用することは困難である。加えて，レーザーもしくは電次元電子ビーム像を検出する X 線 CCD から構成され，次子ビームをスキャンするために長い測定時間を要してしまのような特長を有する。

う。一方，放射光可視光の干渉を利用してビームサイズを

測定する方法が提案され3)，いくつかの加速器に設置され小さく高分解能である。

ている。しかし，ビーム形状を仮定する必要があり，得られるビームの情報も限られる。



回折限界を下げるために可視光ではなく X 線などより

X 線領域を使うので，可視光に比べて回折限界が放射光を用いるので，完全な非破壊測定を行える。

2 次元電子ビーム像を直接観測できる。ビームプロ
ファイル（ビームサイズを含む）はもちろん，ビーム

220 ● July 2004 Vol.17 No.4
(C) 2004 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

実験技術 ■ フレネルゾーンプレートを用いた高分解能ビームプロファイルモニタの開発

位置，ビームの傾きなども高分解能で測定可能である。


リアルタイム性がある。測定時間が短く，短時間（ミリ秒オーダー）に変動している電子ビームの測定にも有効である。
加えて，今後のナノテクノロジーの発展によって，分解能の点で大きな改善の可能性を秘めている。近年，KEK のATF ダンピングリングにおいてこのモニタを建設し，それを用いたビームプロファイルの測定を行っている9,10)。
このモニタが設置された ATF ダンピングリングはリニア

Figure 1. X-ray imaging optics with two Fresnel zone plates (CZPand MZP).

コライダー用に超低エミッタンスビームを生成するためのリングで光源のような蓄積リングとは目的が異なるものであるが，世界最小のエミッタンスを有しているために，こZone Plate）で MCZP 倍になって集光され，次のゾーンプの種のモニタの開発及びビームサイズ測定の性能評価にはレート（MZP: Micro Zone Plate）で MMZP 倍になって最適な装置と言える。ここでは，このビームプロファイル

CCD 上で結像される。この光学系の全体の拡大率 M は，それぞれのゾーンプレートの拡大率の積 M＝MCZP×MMZP

モニタとその開発状況について紹介する。

である。光源からの X 線がゾーンプレートに一様に照射.

される場合， CZP の分解能 dCZP は， X 線の波長 l ，焦点原理

距離 fC ， CZP の半径 rN, C と最外郭ゾーン幅 DrN, C を用い

. ゾーンプレート
ゾーンプレートは透明，不透明の輪帯（ゾーン）が交互て，に組み合わされたもので，n 番目のゾーンの半径は次のよ

dCZP＝1.22DrN, C＝0.61lfC/rN, C

うに表される。

rn＝ nfl(1)(4 )と書ける。モニタの光学系の分解能 d0 は，これを光源点での分解能に換算して，

ここで，l は対象とする X 線の波長であり，f はその焦点距離である。ゾーンプレートはこの波長と焦点距離に基づいて製作されることになる。ゾーンプレートの空間分解能

d0＝dCZP/MCZP＝1.22

D rN , C
lfC
＝0.61
MCZP
rN, C MCP

(5 )d は，点光源からの光がゾーンプレートによって集光されて作られる像の大きさ（ぼけ）を意味し，このゾーンプレーである。MZP の分解能への影響は， dCZP ＞dMZP /MMZP とト上に一様に照射されるとすると，いう条件が満足されていれば無視できる。
対象とする X 線が偏向電磁石からの放射光とすると，

d＝1.22DrN(2)

高い指向性のために必ずしもゾーンプレート上を一様に照射するとは限らない。この場合， X 線の角度分布は次のと表わすことができる。ここで， N は最大ゾーン数を意

幅 sSR [ rad ］（標準偏差）を持つガウス分布で近似的でき

味し， DrN は最外郭ゾーン幅で， N≫1 で次のような関係

る11)。

がある。

sSR＝0.289×10－3 (ec/eph)0.425/Ee
DrN＝fl/2rN＝

1
2

lf
N

(3)

(6 )

ここで， ec [ keV ] は光子の臨界エネルギー， eph [ keV ] は
光子エネルギー， Ee [ GeV ] は電子ビームエネルギーであ点源の像分布はエアリーパターン（Airy Pattern）としてる。通常は，電子ビームの発散角はこれに比べて無視でき知られており，その第 1 暗環の半径を像の大きさとしてる。今， Fig. 1 のように光源から距離 LC1 に CZP が置か

定義している。この暗環の半径は，ガウス分布で標準偏差れた時に，rN, C ＜LC1sSR の場合には X 線は CZP 上でほぼの約 3 倍（3s）に相当する。

一様な照射となり 分解能は式(5)で近似的に与えられて最. X 線結像光学系

外郭ゾーン幅 DrN, C と拡大率 MCZP のみで決まる。 rN, C ＞

ここではビームプロファイルモニタの 2 枚のゾーンプ

LC1sSR の場合は一様とは言えなくなり， r eff
N, C ≡ L C1sSR でレートで構成される結像光学系の基本的性質について述べ定義される実効的なゾーンプレートの半径を考えて，（5)る。Fig. 1 にその結像光学系を示す。光源（電子ビーム）式の rN, C 代わりに代入すると，空間分解能 d0[mm] は，から の X 線 は 最 初の ゾ ー ン プ レー ト （ CZP: Condenser

July 2004 Vol.17 No.4 ● 221

Table 1.

d0 ＝－0.575 － 0.425
ph
c

2.62e
e
1＋MCZP

Ee(7)となる。MCZP が一定あるいは 1 に比べて無視できるくら0.575に比例し，光子のエネル
い小さい場合，分解能は e－ph

ギーが高いと分解能が良くなる。より精確には波動光学的な計算を行って分解能を求める必要がある。

Speciˆcations of optical elements

Fresnel zone plate

モニタシステム. システムの配置と構成

Fig. 2 に，ATF ダンピングリングに建設したモニタシ

6444

146

RadiusOutermost zone width1.5(1.26a) mm116(138b) nm

37.3 mm
128 nm

0.91 m
MCZP＝0.1

24.9 mm
MMZP＝200

Focal length
Magniˆcation
Monochromator

Crystal lattice plane
Lattice spacing
Bragg angle uB

ステムの配置及び写真を示す。前節でも述べたように，こX-ray CCD cameraのシステムは，放射光を単色化して色収差の影響を抑える

CCD

シリコン結晶分光器， X 線結像光学系を構成する 2 つのQuantum e‹ciency

ゾーンプレート（ MZP ，CZP ），2 次元電子ビーム像を検EŠective area
No. of pixels

出する X 線 CCD カメラによって主に構成される。 Table

Pixel size

1 に，これら主要光学機器のパラメータを示す。その他，
超高真空であるリングの真空とビームライン側の真空を切

MZP

Total number of zones

Spectral resolution

.

CZP

5.6×10－5
Si(220)0.192 nm
86.35°

Back-thinned illuminated type＞90＠3.235 keV
12.29×12.29 mm
512×51224 mm×24 mm

aThe eŠective radius of the CZP deˆned by r eff ≡L s .
N, C
C1 SR
bThe zone width at the eŠective radius of the CZP.

り離すために50 mm 厚のベリリウム窓，光軸位置調整のために X 線用蛍光板モニタが配置されている。モニタビー
ムラインの真空度は，X 線 CCD 上での水の結露と大気による X 線の吸収を防ぐために10－5 Torr 以下に抑えられて

3.2

主要光学機器2 つの FZP は共に 0.2 mm 厚の SiN の基板の上に 0.8 mm
厚の X 線の吸収体である Ta を被せて作られている。そいる。

KEK ATF ダンピングリングは周長 138.6 m で 36 台の

れぞ れの SEM 画像 を Fig. 3 に示す 。 CZP と MZP は，

偏向電磁石を含む 2 つのアーク部と 2 つの長直線部を持Fig. 1 のように X 線結像光学系を構成し，それぞれの拡

つレーストラック型のリングで，電子エネルギー Ee ＝

大率は MCZP ＝ 0.1, MMZP ＝200 になるように設計配置さ1.28 [ GeV ] に対してエミッタンスは約 1 nmrad である。

れていて（LC1＝10 m, LC2＝1 m, LM1＝0.025 m, LM2＝5

このモニタビームラインでは放射光を長直線部直前の磁場m ），結像系全体としては 20 倍の拡大率になっている。結B ＝ 0.748 [ T ] を持つ偏向電磁石（ BH1R.27 ）から取り出

像系の分解能 d0 は， 3.235 keV の X 線に対して約 1.7 mm

し て い る 。 こ の 放 射 光 の 臨 界 エ ネ ル ギ ー は ec ＝ 0.816

で，ガウス分布の標準偏差 s0 ＝ 0.6 mm に相当する。各[keV ] で，数 keV を越えると光子フラックスが急激に減

ゾーンプレートはベローズで挟まれ，可動ステージとステ少する。我々は，モニタビームラインの使用可能スペー

ッピングモータによって CZP は X 及び Y 方向に， MZPス，光学系の空間分解能，光子フラックス，分光結晶面なは X, Y 及び Z 方向にそれぞれ独立に動かすことができる。

どを考慮して，X 線のエネルギーを eph＝3.235[keV] に設

分光器は，色収差の影響を抑えるために 8 × 10－4 以下定した。

のエネルギー分解能と使用可能なスペースの制限から高角

Figure 2. (a) Layout of the beam proˆle monitor at the KEKATF damping ring and (b) the photograph of the monitor beamline from the CZP holder to the X-ray CCD camera.

222 ● July 2004 Vol.17 No.4

実験技術 ■ フレネルゾーンプレートを用いた高分解能ビームプロファイルモニタの開発

最後に CCD を設置した。その際，X 線蛍光板モニタ上でのレーザーの位置を記録しておき，ビームを用いたアライ
メントを行う時に使用した。ビームを用いたアライメント
は，当初はこの X 線蛍光板モニタと X 線 CCD を使って調整を行っていたが，現在では X 線 CCD のみでより精密なア ライメントが可能 になっている。 FZP 用 ホルダー
は，建設最初は FZP の位置を光軸上に完全に固定するタ
イプのものであったので， FZP を設置してしまうとその前での X 線ビームの状態が CCD ではわからなかった。そFigure 3. SEM (Scanning Electron Microscope) images of the
FZPs. (a) the center zones of the MZP and (b) outer zones of the
CZP.

の後， FZP を真空中で上下に移動できるホルダーに改造した結果，結晶分光器， CZP ， MZP と順次各光学装置からの X 線ビームを X 線 CCD によって観測することができ，精度の高いアライメントを実現している。例えば，なブラッグ角が要求され，この条件を満たすために，ブラCZP と光軸のアライメントは， CZP をわずかに透過する

ッグ角 86.35 度で 5.6 × 10－5 のエネルギー分解能を持つ Si

X 線成分（円形状）の中心位置と結晶分光器からの X 線(220 )面の 1 結晶分光器を用いている。シリコン結晶は，ビーム位置（光軸）を利用して X 線 CCD の 1 ピクセル

ゴニオメータとパルスモータによって遠隔よりそれぞれ水（ 24 mm ）程度の精度で行うことができ， MZP では電子

平垂直方向に角度調整ができる。当初はパルスモータ稼

ビーム像の中心を先ほどの光軸位置に合わせることで原理

働時の熱による結晶面の角度ドリフトが顕著であったが，的には 1 ピクセルの1/200（拡大率の逆数）程度の精度で現在ではセラミックによるモータとの熱的絶縁と冷却水にアライメントが可能である。一方，ゾーンプレートの軸とよるモータの間接冷却を行ってドリフトを抑えることに成

光軸との角度誤差は，水準器と機械加工精度によって決ま功している。

以内には抑えられている。こっているが，大きくても0.5°

X 線 CCD カ メ ラ は ， 選 択 し た 光 子 エ ネ ル ギ ー 3.235

こで詳しく述べることは紙面の都合もあってできないが，

keV に対して量子効率 90 以上を持つ背面照射型の CCD

光軸からの位置のずれや角度の誤差による影響は幾何光学を内蔵している。この CCD は，約1.2 cm ×1.2 cm の有効的にも波動光学的にも計算されていて，現状の誤差であれ面積を持ち，その中に 24 mm の解像度を持つピクセルがば問題がない（分解能に大きく影響しない）ことがわかっ

512 × 512 存在する。光学系の拡大率が 20 倍なので， 1 ピている。

クセルの半幅は光源点で換算すると 0.6 mm に対応し，光学系の分解能にほぼ等しい。 CCD はペルチェ素子によっ.

て－ 50 度まで冷却され，低雑音を実現している。カメラ

. ビームプロファイル測定

測定

自身の最小露光時間は 20 ms で， CCD データは最大 7 フ

建設後最初の測定は平成 14 年 5 月から行われ，光軸調

レーム/秒で転送される。フルフレーム転送なので，メカ整とゾーンプレートで集光された電子ビーム像の探索を行

ニカルシャッター（最小露光時間 6 ms ）との同期によっった結果，X 線 CCD 上で電子ビーム像を捉えることがでてデータ転 送中の X 線を除くよう になっている 。 X 線

きた。像を水平垂直各方向に投影したビームプロファイ

CCD カメラは内部クロックの他に外部信号と同期をとっルをガウス分布にフィットすることによって，ビームサイて測定することができる。
これら主要光学機器はすべて振動の影響を考慮して，御ズ（ガウス分布 1s）を測定することができる。その際，MZP による Z 方向の位置調整によってビームサイズが最影石の架台の上に設置されている。機器の制御はその直上小となる位置（焦点）を探して， CCD 上に焦点が来るよにあるハッチ内のコンピュータによって行っている。最近，

うに調整する。 CCD のバックグラウンドは，主に読み出

X 線 CCD カメラの制御を ATF のコントロール室から遠し ノ イ ズ と MZP を 透 過 す る X 線 で ， 共 に 信 号 で あ る

隔操作できるように制御系の増強を行い，加速器本体の制ビーム像のカウント数に比べて小さい。読み出しノイズは御と有機的にリンクさせながら常時モニタとしてビームプ

CCD 上でほぼ一様であるが，透過 X 線は CCD 上でそのロファイル測定を行うことが可能になりつつある。

基板の形状を反映した約 3 mm × 3 mm の正方形となって

. アライメント

現れる。この透過 X 線の影響を除くために，通常は MZP

最初の光学機器設置では，まずリング側の基準を用いての位置を少し動かすことでビーム像と透過 X 線が重なら放射光軸を決めて，それを基準にレーザー付きセオドライ

ないようにしている。あるいは， MZP の位置を X （またトを CCD 設置位置に置いて，放射光軸をレーザーで模擬は Y ） 方 向 へ 数 十 mm 移 動 さ せ る こ と で ， ビ ー ム 像 をした。分光結晶を所定の角度にして設置した後， 2 つのCCD 上からはずした画像を取得し，それをバックグラウ

ゾーンプレートも同様にレーザーでアライメントを行い，ンドとして差し引いている。MZP の移動によって，ビー

July 2004 Vol.17 No.4 ● 223

Figure 4. (a) Electron beam image observed by the beam proˆle monitor. The horizontal and vertical white bars correspond to 50 mm at the source point. (b) Horizontal and (c) vertical beam proˆles with their ˆtted Gaussian curves.

ム像はその 200 倍動くが，透過 X 線成分は CCD1 2 ピク
セル程度しか変化しないためにそれが可能になっている。
なお，最近 CZP の焦点付近にピンホール型の X 線マスクを設置することで，透過 X 線によるバックグラウンドを1/ 100 程度まで低減することに成功している。 Fig. 4 に得られた電子ビーム像と電子ビームプロファイル（サイズ）の測定例を示す。はっきりとした 2 次元電子ビーム像が得られ，そのプロファイルはガウス分布に良く合うことがわかる。
ダンピングリングは超低エミッタンスリングであるため，エミッタンスや運動量幅はバンチ内散乱（ intrabeamscattering ）の影響を強く受けており，ビームサイズはバンチ電流に依存し，カップリングや軌道の状態等にも敏感である。ビームサイズの intrabeam scattering によるバン
チ電流依存性とスキュー四極磁場成分を持つ補正コイル（六極電磁石 SD, SF に巻かれているコイル）によるカップリング依存性の測定結果を Fig. 5 に示す。観測した光源点での intrabeam scattering の影響は，特に運動量幅の増加が分散関数を通じて水平方向に大きな影響を与えていることがわかった。また，スキュー四極磁場によって水平垂直方向のエミッタンスカップリングが変化し，ビーム
サイズが水平垂直で逆に変化していることも観測された。
ビームプロファイル測定を通じて，その他のビームあるいは加速器のパラメータを測定することも可能である。例
えば，入射のタイミング信号と同期したビームプロファイ

Figure 5. Measured current dependences of the horizontal and vertical beam sizes for four emittance-coupling states: ``SD-on and SFon'', ``SD-on and SF-oŠ'', ``SD-oŠ and SF-oŠ'' and ``SD-reverse
and SF-oŠ''. The emittance coupling is changed by skew-quadrupole
coils wound on two kinds of sextupole magnets, SD and SF. Fourbeam images corresponding to the four states are also shown.

ル測定を行うことで，放射減衰時間をもとめることができる。 Fig. 6 は，垂直方向のビームサイズを入射後の時間

し，その変位の比から拡大率を求めることができる。測定の関数として測定した結果を示す。 Fig. 6 より，時間と例を Fig. 7 (a)に示す。結像系全体の拡大率は20.6で，設ともにビームが放射減衰しビームサイズが小さくなってい計値と矛盾しない。また，同じ時期に MZP の拡大率を測く様子がわかる。測定から得られた放射減衰時間は約 25定した結果を Fig. 7 ( b )に示す。これは， MZP を X （あmsで，設計値とほぼ一致していることがわかった。

るいは Y ）方向に動かしながら，ビーム像の位置の変化

. 拡大率の測定を測定して，その傾きから拡大率を求めている。測定されビームプロファイル測定と並行して， X 線結像光学系

た MZP の拡大率は 206 で，全体の拡大率 20.6 とから CZPの拡大率の測定も行っている。RF 周波数を変えながら，の拡大率は 0.10 となり， CZP ， MZP 共にほぼ設計通りのビーム像及び光源（電子ビーム）の X 方向の位置を測定

拡大率であることが確認された。

224 ● July 2004 Vol.17 No.4

実験技術 ■ フレネルゾーンプレートを用いた高分解能ビームプロファイルモニタの開発

これまでに測定された垂直方向の最小サイズは 7 mm 以下
であり，このビームプロファイルモニタの高い分解能を示
す結果となった。また，蓄積電流が数 mA 程度にもかかわらず，露光時間 20 ms での測定を十分な S / N で行うことができ，リアルタイム性も兼ね備えたモニタリングが実現できることを確認できた。非破壊型であるこのモニタは，放射光源の運転における常時モニタとして十分に威力を発揮するものと期待できる。現在， KEK ATF のコン
トロール室からのリモート制御が可能になりつつあり，実際の運転で常時モニタとして長期的に試験されることにな
ろう。
今後の課題の 1 つは，さらに分解能を高めるために考慮 すべ き問 題を 洗い出 すこ とで ある 。 X 線用 ゾーン プ
レートの加工精度以外に分解能に影響を与える要因についFigure 6. Time dependence of the measured vertical beam size after the injection from the injector linac to the damping ring. The
radiation damping time is obtained by ˆtting the measured data (redsquares) to an exponential curve (green line). Three beam images atthree diŠerent times are also shown.

て十分に研究を重ねておく必要がある。既に述べたように，アライメント誤差による収差やゾーンプレートの振動の影響については現在評価が行われている。今後は，その他のパラメータや光学機器の影響についても理論的あるいは実験的に評価していく予定である。この研究は，第 3世代放射光源はもちろんであるが，さらなる低エミッタン
ス加速器や次世代の放射光源におけるビームプロファイル
モニタの設計に対して 1 つの指針になるものと期待している。
謝辞
このモニタは，第 3 世代の極紫外軟 X 線高輝度光源のビームプロファイル測定を目的として提案したもので，
その後開発のために KEK ATF での建設へとつながった。本稿の内容は，東京大学物性研究所附属軌道放射物性研究施設のグループと高エネルギー加速器研究機構（KEK）との共同開発研究になっている。物性研究所からは 2 年に渡る所長裁量経費を含めた支援を受け，高エネ
ルギー加速器研究機構からは平成 13 年度から現在まで共
同開発課題として採択されている。モニタの立ち上げ時には，私の研究室の大学院生である飯田健介君（現ソニー）
が中心となり，修士論文にもなった。現在までに，我々の他に高木宏之氏，藤沢正美氏，篠江憲治氏，工藤博文氏，田中猛夫氏が物性研から参加している。また，軌道放射物性研究施設の柿崎明人施設長にもさまざまな面で御支援をFigure 7. (a) Relation between the horizontal beam position at the
SR source point and the horizontal position of the beam image on
the X-ray CCD. (b) Relation between the horizontal beam positionof the MZP and the horizontal position of the beam image on the Xray CCD. Magniˆcations of the imaging optics and the MZP are obtained by ˆtting the measured data (solid squares) to straight lines.

いただいた。KEK では，物質構造科学研究所の野村昌治
主幹に参加していただき，結晶分光器の設計製作を担当していただいた。神谷幸秀加速器研究施設長には物性研究
所時代はもちろんであるが， KEK においても多大な御支援をいただいた。また， KEK ATF グループの方々に様々な面で御協力いただいた。東京大学新領域創成科学研究

.

まとめ

科の雨宮慶幸氏，理研の小関忠氏，東芝の青木延忠氏，中ゾーンプレートを基本とする X 線結像光学系を用いた

山光一氏にも設計当初から多くの助言と協力をいただい

高分解能電子ビームプロファイルモニタを KEK ATF にた。ここに，改めて感謝する次第である。最後に，本研究建設し，2 次元電子ビーム像を観測することに成功した。

が平成 16 年度の科学研究費補助金（基盤研究）に採択さJuly 2004 Vol.17 No.4 ● 225

れたことをご報告して，本稿を終わらせていただく。
7)

参考文献
1)
2)

3)
4)

5)
6)

T. Shintake: Nucl. Instrum. and Meth. A311, 453 (1992).
H. Sakai, Y. Honda, N. Sasao, S. Araki, Y. Higashi, T. Okugi, T. Taniguchi, J. Urakawa and M. Takano: Phys. Rev.
Special Topics-Accelerators and Beams 4, 022801 (2001).
T. Mitsuhashi: Proceedings of the 1997 Particle Accelerator
Conference, Vancouver, 766 (1997).
J. Ojeda-Castaneda and C. Gomez-Reino (editors), B. J.
Thomson (general editor): Selected Papers on Zone Plates,(SPIE Optical Engineering Press, 1996).
A. Ozawa, T. Tamamura, T. Ishii, H. Yoshihara and T.
Kagoshima: Microelectronic Engineering 35, 525 (1997).
Z. Cai, B. Lai, W. Yun, E. Gluskin, D. Legnini, P. Ilinski, E.
Trakhtenberg, S. Xu, W. Rodrigues and H. Lee: Proceedings of the tenth US National Conference on Synchrotron
Radiation Instrumentation: AIP Conference Proceedings

8)

9)

10)

11)

417, American Institute of Physics, New York, 101 (1997).
T. Weitkamp, O. Chubar, M. Drakopoulos, I. Snigireva, A.
Snigirev, C. Schroer, F. Guenzler and B. Lengeler: Proceedings of the 7th European Particle Accelerator Conference,
Vienna, 1824 (2000).
N. Nakamura, Y. Kamiya, T. Koseki, H. Takaki, N. Aoki
and K. Nakayama: Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, 1628 (2001).
K. Iida, N. Nakamura, H. Sakai, K. Shinoe, H. Takaki, M.
Fujisawa, H. Hayano, M. Nomura, Y. Kamiya, T. Koseki, Y.
Amemiya, N. Aoki and K. Nakayama: Nucl. Instrum. andMeth. A506, 41 (2003).
N. Nakamura, H. Sakai, K. Iida, K. Shinoe, H. Takaki, M.
Fujisawa, H. Hayano, T. Muto, M. Nomura, Y. Kamiya, T.
Koseki, Y. Amemiya, N. Aoki and K. Nakayama: Proceedings of the 8th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation: AIP Conference Proceedings 705,
San Francisco, 545 (2003).
G. K. Green: BNL50552 (1976).

著者紹介

中村典雄

阪井寛志

東京大学物性研究所附属軌道放射物性

東京大学物性研究所 軌道放射物性研

研究施設助教授

究施設助手E-mail: nakamura＠issp.u-tokyo.ac.jp

E-mail: hrsakai＠issp.u-tokyo.ac.jp

専門加速器科学，ビーム物理，放射専門加速器物理，ビーム物理

光科学
略歴

略歴

東京大学大学院理学系研究科（物理学専攻）博士課程修了，

京都大学理学研究科博士後期課程修了，理学博士。高エネ

理学博士。その後，高エネルギー物理学研究所（現高エネ

ルギー加速器研究機構，非常勤講師の後， 2002 年に東京

ルギー加速器研究機構）放射光実験施設光源研究系助手。

大学物性研究所軌道放射物性研究施設助手となり，現在

その間， 1993 年に文部省長期在外研究員としてイタリアに至る。専門は加速器，特に本実験を含め，現在まで様々の ト リ エ ス テ に 10 か 月 間 滞 在 し ， 第 3 世 代 放 射 光 源

なビームモニタ開発に従事している。また，全国規模で設ELETTRA のある Sincrotrone Trieste で共同研究を行う。

計が進められている極紫外軟 X 線高輝度光源計画に従1996 年より現職。東京大学物性研究所では，極紫外軟事し，入射器真空の設計開発をメインに行っている。

X 線放射光源計画の光源加速器に関する設計や開発研究に従事している。本研究もその中から生まれた成果の 1つである。

226 ● July 2004 Vol.17 No.4

実験技術 ■ フレネルゾーンプレートを用いた高分解能ビームプロファイルモニタの開発

武藤俊哉

早野仁司

高エネルギー加速器研究機構 加速器

高エネルギー加速器研究機構 加速器

研究施設 学術振興会特別研究員

研究施設

E-mail: tmuto＠post.kek.jp

総合研究大学院大学 高エネルギー加専門加速器物理，ビーム物理

速器科学研究科助教授
併任助教授

E-mail: hitoshi.hayano＠kek.jp
略歴

専門加速器科学（ビーム計測，ビーム制御）

東京都立大学大学院理学研究科博士課程修了後， 2003 年

略歴

に日本学術振興会の特別研究員（PD）として高エネルギー

東北大学大学院理学研究科終了後すぐに高エネルギー物理

加速器研究機構で研究に従事，現在に至る。主にビームモ学研究所に助手として入所，トリスタン加速器の高周波加ニターの開発研究を行っており，現在本実験のほか回折輻速制御部分の開発と建設に従事した。加速器完成後はビー射を用いた非破壊的ビームモニターの開発を行っている。

ム開発グループに属し，衝突ルミノシティー向上のためのビーム調整に専念した。トリスタンを越える LEP が始動
後は，さらなるエネルギーフロンティアを目指すリニアー
コライダーの開発に専念，そのなかで超低エミッタンス加速器の実証を行う ATF の建設とビーム開発を行って来た。エミッタンス実証に欠かせない高精度ビームモニターの開発に従事している。

Development of a high-resolution electron-beam proˆle monitor using
Fresnel zone plates
Norio NAKAMURA Synchrotron Radiation Laboratory, Institute for Solid State Physics, University of Tokyo,
Hiroshi SAKAI
Toshiya MUTO
Hitoshi HAYANO

515 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 2778581, Japan
Synchrotron Radiation Laboratory, Institute for Solid State Physics, University of Tokyo,
515 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 2778581, Japan
High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
11 Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801, Japan
High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
11 Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801, Japan

Abstract
We present a high-resolution and real-time beam proˆle monitor using Fresnel zone plates (FZPs) developed in
the KEKATF damping ring. The monitor system has an X-ray imaging optics with two FZPs. In this monitor, thesynchrotron radiation from the electron beam at the bending magnet is monochromatized by a crystal monochromator and the transverse electron beam image is twenty-times magniˆed by the two FZPs and detected on an Xray CCD camera. The expected spatial resolution for the selected photon energy of 3.235 keV is less than 1 mm.
With the beam proˆle monitor, we succeeded in obtaining a clear electron-beam image and measuring the extremely small beam size less than 10 mm. It is greatly expected that the beam proˆle monitor will be used in high-brilliance light sources and low-emittance accelerators.

July 2004 Vol.17 No.4 ● 227