JPH0782919B2 - Excitation method of electron accelerator - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子の加速と蓄積の機能を合わせ有した電子加
速器に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electron accelerator having a function of accelerating and accumulating electrons.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

高エネルギー物理学の分野においては、素粒子研究にお
ける衝突実験などに供することを目的として、高エネル
ギーに加速された電子を一定のエネルギー状態で長時間
蓄積しておくための電子蓄積リングが開発されてきた。
電子蓄積リングの中を高エネルギー電子が円運動する
と、シンクロトロン放射光（以下「SOR光」と略称す
る）と呼ばれる強力な連続スペクトル光が放射される。
SOR光のスペクトル分布は、真空紫外域から軟Ｘ線領域
にわたっている。従来これらの波長領域では強力な連続
光を得るのが困難とされていたが、SOR光の出現によっ
て、Ｘ線リソグラフィや分光学等の研究が大きく進展し
た。現在では、SOR光を利用することを主目的とした電
子蓄積リングも開発されている。In the field of high energy physics, an electron storage ring has been developed to store electrons accelerated to high energy in a constant energy state for a long time for the purpose of being used in collision experiments in elementary particle research. Came.
When a high-energy electron moves circularly in the electron storage ring, a strong continuous spectrum light called synchrotron radiation (hereinafter abbreviated as "SOR light") is emitted.
The spectral distribution of SOR light extends from the vacuum ultraviolet region to the soft X-ray region. In the past, it has been difficult to obtain strong continuous light in these wavelength regions, but with the advent of SOR light, research such as X-ray lithography and spectroscopy has made great progress. At present, an electron storage ring has been developed mainly for the purpose of utilizing SOR light.

従来のＸ線リソグラフィにおいては、マスク全面にわた
って垂直にＸ線束を入射させうるＸ線源を実現できず、
半影ぼけによる解像度の低下が重大な問題とされてい
た。このため、強度が従来のＸ線よりも高くしかもきわ
めて指向性にすぐれたSOR光は、超LSIに代表される半導
体デバイスの製造等を適用対象とするＸ線リソグラフィ
の次世代技術として大いに期待されている。In conventional X-ray lithography, an X-ray source capable of vertically injecting an X-ray flux over the entire mask surface cannot be realized,
The reduction in resolution due to penumbra has been a serious problem. For this reason, SOR light, which has higher intensity than conventional X-rays and has extremely excellent directivity, is highly expected as a next-generation technology of X-ray lithography that is applied to the manufacture of semiconductor devices represented by VLSI. ing.

これまで開発されてきたSOR光利用のための電子蓄積リ
ングの大部分は、別に用意された加速器によって目的と
する最終エネルギーまで電子を加速したのち、最終エネ
ルギーの電子を電子蓄積リングに入射する方式をとって
いた。この方式において、加速器は電子蓄積リングに高
エネルギー電子を入射するための入射器として機能する
だけであり、実際の稼働時間は、電子蓄積リングに比較
するときわめて短い。しかも、電子の最終エネルギーが
高くなるほど、そのエネルギーまで電子を加速するため
の加速器は規模が大きくなり、開発コストも必然的に上
昇していく。このように加速機能を分離した電子蓄積リ
ングには、電子を高エネルギーまで加速するための加速
器を必要とし、そのような加速器は利用効率が低く、広
い床面積を占有し、しかも高価であるという欠点を有し
ていた。Most of the electron storage rings for SOR light development that have been developed so far are a method in which electrons are accelerated to the target final energy by a separately prepared accelerator and then the electrons of the final energy are injected into the electron storage ring. Was taking. In this method, the accelerator only functions as an injector for injecting high-energy electrons into the electron storage ring, and the actual operating time is extremely short as compared with the electron storage ring. Moreover, the higher the final energy of the electron, the larger the accelerator for accelerating the electron to that energy, and the higher the development cost. The electron storage ring thus separated from the acceleration function requires an accelerator for accelerating electrons to high energy, and such an accelerator has low utilization efficiency, occupies a large floor area, and is expensive. It had drawbacks.

これに対して、電子蓄積リング自体にも電子エネルギー
の加速機能を分担させた言わば加速蓄積リングと呼びう
る電子蓄積リングが一部の研究機関で開発されている。
この方式によれば、電子線型加速器等の入射用加速器自
体によって最終エネルギーまで加速する必要がないた
め、入射用加速器の規模をある程度小さく抑え、開発コ
ストの低域を図ることができる。On the other hand, some research institutes have developed an electron storage ring, which can be called an acceleration storage ring in which the electron storage ring itself is also responsible for the acceleration function of electron energy.
According to this method, since it is not necessary to accelerate to the final energy by the injection accelerator itself such as an electron beam accelerator, the scale of the injection accelerator can be suppressed to some extent small, and the development cost can be reduced.

従来のこの種の電子蓄積リングの一例として、工業技術
院・電子技術総合研究所で開発された電子蓄積リングを
第５図に示す。この電子蓄積リングの詳細は、トミマス
他：アイ・イー・イー・イー トランザクション オン
ニュウクリア サイエンス,NS−30巻，第４号,3133,
（1983）（T.Tomimasu et al.:IEEE Trans.on Nucl.Sc
i.,Vol.NS−30,No.4,3133（1983））に報告されてい
る。第５図において、１は電子線型加速器であり、パル
ス発振させたマイクロ波が生成する電界の作用によって
電子を直線的に加速する機能を有している。電子線型加
速器１によって300MeVのエネルギーまで加速された電子
は、入射用ビームトランスポート２によって電子蓄積リ
ング３への入射位置に導かれる。電子蓄積リング３の入
射位置には、ビームトランスポート２によって導かれて
きた電子をパルス磁界によって電子蓄積リング３の安定
軌道上にのせるためのセプタム電磁石４が設置されてい
る。As an example of the conventional electron storage ring of this type, an electron storage ring developed by the Institute of Industrial Science and Technology and the Electrotechnical Laboratory is shown in FIG. For details of this electron storage ring, see Tomimas et al .: IEE Transaction on New Clear Science, NS-30, No. 4, 3133,
(1983) (T.Tomimasu et al .: IEEE Trans.on Nucl.Sc
i., Vol. NS-30, No. 4, 3133 (1983)). In FIG. 5, reference numeral 1 denotes an electron beam accelerator, which has a function of linearly accelerating electrons by the action of an electric field generated by a pulse-oscillated microwave. The electrons accelerated by the electron linear accelerator 1 to the energy of 300 MeV are guided to the incident position on the electron storage ring 3 by the incident beam transport 2. At the incident position of the electron storage ring 3, a septum electromagnet 4 for placing the electrons guided by the beam transport 2 on a stable orbit of the electron storage ring 3 by a pulse magnetic field is installed.

電子蓄積リング３においては、入射された高エネルギー
電子を平衡軌道上で周回させるための磁場を発生する偏
光電磁石５と電子ビームに集束作用をもたせるの４極電
磁石６とが、電子軌道に沿って４回対称となるように配
置されている。偏向電磁石５と４極電磁石６は、いずれ
も透磁率の高い材料をコアとし、その周囲に電気伝導度
の高いコイル材料を巻回して必要な磁場分布を生成する
ように構成された常電導磁石である。閉軌道を周回する
電子がシンクロトロン放射によって失うエネルギーは、
高周波加速空洞７が発生する加速電界によって補給す
る。In the electron storage ring 3, a polarization electromagnet 5 that generates a magnetic field for orbiting incident high-energy electrons on an equilibrium orbit and a quadrupole electromagnet 6 that has a focusing action on an electron beam are arranged along the electron orbit. It is arranged so that it has four-fold symmetry. Each of the bending electromagnet 5 and the quadrupole electromagnet 6 has a core made of a material having high magnetic permeability, and a coil material having high electric conductivity is wound around the core to generate a required magnetic field distribution. Is. The energy lost by the synchrotron radiation to the electrons orbiting in a closed orbit is
It is replenished by the acceleration electric field generated by the high frequency acceleration cavity 7.

以上の構成において、電子線型加速器１によって300MeV
のエネルギーまで加速された電子は、電子蓄積リング３
に入射されたあと、偏向電磁石５の磁場をランプ上に上
昇させていくことにより、エネルギーをさらに増大さ
せ、最高630MeVまで加速される。With the above structure, 300 MeV by electron beam accelerator 1
The electrons accelerated to the energy of
Then, the magnetic field of the deflecting electromagnet 5 is raised above the lamp to further increase the energy and accelerate up to 630 MeV.

しかし、この手法においては、電子線型加速器１での加
速量が大きいため、その加速管が極めて長く占有面積も
広くなり、かつ、電子線型加速器１自体が高価なものと
なる。さらに、加速管が長くなることにより、電子と加
速管との間の相互作用に起因する不安定振動が電子ビー
ム内に生じやすくなり、最終的に得られるビーム電流量
が少なくなってしまう。ビーム電流量が少ないと電子蓄
積リングに大電流を蓄積するためのマルチターン入射を
繰り返し行い必要を生じ、これが、電子蓄積時間の増大
ひいてはリソグラフィのスループットの致命的な低下を
招く。また、電子線型加速器１内で加速中に不安定振動
などによる電子散逸に起因する放射線が大量に発生し、
LSI製作に重大な影響を与える危険性があるとともに、
放射線を遮蔽する設備の建設費がきわめて高価になるな
どLSIの製造装置としては不適当なものであった。However, in this method, since the amount of acceleration in the electron beam accelerator 1 is large, the accelerator tube is extremely long and the occupied area is large, and the electron beam accelerator 1 itself is expensive. Further, the lengthening of the accelerating tube easily causes unstable vibration in the electron beam due to the interaction between the electron and the accelerating tube, and the beam current amount finally obtained decreases. If the amount of beam current is small, it becomes necessary to repeatedly perform multi-turn injection to store a large current in the electron storage ring, which causes an increase in electron storage time and thus a fatal reduction in lithography throughput. In addition, a large amount of radiation is generated due to electron dissipation due to unstable vibration during acceleration in the electron beam accelerator 1.
There is a risk of seriously affecting LSI manufacturing,
It was unsuitable as an LSI manufacturing device because the construction cost of equipment for shielding radiation was extremely high.

さらに電子蓄積リング３についても、偏向電磁石５とし
て常電導磁石を使用しており、磁場の均一性を確保する
ためには磁束密度は1.5T程度が限界となる。周知のごと
く、偏向磁場の磁束密度と磁場中を通過する電子がロー
レンツ力を受けて軌道を曲げられるときの軌道の曲率半
径とは反比例の関係にある。このため偏向電磁石として
常電導磁石を用いた電子蓄積リングは必然的に全体寸法
が大きくなる。第５図に示す電子蓄積リング３は、偏向
磁場の磁束密度が1.05Tでしかも直線部が設けられてい
るため、そのリングの平均半径は約5mにも及んでいる。Further, also for the electron storage ring 3, a normal conducting magnet is used as the deflecting electromagnet 5, and the magnetic flux density is limited to about 1.5 T in order to ensure the uniformity of the magnetic field. As is well known, the magnetic flux density of the deflection magnetic field is inversely proportional to the radius of curvature of an orbit when an electron passing through the magnetic field receives a Lorentz force and is bent. Therefore, the electron storage ring using the normal conducting magnet as the bending electromagnet inevitably has a large overall size. The electron storage ring 3 shown in FIG. 5 has a magnetic flux density of the deflection magnetic field of 1.05 T and is provided with a straight portion, so that the average radius of the ring reaches about 5 m.

第２の従来例として米国ウイスコンシ大学の電子蓄積リ
ングがあげられる。この電子蓄積リングの詳細は、イー
・エム・ロウ他：アイ・イー・イー・イー ランザクシ
ョン オン ニュクリア サイエンス,NS−28巻，第３
号,3145（1981）（E.M.Rowe et al.:IEEE Trans.on Nuc
l.Sci.,Vol.NS−28,No.3,3145（1981））に報告されて
いる。電子蓄積リング自体の構造は第５図と基本的に変
わることはなく、偏向電磁石,4極電磁石等の磁石類はい
ずれも常電導磁石を用いている。第５図の例と異なるの
は、入射用加速器としてのマイクロトロンを用いている
ことである。すなわち、マイクロトロンによって100MeV
まで加速した電子を電子蓄積リングに入射し、しかるの
ちに電子蓄積リングの加速機能によって最高1GeVまで加
速する。マイクロトロンは臀死線合加速器に比較して装
置価格の低いことが長所とされているが、１パルスあた
りに加速しうる電流量が電流線型加速器に比較するとき
わめて小さいという短所がある。したがって大電流を蓄
積するにはマルチターン入射を繰り返し行う必要があ
る。エネルギーが100MeVであるために放射減衰時間は数
秒程度となり、１回のマルチパターン入射に10秒程度を
要し、入射時間が長くなる。また、この方式で採用され
た入射エネルギーは、後述のように、クーロン散乱に起
因する寿命が短い領域に入っており、マルチターン入射
に利用できる時間が制限され、これにより、蓄積電流を
大きくすることは困難であった。A second conventional example is the electron storage ring at the University of Wisconsi, USA. For details of this electron storage ring, see E. M. Law et al .: I. E. E. Lonsaction on Nuclear Science, NS-28, Vol.
Issue, 3145 (1981) (EMRowe et al .: IEEE Trans.on Nuc
Sci., Vol. NS-28, No. 3, 3145 (1981)). The structure of the electron storage ring itself is basically the same as that shown in FIG. 5, and the magnets such as the bending electromagnet and the quadrupole electromagnet use normal conducting magnets. The difference from the example of FIG. 5 is that a microtron is used as an accelerator for injection. That is, 100 MeV by Microtron
The accelerated electrons are injected into the electron storage ring, and then accelerated up to 1 GeV by the acceleration function of the electron storage ring. The advantage of the microtron is that the device price is lower than that of the buttocks line accelerator, but the disadvantage is that the amount of current that can be accelerated per pulse is extremely small as compared with the current linear accelerator. Therefore, in order to accumulate a large current, it is necessary to repeat multi-turn injection. Since the energy is 100 MeV, the radiative decay time is about several seconds, and it takes about 10 seconds for one multi-pattern injection, resulting in a long injection time. In addition, the incident energy adopted in this method is in a region where the lifetime due to Coulomb scattering is short, as described later, and the time available for multi-turn injection is limited, which increases the accumulated current. It was difficult.

電子蓄積リングをSORリソグラフィ装置として実用化し
ていくためには２つの条件を満たす必要がある。すなわ
ち、条件として、装置の占有面積が小さいこと、条件
として、大電流を蓄積できることである。Two conditions must be met in order to put the electron storage ring into practical use as a SOR lithography apparatus. That is, the condition is that the area occupied by the device is small, and the condition is that a large current can be accumulated.

まず条件については、従来の電子蓄積リングは加速器
科学の実験用施設として建設されてきており、あえて小
型化を図る必要がなかった。しかしSORリソグラフィ用
などの専用装置として電子蓄積リングをプロセスライン
に導入するためには、小型化はきわめて重要な条件とな
る。また電子蓄積リングの運転中には、入者用加速器や
電子蓄積リング自体からγ線や中性子等の放射線が発生
する。それらの放射線に対する遮蔽対策は、入射用加速
器や電子蓄積リング自体が小型であるほど、容易とな
る。Regarding the conditions, the conventional electron storage ring has been constructed as an experimental facility for accelerator science, and it was not necessary to downsize it. However, downsizing is an extremely important condition for introducing the electron storage ring into the process line as a dedicated device for SOR lithography. Further, during operation of the electron storage ring, radiation such as γ-rays and neutrons is generated from the accelerator for the passenger and the electron storage ring itself. The smaller the size of the accelerator for injection and the size of the electron storage ring itself, the easier it is to take measures against shielding against such radiation.

次に条件については、SOR光の光子数は電子蓄積リン
グに蓄積されている電子の個数すなわち電流量と正比例
の関係にある。光子数はSORリソグラフィのスループッ
トを左右する大きな要因であり、電子蓄積リングにおい
ていかに大電流を蓄積できるかが重要なキーポイントに
なる。Next, regarding the conditions, the number of photons of SOR light is directly proportional to the number of electrons stored in the electron storage ring, that is, the amount of current. The number of photons is a major factor that affects the throughput of SOR lithography, and how to store a large current in an electron storage ring is an important key point.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、すでに従来例で説明した２つの電子蓄積
リングは、いずれも前記の条件，の条件には合致し
えないため、リソグラフィに適した専用の電子蓄積リン
グの実現が待望されていた。However, neither of the two electron storage rings described in the conventional example can meet the above conditions 1 and 2, and thus there has been a long-awaited realization of a dedicated electron storage ring suitable for lithography.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

このような待望に応えるために本発明は、電子加速器へ
の電子の入射においては、タウシェク効果に起因して電
子の寿命を極小とするエネルギーEtよりも低いエネルギ
ーの電子を入射するようにし、偏向作用を持たせる磁場
を形成するための励磁電流の時間変化率を、入射した電
子のエネルギーがEtに達するまでは単調増加させ、Etに
達したのちは単調減少させるようにしたものである。In order to meet such a long-awaited need, the present invention, in the injection of electrons into the electron accelerator, causes electrons having an energy lower than the energy Et that minimizes the lifetime of the electrons due to the Taushek effect, to deflect the electrons. The time rate of change of the exciting current for forming the magnetic field that acts is monotonically increased until the energy of the incident electrons reaches Et, and then monotonically decreased after reaching Et.

〔作用〕[Action]

本発明においては、電子寿命が極小となるエネルギー近
傍でエネルギー増加率が大きくなり、電子の損失が顕著
に見られる変曲点が励磁電流の最大値以前にくる 〔実施例〕 第１図に本発明に係わる電子加速器の一実施例を示す。
11は電子線型加速器であり、パルス発振させたマイクロ
波が生成する電界の作用によって電子を直線的に加速す
る。電子線型加速器11から出射された電子はビームトラ
ンスポート12を経由して電子蓄積リング13に入射され
る。電子蓄積リング13の入射位置にはインフレクタ14を
配置し、インフレクタ14のパルス磁場によって電子を電
子蓄積リング13の電子軌道にのせる。電子蓄積リング13
は、電子に偏向磁場を与えるための超電導偏向磁石15a,
15b,電子ビームに集束・発散作用を与えるため多極電磁
石16a〜16d,電子軌道を高真空に保持しておくためのビ
ームダクト17,電子がシンクロトロン放射によって失う
エネルギーを補給するための高周波加速空洞18を有す
る。超電導偏向磁石15a,15bおよび多極電磁石16a〜16d
には、入射電子のエネルギーをさらに最終エネルギーま
で加速していくための励磁電源が具備されている。ビー
ムダクト17の中で超電導偏向磁石15a,15bの中に位置す
る部分は、シンクロトロン放射によるSOR光がダクト内
壁に当たって高温に加熱され、内壁表面からの脱ガスが
促進される。これに対処するため、超電導偏向磁石15a,
15bの部分のビームダクト17内には分布型イオンポンプ1
9を配置し、超電導偏向磁石15a,15bからの漏れ磁場を利
用してビームダクト17内の脱ガスを効率よく排気する。In the present invention, the rate of increase in energy increases near the energy at which the electron life is minimized, and the inflection point at which electron loss is noticeable comes before the maximum value of the exciting current. [Example] FIG. 1 shows an embodiment of an electron accelerator according to the present invention.
An electron beam accelerator 11 linearly accelerates electrons by the action of an electric field generated by a pulsed microwave. The electrons emitted from the electron beam accelerator 11 enter the electron storage ring 13 via the beam transport 12. An inflector 14 is arranged at the incident position of the electron storage ring 13, and the pulse magnetic field of the inflector 14 causes electrons to be placed on the electron orbit of the electron storage ring 13. Electron storage ring 13
Is a superconducting deflection magnet 15a for applying a deflection magnetic field to electrons,
15b, multi-pole electromagnets 16a to 16d for focusing and diverging the electron beam, beam duct 17 for keeping the electron orbit in a high vacuum, high-frequency acceleration for replenishing energy lost by electrons by synchrotron radiation It has a cavity 18. Superconducting deflection magnets 15a and 15b and multipole electromagnets 16a to 16d
Is equipped with an excitation power supply for further accelerating the energy of incident electrons to the final energy. In the portion of the beam duct 17 located inside the superconducting deflection magnets 15a, 15b, the SOR light by synchrotron radiation hits the inner wall of the duct and is heated to a high temperature, thereby promoting degassing from the inner wall surface. To deal with this, the superconducting deflection magnet 15a,
Distributed ion pump 1 in beam duct 17 at 15b
9, the degassing inside the beam duct 17 is efficiently exhausted by utilizing the leakage magnetic fields from the superconducting deflection magnets 15a and 15b.

超電導偏向磁石15a,15bの具体的構成を第２図に示す。
この磁石15a,15bは、超電導線材を束ねて「バナナ型」
に成形した超電導空心コイル21a,21bを電子軌道22に挟
んで対称に配置した構成をとっている。この構成におい
て、超電導空心コイル21a,21bに図示の矢印のごとく電
流の流した場合には、図示の矢印の方向にベクトル磁場
Ｂが形成され、磁場中を通過する電子ｅに対して偏向作
用をもたせることができる。なお第２図においては感嘆
のため単に空心コイルのみを記載してあるが、たとえば
磁場分布の均一性を必要とする場合には、高透磁率材に
よって適当にオアを具備させる等の方法が考えられる。A specific configuration of the superconducting deflection magnets 15a and 15b is shown in FIG.
These magnets 15a and 15b are "banana type" made by bundling superconducting wires.
The superconducting air-core coils 21a and 21b formed in the above are sandwiched between electron orbits 22 and arranged symmetrically. In this configuration, when a current flows through the superconducting air-core coils 21a and 21b as shown by the arrow in the figure, a vector magnetic field B is formed in the direction of the arrow shown in the figure, and the electron e passing through the magnetic field is deflected. Can be held. Although only the air-core coil is shown in FIG. 2 for the sake of exclamation, for example, when the magnetic field distribution needs to be uniform, a method of appropriately providing an OR with a high-permeability material is considered. To be

本実施例において、電子線型加速器11から入射する電子
のエネルギーはタウシェク（Touschek）効果を考慮して
設定する。タウシェク効果とは、軌道上を電子が位相振
動しながら塊となって周回していく過程で、塊の中で電
子同士のクーロン散乱により余分なエネルギーを得た電
子が位相振動の不安定領域に入って失われる現象であ
る。ヘンリ・ブルック：サーキュラ パーティクル ア
クセレレータ,LA−TR−72−10レビュー，ロス アラモ
ス サイエンス ラボ（Henri Bruck:Circular Particl
e Accelerators,LA−TR−72−10 Rev.,Los Alamos Sci.
Lab.）によれば、電子の寿命と電子のエネルギーとの間
には第３図に示すような相関が認められる。第３図にお
いて、31は多重衝突を含む場合の相関を示す曲線、32は
多重衝突を含まない場合の相関を示す曲線、33は測定値
を示す小円である。このデータは、ある特定のマシンパ
ラメータについて成立するものであるが、曲線31,32
は、電子同士の散乱に起因した，電子の寿命を極小にす
るエネルギーEtが存在することを意味している。本実施
例においては、電子線型加速器11から入射する電子のエ
ネルギーをエネルギーEtよりも低エネルギー側、たとえ
ば、数MeV〜数十MeVにおく。また電子のエネルギーを加
速する過程において、入射エネルギーからエネルギーEt
前後までのエネルギー上昇率を単調増加にとり、エネル
ギーEt前後以上からの上昇率を単調に減少させていく。
これにより、超電導偏向磁石15a,15bの励磁過程におい
て、電子の寿命が極小となるエネルギーEtの前後におけ
る電子の損失を低く抑え、最終エネルギーにおける大電
流の蓄積が可能となる。In the present embodiment, the energy of electrons incident from the electron beam accelerator 11 is set in consideration of the Touschek effect. The Taushek effect is a process in which electrons orbitally orbit in an orbit around the orbit as a mass, and the electrons that gained extra energy by Coulomb scattering between the electrons in the mass are in the unstable region of phase oscillation. It is a phenomenon that enters and is lost. Henry Brook: Circular Particle Accelerator, LA-TR-72-10 Review, Los Alamos Science Lab (Henri Bruck: Circular Particl
e Accelerators, LA-TR-72-10 Rev., Los Alamos Sci.
According to Lab.), A correlation as shown in FIG. 3 is observed between the electron lifetime and the electron energy. In FIG. 3, 31 is a curve showing the correlation when multiple collisions are included, 32 is a curve showing the correlation when multiple collisions are not included, and 33 is a small circle showing the measured value. This data holds for certain machine parameters, but the curves 31,32
Means that there is energy Et that minimizes the lifetime of electrons due to the scattering of electrons. In the present embodiment, the energy of electrons incident from the electron beam accelerator 11 is set to a lower energy side than the energy Et, for example, several MeV to several tens MeV. In the process of accelerating the energy of electrons, the energy
The rate of increase in energy up to the front and back will be monotonically increasing, and the rate of increase above and below the energy Et will be monotonically decreasing.
As a result, in the excitation process of the superconducting deflection magnets 15a and 15b, the loss of electrons before and after the energy Et at which the life of the electrons becomes the minimum is suppressed low, and a large current can be accumulated at the final energy.

第１図，第２図の構成において、まず電子を電子線型加
速器11によって数MeV〜数十MeVのエネルギーまで上昇さ
せる。入射用加速器として電子線型加速器11を用いる理
由は、パルス発振モードで運転させた場合に、単発で大
電流を加速できる利点があるためである。数MeV〜数十M
eVのエネルギーで電子蓄積リング13へ入射した電子は放
射減衰が合わるまでに数分程度の時間を必要とする。こ
の間は、先に入射した電子が未だブロードに広がった状
態で周回しているため、次のパルス電流を入射しようと
して平衡軌道をわずかにシフトさせると、電子がビーム
ダクトの管壁に衝突して失われてしまう。ところが一方
において、この放射減衰を待つ時間の間に、電子は残留
ガス分子と衝突して落ちこぼれていく現象が起こってい
る。電子のエネルギーが低いほど、電子が残留ガス分子
と衝突する散乱断面積は大きくなる傾向がある。数MeV
〜数十MeV程度の入射エネルギーでは、放射減衰を待っ
た後に次のパルス電流を入射していく方法は電流の蓄積
効率が極めて悪い。SORリソグラフィにおいては、数百m
A〜1Aの電流の蓄積することを目的としており、このた
めには、以上の理由によって、電子線型加速器11から単
パルスの大電流を入射する方法が有効となる。In the configurations shown in FIGS. 1 and 2, first, electrons are raised by the electron beam accelerator 11 to an energy of several MeV to several tens MeV. The reason why the electron beam accelerator 11 is used as the injection accelerator is that there is an advantage that a large current can be accelerated in a single shot when operated in the pulse oscillation mode. Several MeV to several tens of M
An electron that has entered the electron storage ring 13 with energy of eV requires a time of about several minutes until the radiation decay is matched. During this period, the previously injected electrons are still circulating in a broad state, so if the equilibrium orbit is slightly shifted in order to enter the next pulse current, the electrons collide with the tube wall of the beam duct. Will be lost. On the other hand, on the other hand, during the waiting time for this radiation decay, electrons collide with residual gas molecules and fall off. The lower the electron energy, the larger the scattering cross section where the electron collides with the residual gas molecules. Number MeV
At an incident energy of about several tens MeV, the method of injecting the next pulse current after waiting for the radiation decay has extremely poor current storage efficiency. In SOR lithography, hundreds of meters
The purpose is to accumulate a current of A to 1 A. For this reason, the method of injecting a large single pulse current from the electron beam accelerator 11 is effective for the above reason.

電子線型加速器11によって数MeV〜数十MeVまで加速され
た電子はビームトランスポート12を経由して電子蓄積リ
ング13に入射される。このとき電子蓄積リング13の超電
導偏向磁石15a,15bおよび多極電磁石16a〜16dには、入
射電子が平衡軌道の回りをベータトロン振動しながら周
回するのに必要な磁場を発生させておく。入射が完了し
た後、電子のエネルギーを最終エネルギーまで高めてい
くため、超電導空心コイル21a,21bに印加する励磁電流
のさらに増大させていく。The electrons accelerated by the electron linear accelerator 11 to several MeV to several tens MeV are incident on the electron storage ring 13 via the beam transport 12. At this time, the superconducting deflection magnets 15a and 15b and the multipole electromagnets 16a to 16d of the electron storage ring 13 are caused to generate a magnetic field necessary for the incident electrons to orbit around the equilibrium orbit while oscillating in a betatron. After the injection is completed, the energy of the electrons is increased to the final energy, so that the exciting current applied to the superconducting air-core coils 21a and 21b is further increased.

上記励磁電流の増加のさせ方は、従来は第４図（ａ）の
ごとく単純にランプ上に増加させ、最終エネルギーに達
したところで一定値に保持する方法がとられていた。し
かしこの方法では、変曲点に該当するタイミングのとこ
ろで、電子の損失が顕著にみられることが知られてい
る。このため本実施例においては、第４図（ｂ）のごと
く励磁電流を印加する。励磁電流を増大させていくに際
しては、前述のタウシェク効果による電子寿命を配慮
し、電子寿命が極小となるエネルギーEtを速やかに通過
させることが重要である。しかしながら、エネルギーの
時間的な増加率を課題にとると電子の損失が増大する傾
向にある。さらに電子エネルギーが高い領域でエネルギ
ーの増加率を大くとるためには、高負荷に耐えうる電源
が必要となり、必然的に電源コストの増大をまねく。そ
こで第４図（ｂ）に示すごとく、入射エネルギーからエ
ネルギーEt近傍40までは励磁電流の時間変化率を単調増
大とする。エネルギーEt近傍40を過ぎて、クーロン散乱
に起因した電子の寿命が増加傾向となり始めるエネルギ
ーまで加速すると、こんどは励磁電流の時間変化率が単
調減少となるように切り換える。これにより、電子寿命
が極小となるエネルギーEt近傍40でのエネルギー増加率
を大きくとり、かつ、電源負荷の大きい高エネルギー領
域でのエネルギー増加率を漸次減少傾向にもっていくこ
とができる。Conventionally, the method of increasing the exciting current has been to simply increase the exciting current on the lamp as shown in FIG. 4 (a) and hold it at a constant value when the final energy is reached. However, with this method, it is known that a significant loss of electrons is observed at the timing corresponding to the inflection point. Therefore, in this embodiment, an exciting current is applied as shown in FIG. When increasing the exciting current, it is important to take into account the electron lifetime due to the above-mentioned Tauskek effect and to quickly pass the energy Et at which the electron lifetime becomes minimum. However, if the increase rate of energy over time is taken into consideration, the electron loss tends to increase. Further, in order to increase the rate of increase in energy in a region where electron energy is high, a power supply that can withstand a high load is required, which inevitably leads to an increase in power supply cost. Therefore, as shown in FIG. 4B, the time change rate of the exciting current is monotonically increased from the incident energy to the energy Et vicinity 40. When the energy is accelerated beyond the energy Et neighborhood 40 to the energy at which the life of electrons due to Coulomb scattering begins to increase, the switching is performed so that the time change rate of the exciting current is monotonically decreasing. As a result, it is possible to increase the energy increase rate in the vicinity of the energy Et 40 where the electron life is minimized and to gradually decrease the energy increase rate in the high energy region where the power load is large.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、タウシェク効果に起因し
て電子の寿命を極小とするエネルギーよりも低いエネル
ギーの電子を入射するようにし、偏向作用を持たせる磁
場を形成するための励磁電流の時間変化率を単調増加さ
せたのち単調減少させることにより、次に示す効果を有
する。As described above, according to the present invention, the time of the exciting current for forming a magnetic field having a deflecting action by causing electrons having an energy lower than the energy at which the lifetime of the electrons is minimized due to the Taushek effect to enter. The following effects are obtained by monotonically increasing and then monotonically decreasing the rate of change.

入射用加速器として電子線型加速器を用いることによ
り、単パルス発振で大電流を電子蓄積リングに入射でき
る。また加速時に超電導コイルに流す励磁電流の立ち上
げ方は、タウシェク効果による電子寿命を極小とするエ
ネルギーEt近傍を境とし、エネルギーEt近傍までのエネ
ルギーの時間的な変化率は単調増大としエネルギーEt近
傍を上回るエネルギー領域での変化率は単調減少とすれ
ば、加速時の電子の損失を僅少に抑えることができる。
これにより、電子蓄積リングには大電流を蓄積すること
が可能となる。By using an electron beam accelerator as the injection accelerator, a large current can be injected into the electron storage ring by single pulse oscillation. In addition, the way to start the exciting current flowing in the superconducting coil at the time of acceleration is near the energy Et that minimizes the electron lifetime due to the Tauskek effect, and the temporal change rate of energy up to near the energy Et increases monotonically and near the energy Et. If the rate of change in the energy range above is monotonically decreasing, the electron loss during acceleration can be suppressed to a small extent.
This makes it possible to store a large current in the electron storage ring.

電子線立加速器の入射エネルギーとして、クーロン散
乱によって寿命が最低となるエネルギーを避けて数MeV
〜数十MeVに設定すれば、電子線型加速器自体も小型化
を図ることができる。このため、全体システムを通常の
実験室スペースにコンパクトにおさめることができる。The incident energy of the electron beam vertical accelerator is several MeV, avoiding the energy that has the lowest lifetime due to Coulomb scattering.
The electron beam accelerator itself can be downsized by setting it to several tens MeV. Therefore, the whole system can be compactly packed in the usual laboratory space.

電子線型加速器での電子の損失はきわめて大きく、速
失された電子は放射線発生の原因となり、しかもその線
量は電子のエネルギーに依存する。本発明の係わる電子
加速器においては、電子のエネルギーを数MeV〜数十MeV
と低くすれば、放射線遮蔽が簡便ですむ。放射線の発生
は電子線型加速器と電子蓄積リングの双方に該当する問
題であるが、本発明に係わる電子加速器においては装置
全体の小型化を図ることができ、従来装置のような大掛
かりな放射線遮蔽を必要としない。The electron loss in an electron beam accelerator is extremely large, and the lost electrons cause radiation generation, and the dose depends on the electron energy. In the electron accelerator according to the present invention, the electron energy is several MeV to several tens MeV.
If it is set low, radiation shielding will be simple. The generation of radiation is a problem that applies to both the electron beam accelerator and the electron storage ring. However, the electron accelerator according to the present invention can be downsized and the large-scale radiation shielding as in the conventional device can be achieved. do not need.

本発明に係わる電子加速器は上記のような効果を有する
ので、たとえば通常のクリーンルームに設置して大電流
を蓄積することが必要なSORリソグラフィ等の用途に用
いれば、きわめて大きな効果を期待できる。Since the electron accelerator according to the present invention has the above-mentioned effects, it can be expected to have an extremely large effect when it is used in an application such as SOR lithography which needs to be installed in a normal clean room to store a large current.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は本発明に係わる電子加速器の一実施例を示す構
成図、第２図は偏向磁石として用いた超電導磁石の構成
を説明するための説明図、第３図はクーロン散乱に起因
する電子の寿命とエネルギーの相関関係を示す特性図、
第４図は超電導コイルに流す励磁電流の立ち上げ方を示
す特性図、第５図は従来の電子加速器を示す構成図であ
る。 11……電子線型加速器、12……ビームトランスポート、
13……電子蓄積リング、14……インフレクタ、15a,15b
……超電導偏向磁石、16a〜16d……多極電磁石、17……
ビームダクト、18……高周波加速空洞、19……分布型イ
オンポンプ、21a,21b……超電導空心コイル、22……電
子軌道、ｅ……電子。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an electron accelerator according to the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the configuration of a superconducting magnet used as a deflection magnet, and FIG. 3 is an electron caused by Coulomb scattering. Characteristic diagram showing the correlation between life and energy of
FIG. 4 is a characteristic diagram showing how to raise an exciting current flowing through the superconducting coil, and FIG. 5 is a configuration diagram showing a conventional electron accelerator. 11 …… electron beam accelerator, 12 …… beam transport,
13 …… Electron storage ring, 14 …… Inflector, 15a, 15b
...... Superconducting deflection magnets, 16a-16d …… Multi-pole electromagnets, 17 ……
Beam duct, 18 ... High-frequency acceleration cavity, 19 ... Distributed ion pump, 21a, 21b ... Superconducting air core coil, 22 ... Electron orbit, e ... Electron.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴山 昭則 神奈川県厚木市森の里若宮３番１号 日本 電信電話株式会社厚木電気通信研究所内 (72)発明者 早坂 東亜 神奈川県厚木市森の里若宮３番１号 日本 電信電話株式会社厚木電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭50−49600（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−124100（ＪＰ，Ａ) 特公 昭44−18638（ＪＰ，Ｂ１) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Akinori Shibayama, No. 3 Morinosato Wakamiya, Atsugi City, Kanagawa Prefecture, Atsugi Telecommunications Research Laboratories, Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Toa Hayasaka No. 3, Wakanomiya, Atsugi City, Kanagawa Prefecture, Japan Telegraph and Telephone Corporation, Atsugi Electro-Communications Research Laboratory (56) References JP-A-50-49600 (JP, A) JP-A-61-124100 (JP, A) JP-B-44-18638 (JP, B1)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】磁場の偏光作用によって平衡軌道を中心に
電子がベータトロン振動しながら周回する電子加速器の
励磁方法であって、 タウシェク効果に起因して電子の寿命を極小とするエネ
ルギーEtよりも低いエネルギーの電子を前記電子加速器
に入射し、 前記磁場を形成するための励磁電流の時間変化率を、前
記電子のエネルギーが前記Etに達するまでは単調増加さ
せ、前記電子のエネルギーが前記Etに達したのちは単調
減少させるようにした ことを特徴とする電子加速器の励磁方法。1. A method for exciting an electron accelerator in which electrons orbit around an equilibrium orbit while oscillating in a betatron due to the polarization effect of a magnetic field, which is more than energy Et that minimizes the lifetime of electrons due to the Taushek effect. A low energy electron is incident on the electron accelerator, the time rate of change of the excitation current for forming the magnetic field is monotonically increased until the energy of the electron reaches the Et, and the energy of the electron becomes the Et. The method of exciting the electron accelerator is characterized in that after reaching the target, it is monotonically decreased.