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JP6649495B2 - Accelerator, method of operating accelerator, and method of manufacturing semiconductor using accelerator - Google Patents

Accelerator, method of operating accelerator, and method of manufacturing semiconductor using accelerator Download PDF

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JP6649495B2
JP6649495B2 JP2018537437A JP2018537437A JP6649495B2 JP 6649495 B2 JP6649495 B2 JP 6649495B2 JP 2018537437 A JP2018537437 A JP 2018537437A JP 2018537437 A JP2018537437 A JP 2018537437A JP 6649495 B2 JP6649495 B2 JP 6649495B2
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Description

本発明の実施形態は、高周波空洞を備える加速器に関する。   Embodiments of the present invention relate to an accelerator having a high-frequency cavity.

従来の加速器は、入射される荷電粒子ビームの速度を変更可能な高周波空洞を備える。このような加速器では、高周波源を用いて高周波空洞の内部に所定の周波数の基本波を生じさせるとともに、この基本波の周波数の整数分の1の周期で、荷電粒子ビームを高周波空洞の内部に繰り返し入射させるようにしている。   Conventional accelerators include a high-frequency cavity capable of changing the speed of an incident charged particle beam. In such an accelerator, a fundamental wave having a predetermined frequency is generated inside the high-frequency cavity using a high-frequency source, and the charged particle beam is introduced into the high-frequency cavity at a period that is a fraction of the frequency of the fundamental wave. It is made to enter repeatedly.

特開2008−243375号公報JP 2008-243375 A

高周波空洞では、荷電粒子ビームの速度変更に用いる基本波の周波数よりも、周波数が高い高次モード(HOM)が生じる場合がある。この高次モードは、荷電粒子ビームが発生させる電磁波が高周波空洞の内部で共振を起こすために生じる。この高次モードが荷電粒子ビームの入射周期と一致してしまうと、高周波空洞の内部にノイズとなる電磁波が溜まってしまい、高周波空洞が発熱してしまうという課題がある。   In a high-frequency cavity, a higher-order mode (HOM) having a higher frequency than the frequency of the fundamental wave used for changing the speed of the charged particle beam may occur. This higher-order mode occurs because the electromagnetic waves generated by the charged particle beam resonate inside the high-frequency cavity. If the higher-order mode coincides with the incident cycle of the charged particle beam, electromagnetic waves serving as noise accumulate inside the high-frequency cavity, causing a problem that the high-frequency cavity generates heat.

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、高周波空洞の発熱を抑えることができる加速器技術を提供することを目的とする。   The embodiment of the present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide an accelerator technology capable of suppressing heat generation in a high-frequency cavity.

本発明の実施形態に係る加速器は、荷電粒子ビームが通過可能な高周波空洞と、基本周波数の電磁波を前記高周波空洞に入力する高周波源と、レーザ光を出力するレーザ出力部と、前記レーザ光が照射されることで荷電粒子を発生させるターゲット部と、前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出部と、前記基本周波数の周期に対応する乱数を出力する乱数出力部と、前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御部と、を備え、前記出力制御部は、前記乱数出力部から出力される前記乱数に基づいて前記タイミングを選抜することを特徴とする。 An accelerator according to an embodiment of the present invention includes a high-frequency cavity through which a charged particle beam can pass, a high-frequency source that inputs an electromagnetic wave of a fundamental frequency into the high-frequency cavity, a laser output unit that outputs a laser beam, and the laser beam. A target unit that generates charged particles by being irradiated, a beam extraction unit that extracts a charged particle beam by accelerating the charged particles in one direction, and a random number output unit that outputs a random number corresponding to the cycle of the fundamental frequency An output control unit that performs control to output the charged particle beam toward the high-frequency cavity at the specific timing among the timings corresponding to the cycle of the fundamental frequency, and the output control unit includes: The timing is selected based on the random number output from the random number output unit .

本発明の実施形態に係る加速器の運転方法は、基本周波数の電磁波を高周波源から高周波空洞に入力する高周波入力ステップと、レーザ出力部からレーザ光を出力するレーザ出力ステップと、前記レーザ光がターゲット部に照射されることで荷電粒子を発生させる粒子発生ステップと、前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出ステップと、前記基本周波数の周期に対応する乱数を出力する乱数出力部から前記乱数を取得するステップと、前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御ステップと、前記荷電粒子ビームが前記高周波空洞を通過する通過ステップと、を含み、前記出力制御ステップにて、前記乱数出力部から取得した前記乱数に基づいて前記タイミングを選抜することを特徴とする。 The operation method of the accelerator according to the embodiment of the present invention includes a high-frequency input step of inputting an electromagnetic wave having a fundamental frequency from a high-frequency source to a high-frequency cavity, a laser output step of outputting laser light from a laser output unit, and the laser light being a target. A particle generating step of generating charged particles by irradiating the unit, a beam extracting step of extracting a charged particle beam by accelerating the charged particles in one direction, and outputting a random number corresponding to a cycle of the fundamental frequency. Obtaining the random number from the random number output unit, and an output control step of performing control to output the charged particle beam toward the high-frequency cavity at the specific timing of the timing corresponding to the cycle of the fundamental frequency, see containing and a passing step of said charged particle beam passes through the high-frequency cavity, in the output control step , Characterized in that selected the timing based on the random number obtained from the random number output unit.

本発明の実施形態により、高周波空洞の発熱を抑えることができる加速器技術が提供される。   According to an embodiment of the present invention, an accelerator technology capable of suppressing heat generation in a high-frequency cavity is provided.

第1実施形態の加速器を示す図。FIG. 2 is a diagram illustrating an accelerator according to the first embodiment. トリガ信号およびレーザ光のタイミングを示すタイミングチャート。5 is a timing chart showing timings of a trigger signal and a laser beam. 加速器の運転方法を示すフローチャート。5 is a flowchart illustrating an operation method of the accelerator. 第2実施形態の加速器を示す図。The figure which shows the accelerator of 2nd Embodiment. トリガ信号およびレーザ光のタイミングを示すタイミングチャート。5 is a timing chart showing timings of a trigger signal and a laser beam. 加速器の運転方法を示すフローチャート。5 is a flowchart illustrating an operation method of the accelerator.

(第1実施形態)
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第1実施形態について図1から図3を用いて説明する。図1の符号1は、荷電粒子ビームBを加速するための加速器である。なお、この加速器1は、荷電粒子ビームBを一直線上で加速する線形加速器を例示している。
(1st Embodiment)
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 is an accelerator for accelerating the charged particle beam B. The accelerator 1 exemplifies a linear accelerator that accelerates the charged particle beam B on a straight line.

また、加速器1は、荷電粒子ビームBが通過可能な高周波空洞2と、基本周波数の電磁波である高周波(RF:Radio Frequency)を高周波空洞2に入力する高周波源3と、荷電粒子ビームBを発生させるビーム発生装置4と、高周波源3とビーム発生装置4とを制御する主制御部5とを備える。なお、図1では、理解を助けるために、簡略化した構成を示しているが、これらの装置以外の装置が、加速器1に含まれても良い。   The accelerator 1 also generates a high-frequency cavity 2 through which the charged particle beam B can pass, a high-frequency source 3 that inputs a radio frequency (RF: Radio Frequency), which is an electromagnetic wave of a fundamental frequency, to the high-frequency cavity 2, and generates a charged particle beam B. And a main controller 5 for controlling the high-frequency source 3 and the beam generator 4. In FIG. 1, a simplified configuration is shown for easier understanding, but devices other than these devices may be included in the accelerator 1.

また、高周波空洞2は、球体が扁平に潰れた形状を成す複数の空洞室6を備える。これらの空洞室6が荷電粒子ビームBの進行方向に沿って並んで配置されている。さらに、空洞室6の中央部が貫通され、荷電粒子ビームBが通過可能な経路が直線状に形成される。なお、高周波空洞2の内部に入射される高周波は、空洞室6の内部形状に応じて反射を繰り返す。そして、高周波空洞2の内部に基本波(定在波)が生じるようになっている。   Further, the high-frequency cavity 2 includes a plurality of cavity chambers 6 each having a shape in which a sphere is flattened. These cavity chambers 6 are arranged side by side along the traveling direction of the charged particle beam B. Further, the center of the cavity 6 is penetrated, and a path through which the charged particle beam B can pass is formed linearly. In addition, the high frequency wave incident into the high-frequency cavity 2 repeats reflection according to the internal shape of the cavity chamber 6. Then, a fundamental wave (standing wave) is generated inside the high-frequency cavity 2.

さらに、高周波空洞2の端部には、RF入力部7を介して高周波源3が接続されている。また、高周波源3は、基本周波数の電磁波K(高周波K)を高周波空洞2に入力する。なお、高周波源3は、高周波空洞2に入力する高周波Kの制御を行う高周波制御部8を備える。この高周波制御部8は、基本周波数の設定を行う周波数設定部9を備える。この周波数設定部9は、後述するように、所定期間内にレーザ光Lのパルスが選抜される割合に応じて基本周波数を高める設定を行う。   Further, a high frequency source 3 is connected to an end of the high frequency cavity 2 via an RF input unit 7. The high-frequency source 3 inputs an electromagnetic wave K (high-frequency K) having a fundamental frequency into the high-frequency cavity 2. The high frequency source 3 includes a high frequency control unit 8 that controls a high frequency K input to the high frequency cavity 2. The high frequency control unit 8 includes a frequency setting unit 9 for setting a basic frequency. As will be described later, the frequency setting unit 9 performs a setting to increase the basic frequency in accordance with a ratio of selecting the pulse of the laser light L within a predetermined period.

また、高周波空洞2は、高周波源3から高周波Kを入力されることで、その内部に基本波(定在波)を生じさせる。なお、高周波空洞2の内部に生じる基本波の周波数は、高周波源3から入力される高周波Kの周波数により制御される。   The high frequency cavity 2 receives the high frequency K from the high frequency source 3 to generate a fundamental wave (standing wave) therein. The frequency of the fundamental wave generated inside the high frequency cavity 2 is controlled by the frequency of the high frequency K input from the high frequency source 3.

また、ビーム発生装置4は、基本波の周波数の整数分の1の周期で、荷電粒子ビームBを高周波空洞2の内部に繰り返し入射させるようにしている。なお、高周波空洞2の定在波に対する荷電粒子ビームBの入射のタイミング、または荷電粒子ビームBの入射タイミングに対する高周波Kの位相を適宜変更することにより、入射される荷電粒子ビームBの速度を加速したり減速したりすることができる。   Further, the beam generating device 4 repeatedly causes the charged particle beam B to be incident into the high-frequency cavity 2 at a period that is a fraction of the frequency of the fundamental wave. The speed of the incident charged particle beam B is accelerated by appropriately changing the timing of incidence of the charged particle beam B with respect to the standing wave in the high-frequency cavity 2 or the phase of the high frequency K with respect to the timing of incidence of the charged particle beam B. You can slow down and slow down.

また、高周波空洞2は、基本波を発生させると発熱するため、熱伝導率が大きく電気抵抗が小さい金属材料が適している。この高周波空洞2は、ニオブ材などの超電導材料で構成される。なお、ニオブ材には、ニオブ単体とニオブと他の金属(銅など)との合金が含まれる。そして、高周波空洞2は、冷却装置(図示略)により極低温(約2K)に冷却される。このように、冷却された高周波空洞2は、電気抵抗が限りなくゼロになる超伝導状態に転移される。高周波空洞2を超電導状態にすることで、高効率で荷電粒子ビームBの速度の変更を行えるようにしている。   In addition, since the high-frequency cavity 2 generates heat when a fundamental wave is generated, a metal material having high thermal conductivity and low electric resistance is suitable. This high-frequency cavity 2 is made of a superconducting material such as a niobium material. The niobium material includes a simple substance of niobium and an alloy of niobium and another metal (such as copper). Then, the high-frequency cavity 2 is cooled to a very low temperature (about 2K) by a cooling device (not shown). In this way, the cooled high-frequency cavity 2 is transformed into a superconducting state in which the electric resistance is infinitely zero. By setting the high-frequency cavity 2 in the superconducting state, the speed of the charged particle beam B can be changed with high efficiency.

また、ビーム発生装置4は、レーザ光Lを出力するレーザ出力部10と、レーザ光Lが照射されることで荷電粒子を発生させるターゲット11と、ターゲット11で発生した荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームBを引き出すための引き出し電極12と、ターゲット11と引き出し電極12とに接続される直流電源13と、レーザ出力部10とターゲット11との間に設けられてレーザ光Lを遮断可能な光変調部14と、レーザ出力部10と光変調部14とを制御する出力制御部15とを備える。なお、第1実施形態では、引き出し電極12が、ビーム引出部となっている。   The beam generating device 4 further includes a laser output unit 10 that outputs the laser light L, a target 11 that generates charged particles by being irradiated with the laser light L, and accelerates the charged particles generated by the target 11 in one direction. The extraction electrode 12 for extracting the charged particle beam B, the DC power supply 13 connected to the target 11 and the extraction electrode 12, and the laser beam L provided between the laser output unit 10 and the target 11 The light modulator 14 includes a light modulator 14 that can be cut off, and an output controller 15 that controls the laser output unit 10 and the light modulator 14. In the first embodiment, the extraction electrode 12 is a beam extraction unit.

また、レーザ出力部10から出力されたレーザ光Lは、ターゲット11に照射される。そして、ターゲット11にて荷電粒子が発生する。そして、発生した荷電粒子は、引き出し電極12により一方向に加速され、荷電粒子ビームBとなって高周波空洞2に入射される。   The laser beam L output from the laser output unit 10 is applied to the target 11. Then, charged particles are generated in the target 11. Then, the generated charged particles are accelerated in one direction by the extraction electrode 12 and are incident on the high-frequency cavity 2 as a charged particle beam B.

なお、主制御部5は、高周波制御部8および出力制御部15に接続され、高周波源3およびビーム発生装置4を制御している。なお、主制御部5や出力制御部15や高周波制御部8は、プロセッサやメモリなどのハードウエア資源を有し、CPUが各種プログラムを実行することで、ソフトウエアによる情報処理がハードウエア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。   The main control unit 5 is connected to the high frequency control unit 8 and the output control unit 15, and controls the high frequency source 3 and the beam generation device 4. The main control unit 5, the output control unit 15, and the high-frequency control unit 8 have hardware resources such as a processor and a memory. When the CPU executes various programs, information processing by software uses the hardware resources. It is composed of a computer realized by using.

また、ビーム発生装置4から高周波空洞2に入射される荷電粒子ビームBは、パルス列のビーム(パルス波)となっている。さらに、出力制御部15は、レーザ光Lがターゲット11に照射されるタイミングを制御することで、荷電粒子ビームBの出力のタイミングを制御している。本実施形態では、高周波空洞2の内部で生じている基本波の基本周波数の周期に対応するタイミングで荷電粒子ビームBが出力される。   The charged particle beam B incident on the high-frequency cavity 2 from the beam generator 4 is a pulse train beam (pulse wave). Further, the output control unit 15 controls the timing of the output of the charged particle beam B by controlling the timing at which the target 11 is irradiated with the laser light L. In the present embodiment, the charged particle beam B is output at a timing corresponding to the period of the fundamental frequency of the fundamental wave generated inside the high-frequency cavity 2.

ここで、高周波空洞2の内部に生じる高次モード(HOM:Higher Order Mode)について詳述する。例えば、高周波空洞2の内部に存在する高周波(基本波)の周波数成分は、高周波源3から入力される高周波Kの周波数のみであることが理想的である。しかし、荷電粒子ビームBの加減速は、高周波空洞2に貯められた高周波のエネルギーが、高周波空洞2と荷電粒子ビームBとの間で授受されることで実現される。そのため、荷電粒子ビームBの加減速の際に、高周波空洞2の内部の高周波が擾乱を受ける。そして、高周波源3から入力される高周波Kとは、異なる周波数成分が高周波空洞2の内部に生まれる場合がある。   Here, a high-order mode (HOM: Higher Order Mode) generated inside the high-frequency cavity 2 will be described in detail. For example, the frequency component of the high frequency (fundamental wave) existing inside the high frequency cavity 2 is ideally only the frequency of the high frequency K input from the high frequency source 3. However, the acceleration / deceleration of the charged particle beam B is realized by transmitting / receiving the high-frequency energy stored in the high-frequency cavity 2 between the high-frequency cavity 2 and the charged particle beam B. Therefore, when the charged particle beam B is accelerated or decelerated, the high frequency inside the high frequency cavity 2 is disturbed. Then, a frequency component different from the high frequency K input from the high frequency source 3 may be generated inside the high frequency cavity 2.

例えば、荷電粒子ビームBのパルス列の電流の時間変化は、周期的δ関数とみなせる。これはフーリエ変換を行うと、基本周波数の整数倍の周波数成分を有する。これが高周波空洞2に貯められた高周波が受ける擾乱の周波数成分となる。   For example, the time change of the current of the pulse train of the charged particle beam B can be regarded as a periodic δ function. This has a frequency component that is an integral multiple of the fundamental frequency when Fourier transform is performed. This is the frequency component of the disturbance that the high frequency stored in the high frequency cavity 2 receives.

理想的な高周波空洞2であれば、その内部で共振し得る高周波の周波数は、基本波とその整数倍の周波数のみである。一方、現実の高周波空洞2の内部形状は、3次元的な形状を有するために、基本周波数以外にも様々な共振周波数を有する。これらの基本モード以外に高周波空洞2の内部に生じる電磁場の周波数成分が、高次モードと呼ばれる。   In an ideal high-frequency cavity 2, only high-frequency frequencies that can resonate therein are the fundamental wave and a frequency that is an integral multiple of the fundamental wave. On the other hand, since the actual internal shape of the high-frequency cavity 2 has a three-dimensional shape, it has various resonance frequencies in addition to the fundamental frequency. In addition to these fundamental modes, the frequency components of the electromagnetic field generated inside the high-frequency cavity 2 are called higher-order modes.

前述したとおり、高周波空洞2に入射するビームは、基本周波数の整数分の1の周波数を有する。そして、荷電粒子ビームBの加速または減速は、高周波空洞2とのエネルギーの授受である。この授受されるエネルギーは、荷電粒子ビームBに起因する周波数を持つため、高周波空洞2の高次モードが、荷電粒子ビームBが持つ周波数成分のいずれかと一致してしまう場合がある。この場合に、高周波空洞2の内部にノイズとなる電磁波が溜まってしまい、高周波空洞2が発熱してしまうことがある。この発熱が、高周波空洞2の変形や、超伝導状態の破れ(クエンチ)の要因となるおそれがある。また、ノイズとなる電磁波により、次に加速される荷電粒子ビームBが擾乱を受け、正常に加速されない、或いは荷電粒子ビームBの形状が崩れるなどの悪影響を受ける場合がある。   As described above, the beam incident on the high-frequency cavity 2 has a frequency that is a fraction of the fundamental frequency. The acceleration or deceleration of the charged particle beam B is the exchange of energy with the high-frequency cavity 2. Since the transmitted and received energy has a frequency due to the charged particle beam B, the higher-order mode of the high-frequency cavity 2 may coincide with one of the frequency components of the charged particle beam B. In this case, electromagnetic waves serving as noise may accumulate inside the high-frequency cavity 2 and the high-frequency cavity 2 may generate heat. This heat generation may cause deformation of the high-frequency cavity 2 or breakage (quench) of the superconducting state. In addition, the charged particle beam B to be accelerated next may be disturbed by electromagnetic waves that become noise, and the charged particle beam B may not be normally accelerated, or may have an adverse effect such that the shape of the charged particle beam B is lost.

そこで、本実施形態では、高周波空洞2に入射される荷電粒子ビームBのパルス列を一定ではない間隔で選抜する(無作為に間引く)ことで、荷電粒子ビームBが持つ周波数成分を分散または減衰させるようにする。このようにすれば、高次モードの発生が抑えられ、高周波空洞2の発熱を抑えることができる。   Thus, in the present embodiment, the frequency component of the charged particle beam B is dispersed or attenuated by selecting the pulse train of the charged particle beam B incident on the high-frequency cavity 2 at irregular intervals (thinning out at random). To do. By doing so, the occurrence of higher-order modes is suppressed, and the heat generation of the high-frequency cavity 2 can be suppressed.

なお、ビーム発生装置4は、基本周波数の周期に対応する一定間隔のタイミングのうちの選抜された特定のタイミングで荷電粒子ビームBを高周波空洞2に向けて出力する。第1実施形態では、光変調部14を用いてレーザ光Lのパルス列を選抜することで、荷電粒子ビームBのパルス列を選抜している。つまり、レーザ光Lの選抜と荷電粒子ビームBの選抜とが同義である。   The beam generating device 4 outputs the charged particle beam B to the high-frequency cavity 2 at a specific timing selected from timings at regular intervals corresponding to the cycle of the fundamental frequency. In the first embodiment, the pulse train of the charged particle beam B is selected by selecting the pulse train of the laser light L using the light modulator 14. That is, the selection of the laser beam L and the selection of the charged particle beam B are synonymous.

ここで、ビーム発生装置4が出力する荷電粒子ビームBの出力態様について詳述する。ビーム発生装置4の出力制御部15は、所定期間内にレーザ光Lのパルスが選抜される割合を設定する割合設定部16と、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期(同調タイミング)で同調信号Uを出力する同調部17と、レーザ出力部10がレーザ光Lを出力する契機となるトリガ信号Gを出力する信号出力部18と、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期で乱数Rを出力する乱数出力部19と、光変調部14を制御する選抜信号Sを出力する選抜部20とを備える。   Here, the output mode of the charged particle beam B output from the beam generator 4 will be described in detail. The output control unit 15 of the beam generation device 4 has a ratio setting unit 16 that sets a ratio at which a pulse of the laser light L is selected within a predetermined period, and a cycle (tuning timing) at a fixed interval synchronized with the cycle of the fundamental frequency. A tuning unit 17 that outputs a tuning signal U; a signal output unit 18 that outputs a trigger signal G that triggers the laser output unit 10 to output the laser light L; and a random number with a constant interval that tunes to the cycle of the fundamental frequency. A random number output unit 19 for outputting R and a selection unit 20 for outputting a selection signal S for controlling the light modulation unit 14 are provided.

また、第1実施形態の光変調部14は、光スイッチで構成される。なお、光スイッチとは、光の通過(ON)または遮断(OFF)を切り換えることができるデバイスである。第1実施形態では、光スイッチとしてEОモジュレータが用いられる。なお、EOモジュレータは、電気制御で光の偏向制御を行い、電気光学結晶と偏光子を組み合わせて光の強弱を変化させるデバイスである。また、他の実施形態としてMEMS式の光スイッチや、機械式の光スイッチなどを用いても良い。   Further, the light modulation unit 14 of the first embodiment is configured by an optical switch. Note that an optical switch is a device that can switch between passing (ON) and blocking (OFF) light. In the first embodiment, an EО modulator is used as an optical switch. The EO modulator is a device that controls light deflection by electric control and changes the intensity of light by combining an electro-optic crystal and a polarizer. In another embodiment, a MEMS optical switch, a mechanical optical switch, or the like may be used.

第1実施形態では、光変調部14が、ターゲット11に向かって進行するレーザ光Lの通過(ON)または遮断(OFF)を切り換えるようにしている。なお、レーザ出力部10とターゲット11との間の光路は、光ファイバなどにより構成されても良い。このように、ターゲット11に対するレーザ光Lの照射タイミングが制御されることで、荷電粒子ビームBの出力タイミングが制御される。   In the first embodiment, the light modulator 14 switches between passing (ON) and blocking (OFF) the laser light L traveling toward the target 11. Note that the optical path between the laser output unit 10 and the target 11 may be constituted by an optical fiber or the like. Thus, the output timing of the charged particle beam B is controlled by controlling the irradiation timing of the laser beam L to the target 11.

なお、信号出力部18は、同調部17から出力される同調信号U(同調タイミング)に応じてトリガ信号Gの出力を制御する。さらに、選抜部20は、同調部17から出力される同調信号Uおよび乱数出力部19から出力される乱数Rに応じて選抜信号Sの出力を制御する。   Note that the signal output unit 18 controls the output of the trigger signal G according to the tuning signal U (tuning timing) output from the tuning unit 17. Further, the selection unit 20 controls the output of the selection signal S according to the tuning signal U output from the tuning unit 17 and the random number R output from the random number output unit 19.

また、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期とは、基本周波数と同一周期であっても良いし、基本周波数の整数分の1の周期であっても良い。なお、以下の説明では、理解を助けるために、同調部17から出力される同調信号Uの出力タイミングが、基本周波数の周期と同一であるものとして説明する。   Further, the period at a constant interval synchronized with the period of the fundamental frequency may be the same period as the fundamental frequency, or may be a period that is a fraction of the fundamental frequency. In the following description, the output timing of the tuning signal U output from the tuning unit 17 is assumed to be the same as the period of the fundamental frequency for the sake of understanding.

図2に示すように、高周波源3から高周波空洞2に入力される高周波Kの基本周波数の周期をT1〜T20とする。これらの周期T1〜T20に一致したタイミングで、荷電粒子ビームBが高周波空洞2に入射されると、荷電粒子ビームBの加減速を行うことができる。ここで、出力制御部15の同調部17は、基本周波数の周期T1〜T20に一致したタイミングで同調信号Uを出力する。また、信号出力部18は、同調信号Uに応じてトリガ信号Gを出力する。そして、レーザ出力部10が出力した時点のレーザ光Lのパルス列は、基本周波数の周期T1〜T20に一致する。   As shown in FIG. 2, the periods of the fundamental frequency of the high frequency K input from the high frequency source 3 to the high frequency cavity 2 are T1 to T20. When the charged particle beam B is incident on the high-frequency cavity 2 at a timing corresponding to these periods T1 to T20, the charged particle beam B can be accelerated or decelerated. Here, the tuning unit 17 of the output control unit 15 outputs the tuning signal U at a timing corresponding to the periods T1 to T20 of the fundamental frequency. Further, the signal output unit 18 outputs a trigger signal G according to the tuning signal U. The pulse train of the laser light L output from the laser output unit 10 coincides with the periods T1 to T20 of the fundamental frequency.

なお、同調信号Uは、選抜部20にも入力される。この選抜部20には、乱数出力部19から出力された乱数Rが入力される。また、乱数Rは、2進数のランダム(不規則)な値となっている。乱数出力部19では、乱数生成器により所定の乱数列を生成する。また、乱数出力部19は、「0」または「1」の数値をランダムに出力する。なお、10進数または16進数のランダムな値を出力し、この出力された値を「0」または「1」に変換して乱数列を出力しても良い。また、乱数出力部19から出力される乱数Rは、同調信号U(基本周波数の周期T1〜T20)に対応して出力される。   Note that the tuning signal U is also input to the selection unit 20. The random number R output from the random number output unit 19 is input to the selection unit 20. The random number R is a binary random (irregular) value. In the random number output unit 19, a predetermined random number sequence is generated by a random number generator. Further, the random number output unit 19 randomly outputs a numerical value of “0” or “1”. Note that a random value of a decimal number or a hexadecimal number may be output, and the output value may be converted to “0” or “1” to output a random number sequence. The random number R output from the random number output unit 19 is output corresponding to the tuning signal U (the period T1 to T20 of the fundamental frequency).

また、選抜部20は、同調信号Uおよび乱数Rに応じて選抜信号Sの出力を制御する。光変調部14は、選抜信号Sに基づいてレーザ光Lの通過(ON)および遮断(OFF)の制御を行う。例えば、同調信号Uが入力されたときに、この同調信号Uに対応する乱数Rが「0」の場合は、選抜部20が光変調部14を用いてレーザ光Lの遮断を行う。一方、同調信号Uに対応する乱数Rが「1」の場合は、選抜部20が光変調部14を用いたレーザ光Lの遮断を行わないで、レーザ光Lを通過させる。   Further, the selection unit 20 controls the output of the selection signal S according to the tuning signal U and the random number R. The light modulator 14 controls the passage (ON) and the cutoff (OFF) of the laser light L based on the selection signal S. For example, when the tuning signal U is input and the random number R corresponding to the tuning signal U is “0”, the selection unit 20 uses the light modulation unit 14 to cut off the laser light L. On the other hand, when the random number R corresponding to the tuning signal U is “1”, the selection unit 20 passes the laser light L without blocking the laser light L using the light modulation unit 14.

なお、光変調部14により遮断されたレーザ光Lは、ターゲット11に照射されない。一方、光変調部14により遮断されなかったレーザ光Lは、ターゲット11に照射されて荷電粒子ビームBが発生し、この荷電粒子ビームBが高周波空洞2に入射される。   The laser beam L cut off by the light modulator 14 is not irradiated on the target 11. On the other hand, the laser beam L not blocked by the light modulator 14 is irradiated on the target 11 to generate a charged particle beam B, and the charged particle beam B is incident on the high-frequency cavity 2.

すなわち、レーザ光Lの照射タイミングであって、荷電粒子ビームBの出力タイミングが乱数出力部19の乱数Rによって制御される。なお、乱数Rに応じてレーザ光Lの照射タイミングが決定されるので、高周波空洞2に入射される荷電粒子ビームBのパルス列を一定ではない間隔で選抜することができる。このようにすれば、一定ではない間隔で荷電粒子ビームBが出力されるので、高周波空洞2の内部の高次モードの発生を防ぐことができる。   That is, the irradiation timing of the laser beam L, that is, the output timing of the charged particle beam B, is controlled by the random number R of the random number output unit 19. Since the irradiation timing of the laser beam L is determined according to the random number R, the pulse train of the charged particle beam B incident on the high-frequency cavity 2 can be selected at irregular intervals. By doing so, the charged particle beam B is output at irregular intervals, so that the generation of higher-order modes inside the high-frequency cavity 2 can be prevented.

前述の通り、1のレーザ光Lの照射タイミングと次のレーザ光Lの照射タイミングとの間隔が一定ではなく、乱数Rに応じて適宜変更される。つまり、本実施形態では、1の荷電粒子ビームBが出力されるタイミングと次の荷電粒子ビームBが出力されるタイミングの間隔が変更可能となっている。このようにすれば、繰り返される荷電粒子ビームBが出力されるタイミングが変移されるので、高周波空洞2の内部の共振現象を防ぐことができる。   As described above, the interval between the irradiation timing of one laser light L and the irradiation timing of the next laser light L is not constant, but is appropriately changed according to the random number R. That is, in the present embodiment, the interval between the timing at which one charged particle beam B is output and the timing at which the next charged particle beam B is output can be changed. By doing so, the timing at which the charged particle beam B is output repeatedly is shifted, so that the resonance phenomenon inside the high-frequency cavity 2 can be prevented.

なお、割合設定部16は、所定期間内にレーザ光Lの照射タイミングが選抜される割合を予め設定する。この割合設定部16が設定した選抜割合に応じて乱数出力部19が乱数Rの出現態様を設定する。例えば、レーザ光Lの照射タイミングの50%を選抜する場合には、乱数出力部19が出力する乱数Rにおいて「0」の出現確率を50%に設定すれば良い。なお、所定期間内にレーザ光Lの照射タイミングが選抜される割合は、適宜変更しても良い。   The ratio setting unit 16 sets in advance the ratio at which the irradiation timing of the laser light L is selected within a predetermined period. The random number output unit 19 sets the appearance of the random number R according to the selection ratio set by the ratio setting unit 16. For example, when selecting 50% of the irradiation timing of the laser light L, the appearance probability of “0” in the random number R output by the random number output unit 19 may be set to 50%. The rate at which the irradiation timing of the laser light L is selected within the predetermined period may be changed as appropriate.

ここで、荷電粒子ビームBを選抜して出力すると、荷電粒子ビームBの平均電流(平均エネルギー)が減少してしまう。そのため、目的の平均電流とするためには、予め選抜する割合を加味した分だけ、基本周波数を高めておく必要がある。例えば、特定の繰り返し周波数で高周波空洞2に入射する荷電粒子ビームBのパルス列の電流成分は、この周波数の整数倍に集中した周波数成分を有する。ウィーナーヒンチンの定理より、この荷電粒子ビームBによって受ける変調のスペクトルは、以下の数式1で表される。   Here, when the charged particle beam B is selected and output, the average current (average energy) of the charged particle beam B decreases. Therefore, in order to obtain a target average current, it is necessary to raise the fundamental frequency by an amount that takes into account the selection ratio in advance. For example, the current component of the pulse train of the charged particle beam B incident on the high-frequency cavity 2 at a specific repetition frequency has a frequency component concentrated at an integral multiple of this frequency. According to Wiener-Khinchin's theorem, the spectrum of the modulation received by the charged particle beam B is expressed by the following equation (1).

Figure 0006649495
Figure 0006649495

ここで、C(t)は、ビーム電流を信号列としたときの自己相関関数の期待値である。また、(基本周波数f1)=(1/間隔δt)のパルス列であるときに、各パルスが確率Pで選抜された場合に、信号列P(t)は、以下の数式2で表される。   Here, C (t) is an expected value of the autocorrelation function when the beam current is used as a signal sequence. Further, when a pulse train of (fundamental frequency f1) = (1 / interval δt) and each pulse is selected with the probability P, the signal train P (t) is expressed by the following equation (2).

Figure 0006649495
Figure 0006649495

ここで、bnは、確率Pで1となり、(1−P)で0となるため、自己相関の期待値は、以下の数式3で表される。   Here, bn becomes 1 at the probability P and becomes 0 at (1−P). Therefore, the expected value of the autocorrelation is represented by the following Expression 3.

Figure 0006649495
Figure 0006649495

この期待値を数式1に代入すると以下の数式4となる。   By substituting this expected value into Equation 1, the following Equation 4 is obtained.

Figure 0006649495
Figure 0006649495

ここで、ω=2πn/Δtとなる。すなわち、f=nf1=n/Δtのときだけ値を持つ(ゼロではなくなる)。また、基本周波数f1は、荷電粒子ビームBを選抜した分だけ電流値を補う必要がある。そのため、基本周波数f1は、本発明を適用しない場合の周波数f0よりも大きくなる(f1はf0よりも周波数が高くなる)。すなわち、確率50%で荷電粒子ビームBを選抜する場合は、f1=2×f0となる。そのため、高周波空洞2の内部で発生する高次モードは、本発明を適用しない場合のf=f0×n/Δtの半分、つまり、f=f0×n/2Δtとなる。よって、ビーム電流、ビームパルスの素性を変えずに全体として発熱を抑えることが可能となり、高周波空洞2における高次モードによる発熱を抑えることができる。   Here, ω = 2πn / Δt. That is, it has a value only when f = nf1 = n / Δt (it is not zero). Further, it is necessary to supplement the current value of the fundamental frequency f1 by an amount corresponding to the selection of the charged particle beam B. Therefore, the fundamental frequency f1 is higher than the frequency f0 when the present invention is not applied (f1 has a higher frequency than f0). That is, when the charged particle beam B is selected with a probability of 50%, f1 = 2 × f0. Therefore, the higher-order mode generated inside the high-frequency cavity 2 is half of f = f0 × n / Δt when the present invention is not applied, that is, f = f0 × n / 2Δt. Therefore, it is possible to suppress heat generation as a whole without changing the characteristics of the beam current and the beam pulse, and it is possible to suppress heat generation in the high-frequency cavity 2 due to higher-order modes.

なお、基本周波数f1を高めることで、本発明を適用しない場合の周波数f0よりも周波数成分が少なくなる。例えば、f1の周波数を1.3GHzとし、f0の周波数がf1の半分の周波数の650MHzであると仮定する。この場合に、f0の周波数成分は、650MHz,1.3GHz,1.95GHz,2.6GHz,3.25GHz,3.9GHz…となる。一方、f1の周波数成分は、1.3GHz,2.6GHz,3.9GHz…となる。このように、f1は、f0よりも周波数成分が少なくなる。そのため、基本周波数f1を高めることで、高周波空洞2の内部で共振現象が生じる可能性(確率)を低減することができる。   In addition, by increasing the basic frequency f1, the frequency component becomes smaller than the frequency f0 when the present invention is not applied. For example, assume that the frequency of f1 is 1.3 GHz and the frequency of f0 is 650 MHz, which is half the frequency of f1. In this case, the frequency components of f0 are 650 MHz, 1.3 GHz, 1.95 GHz, 2.6 GHz, 3.25 GHz, 3.9 GHz... On the other hand, the frequency components of f1 are 1.3 GHz, 2.6 GHz, 3.9 GHz, and so on. Thus, f1 has less frequency components than f0. Therefore, by raising the fundamental frequency f1, the possibility (probability) that a resonance phenomenon occurs inside the high-frequency cavity 2 can be reduced.

図1に示すように、出力制御部15は、主制御部5から入力される制御情報Cに応じて、割合設定部16でレーザ光Lの照射タイミングの選抜割合Wを設定する。また、割合設定部16は、設定した選抜割合Wを高周波制御部8の周波数設定部9に出力する。なお、この選抜割合は、乱数出力部19にも出力される。さらに、周波数設定部9は、選抜割合Wに応じて基本周波数を設定する。なお、高周波制御部8は、設定された基本周波数に基づいて制御信号Nを高周波源3に出力して制御を行う。   As shown in FIG. 1, the output control unit 15 sets the selection ratio W of the irradiation timing of the laser light L in the ratio setting unit 16 according to the control information C input from the main control unit 5. Further, the ratio setting unit 16 outputs the set selection ratio W to the frequency setting unit 9 of the high frequency control unit 8. The selection ratio is also output to the random number output unit 19. Further, the frequency setting unit 9 sets a fundamental frequency according to the selection ratio W. The high-frequency control unit 8 performs control by outputting a control signal N to the high-frequency source 3 based on the set fundamental frequency.

そして、周波数設定部9は、設定した基本周波数の周波数情報Fを割合設定部16に出力する。また、割合設定部16は、周波数情報Fを同調部17および乱数出力部19に出力する。そして、同調部17および乱数出力部19は、周波数情報Fに基づいて同調信号Uおよび乱数Rを出力する。   Then, the frequency setting unit 9 outputs the frequency information F of the set basic frequency to the ratio setting unit 16. Further, the ratio setting unit 16 outputs the frequency information F to the tuning unit 17 and the random number output unit 19. Then, the tuning unit 17 and the random number output unit 19 output the tuning signal U and the random number R based on the frequency information F.

なお、出力制御部15は、乱数出力部19から出力される乱数Rに基づいてレーザ光Lの照射タイミングを選抜することで、これらのタイミングを無作為に選抜することができる。また、周波数設定部9が、所定期間内にレーザ光Lの照射タイミングが選抜される割合に応じて基本周波数を高める設定を行うことで、高周波空洞2から出力される荷電粒子ビームBの平均エネルギーが減少されることを防ぐことができる。   The output control unit 15 can select these timings at random by selecting the irradiation timing of the laser light L based on the random number R output from the random number output unit 19. In addition, the frequency setting unit 9 performs setting to increase the fundamental frequency in accordance with the ratio at which the irradiation timing of the laser light L is selected within a predetermined period, so that the average energy of the charged particle beam B output from the high-frequency cavity 2 is increased. Can be prevented from being reduced.

第1実施形態では、一定間隔の周期で出力されるレーザ光Lを光変調部14により適宜遮断することで、特定のレーザ光Lのパルスを選抜することができる。さらに、光変調部14を用いることで、簡易的な構成で荷電粒子ビームBが出力されるタイミングを選抜することができる。   In the first embodiment, a specific pulse of the laser light L can be selected by appropriately blocking the laser light L output at a constant interval by the light modulator 14. Furthermore, by using the light modulation unit 14, the timing at which the charged particle beam B is output can be selected with a simple configuration.

なお、ビーム発生装置4は、電子線をビーム状に出力する電子銃であっても良い。例えば、ターゲット11をフォトカソード部とし、引き出し電極12をアノード部とする。そして、レーザ出力部10から出力されるレーザ光Lが、ターゲット11(カソード部)に照射されることで生じる光電効果によって、荷電粒子としての光電子が発生する。この光電子の発生タイミングを、前述のように、適宜選抜することで、高周波空洞2の発熱を抑えることができる電子銃とすることができる。   Note that the beam generator 4 may be an electron gun that outputs an electron beam in the form of a beam. For example, the target 11 is a photocathode unit, and the extraction electrode 12 is an anode unit. Then, photoelectrons as charged particles are generated by a photoelectric effect generated by irradiating the target 11 (cathode unit) with the laser light L output from the laser output unit 10. By appropriately selecting the timing of generating the photoelectrons as described above, it is possible to obtain an electron gun capable of suppressing heat generation in the high-frequency cavity 2.

なお、ビーム発生装置4は、陽イオンをビーム状に出力するイオン源であっても良い。例えば、ターゲット11をイオンターゲット部とし、引き出し電極12をカソード部とする。そして、レーザ出力部10から出力されるレーザ光Lが、ターゲット11(イオンターゲット部)に照射されることで生じるアブレーションプラズマによって、荷電粒子としての陽イオンが発生する。この陽イオンの発生タイミングを、前述のように、適宜選抜することで、高周波空洞2の発熱を抑えることができるイオン源とすることができる。   Note that the beam generator 4 may be an ion source that outputs positive ions in the form of a beam. For example, the target 11 is an ion target portion, and the extraction electrode 12 is a cathode portion. Then, positive ions as charged particles are generated by ablation plasma generated by irradiating the target 11 (ion target unit) with the laser light L output from the laser output unit 10. By appropriately selecting the generation timing of the cations as described above, an ion source capable of suppressing heat generation in the high-frequency cavity 2 can be obtained.

次に、第1実施形態の加速器1の運転方法について図3を用いて説明する。なお、フローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップS11」と記載する箇所を「S11」と略記する。   Next, an operation method of the accelerator 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. In the description of each step of the flowchart, for example, a portion described as “Step S11” is abbreviated as “S11”.

まず、高周波制御部8の周波数設定部9は、出力制御部15の割合設定部16から入力された選抜割合Wに基づいて、基本周波数を設定する(S11)。次に、高周波制御部8は、高周波源3を制御し、基本周波数の高周波K(電磁波K)を高周波空洞2に入力する(S12:高周波入力ステップ)。   First, the frequency setting unit 9 of the high frequency control unit 8 sets a basic frequency based on the selection ratio W input from the ratio setting unit 16 of the output control unit 15 (S11). Next, the high-frequency control unit 8 controls the high-frequency source 3 and inputs the high-frequency K (electromagnetic wave K) of the fundamental frequency to the high-frequency cavity 2 (S12: high-frequency input step).

次に、出力制御部15の同調部17および乱数出力部19は、周波数設定部9が設定した基本周波数に基づいて高周波空洞2にレーザ光Lを入射させるための同調タイミング(基本周波数の周期)を取得する(S13)。次に、同調部17は、同調タイミングに一致するタイミングで同調信号Uを信号出力部18に出力する。そして、同調信号Uを入力された信号出力部18は、同調タイミングでトリガ信号Gをレーザ出力部10に出力する(S14)。   Next, the tuning section 17 and the random number output section 19 of the output control section 15 perform tuning timing (period of the fundamental frequency) for causing the laser light L to enter the high-frequency cavity 2 based on the fundamental frequency set by the frequency setting section 9. Is acquired (S13). Next, the tuning unit 17 outputs the tuning signal U to the signal output unit 18 at a timing that matches the tuning timing. Then, the signal output unit 18 to which the tuning signal U has been input outputs the trigger signal G to the laser output unit 10 at the tuning timing (S14).

次に、トリガ信号Gを入力されたレーザ出力部10は、同調タイミングでレーザ光Lを出力する(S15:レーザ出力ステップ)。次に、選抜部20は、同調タイミングに対応した乱数Rを乱数出力部19から取得する(S16)。次に、選抜部20は、取得した乱数Rに基づいて光変調部14を制御し、基本周波数の周期に対応する同調タイミングのうちの特定のタイミングのレーザ光Lのパルスを選抜する(S17:出力制御ステップ)。   Next, the laser output unit 10 that has received the trigger signal G outputs the laser light L at the synchronization timing (S15: laser output step). Next, the selection unit 20 acquires a random number R corresponding to the synchronization timing from the random number output unit 19 (S16). Next, the selection unit 20 controls the light modulation unit 14 based on the obtained random number R, and selects a pulse of the laser light L at a specific timing among the tuning timings corresponding to the cycle of the fundamental frequency (S17: Output control step).

次に、特定のタイミングでレーザ光Lがターゲット11に照射されることで荷電粒子が発生する(S18:粒子発生ステップ)。次に、引き出し電極12は、荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームBを引き出し、ビーム発生装置4から荷電粒子ビームBが出力される(S19:ビーム引出ステップ)。次に、荷電粒子ビームBが高周波空洞2を通過する(S20:通過ステップ)。   Next, charged particles are generated by irradiating the target 11 with the laser beam L at a specific timing (S18: particle generation step). Next, the extraction electrode 12 extracts the charged particle beam B by accelerating the charged particles in one direction, and the charged particle beam B is output from the beam generator 4 (S19: beam extraction step). Next, the charged particle beam B passes through the high-frequency cavity 2 (S20: passing step).

(第2実施形態)
次に、第2実施形態の加速器1Aについて図4から図6を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
(2nd Embodiment)
Next, an accelerator 1A according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the same components as those described in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

第2実施形態の加速器1Aでは、前述の第1実施形態の引き出し電極12の替わりに、出力用高周波空洞21が設けられる。なお、第2実施形態では、出力用高周波空洞21が、ビーム引出部となっている。また、第1実施形態では、光変調部14がレーザ光Lのパルスの選抜を行っているが、第2実施形態では、トリガ信号Gの出力の有無によってレーザ光Lのパルスの選抜を行う。   In the accelerator 1A of the second embodiment, an output high-frequency cavity 21 is provided instead of the extraction electrode 12 of the first embodiment. In the second embodiment, the output high-frequency cavity 21 serves as a beam extraction unit. In the first embodiment, the light modulator 14 selects a pulse of the laser light L. In the second embodiment, the light modulator 14 selects a pulse of the laser light L depending on whether or not the trigger signal G is output.

図4に示すように、出力用高周波空洞21は、ターゲット11に近接した位置に設けられる。また、出力用高周波空洞21の端部には、RF入力部22を介して高周波源23が接続されている。そして、出力用高周波空洞21は、ターゲット11で発生した荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームBを引き出す。この出力用高周波空洞21で引き出された荷電粒子ビームBは、主たる高周波空洞2に入射される。   As shown in FIG. 4, the output high-frequency cavity 21 is provided at a position close to the target 11. A high frequency source 23 is connected to an end of the output high frequency cavity 21 via an RF input unit 22. Then, the output high-frequency cavity 21 extracts a charged particle beam B by accelerating the charged particles generated in the target 11 in one direction. The charged particle beam B extracted from the output high-frequency cavity 21 enters the main high-frequency cavity 2.

なお、出力用高周波空洞21は、出力用高周波制御部24から出力される制御信号Nにより制御される。また、出力制御部15Aの割合設定部16は、周波数情報Fを同調部17および乱数出力部19に出力するとともに、出力用高周波制御部24の周波数設定部25にも周波数情報Fを出力する。この周波数設定部25は、周波数情報Fに基づいて基本周波数を設定する。そして、出力用高周波制御部24は、設定された基本周波数に基づいて高周波源23から高周波空洞2に高周波Kを入力する。   The output high-frequency cavity 21 is controlled by a control signal N output from the output high-frequency controller 24. Further, the ratio setting unit 16 of the output control unit 15A outputs the frequency information F to the tuning unit 17 and the random number output unit 19, and also outputs the frequency information F to the frequency setting unit 25 of the output high frequency control unit 24. The frequency setting unit 25 sets a fundamental frequency based on the frequency information F. Then, the output high frequency control unit 24 inputs the high frequency K from the high frequency source 23 to the high frequency cavity 2 based on the set fundamental frequency.

第2実施形態の出力制御部15Aの選抜部20は、選抜信号Sを信号出力部18に入力する。また、信号出力部18は、選抜部20から出力される選抜信号Sに応じた特定のタイミングでトリガ信号Gを出力する。つまり、この選抜部20は、トリガ信号Gの出力タイミングを一定ではない間隔で選抜する。そして、基本周波数の周期に同調する一定間隔の周期である同調タイミングのうちの特定のタイミングで、レーザ光Lがレーザ出力部10から出力される。   The selection unit 20 of the output control unit 15A according to the second embodiment inputs the selection signal S to the signal output unit 18. The signal output unit 18 outputs the trigger signal G at a specific timing according to the selection signal S output from the selection unit 20. That is, the selection unit 20 selects the output timing of the trigger signal G at irregular intervals. Then, the laser light L is output from the laser output unit 10 at a specific timing among the tuning timings, which are periodic intervals that tune to the cycle of the fundamental frequency.

図5に示すように、高周波源3から高周波空洞2に入力される高周波Kの基本周波数の周期をT1〜T20とする。ここで、出力制御部15Aの同調部17は、基本周波数の周期T1〜T20に一致したタイミングで同調信号Uを信号出力部18および選抜部20に出力する。また、乱数出力部19から出力される乱数Rは、同調信号U(基本周波数の周期T1〜T20)に対応して出力される。そして、この乱数Rが選抜部20に入力される。   As shown in FIG. 5, the period of the fundamental frequency of the high frequency K input from the high frequency source 3 to the high frequency cavity 2 is T1 to T20. Here, the tuning unit 17 of the output control unit 15 </ b> A outputs the tuning signal U to the signal output unit 18 and the selection unit 20 at a timing that matches the periods T <b> 1 to T <b> 20 of the fundamental frequency. The random number R output from the random number output unit 19 is output corresponding to the tuning signal U (the period T1 to T20 of the fundamental frequency). Then, the random number R is input to the selection unit 20.

さらに、選抜部20は、同調信号Uおよび乱数Rに応じて選抜信号Sを信号出力部18に出力する。例えば、選抜部20は、同調信号Uが入力されたときに、この同調信号Uに対応する乱数Rが「0」の場合は、トリガ信号Gを出力しない旨の選抜信号Sを信号出力部18に出力する。一方、同調信号Uに対応する乱数Rが「1」の場合は、トリガ信号Gを出力する旨の選抜信号Sを信号出力部18に出力する。なお、信号出力部18は、同調部17から入力される同調信号Uと選抜部20から入力される選抜信号Sとに応じて、トリガ信号Gを出力の有無を制御する。   Further, the selection unit 20 outputs a selection signal S to the signal output unit 18 according to the tuning signal U and the random number R. For example, when the tuning signal U is input and the random number R corresponding to the tuning signal U is “0”, the selection unit 20 outputs the selection signal S indicating that the trigger signal G is not output to the signal output unit 18. Output to On the other hand, when the random number R corresponding to the tuning signal U is “1”, the selection signal S for outputting the trigger signal G is output to the signal output unit 18. The signal output unit 18 controls the output of the trigger signal G according to the tuning signal U input from the tuning unit 17 and the selection signal S input from the selection unit 20.

なお、レーザ出力部10は、信号出力部18から出力されるトリガ信号Gに応じてレーザ光Lを出力する。そして、レーザ出力部10から出力されたレーザ光Lは、ターゲット11に照射されて荷電粒子ビームBが発生し、この荷電粒子ビームBが高周波空洞2に入射される。   Note that the laser output unit 10 outputs the laser light L according to the trigger signal G output from the signal output unit 18. The laser beam L output from the laser output unit 10 is applied to the target 11 to generate a charged particle beam B, and the charged particle beam B is incident on the high-frequency cavity 2.

すなわち、レーザ光Lの出力タイミングであって、荷電粒子ビームBの出力タイミングが乱数出力部19の乱数Rによって制御される。なお、乱数Rに応じてレーザ光Lの出力タイミングが決定されるので、高周波空洞2に入射される荷電粒子ビームBのパルス列を一定ではない間隔で選抜することができる。このようにすれば、一定ではない間隔で荷電粒子ビームBが出力されるので、高周波空洞2の内部の高次モードの発生を防ぐことができる。   That is, the output timing of the laser beam L, that is, the output timing of the charged particle beam B, is controlled by the random number R of the random number output unit 19. Since the output timing of the laser beam L is determined according to the random number R, the pulse train of the charged particle beam B incident on the high-frequency cavity 2 can be selected at irregular intervals. By doing so, the charged particle beam B is output at irregular intervals, so that the generation of higher-order modes inside the high-frequency cavity 2 can be prevented.

このように第2実施形態では、乱数出力部19から出力される乱数Rに基づいて、信号出力部18のトリガ信号Gの出力の有無が制御されため、光変調部14などの部品を用いなくても済むようになるので、簡易的な構成で荷電粒子ビームBが出力されるタイミングを選抜することができる。   As described above, in the second embodiment, the presence or absence of the output of the trigger signal G from the signal output unit 18 is controlled based on the random number R output from the random number output unit 19, so that components such as the light modulation unit 14 are not used. Therefore, the timing at which the charged particle beam B is output can be selected with a simple configuration.

なお、第2実施形態のビーム発生装置4Aは、ターゲット11をフォトカソード部とした電子銃であっても良いし、ターゲット11をイオンターゲット部としたイオン源であっても良い。   Note that the beam generator 4A of the second embodiment may be an electron gun using the target 11 as a photocathode unit or an ion source using the target 11 as an ion target unit.

次に、第2実施形態の加速器1Aの運転方法について図6を用いて説明する。まず、高周波制御部8の周波数設定部9は、出力制御部15Aの割合設定部16から入力された選抜割合Wに基づいて、基本周波数を設定する(S21)。次に、高周波制御部8は、高周波源3を制御し、基本周波数の高周波K(電磁波K)を高周波空洞2に入力する(S22:高周波入力ステップ)。   Next, an operation method of the accelerator 1A according to the second embodiment will be described with reference to FIG. First, the frequency setting unit 9 of the high frequency control unit 8 sets a basic frequency based on the selection ratio W input from the ratio setting unit 16 of the output control unit 15A (S21). Next, the high-frequency control unit 8 controls the high-frequency source 3 and inputs the high-frequency K (electromagnetic wave K) of the fundamental frequency to the high-frequency cavity 2 (S22: high-frequency input step).

次に、出力制御部15Aの同調部17および乱数出力部19は、周波数設定部9が設定した基本周波数に基づいて高周波空洞2にレーザ光Lを入射させるための同調タイミング(基本周波数の周期)を取得する(S23)。次に、選抜部20は、同調タイミングに対応した乱数Rを乱数出力部19から取得する(S24)。そして、選抜部20は、同調信号Uおよび乱数Rに応じて選抜信号Sを信号出力部18に出力する。   Next, the tuning unit 17 and the random number output unit 19 of the output control unit 15A provide a tuning timing (period of the fundamental frequency) for causing the laser light L to enter the high-frequency cavity 2 based on the fundamental frequency set by the frequency setting unit 9. Is acquired (S23). Next, the selection unit 20 acquires the random number R corresponding to the tuning timing from the random number output unit 19 (S24). Then, the selection unit 20 outputs the selection signal S to the signal output unit 18 according to the tuning signal U and the random number R.

次に、信号出力部18は、選抜部20から入力された選抜信号Sに基づいて、基本周波数の周期に対応する同調タイミングのうちの特定のタイミングのトリガ信号Gのパルスを選抜する(S25:出力制御ステップ)。次に、信号出力部18は、特定のタイミングでトリガ信号Gをレーザ出力部10に出力する(S26)。次に、トリガ信号Gを入力されたレーザ出力部10は、特定のタイミングでレーザ光Lを出力する(S27:レーザ出力ステップ)。   Next, based on the selection signal S input from the selection unit 20, the signal output unit 18 selects a pulse of the trigger signal G at a specific timing among the tuning timings corresponding to the cycle of the fundamental frequency (S25: Output control step). Next, the signal output unit 18 outputs the trigger signal G to the laser output unit 10 at a specific timing (S26). Next, the laser output unit 10 that has received the trigger signal G outputs the laser light L at a specific timing (S27: laser output step).

次に、特定のタイミングでレーザ光Lがターゲット11に照射されることで荷電粒子が発生する(S28:粒子発生ステップ)。次に、出力用高周波空洞21は、荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームBを引き出し、ビーム発生装置4Aから荷電粒子ビームBが出力される(S29:ビーム引出ステップ)。次に、荷電粒子ビームBが高周波空洞2を通過する(S30:通過ステップ)。   Next, charged particles are generated by irradiating the target 11 with the laser beam L at a specific timing (S28: particle generation step). Next, the output high-frequency cavity 21 extracts the charged particle beam B by accelerating the charged particles in one direction, and the charged particle beam B is output from the beam generator 4A (S29: beam extraction step). Next, the charged particle beam B passes through the high-frequency cavity 2 (S30: passing step).

本実施形態に係る加速器を第1実施形態から第2実施形態に基づいて説明したが、いずれか1の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。例えば、第1実施形態の引き出し電極12を第2実施形態のビーム発生装置4Aに適用しても良いし、第2実施形態の出力用高周波空洞21を第1実施形態のビーム発生装置4に適用しても良い。   Although the accelerator according to the present embodiment has been described based on the first embodiment to the second embodiment, the configuration applied in any one of the embodiments may be applied to other embodiments, or each of the embodiments may be applied. May be combined. For example, the extraction electrode 12 of the first embodiment may be applied to the beam generator 4A of the second embodiment, or the output high-frequency cavity 21 of the second embodiment may be applied to the beam generator 4 of the first embodiment. You may.

なお、本実施形態では、本発明が適用される加速器として線形加速器を例示しているが、本発明をサイクロトロンやシンクロトロンなどの円形加速器に適用しても良い。なお、荷電粒子は、磁場中を通るとローレンツ力を受けて軌道が曲げられる。これを利用して荷電粒子に円形の起動を描かせながら加速する加速器が円形加速器である。   In the present embodiment, a linear accelerator is illustrated as an accelerator to which the present invention is applied. However, the present invention may be applied to a circular accelerator such as a cyclotron or a synchrotron. When a charged particle passes through a magnetic field, its trajectory is bent by Lorentz force. A circular accelerator is an accelerator that utilizes this to accelerate charged particles while drawing a circular activation.

本実施形態の加速器1(1A)を半導体の製造装置(半導体製造用イオン注入装置)に用いることができる。例えば、本実施形態の加速器を用いた半導体の製造方法は、前述のS20またはS30の通過ステップの後に、荷電粒子ビームBを所定の基板(半導体)に照射する照射ステップを含む。高周波空洞2を通過した荷電粒子ビームB(イオン)が基板に照射されることで、このイオンが基板に注入される。例えば、ホウ素、リンまたはヒ素などの元素をイオン化し、このイオンを加速器で加速して、シリコン、ガリウムヒ素、シリコンカーバイドまたはガラス板表面のポリシリコン薄膜などの基板に注入する。このようにすれば、半導体の電気的特性を変化させることができる。さらに、加速器を用いてイオンを照射することで、基板の深い位置までイオンを注入することができる。   The accelerator 1 (1A) of the present embodiment can be used for a semiconductor manufacturing apparatus (semiconductor manufacturing ion implantation apparatus). For example, the method of manufacturing a semiconductor using the accelerator of the present embodiment includes an irradiation step of irradiating a predetermined substrate (semiconductor) with the charged particle beam B after the passing step of S20 or S30 described above. By irradiating the substrate with the charged particle beam B (ion) having passed through the high-frequency cavity 2, the ion is injected into the substrate. For example, an element such as boron, phosphorus or arsenic is ionized, and the ions are accelerated by an accelerator and injected into a substrate such as silicon, gallium arsenide, silicon carbide or a polysilicon thin film on a glass plate surface. In this way, the electrical characteristics of the semiconductor can be changed. Further, by irradiating ions with an accelerator, ions can be implanted to a deep position in the substrate.

本実施形態の加速器1(1A)を半導体の製造装置(半導体製造用リソグラフィ)に用いることができる。例えば、本実施形態の加速器を用いた半導体の製造方法は、前述のS20またはS30の通過ステップの後に、荷電粒子ビームB(電子)を所定のアンジュレータ(N極S極が交互に並んだ磁石列)に入射させることで、放射光発生または自由電子レーザ発振を行う光発生ステップと、発生した光によって半導体回路のリソグラフィを行うリソグラフィステップとを含む。本実施形態によって、より大電流のビームを加速することができるようになることから、高周波空洞2を通過した大電流の荷電粒子ビームB(電子)から高出力の光を発生させることができる。それによりリソグラフィを行うことで、スループットの高い回路製造が可能になる。また、アンジュレータによる光発生は、波長を自由に選ぶことが可能である。そのため、より短波長の光、例えば、13.5nmの極端紫外光を用いて行うEUV(Extreme ultraviolet lithography)リソグラフィを行うことなどができ、より微細な回路線幅を持つ半導体回路の製造が可能になる。   The accelerator 1 (1A) of the present embodiment can be used in a semiconductor manufacturing apparatus (lithography for semiconductor manufacturing). For example, in the method of manufacturing a semiconductor using the accelerator according to the present embodiment, the charged particle beam B (electrons) is subjected to a predetermined undulator (a magnet row in which N poles and S poles are alternately arranged) after the passing step of S20 or S30 described above. The method includes a light generation step of generating radiation light or free-electron laser oscillation by making the light incident on the semiconductor device, and a lithography step of performing lithography of a semiconductor circuit with the generated light. According to the present embodiment, since a beam with a larger current can be accelerated, high-power light can be generated from the charged particle beam B (electrons) with a large current that has passed through the high-frequency cavity 2. Thus, by performing lithography, a circuit with high throughput can be manufactured. In addition, light generation by the undulator can freely select a wavelength. Therefore, it is possible to perform EUV (Extreme ultraviolet lithography) lithography using shorter wavelength light, for example, extreme ultraviolet light of 13.5 nm, and to manufacture a semiconductor circuit having a finer circuit line width. Become.

以上説明した実施形態によれば、基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定のタイミングで荷電粒子ビームを高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御部を持つことにより、高周波空洞の発熱を抑えることができる。   According to the embodiment described above, the output control unit that controls the charged particle beam to be output toward the high-frequency cavity at a specific timing among the timings corresponding to the cycle of the fundamental frequency allows the high-frequency cavity to generate heat. Can be suppressed.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and equivalents thereof.

1(1A)…加速器、2…高周波空洞、3…高周波源、4(4A)…ビーム発生装置、5…主制御部、6…空洞室、7…RF入力部、8…高周波制御部、9…周波数設定部、10…レーザ出力部、11…ターゲット部、12…引き出し電極、13…直流電源、14…光変調部、15(15A)…出力制御部、16…割合設定部、17…同調部、18…信号出力部、19…乱数出力部、20…選抜部、21…出力用高周波空洞、22…RF入力部、23…高周波源、24…出力用高周波制御部、25…周波数設定部。 1 (1A): accelerator, 2: high-frequency cavity, 3: high-frequency source, 4 (4A): beam generator, 5: main control unit, 6: cavity chamber, 7: RF input unit, 8: high-frequency control unit, 9 ... Frequency setting unit, 10 laser output unit, 11 target unit, 12 extraction electrode, 13 DC power supply, 14 optical modulation unit, 15 (15A) output control unit, 16 ratio setting unit, 17 tuning Unit, 18 signal output unit, 19 random number output unit, 20 selection unit, 21 high-frequency cavity for output, 22 RF input unit, 23 high-frequency source, 24 high-frequency control unit for output, 25 frequency setting unit .

Claims (13)

荷電粒子ビームが通過可能な高周波空洞と、
基本周波数の電磁波を前記高周波空洞に入力する高周波源と、
レーザ光を出力するレーザ出力部と、
前記レーザ光が照射されることで荷電粒子を発生させるターゲット部と、
前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出部と、
前記基本周波数の周期に対応する乱数を出力する乱数出力部と、
前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御部と、
を備え
前記出力制御部は、前記乱数出力部から出力される前記乱数に基づいて前記タイミングを選抜することを特徴とする加速器。
A high-frequency cavity through which the charged particle beam can pass;
A high-frequency source that inputs an electromagnetic wave of a fundamental frequency into the high-frequency cavity,
A laser output unit that outputs laser light,
A target portion that generates charged particles by being irradiated with the laser light,
A beam extraction unit that extracts a charged particle beam by accelerating the charged particles in one direction,
A random number output unit that outputs a random number corresponding to the cycle of the fundamental frequency,
An output control unit that performs control to output the charged particle beam toward the high-frequency cavity at the specific timing of the timing corresponding to the cycle of the fundamental frequency,
Equipped with a,
The accelerator , wherein the output control unit selects the timing based on the random number output from the random number output unit .
前記出力制御部は、前記基本周波数の周期に同調する一定間隔の前記タイミングを一定ではない間隔で選抜する請求項1に記載の加速器。   2. The accelerator according to claim 1, wherein the output control unit selects the timing at a constant interval synchronized with a cycle of the fundamental frequency at an irregular interval. 3. 前記出力制御部は、1の前記荷電粒子ビームが出力される前記タイミングと次の前記荷電粒子ビームが出力される前記タイミングの間隔を変更する請求項1に記載の加速器。   The accelerator according to claim 1, wherein the output control unit changes an interval between the timing at which one charged particle beam is output and the timing at which the next charged particle beam is output. 所定期間内に前記タイミングが選抜される割合に応じて前記基本周波数を高める周波数設定部を備える請求項1に記載の加速器。   The accelerator according to claim 1, further comprising: a frequency setting unit configured to increase the basic frequency according to a rate at which the timing is selected within a predetermined period. 前記レーザ出力部が前記レーザ光を出力する契機となるトリガ信号を出力する信号出力部と、
前記トリガ信号の出力タイミングを前記基本周波数の一定間隔の周期に同調させる同調部と、
前記レーザ出力部から出力される前記レーザ光を一定ではない間隔で選抜する選抜部と、
を備える請求項1に記載の加速器。
A signal output unit that outputs a trigger signal that triggers the laser output unit to output the laser light,
A tuning unit that tunes the output timing of the trigger signal to a cycle of a constant interval of the fundamental frequency,
A selection unit for selecting the laser light output from the laser output unit at irregular intervals,
The accelerator according to claim 1, comprising:
前記レーザ出力部と前記ターゲット部との間に設けられて前記レーザ光を遮断可能な光変調部を備える請求項に記載の加速器。 The accelerator according to claim 5 , further comprising a light modulation unit provided between the laser output unit and the target unit and capable of blocking the laser light. 前記レーザ出力部が前記レーザ光を出力する契機となるトリガ信号を出力する信号出力部と、
前記トリガ信号の出力タイミングを前記基本周波数の一定間隔の周期に同調させる同調部と、
前記トリガ信号の出力タイミングを一定ではない間隔で選抜する選抜部と、
を備える請求項1に記載の加速器。
A signal output unit that outputs a trigger signal that triggers the laser output unit to output the laser light,
A tuning unit that tunes the output timing of the trigger signal to a cycle of a constant interval of the fundamental frequency,
A selection unit that selects the output timing of the trigger signal at irregular intervals,
The accelerator according to claim 1, comprising:
前記ビーム引出部は、前記荷電粒子を一方向に加速する電場を形成する電極である請求項1に記載の加速器。   The accelerator according to claim 1, wherein the beam extraction unit is an electrode that forms an electric field that accelerates the charged particles in one direction. 前記ビーム引出部は、前記荷電粒子を一方向に加速する電場を形成する出力用高周波空洞である請求項1に記載の加速器。   The accelerator according to claim 1, wherein the beam extraction unit is an output high-frequency cavity that forms an electric field that accelerates the charged particles in one direction. 前記ターゲット部がカソード部であり、このカソード部に前記レーザ光が照射されることで生じる光電効果によって、前記荷電粒子としての電子が発生する請求項1に記載の加速器。   The accelerator according to claim 1, wherein the target portion is a cathode portion, and electrons as the charged particles are generated by a photoelectric effect generated by irradiating the cathode portion with the laser light. 前記ターゲット部がイオンターゲット部であり、このイオンターゲット部に前記レーザ光が照射されることで生じるアブレーションプラズマによって、前記荷電粒子としてのイオンが発生する請求項1に記載の加速器。   The accelerator according to claim 1, wherein the target unit is an ion target unit, and ions as the charged particles are generated by ablation plasma generated by irradiating the ion target unit with the laser light. 基本周波数の電磁波を高周波源から高周波空洞に入力する高周波入力ステップと、
レーザ出力部からレーザ光を出力するレーザ出力ステップと、
前記レーザ光がターゲット部に照射されることで荷電粒子を発生させる粒子発生ステップと、
前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出ステップと、
前記基本周波数の周期に対応する乱数を出力する乱数出力部から前記乱数を取得するステップと、
前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御ステップと、
前記荷電粒子ビームが前記高周波空洞を通過する通過ステップと、
を含み、
前記出力制御ステップにて、前記乱数出力部から取得した前記乱数に基づいて前記タイミングを選抜することを特徴とする加速器の運転方法。
A high-frequency input step of inputting an electromagnetic wave having a fundamental frequency from a high-frequency source into a high-frequency cavity;
A laser output step of outputting laser light from a laser output unit,
Particle generation step of generating charged particles by irradiating the laser light to the target portion,
Beam extraction step of extracting a charged particle beam by accelerating the charged particles in one direction,
Obtaining the random number from a random number output unit that outputs a random number corresponding to the cycle of the fundamental frequency;
An output control step of performing control to output the charged particle beam toward the high-frequency cavity at the specific timing of the timing corresponding to the cycle of the fundamental frequency,
Passing the charged particle beam through the high-frequency cavity;
Only including,
The operation method of an accelerator, wherein the output control step selects the timing based on the random number obtained from the random number output unit .
基本周波数の電磁波を高周波源から高周波空洞に入力する高周波入力ステップと、
レーザ出力部からレーザ光を出力するレーザ出力ステップと、
前記レーザ光がターゲット部に照射されることで荷電粒子を発生させる粒子発生ステップと、
前記荷電粒子を一方向に加速することで荷電粒子ビームを引き出すビーム引出ステップと、
前記基本周波数の周期に対応する乱数を出力する乱数出力部から前記乱数を取得するステップと、
前記基本周波数の周期に対応するタイミングのうちの特定の前記タイミングで前記荷電粒子ビームを前記高周波空洞に向けて出力する制御を行う出力制御ステップと、
前記荷電粒子ビームが前記高周波空洞を通過する通過ステップと、
前記高周波空洞を通過した前記荷電粒子ビームをアンジュレータに入射させて光を発生させる光発生ステップと、
発生した前記光を用いて電子回路のリソグラフィを行うリソグラフィステップと、
を含み、
前記出力制御ステップにて、前記乱数出力部から取得した前記乱数に基づいて前記タイミングを選抜することを特徴とする加速器を用いた半導体の製造方法。
A high-frequency input step of inputting an electromagnetic wave having a fundamental frequency from a high-frequency source into a high-frequency cavity;
A laser output step of outputting laser light from a laser output unit,
Particle generation step of generating charged particles by irradiating the laser light to the target portion,
Beam extraction step of extracting a charged particle beam by accelerating the charged particles in one direction,
Obtaining the random number from a random number output unit that outputs a random number corresponding to the cycle of the fundamental frequency;
An output control step of performing control to output the charged particle beam toward the high-frequency cavity at the specific timing of the timing corresponding to the cycle of the fundamental frequency,
Passing the charged particle beam through the high-frequency cavity;
A light generating step of generating light by causing the charged particle beam that has passed through the high-frequency cavity to be incident on an undulator,
A lithography step of performing lithography of an electronic circuit using the generated light;
Only including,
The method of manufacturing a semiconductor using an accelerator, wherein the output control step selects the timing based on the random number obtained from the random number output unit .
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