稳态微聚束加速器光源.pdf
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1、稳态微聚束加速器光源稳态微聚束加速器光源唐传祥 邓秀杰Steady-state micro-bunching accelerator light sourceSteady-state micro-bunching accelerator light sourceTang Chuan-Xiang Deng Xiu-Jie引用信息 Citation:Acta Physica Sinica,71,152901(2022)DOI:10.7498/aps.71.20220486在线阅读 View online:https:/doi.org/10.7498/aps.71.20220486当期内容 View
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6、SSMB)原理采用激光操控储存环中的电子,可形成具有精微纵向/时间结构的电子束团,即微聚束.通过有机结合微聚束辐射的强相干特性以及储存环内电子束的高回旋频率特性,SSMB 光源可提供高平均功率、窄带宽的相干辐射,波段可覆盖从太赫兹到软 X 射线,具有巨大的科学及产业应用前景.本文在对现有加速器光源同步辐射光源和自由电子激光简要介绍的基础上,对SSMB 的概念及潜力、原理验证实验进展、核心物理及关键技术挑战、清华 SSMB-EUV 光源方案及其对科学研究和芯片光刻潜在的变革性影响进行总结论述.所综述的工作是在我国自己创新性工作基础上进行的,对于国内读者了解该领域的工作及发展具有一定的帮助.关键词
7、:加速器光源,稳态微聚束,原理验证实验,极紫外光刻PACS:29.20.c,41.60.Ap,41.60.Cr,81.16.NdDOI:10.7498/aps.71.202204861加速器光源简介速度接近光速的带电粒子在电磁场中做偏转运动时,沿运动轨迹的切线方向会发出电磁辐射1,2.这种电磁辐射最早于 1947 年在电子同步加速器上被发现,因此被称为同步辐射(synchrotronradia-tion,SR)3.SR 具有高亮度、宽能谱、高准直性和偏振性等特点,因此人们从 20 世纪 70 年代开始建设专门用于产生SR 的电子储存环(storagering)4,5.一个 SR 光源装置包括电
8、子产生及加速的电子注入器、储存电子束的电子储存环、以及将产生的SR 光应用于物理、化学、材料、生物等各类科学研究的光束线站.至今,SR 光源在追求更高的亮度和更好的相干性的发展中,已历经四代.在中国大陆,北京同步辐射装置(Beijingsynchrotronradiationfacility,BSRF)6属于第一代,合肥光源(Hefeilightsource,HLS)7属于第二代,上海光源(Shanghaisynchrotronradiationfacility,SSRF)8属于第三代,目前正在北京怀柔建设的高能同步辐射光源(highenergyphotonsource,HEPS)9属于第四代
9、.SR 光源的亮度定义为单位时间、单位面积、单位发散角、0.1%带宽内的光子数:B=Nph42xxyy0.1%/,(1)用以描述光源在六维相空间中的光子密度,(1)式中各参数含义详见文献 4.光源的相干性是指为了产生显著的干涉现象,光源所需具备的性质,具体可分为横向相干性和纵向相干性,又称空间相干性和时间相干性.同步辐射的空间(横向)相干性与光源的尺寸相关,尺寸越小,相干性越强;时间(纵向)相干性与光源的带宽相关,带宽越窄也即单色性越好,相干性越强.因此要提高 SR 光源的亮度及相干性,需要增大电子束团辐射的光子数、减小辐射的带宽、降低电子束的横向发射度(电子束在位置-动量相空间中所占的面积)
10、,从而降低辐射光源的尺寸及散角.*清华大学自主科研专项(批准号:20191081195)和国家自然科学基金(批准号:12035010)资助的课题.通信作者.E-mail:2022中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901152901-1SR 光源的发展即沿着上述方向推进,特别是在降低电子束的横向发射度方面,目前的第四代光源已经达到或接近衍射极限,因此辐射光具有很好的横向相干性.在纵向相干性方面,通过采用优化的波荡器(undulator,极性交替变换的偏转磁铁阵列)作为辐射光的产生元件,辐
11、射光的单色性相比偏转磁铁辐射显著提高.但是由于同步辐射光源中的电子束团长度通常在毫米到厘米量级(十皮秒量级),即便采用波荡器,电子束长还是远远大于辐射光的纵向相干长度,因此束团的辐射作为一个整体而言纵向相干性很弱,或几乎没有纵向相干性.纵向相干性弱的一个结果是电子束团的辐射功率较低,因为不同电子的辐射相位没有关联,辐射电场是非相干叠加.为了实现更高的峰值亮度和真正的短波长相干光源,自由电子激光(free-electronlaser,FEL)应运而生.FEL 的概念由 Madey 于 1971 年提出10并于 1977 年与合作者实验验证11.一个基于自放大自发辐射(self-amplified
12、spontaneousemission,SASE)原理的 FEL 装置的典型示意图如图 1 所示,其基本工作原理是1215:速度接近光速的电子束经过波荡器时会产生 SR,该辐射与电子束在波荡器中相互作用进而改变电子束的纵向密度分布,形成以辐射波长为周期的密度集中,也即微聚束,而微聚束又进一步产生相干辐射,该过程形成正反馈,导致辐射强度沿波荡器长度以指数形式增长直至饱和.相比同步辐射光源,FEL 的峰值亮度有 810 个数量级的提升,而且辐射相干性更好.另外,FEL 的辐射脉冲长度比同步辐射光源短 3 个数量级,达到数十飞秒甚至更短,可用于研究超快过程.区别于传统激光器,FEL 的辐射光来自于在
13、波荡器中做扭摆运动的自由电子,而不是束缚电子,其辐射波长可通过改变电子束能量及波荡器参数灵活调节.具体来说,FEL 的辐射波长由共振关系决定:r=1+K2/222u,(2)uK=0.934 BTucm=Ee/(mec2)其中,是波荡器的周期长度,是由波荡器磁场强度及周期决定的波荡器参数,为电子束的洛伦兹因子.目前,在 X 射线波段,FEL 是唯一的相干光源.r/(4)FEL 按工作模式可分为低增益和高增益两种.早期的发展主要集中在低增益模式,辐射波长相对较长,如红外及可见光波段,辐射在共振腔中被多次逐步放大.目前世界范围内大力发展的主要是如图 1 所示的 FEL,即电子束单次通过波荡器即完成从
14、发光、指数放大直到饱和的高增益短波长 FEL,特别是 X 射线自由电子激光(XFEL)1618.高增益短波长 FEL 的发光过程,对电子束流的品质有着较高的要求14,15,具体来说需要束流横向发射度足够小()、能散足够小、流强足够高从而使 ,其中 sd为束流能唐传祥,清华大学教授.1992 年毕业于清华大学物理系获得理学学士学位,同时在清华大学电子工程系获得工学学士(第二学位);1996 年清华大学工程物理系获工学博士学位.20062012年曾任清华大学工程物理系系主任.现任中国核学会常务理事、粒子加速器分会副理事长、辐射物理分会副理事长,教育部高等学校核工程与核技术专业教学指导委员会副主任,
15、国务院学位委员会核科学与技术学科评议组秘书长,国际未来加速器委员会(ICFA)先进新型加速器组(ANA)主席等.主要从事粒子加速器物理及应用等方面的科研及教学.主要研究方向包括小型电子直线加速器及其应用、逆康普顿散射 X/g光源、低发射度光阴极微波电子枪、稳态微聚束新概念加速器光源等.相关科研成果曾获国家科学技术进步一等奖、国家科学技术进步(创新团队)奖、国家自然科学二等奖、北京市科技进步一等奖、中国专利金奖等.个人曾获得“国家杰出青年基金”、“北京市优秀教师”、“北京市教育创新标兵”、教育部“新世纪人才”等.Electron gunBunchcompressorUndulatorCohere
16、ntradiationLinacLinac图1自由电子激光装置示意图Fig.1.Schematicofafree-electronlaser.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901152901-2=116IeIAK2JJ232xk2u1/3Ie1/3散,是与电子束流强 的 次方成正比的自由电子激光参数,也叫皮尔斯参数.由于高增益模式对电子束的品质要求高(高峰值流强、低发射度、低能散),目前主要通过直线加速器(Linac)产生,因此辐射光的重复频率与储存环同步辐射光源相比较低.为了提高重频,基于射频超导(superconductingRF,SRF)直线
17、加速器的高重频 FEL 目前也在发展中,如正在上海建设中的硬 X 射线自由电子激光装置(Shanghaihighrep-rateXFELandextremelightfacility,SHINE)18.加速器光源已经成为人类探索物质结构及动态特性的最前沿工具之一.基于电子储存环的同步辐射光源和基于电子直线加速器的自由电子激光,可分别提供高重复频率和高峰值亮度的辐射光,是目前加速器光源的两种主要类型.这两种加速器光源大科学设施作为尖端的科研平台,催生了一系列突破性的基础研究与应用基础研究成果,在先进制造和产业带动方面的作用也难以估量5.目前,全世界有超过 50 个运行或在建的同步辐射光源,超过
18、7 个运行或在建的 X 射线自由电子激光大设施.可以说,最先进的加速器光源因其无可比拟的光束品质、对科学和工业的支撑带动作用、建设所需的资金投入和技术复杂程度,已成为各个国家综合国力和竞争力的重要体现.2稳态微聚束加速器光源原理加速器光源的发展和用户日益增长的需求彼此促进,相互推动.除了同步辐射和自由电子激光,科学界和产业界也期待着有能同时实现高峰值功率和高重频从而实现高平均功率的光源出现.为了应对这一挑战,一种基于电子储存环的光源原理稳态微聚束(steady-statemicro-bunching,SSMB)于 2010 年由 Ratner 和 Chao19首次提出.其核心想法是将储存环中的
19、聚束系统,即微波射频腔,用激光调制系统取代.由于激光是横波,其电场与传播方向垂直,无法与平行传播的电子束进行有效的能量交换,需采用扭摆磁铁使电子束产生横向振荡,让激光对电子束产生与射频腔中的微波类似的能量调制,从而实现传统射频腔对电子束的纵向聚焦(聚束)功能.SSMB 储存环与传统储存环的对比如图 2 所示,激光调制器在储存环中对电子束进行聚束的原理如图 3 所示.在 SSMB 储存环中,由于激光波长(微米量级)比微波波长(米量级)短了约 6 个数量级,配合精心设计的磁聚焦结构(lattice),其聚束产生的电子束团长度将远小于现有同步辐射光源上常见的毫米级束团,达到亚微米至纳米量级,即形成了
20、微聚束;同时束团间隔也从微波波长缩短到激光波长,也即单位长度内的束团数目相应提升了 6 个数量级.如图 4 所示,微聚束相比于传统束团的主要区别在于束团内电子纵向分布长度比辐射波长短,(a)Electron bunches ofmili-meters length andmeter separationRF cavity()10 mm m(b)Laser Laser modulatormm()()Electron micro-bunches of nano-meters length and micro-meterseparation10 nm图2SSMB 储存环(b)与传统储存环(a)对比F
21、ig.2.ComparisonbetweenanSSMBstoragering(b)withaconventionalstoragering(a).Electric field of laserElectron energy00Electron energyDensityElectron longitudinaldistribution1st entranceof lasermodulatorExit of lasermodulatorAfter thewhole ringMicro-bunching图3微聚束的原理示意图Fig.3.Schematicofthemicrobunchingmec
22、hanism.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901152901-3不同电子的辐射场相位一致,形成相干叠加,辐射功率与纵向相干长度内的电子数平方成正比,远高于对应的与电子数目线性正比的非相干辐射功率.Ne更定量地,含有 个电子的束团与单电子的辐射功率关系如下2022:PNe()=P1e()Ne+Ne(Ne 1)|bz()|2,(3)NeNeNe 1bz()=+(z)eizcdz=2c(z)=v/c 1bz()=exp12(zc)2zNeb2z()1等式右边括号中第一项描述的是与电子数 线性正比的非相干辐射的贡献,第二项是与 平方正比()的相干辐射的贡
23、献.(3)式中 是用于量化束团产生频率为 (波长 )的相干辐射能力的聚束因子,由电子束纵向归一化密度 的傅里叶变换决定,其中 为粒子相对光速的归一化速度.加速器光源中电子束通常为相对论性的,也即 .对于高斯束团来说,其中 为电子束的均方根束长.因此要让束团的相干辐射显著高于非相干辐射,也即 ,需要电子束整体长度或其中的微结构尺寸与辐射波长可比拟或更小,这种具有精微纵向结构从而可以产生短波长强相干辐射的束团称为微聚束.例如,如果想产生波长 13.5nm 的相干极紫外(extremeultraviolet,EUV)辐射,需要使电子束团长度或其中的微结构尺寸达到纳米量级.微聚束也是高增益 FEL 能
24、够产生高峰值亮度辐射的主要原因.但如前文所述,高增益 FEL 中的微聚束源自于电子束与其自身辐射在波荡器中持续的正反馈作用,是一种集体不稳定性过程12,13,微聚束无法长期维持.SSMB 中的微聚束则来自于激光调制系统的主动纵向聚焦,辐射是微聚束形成后的一种相干同步辐射,且辐射段相对高增益FEL 中的波荡器较短,束流品质在辐射后没有被破坏.在量子激发与辐射阻尼的共同作用下,SSMB中的微聚束在储存环中能逐圈重复利用达到稳态,实现高重频发光.“稳态”是 SSMB 概念的核心,也是 SSMB 物理研究的关键.通过有机结合微聚束辐射的强相干特性以及储存环的高重频特性,SSMB 可提供高平均功率、窄带
25、宽的相干辐射,波段可覆盖从太赫兹(THz)到软 X 射线.作为一种新型加速器光源,SSMB 的潜力是巨大的19,2342.从加速器物理发展的角度看,同步辐射光源近十年的研究热点是降低束团的横向发射度43,44,通过提高辐射光的横向相干性来提高光源的亮度,重点在于挖掘束团横向的潜力;而 SSMB则重点挖掘束团纵向的潜力,SSMB 储存环内电子束团长度相比传统储存环减小了近 6 个数量级,其辐射光可实现很好的纵向相干性.让纳米长度的电子束团稳定地储存在环中,为加速器物理的研究提出了一系列崭新的课题.从 SSMB 辐射光应用角度看,SSMB 辐射的诸多优异特性有望为加速器光子科学研究及工业应用提供新
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