KR101223811B1 - 급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 이용한 고출력 극초단 엑스선 펄스의 발생 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고출력 극초단 X 선을 발생시키는 새로운 방법에 관한 것으로서, 아토초 단위의 극초단파 생성을 위해서 타깃의 밀도 조건과 두께 조건 및 레이저, 타깃 및 검출기의 각도 조건을 동시에 만족시키도록 구성하고자 한다.
본 발명에 의해서 팸토초 이하의 매우 짧은 시간에 이루어지는 화학 반응 등의 현상을 명확하고 직접적으로 관찰할 수 있는 획기적인 방법이 제시된다..

Description

급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 이용한 고출력 극초단 엑스선 펄스의 발생 방법{Enhancement of coherence in relativistic nonlinear Thomson scattering and generation of high power ultrashort X-ray pulse using nanotube or nanowire target and sharply increasing laser pulse}

본 발명은 나노튜브에 급격히 세기가 증가하는 레이저를 가하여 고출력 극초단 X선을 발생시키는 방법에 관한 것이다.

극초단 펄스는 매우 짧은 시간에 발생하는 현상을 명확하고 직접적으로 관찰할 수 있는 도구이다.

관찰하고자하는 현상에 따라 다양한 파장과 길이의 펄스가 필요한데, 도 1은 현재까지 개발된 극초단 펄스들을 광자에너지, 길이에 따라 그린 것이다. 대표적으로, Ti:Sapphire 기반의 펨토초 레이저를 이용하면 화학 반응의 시간적 변화 및 중간 과정을 확인할 수 있다.

특히 1999년에는 펨토초 레이저를 이용한 화학 반응의 관찰로 미국 CALTECH의 Ahmed Zewail은 노벨화학상을 수상했다. 1 펨토초 보다 짧은 펄스를 발생시키는 방법 중 현재 실험으로 구현된 방법은 불활성 기체와 펨토초 레이저의 상호작용에 의한 고차 조화파 발생(High-order Harmonic Generation)이다. 이 방법에 의해 발생된 가장 짧은 X선 펄스는 약 80 아토초 (attosecond, 10^-18 초) 길이를 가진다.

이 방법에서는 사용할 수 있는 레이저의 세기(intensity)에 한계가 있기 때문에 비교적 약한 레이저가 사용되며 발생되는 극초단 펄스의 세기에도 한계가 있다.

한편, 1 펨토초 이하의 길이의 강한 X선 펄스를 발생시키기 위하여 X선 자유 전자 레이저(X-ray Free Electron Laser)를 이용하는 방법도 제안되어있다. 이 방법은 약 300 아토초 길이의 X선을 발생시킬 것으로 예상되는데, 수천억의 건설비와 수 킬로미터 길이의 공간이 필요한 것이 단점으로 지적된다.

상대론적 비선형 톰슨 산란(relativistic nonlinear Thomson scattering, RNTS)은 강력한 레이저와 전자간의 반응으로, 아토초 X선 펄스를 만드는 방법으로 제안되어왔다. 정지해 있는 전자가 레이저와 반응하면 전자는 레이저의 전기장에 의해 진동한다. 가속되는 전하는 전자기파를 방출하게 되는데, 레이저와 같은 전자기파와의 반응 및 전자기파 방출을 톰슨 산란이라고 한다.

레이저의 세기가 작은 경우 전자는 레이저 전기장에 비례해서 가속되며 전자기파 방출 역시 레이저의 전기장과 선형적인 관계를 갖게 된다.

만약, 레이저가 세지면 자기장의 영향으로 전자는 진동하는 동시에 앞으로 진행하게 된다. 레이저의 세기가 상대론적 영역에 이르면 (레이저 파장이 800 nm일 경우 약 2 X

이상), 아인슈타인 상대성 이론에 따라 전자의 속도가 빛의 속도 이상으로 가속될 수 없기 때문에 속도가 커질수록 전자 질량이 증가하여 가속도는 줄어들게 된다.

따라서 전자의 속도가 느린 동안은 쉽게 가속이 되지만 속도가 빛의 속도에 가까운 동안은 가속이 둔화 된다. 결과적으로 전자는 톱니 모양의 운동을 하게 된다는 것이 알려진 사실이다.(도 2)

이때, 특정 각도로 도 3의 (a), (b)와 같은 아토초 X선 펄스가 방출된다. 전자의 속도가 빛의 속도에 가까워지면 전자의 진행 방향으로 발광이 집중되는 현상을 보이기 때문에 추가적인 집속 없이 강한 X선 펄스를 사용할 수 있게 된다.

전자가 하나일 경우 상대론적 비선형 톰슨 산란을 통한 아토초 X선 펄스의 발생은 간단하지만, 일반적인 전자는 전자빔 혹은 플라즈마 형태로 존재하기 때문에 실제로 아토초 펄스를 발생시키기 위해서는 결맞음(coherence) 조건을 만족시켜야 한다.

즉, 각각의 전자가 아토초 펄스를 발생시키더라도, 결맞음 조건을 만족하지 않는 전자들이 넓은 영역에 걸쳐 분포한다면 도 3의 (d)와 같이 전자 분포의 길이만큼 펄스 폭은 길어지게 된다.

또한, 도 3 (c)와 같이 X선이 아니라 훨씬 낮은 에너지의 광자만이 발생하게 된다. 여러 전자가 발생시키는 아토초 펄스들의 결맞음 방법으로서 도 4와 같은 거울 조건이 제안되었다.

도 4를 참조하면, 전자들이 수 나노미터 두께의 박막(thinfilm) 타깃에 분포하고 있고 레이저가 입사하는 각도와 발생된 펄스를 측정하는 각도가 타깃을 중심으로 각각 거울의 입사, 반사각의 관계에 있을 때 (거울 조건 성립), 결맞음 조건이 성립하게 되며 이때 아토초 X선 펄스가 발생되게 된다. 이때, 거울 조건을 만족할 때 타깃 위의 모든 전자에 대해서, 레이저 펄스가 전자에 다다르는 시간과 전자에서 발생한 아토초 펄스가 측정 장치 (detector)에 도달하는 시간의 합이 동일하게 된다.

상대론적 비선형 톰슨 산란을 통해 아토초 X선 펼스를 발생시키기 위해서는 결맞음 조건이 필수적이고, 결맞음 조건을 만족시키기 위하여 박막(thinfilm) 타깃을 이용한 거울 조건이 제안되었다.

박막과 강한 레이저가 반응할 경우 로렌츠(Lorentz) 힘에 의해 전자는 레이저의 진행 방향으로 빛의 속도에 가깝게 가속되게 되고, 전자에 비해 수천 내지 수만배 가량 무거운 이온은 거의 움직이지 않게 된다.

거울 조건을 만족시키기 위해서는 타깃을 구성하는 전자들의 두께가 레이저와의 반응 중에도 수 나노미터로 유지가 되어야 하는데, 이온으로부터 멀어진 전자들로만 구성된 타깃은 전자의 밀도가 매우 높고 쿨롱(Coulomb) 힘에 의한 척력이 강해서 빠른 속도로 두께가 늘어나게 된다. 전자들의 두께가 늘어나면 결맞음은 유지되지 않으므로, 아토초 X선 펄스 발생을 위해서는 얇은 두께를 유지할 방법이 필요하다. 또한 결맞음 조건이 맞지 않으면 짧은 파장을 갖는 X선을 얻을 수 없으며 펄스의 세기도 매우 약하게 된다.

본 발명에서 해결하려는 과제는 상대론적 비선형 톰슨 산란의 결맞음의 정도를 대폭 향상시켜, 고출력 극초단인 아토초 X선 펄스를 발생시키는 방법을 제시하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 급격하게 세기가 증가하는 레이저 조건과 나노튜브 타깃을 이용하되, 기하학적 조건은 거울 조건을 만족시키도록 장치를 구현함으로써, 고출력 극초단 아토초 X선 펄스를 발생시킬 수 있는 방법을 제시한다.

상대론적 비선형 톰슨 산란을 통해서 아토초 X선 펄스를 발생시키기 위해서는 결맞음 조건이 필수적임은 알려진 사실이며, 이러한 결맞음 조건을 만족시키기 위해서 종래에는 박막 타깃을 이용한 거울 조건이 제안된 바 있다.

박막과 강한 레이저가 반응하면 로렌츠 힘에 의해 전자는 레이저 진행방향으로 빛의 속도에 가깝게 가속하게 된다. 거울조건을 만족시키기 위해서는 타깃을 구성하는 전자들의 두께가 레이저와의 반응 중에도 수 나노미터 정도로 매우 얇게 유지되어야 하는데 레이저와 반응 후 밀려난 전자들로 이루어진 타깃은 전자의 밀도가 높아 쿨롱힘에 의한 상호 척력이 매우 강해서 빠른 속도로 전자층의 두께가 늘어난다.

이렇게 전자층의 두께가 늘어나면 결맞음 조건은 곧 깨어지게 되므로 아토초 X선 펄스 발생이 불가능해지게 된다.

즉 결맞음 조건을 효과적으로 구현하는 것이 본 발명의 목적이며 이를 통해 강한 아토초 X선 펄스를 얻을 수 있게 되는 것이다.

구체적인 과제의 해결수단은 도면을 참조하여 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 상술토록 한다.

본 발명에서 제시되는 결맞음 조건을 이루기 위한 방법은 아토초 X선 펄스를 발생시키는데 필수적이며, 본 발명의 급격히 증가하는 레이저 및 나노튜브 타깃과 거울 조건에 의해서 고출력 극초단 X선 펄스 발생이 가능해지게 된다.

본 발명으로 인해 구현되는 아토초 X 선 펄스는 매우 짧은 시간 내에 발생하는 현상, 예를 들어 화학 반응 순간의 실시간 관찰 등이 가능해진다.

기존에 제시된 1 팸토초 이하의 길이의 강한 X선 발생 방법(X선 자유 전자 레이저)에서 단점으로 제시되었던 수천억원 이상의 건설비 및 수 킬로미터 이상의 공간 확보 문제 등은 장기간 미해결 과제로 있었던 상황이지만, 본 발명에서 제시되는 방법에 의하여 모두 일거에 해결될 수 있다.

도 1은 광자 에너지와 펄스 길이에 따른 다양한 극초단 펄스들을 도시하고 있다.
도 2 (a)는 상대론적 레이저와 반응하는 전자의 운동 경로. 가로축은 레이저의 진행방향이고 세로축은 레이저의 편광 방향 위치이다.
도(b)는 시간에 따른 광속 대비 전자의 속도. 파란색은 레이저의 편광(y) 방향, 주황색은 레이저의 진행(x) 방향 속도를 나타낸다. 초록색 점선과 같이 전자의 속도가 빛의 속도에 가까워지면 더 이상 가속되지 못한다.
도 3은 단일 전자에 대한 상대론적 비선형 톰슨 산란에 의해 발생된 펄스의 스펙트럼 도3(a)과 펄스 형태 도3(b)이고, 결맞음 조건이 성립하지 않을 때에 다수의 전자로부터의 펄스의 스펙트럼 도 3(c)과 펄스 형태 도 3(d)이다.
도 4는 타깃과 거울 조건을 이용한 결맞음 조건을 도시한다.
도 5는 급격히 세기가 증가하는 레이저 펄스와 나노튜브 배열을 타깃으로 사용하는 상대론적 비선형 톰슨 산란의 결맞음 조건을 도시하고 있다. 나노튜브 대신 나노선을 이용해도 같은 효과를 볼 수 있다.
도 6은 일반적인 레이저 펄스와 급격히 세기가 증가하는 레이저 펄스이다.
도 7은 나노 튜브 타깃, 급격히 증가하는 레이저 펄스의 사용에 따른 결맞음 향상. 각각의 그래프는 발생된 펄스의 스펙트럼을 나타낸 것으로 세로축을 밀도로 하고 스펙트럼의 세기를 색깔로 하여 맵핑한 것이다. 모든 밀도에 대해 같은 숫자의 전자를 가정했으므로 스펙트럼의 세기는 결맞음성의 정도를 나타낸다.
도 8은 나노튜브 지름에 따른 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 9, 도 10은 레이저 펄스폭 조건과 관련하여,

값에 따른 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

이하, 도면을 참조하며 본 발명의 실시예를 설명하고자 한다.

본 발명에서 아토초 X 선 펄스파를 발생시키기 위한 조건을 요약하면 다음과 같다. 즉, 도 5와 같은 거울 조건을 만족시킨 상태에서, 종래 제시된 박막(thin film) 대신 나노튜브(nanotube) 혹은 나노 선(線)의 2차원 평면 배열을 타깃으로 하되, 시간적으로 가우시안(gaussian) 형태의 일반적인 팸토초 레이저 대신에 세기가 급격하게 증가하는 레이저 펄스를 사용하여 아토초 X선을 발생시키고자 하는 것이 기술적 특징이다.

상술된 바와 같이 본 발명의 목적인 아토초 X선 펄스를 구현하기 위해서는 결맞음 조건이 만족되어야 하고, 도 4와 같은 거울 조건을 만족시키는 것이 상기 결맞음 조건을 충족시킬 수 있는 방법의 하나로서 이미 제시되어 있다.

도 4는 종래의 박막 타깃과 거울 조건을 이용한 결맞음 조건을 도시하고 있는데, 상술된 바와 같이 종래에 제시된 이러한 박막을 타깃으로 사용하는 방법에서는 쿨롱 힘에 의한 타깃 두께의 증가 때문에 결맞음이 깨어지게 되어 아토초 X선 펄스의 구현은 불가능하였다.

도 5에서는 본 발명에서 제시하는 거울 조건을 만족하는 상대론적 비선형 톰슨 산란을 위한 구성이다.

도 5와 같이 나노튜브(혹은 나노선) 및 레이저 그리고 검출기를 배치한다. 레이저의 입사 경로와 검출기 위치는 타깃의 길이 방향과 수직한 하나의 평면에 존재하여야 한다.

도 4의 종래 타깃으로 사용하던 박막 대신 나노튜브 혹은 나노선의 2차원 평면 배열을 타깃으로 사용하며, 레이저 펄스는 시간적으로 가우시안(Gaussian) 형태를 가지는 일반적인 팸토초 레이저 펄스 대신 본 발명에서는 세기가 급격히 증가하는 레이저 펄스를 사용하는 방법을 제시한다. (도 6의 레이저 참조)

우선, 나노튜브 타깃의 경우 밀려난 전자층이 분포하는 영역의 지름이 매우 천천히 증가됨으로써 레이저와 반응하는 시간 동안에 결맞음이 이루어지는 원리에 대해 설명한다.

도 5와 같이, 나노튜브 타깃을 사용할 경우 ,

(나노튜브의 초기지름),

(초기 전자 밀도)인 상태에서, 레이저 펄스와의 반응으로 인해 나노튜브 지름이 d 로 늘어났을 때 표면에서의 전기장은 아래와 같이 표현된다.

나노튜브의 지름이 커질수록 지름에 반비례하여 전자간 척력의 세기가 줄어들게 되고 지름이 커지는 속도가 급격히 줄게들게 되는 것이다. 이것이 나노튜브를 본 발명에서 타깃으로 사용한 주요한 이유이다.

또한, 시간적으로 급격하게 증가하는 세기의 레이저 펄스를 사용하며 천천히 세기가 증가하는 레이저에 비해서 전자의 속도가 더 높은 에너지까지 증가한다.

특수 상대성 이론에 따라 입자의 속도가 빨라지면 그 질량이 늘어나게 되므고 전자의 가속도가 줄어들게 되어 나노튜브의 지름이 천천히 증가됨으로써 결국 결맞음 조건이 이루어지게 되는 것이다.

한편, 나노튜브 대신 나노선을 이용해도 같은 효과를 볼 수 있다.

1. 타깃 밀도조건

이하 아토초 펄스파를 생성하기 위해서, 타깃이 갖추어야할 밀도 조건을 설명한다.

타깃의 밀도(수/

)가 0.01*

이상일 경우에 결맞음이 향상되는데,

은 사용된 레이저의 파장이

(단위 :미터)일 때 다음과 같이 표현될 수 있다.

는 진공중에서 유전율이고

는 전자의 질량이며, e 는 전자의 전하량 c는 광속이다.

나노튜브 배열 타깃에 의하여 결맞음이 향상되는 이유를 가장 일반적으로 설명하자면, 전자들이 타깃의 두께 방향 이외의 방향으로 퍼져나가기 때문이다.

본 발명에서는 시뮬레이션의 한계 때문에 레이저 진행방향과 검출기가 이루는 평면에 수직 방향으로 배열된 나노튜브만 제시되었지만(도 5 참조), 반드시 수직 방향의 나노튜브 배열이 아닌 각도를 가져도 무방하다. 즉 시뮬레이션의 편의상 수직방향의 나노튜브를 도시한 것이다.

본 발명의 타깃 형상으로는 도 5와는 달리 그물 모양의 나노튜브 타깃도 무방하며, 단지 구멍이 뚫린 박막이라도 상기 밀도 조건을 만족한다면 동일한 작용을 할 수 있다. 즉 현재 기술로 상기 밀도 조건을 가장 쉽게 만족할 것으로 예상되는 타깃이 나노튜브 배열이므로 예시적으로 도 5와 같이 나노튜브로 도면을 제시하였다.

환언하면, 예시적으로 나노튜브 배열을 언급한 것일 뿐 밀도 조건과 거울 조건(각도조건, 두께조건)을 만족시킬 경우, 기타 방식으로 생성된 다른 형태의 타깃을 만들 수도 있다.

즉 속이 빈 나노튜브와는 달리 속이 비어있지 않은 나노선, 나노막대도 가능하며, 박막에 리소그래피 등의 방법으로 빈 공간을 만든 타깃도 가능하다. 또 다른 경우로, 박막 위에 나노튜브가 얹혀져 있는 타깃도 또다른 타깃의 실시예로서 가능하다.

만약 일반적인 박막(thinfilm) 두께가 3 nm, 나노튜브 지름이 2 nm라면, 종래의(도 4에서 제시) 5 nm 두께의 단일 박막보다는 결맞음이 더 잘 일어날 수 있다.

좀 더 확장하면, 5 nm 박막에 2 nm 깊이의 홈을 뚫는다면 역시 원래의 5 nm 박막 보다 결맞음이 향상될 수 있다. 이러한 홈을 뚫음으로서 특정 파장 영역에서는 펄스의 세기가 더 세어지게 된다.

2. 거울조건 중 타깃 두께조건

이하, 거울 조건을 만족할 수 있는 X 선 펄스 발생장치의 타깃의 두께 조건에 대하여 설명한다.

일반적인 거울조건의 두께 조건은 다음과 같다.

즉, 박막의 두께 T 에 따라서 발생 가능한 펄스 폭이 제한되는데 다음과 같은 관계가 성립하며 본 발명에서는 박막 두께 T 값에 해당하는 것이 나노튜브의 지름 d이다. 즉, 알려진 일반적인 두께조건은,

보다 작거나 같아야 한다는 것이다.

도 8은 나노튜브의 지름에 따른 스펙트럼을 나타낸 것이다.

일반적으로 파장 10 nm 이하, 즉 광자 에너지 124 eV 이상을 X선이라고 하는데 나노튜브의 지름이 10 nm 이상이 되면 X선 영역이 매우 약해짐을 도 8에서 확인할 수 있어 본 발명에서 제시하는 타깃의 두께의 상한은 10 nm 이하의 범위로 제시한다.

상대론적 비선형 톰슨 산란(RNTS) 및 결맞음을 위한 지름의 최소 값은 존재하지 않으며 물리적으로 지름은 작을수록 유리한데, 타깃의 두께(나노튜브일 경우에는 지름)의 최소값 조건은 없어도 무방하지만, 탄소 원자간의 거리가 0.246 nm이기 때문에 0.1 nm 이하 지름의 나노선은 존재하지 않기 때문에 타깃의 두께 하한값은 0.1nm 로 정한다. 결국 타깃의 두께 조건은 0.1nm ~10nm 범위 내로 정한다.

3. 거울조건 중 각도조건

이하 각도 조건(혹은 위치조건)에 대하여 설명한다.

레이저 편광 방향에 수직하게 나노튜브가 다수 배열되어 있으며, 레이지 진행방향으로부터

만큼 기울어진 평면에 배열된다.

는 레이저펄스 진행 방향과 검출기가 이루는 각도이며,

는 레이저 진행 방향과 나노튜브 배열면이 이루는 각도이다. 항상

는

의 두 배가 되도록 유지시켜야 하며, 검출기의 각도 범위가 넓은 경우 슬릿을 통해 검출하는 각도를 제한할 필요가 있다.

= 2 x

의 조건이 만족된 상태에서 가장 강한 펄스가 검출되는 각도를 찾는다.

4. 레이저 조건

이하, 입사되는 레이저의 조건에 관해 설명한다. 본 발명에서는 레이저의 세기가 급격히 증가하는 조건을 충족시켜야 하며 도 6은 일반적인 레이저 펄스와 본 발명에서 제시하는 급격히 세기가 증가하는 레이저 펄스를 도시하고 있다.

레이저 조건을 결정하기 위한 시뮬레이션에서는 수학식 2를 사용하였다.

여기서

는 시간의 함수이며 t가

이하일 때에는

이고 그 이상일 때에는

이다.

이 레이저의 파장일때

,

이다.

1) 레이저세기 및 파장조건

레이저 세기 및 파장 조건은 다음과 같다.

이 식에서 레이저의 세기

단위는

이고, 레이저 파장

의 단위는

이다.

임의의 레이저 파장에 대해서 레이저 세기가 수학식 3의 조건을 만족할 때에는 RNTS가 일어나게 된다.

2) 레이저펄스 폭 조건

이하, 레이저 펄스 폭 조건을 설명하면 다음과 같다.

레이저 펄스의 세기가 가장 센 지점 이전까지의 포락선(envelope)의 반폭, 반 최대치(half-width half-maximum (HWHM))이 레이저 전자기파 주기의 1/4 이하 이어야 한다.

레이저 펄스가 수학식 2를 따를 경우 HWHM은

에 해당된다.

레이저의 가장 센 지점 이후의 펄스폭은 결맞음에 영향을 주지 않으므로 규정할 필요가 없다. 즉, 수학식 2에서의 t가

이상일 경우의

값에 관계없이 발생되는 아토초 펄스는 동일하다.

결맞음을 유지시키기 위해서는 RNTS를 일으키기 전에 타깃과 반응하는 레이저의 세기가 약해야 한다. 레이저의 파장이 짧을 경우 파장의 비율에 맞게 펄스폭도 작아야 하며 파장이 긴 경우는 반대이다. 따라서 펄스폭의 범위를 레이저 전자기파 주기를 기준으로 정의한다.

레이저의 파장이 800 nm 일 때에 X선 영역의 결맞음을 유지시키는 레이저 세기의 포락선(envelope)의 HWHM은 0.6 fs 인데 이는 레이저 전자기파 주기의 약 1/4 배이다. 레이저 전기장이 수학식 2와 같이 주어질 경우 세기의 HWHM은

의 절반에 해당한다.

도 9 및 도 10은는

값에 따른 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

값이 1.2 fs 보다 길어지면, HWHM 값이 0.6 fs 보다 커지면 X선 영역의 세기가 약해짐을 확인할 수 있다. RNTS가 일어날 정도의 레이저와 타깃이 반응이 일어난 이후에는 더 이상 결맞음이 유지되지 않으므로, 가장 센 부분 이후의 펄스 형태 및 폭은 발생되는 아토초 펄스에 거의 영향을 주지 않는다.

5. 시뮬레이션 결과

한편, 도 7은 나노 튜브 타깃, 급격히 증가하는 레이저 펄스의 사용에 따른 결맞음 향상 결과를 시뮬레이션한 것이다.

각각의 그래프는 발생된 펄스의 스펙트럼을 나타낸 것으로 세로축을 밀도로 하고 스펙트럼의 세기를 색깔로 하여 맵핑한 것이다. 모든 밀도에 대해 같은 숫자의 전자를 가정했으므로 스펙트럼의 세기는 결맞음성의 정도를 나타낸다.

앞에서 설명한 도 4는 거울 조건을 만족하는 상대론적 비선형 톰슨 산란을 위한 구성이다.

상술한 바와 같이 이 구조에서 박막을 타깃으로 이용하면 쿨롱 힘에 의한 박막의 두께 증가로 결맞음이 깨지게 된다. 이를 해결하기 위해 타깃을 박막 대신 나노튜브 혹은 나노선의 2차원 평면 배열을 사용하고, 시간적으로 가우시안(Gaussian) 형태를 갖는 일반적인 펨토초 레이저 펄스 대신 세기가 급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 사용하였다.

본 발명에서 제시된 나노튜브 배열을 이용한 거울 조건의 결맞음 특성을 시험하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다.(도 7) 전자의 움직임을 시뮬레이션하기 위하여 PIC(particle in cell) 방법을 사용하였다. 전자의 운동을 구하기 위해서는 레이저와 전하에 의해서 발생하는 전자기장을 계산하는 맥스웰 방정식과 발생된 전자기장의 영향을 받는 전자의 움직임을 계산하는 상대론적 뉴튼 방정식이 필요하다.

PIC 방법은 맥스웰방정식 및 상대론적 뉴튼방정식을 수치적으로 계산하는 방법으로 레이저에 의한 상대론적 비선형 톰슨 산란 및 하나의 셀 크기 이상의 거리에서의 전자간 혹은 전자와 이온간의 쿨롱 힘도 정확히 기술한다. PIC 방법으로 구해진 전자의 움직임으로부터 발생되는 전자기파를 관측위치에서 계산하기 위해서는 상대론적으로 수정된 라머(Larmor) 식이 이용되었다.

도 7은 나노 튜브 타깃에 급격히 세기가 증가하는 레이저 펄스를 사용함에 따른 결맞음 향상의 정도를 보이고 있다. 각각의 그래프는 발생된 펄스의 스펙트럼을 나타낸 것으로 세로축을 밀도로 하고 스펙트럼의 세기를 색깔로 하여 맵핑(mapping)한 것이다.

모든 밀도에 대해 같은 숫자의 전자를 가정했으므로 스펙트럼의 세기는 결맞음성의 정도를 나타낸다. 일반적인 레이저 펄스 조건에서 박막(thinfilm) 타깃의 경우보다 나노튜브나 나노선의 경우가 더욱 결맞음 향상의 정도가 크고, 동일한 타깃조건(나노튜브)에서 급격히 세기가 증가하는 레이저 펄스를 사용하였을 때가 그러지 않은 경우보다 결맞음의 정도가 더욱 향상됨을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 권리 범위는 이에 국한되지 아니하고 당업자 수준에서 치환가능한 균등수준의 여하한 발명이라도 모두 본 발명의 권리범위에 포함됨을 밝혀 둔다.

Claims (4)

1. 세기가 급격하게 증가하는 레이저 펄스를 타깃에 입사시켜 아토초 X선을 발생시키기 위한 타깃의 조건으로서,
   타깃의 밀도(수/

   

   )는,
   0.01*

   

   이상이어야 하고, 여기서

   

   이며(

   

   : 진공중에서 유전율,

   

   : 전자 질량, e:전자의 전하량, c: 광속,

   

   (단위 :미터): 레이저의 파장)
   상기 타깃의 두께는,

   

   보다 작거나 같아야 하는 조건을 만족하며,
   상기 타깃은 입사되는 레이저 진행방향으로부터

   

   만큼 기울어진 평면에 배열되되,

   

   는 레이저펄스 진행 방향과 검출기가 이루는 각도이며,

   

   는 레이저 진행 방향과 나노튜브 배열면이 이루는 각도에서

   

   는

   

   의 두 배의 각도 조건을 만족하며,
   
   입사되는 레이저 세기와 파장은,
   

   

   
   (레이저의 세기:

   

   (

   

   ), 레이저 파장:

   

   (

   

   )) 의 조건을 만족하며,
   레이저 펄스와 그 포락선에 있어서, 포락선(envelope)의 반폭 반 최대치(half-width half-maximum (HWHM))가 레이저 전자기파 주기의 1/4 이하인 조건을 만족함으로써, 아토초 X선을 발생시킴을 특징으로 하는,
   (여기서, 포락선 높이 중 가장 높은 점이 포락선 최대치(maximum) 이고, 이값의 1/2 되는 값이 반최대치(half maximum)이며, HWHM (반폭 반최대치)는 maximum 될 때의 시각과, half-maximum 되는 시각 사이의 시간간격)
   
   급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 이용한 고출력 극초단 X선 펄스의 발생방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 타깃은 나노튜브 또는 나노선 인 것을 특징으로 하는,
   급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 이용한 고출력 극초단 X선 펄스의 발생방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 타깃은 리소그래피를 이용하여 소정의 홈을 형성한 박막(thinfilm)인 것을 특징으로 하는,
   급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 이용한 고출력 극초단 X선 펄스의 발생방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 타깃의 두께는, 0.1~10nm 범위인 것을 특징으로 하는,
   급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 이용한 고출력 극초단 X선 펄스의 발생방법.

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