KR102627859B1 - 자유전자 레이저 발생 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
자유전자 레이저 발생 장치 및 방법이 개시된다. 자유전자 레이저 발생장치는 전자 빔을 주사하는 인젝터, 상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 선형가속기, 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 제1 경로 변경부, 상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발(electron bunch)을 종방향(Longitudinal direction)으로 압축하는 번치 컴프레서(Bunch compressor), 전자기장과 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자 빔의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터(Undulator); 및 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 제2 경로 변경부를 포함한다.
Description
본 개시서에는 자유전자 레이저 발생 장치 및 방법이 개시된다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시서에 개시된 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐, 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
포토 리소그래피(Photolithography) 공정은 웨이퍼 등을 패터닝 하기 위한 미세 가공 공정을 의미한다. 포토 리소그래피 공정은 반도체 제조에 필수적인 공정으로서 포토 리소그래피 공정의 정확도와 속도가 반도체 생산의 품질과 속도에 연관될 수 있다.
종래 포토 리소그래피 공정에서는 I- 라인, 크립톤 불화물 레이저 (248nm), 불화 아르곤 레이저 (Argon Fluoride Lasers), 레이저 생산 플라즈마 (Laser Produced Plasma, LPP, 13.5nm) 등이 이용되었다. 하지만, 상술한 광원들은 1kW 미만의 제한된 전력을 제공하며 이온화 오염 및 고비용의 문제를 가지고 있다.
따라서, 포토 리소그래피 공정에서 종래의 광원을 대체할 수 있는 기술들이 요구되고 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 포토리소그래피 공정에 적용 가능한 자유 전자 레이저 발생 장치 및 방법이 제공된다.
일 측면에 따르면, 자유 전자 레이저 발생장치가 개시된다. 자유 전자 레이저 발생장치는, 전자 빔을 주사하는 인젝터; 상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 선형가속기; 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 제1 경로 변경부; 상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발(electron bunch)을 종방향(Longitudinal direction)으로 압축하는 번치 컴프레서(Bunch compressor); 전자기장과 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자 빔의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터(Undulator); 및 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 제2 경로 변경부를 포함한다.
상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 것으로 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 번치 디컴프레서(Bunch decompressor)를 더 포함할 수 있다.
상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 선형가속기 및 상기 제1 경로 변경부 사이에 마련되는 것으로 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 덤프 섹션을 더 포함할 수 있다.
상기 덤프 섹션은 복수개의 벤딩 마그넷을 포함하며, 상기 복수개의 벤딩 마그넷 중 적어도 하나는 상기 고에너지 전자 빔과 상기 저에너지 전자 빔을 서로 다른 각도로 벤딩시킬 수 있다.
상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 합병부를 더 포함할 수 있다.
상기 합병부는 복수 개의 사중극자 마그넷 및 복수 개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다.
상기 선형가속기는 상기 인젝터로부터 주사된 저에너지 전자 빔은 가속시키고, 상기 제2 경로 변경부를 통과한 고에너지 전자 빔은 감속시킴으로써 운동에너지를 회수할 수 있다.
상기 선형가속기는 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지를 변경함으로써, 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지 값을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
상기 선형가속기는 동일한 구조를 가진 복수개의 셀들을 포함할 수 있다.
상기 제1 경로 변경부 및 상기 제2 경로 변경부 각각은 복수개의 셀들을 포함하며, 거울 대칭 구조를 가질 수 있다.
상기 복수개의 셀들 각각은 복수개의 벤딩 마그넷 및 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 TBA(Triple Bend Achromat) 부분 및 상기 TBA 부분 양 옆에 대칭적으로 배열된 복수개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다.
상기 번치 컴프레서는 복수개의 다이폴 마그넷을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 자유전자 레이저 발생방법이 개시된다.
자유전자 레이저 발생방법은, 인젝터를 이용하여 전자 빔을 주사하는 단계, 선형가속기를 이용하여 상기 인젝터로부터 주사된 전자 빔을 가속시키는 단계, 제1 경로 변경부를 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 단계, 번치 컴프레서를 이용하여 상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 압축하는 단계, 언듈레이터를 이용하여 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 단계 및 제2 경로 변경부를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 단계를 포함한다.
상기 방법은, 상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 번치 디컴프레서를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 선형가속기 및 상기 제1 경로 변경부 사이에 마련되는 덤프 섹션을 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 선형가속기와 상기 인젝터 사이에 마련된 합병부를 이용하여 상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 자유 전자 레이저 발생장치가 개시된다. 개시된 자유 전자 레이저 발생장치는, 전자 빔을 주사하는 인젝터, 상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 제1 선형가속기, 상기 제1 선형가속기를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 서로 다른 경로 변경부로 입사되도록 하는 제1 스프레더, 상기 제1 스프레더를 통과한 전자들의 진행 경로를 변경하는 것으로, 상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부, 상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부 중 적어도 하나를 통과한 전자 빔이 입사되는 것으로 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 제2 선형가속기 및 상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부 중 어느 하나를 통과한 전자 빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터를 포함한다.
상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 제2 선형가속기를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 서로 다른 경로 변경부로 입사되도록 하는 제2 스프레더 및 상기 제2 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부를 더 포함할 수 있다.
상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 언듈레이터와 연결되어, 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 경로를 변경하는 경로 변경부를 더 포함할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 고출력의 극자외선 자유전자 레이저를 발생시킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 가속된 전자 빔의 에너지를 회수한 후, 다른 전자의 가속에 사용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 자유전자 레이저를 발생시키는 과정에서 전자빔의 경로, 이미턴스(emittance), 첩(chirp), 종방향 전류 프로파일 등의 물리량을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생 장치의 레이아웃을 나타낸 개념도이다.
도 2는 인젝터의 레이아웃 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 벤딩 마그넷에서 전자의 에너지 차이로 인한 경로 변화를 나타낸 개념도이다.
도 6은 제1 경로 변경부의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 7은 제1 경로 변경부에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 번치 컴프레서의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 9는 번치 컴프레서에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 언듈레이터에 포함된 FODO 셀의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 언듈레이터에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 번치 디컴프레서를 통과하는 전자 빔에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생장치의 레이아웃을 나타낸 개념도이다.
도 2는 인젝터의 레이아웃 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 벤딩 마그넷에서 전자의 에너지 차이로 인한 경로 변화를 나타낸 개념도이다.
도 6은 제1 경로 변경부의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 7은 제1 경로 변경부에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 번치 컴프레서의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 9는 번치 컴프레서에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 언듈레이터에 포함된 FODO 셀의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 언듈레이터에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 번치 디컴프레서를 통과하는 전자 빔에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생장치의 레이아웃을 나타낸 개념도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
실시 예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시 예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생 장치(100)의 레이아웃을 나타낸 개념도이다. 도 1의 자유전자 레이저 발생 장치는 에너지 회수 선형가속기(Energy Recovery Linac; ERL)를 이용하여 자유전자 레이저를 발생시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 자유전자 레이저 발생 장치(100)는 소정의 에너지 레벨을 가지는 전자 빔을 주사(inject)하는 인젝터(110), 인젝터(110)에서 주사된 전자들을 선형가속기(120)로 입사시키는 합병부(Merger; 112), 전자기장을 이용하여 자유전자를 가속시키거나 감속시키는 선형가속기(120), 선형가속기(120)에서 방출된 전자들 중 고에너지 전자 빔은 제1 경로 변경부(140)로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑(dumping)시키는 덤프 섹션(130), 덤프 섹션(130)으로부터 입사된 전자 빔의 진행경로를 변경하는 제1 경로 변경부(140), 제1 경로 변경부(140)로부터 방출된 전자 빔에 포함된 전자 다발(electron bunch)을 종방향(longitudinal direction)으로 압축하는 번치 컴프레서(Bunch compressor; 150), 번치 컴프레서(150)로부터 방출된 전자 빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터(Undulator; 160), 언듈레이터(160)에서 방출된 전자 빔에 포함된 전다 다발을 종방향으로 확장시키는(즉, 압축을 해제하는) 번치 디컴프레서(Bunch decompressor; 170) 및 번치 디컴프레서(170)서 방출된 전자 빔의 경로를 변경하는 제2 경로 변경부(180)를 포함할 수 있다.
인젝터(110)는 전자 빔을 주사할 수 있다.
도 2는 인젝터의 레이아웃 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 인젝터(110)의 예시적인 레이아웃을 나타낸다. 또한, 도 2의 (b)는 인젝터(110)로부터 발생된 빔의 진행방향에 따른 빔 사이즈의 변화를 나타낸다. 도 2의 (c)는 인젝터(110)로부터 발생된 빔의 진행방향에 따른 정규화된 이미턴스(normalized emittance)의 변화를 나타낸다. 도 2의 (d)는 인젝터(110)로부터 발생된 빔의 진행방향에 따른 전자 다발의 길이 변화를 나타낸다. 도 2의 (b)내지 (d)는 ASTRA 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과이다.
인젝터(110)는 직류 광전 음극 총(DC photocathode gun), 복수의 솔레노이드, 번처 캐비티, 복수의 SRF 캐비티(Superconducting RF cavity)를 포함할 수 있다. 도 2의 (b) 내지 (d)에서는 인젝터(110)에 포함된 솔레노이드의 개수를 2개로 설정하고 시뮬레이션 결과를 획득했으나 인젝터에 포함된 솔레노이드 개수는 달라질 수 있다.
인젝터(110)의 직류 광전 음극 총은 대략 40pC의 전하 다발을 생성하고 생성한 전하 다발을 960kV 전압, 1.3GHz 반복률로 가속시킬 수 있다. 빔의 이미턴스를 줄이기 위해 인젝터(110)에 포함된 솔레노이드들(예를 들어, 두 개의 솔레노이드)이 횡방향 포커싱(transverse focusing)을 통해 이미턴스 보상을 유도할 수 있다. 이미턴스 보상 효과는, 위상 공간에서 전저빔 슬라이스(slice)의 분포가 중첩되어 발생하는 투영 이미턴스(projected emittance)의 감소일 수 있다. 번처 캐비티는 대략 1.3GHz의 반복률을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과할 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 번처 캐비티는 빔의 종방향 위상 공간을 조작함으로써, 빔의 길이를 변경할 수 있다. 캐비티의 위상(phase)은 ASTRA AUTOPHASE 함수에 의해 정의될 수 있다. 전자가 가장 큰 운동에너지를 가지는 위치에 기반하여 위상 0°가 정의될 수 있다. 위상 0°가 정의되고 나면, 빔의 길이와 이미턴스의 최적 조합을 찾기 위해 위상을 10°씩 증가시켜가며 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 인젝터(110)의 부스터(booster)는 복수 개의 SRF 캐비티들(예를 들어, 5개의 SRF 캐비티)을 포함할 수 있다. 부스터에 포함된 SRF 캐비티들의 위상은 번처 캐비티의 위상과 동일하게 정의될 수 있다. 인젝터(110)에 포함된 캐비티들 중 첫 번째 캐비티를 제외한 나머지 캐비티들의 위상은 모두 0°로 동일할 수 있다. 첫 번째 캐비티의 위상은 음의 위상을 가질 수 있으며, 그 값은 대략 -56.4°일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
합병부(112)는 인젝터(110)에서 주사된 전자 빔을 선형가속기(120)에 입사시킬 수 있다. 합병부(112)는 복수 개의 사중극자 마그넷(quadrupole magnet)과 복수 개의 벤딩 마그넷(bending magnet)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 합병부(112)는 2개의 사중극자 마그넷 및 3개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다. 합병부(112)에 포함된 마그넷의 개수는 통상의 기술자가 용이하게 변경할 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.
합병부(112)는 빔의 전달 기능 외에 빔을 압축하는 기능도 수행할 수 있다. 합병부(112)는 빔의 분산(dispersion)으로부터 빔의 이미턴스를 유지하기 위해 빔을 벤딩하는 각도가 20°이상(예를 들어, 21°)이 되도록 설계될 수 있다. 이러한 설계를 수색 설계(Achromatic design)이라 할 수 있다. 도 2(a)에서 의 값은 대략 -0.089m일 수 있다. 여기서, R은 1차 오더까지를 고려해서, 제1 위치에서 빔의 물리적 파라미터로부터 제 2 위치에서의 빔의 물리적 파라미터를 도출하는 계산에서 이용되는 텐서일 수 있다. 은 상술한 R 텐서의 5, 6 성분을 의미할 수 있다.
시뮬레이션을 실시함에 있어서, 저에너지 영역에서 공간 전하 효과(space charge effect)를 고려하기 위해 직류 광전 음극총으로부터 합병부(112)의 입구까지 ASTRA 입자 트래킹 코드가 이용될 수 있다. 시뮬레이션 결과, 상술한 인젝터(110) 및 합병부(112)의 설계조건에서 전자 빔의 횡방향(transverse) 분포는 가우시안 분포를 따랐으며, SRF 캐비티의 말단에서 정규화된 이미턴스는 대략 로 계산될 수 있다. 전자 빔의 종방향(longitudinal) 분포도 가우시안 분포를 따르며 rms 다발(bunmch)의 길이가 대략 0.93mm로 계산될 수 있다. 상술한 시뮬레이션 결과들은 도 2의 (b) 내지 (d)를 통해 확인할 수 있다.
빔이 발생된 후, 빔의 이미턴스는 공간 전하 효과에 의해 빔이 퍼지는 것 때문에 저하될 수 있다. 하지만, 예시적인 실시예에 따르면, 빔이 인젝터(110)에 포함된 SRF 캐비티와 솔레노이드를 통과하면서 방사형 포커싱 힘(radial focusing force)에 의해 빔이 좁은 영역에 포커싱될 수 있다. 이를 통해 빔의 이미턴스 보상이 이루어지고 이미턴스가 감소하지 않을 수 있다.
시뮬레이션 과정에서 ASTRA 시뮬레이션에 의해 얻어진 RF 캐비티들의 말단에서의 결과들은 ELEGANT 시뮬레이션에 적용가능한 포맷으로 변환될 수 있다.
도 3은 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간을 나타낸다. 도 3의 (b)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류를 나타낸다. 도 3의 (c)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 이미턴스를 나타내며, 푸른색 선은 수평 이미턴스, 붉은색 선은 수직 이미턴스를 나타낸다. 도 3의 (d)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 수평방향 기울기(푸른색) 및 수직방향 기울기(붉은색)를 나타낸다. 도 3의 (e)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간을 나타낸다. 도 3의 (f)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류를 나타낸다. 도 3의 (g)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 이미턴스를 나타내며, 푸른색 선은 수평 이미턴스, 붉은색 선은 수직 이미턴스를 나타낸다. 도 3의 (h)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 수평방향 기울기(푸른색) 및 수직방향 기울기(붉은색)를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 종방향(z방향)의에 비례하는 고차 효과 에 의한 영향은 작을 수 있다. 또한, 압축에 의해 빔의 첩의 형상은 비 압축 빔의 첩보다 큰 곡률을 가질 수 있다. 압축 후 전류의 최대 값은 25A 정도로 계산되며, 전류의 모양은 양의 z 방향으로 비대칭 적일 수 있다. 굽힘각이 21 °로 증가하였음에도 에 비례하는 고차 효과에 의한 영향은 클 것이라 예상되었으나 시뮬레이션 결과 그 영향은 크지 않을 수 있다. 도 3의 (c) 및 (g)를 참조하면 에 비례하는 수평 분산은 발견되지 않았으며 은 작을 수 있다.
시뮬레이션 결과, 으로 두 값이 모두 충분히 작을 수 있다. 이미턴스는 수평 및 수직 방향으로 모두 내로 보존될 수 있다. 슬라이스 에너지 스프레드(slice energy spread)는 0.01까지 증가할 수 있지만, 이는 후술하는 선형가속기(120)에 의해 보상될 수 있다.
선형가속기(120)는 복수 개의 초전도 모듈들을 포함할 수 있다. 도 1에서는 선형가속기(120)가 다섯 개의 초전도 모듈들을 포함하는 경우를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 각각의 초전도 모듈은 복수개의 셀들과 하나의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다. 4중 극자는 초전도 모듈 속에 포함되어 초전도로 제작될 수 있다. 초전도 모듈들 각각은 8개의 셀들을 포함할 수 있으나 구체적인 셀들의 개수는 변할 수 있다.
선형가속기(120)는 저에너지 레벨의 전자 빔을 가속시킬 수 있다. 예를 들어, 선형가속기(120)는 전자의 운동 에너지가 15MeV에서 638MeV까지 되도록 전자를 가속시킬 수 있다. 종방향 위상공간의 기울기로 정의되는 첩이 선형가속기(120)의 성능과 연관성이 있을 수 있으며, 선형가속기(120)에 포함된 RF 캐비티의 위상이 첩을 결정하므로 RF 캐비티의 위상은 적절히 설정될 필요가 있다. RF 캐비티의 위상이 크면 전기장의 진폭을 낮출 수 있으므로 비용을 절감할 수 있다. 하지만, 이 경우 빔의 분포가 균일해져 빔이 번치 컴프레서(150)에 의해 압축되지 않을 수 있다. 반대로 RF 캐비티의 위상이 작으면 높은 진폭의 전기장이 요구되고 첩이 강하게 나타나게 할 수 있다. 강한 첩은 높은 분산 효과를 야기할 수 있다. 따라서, RF 캐비티의 위상은 적절한 값으로 설정되어야 하며, 그 값은 대략 70°일 수 있다. 이 경우, 빔의 최대 에너지 분산은 대략 0.01일 수 있다.
도 4는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)는 선형가속기(120)의 레이아웃 및 그에 대응하는 Twiss 파라미터 변화(붉은색: 수평축, 검은색: 수직축)를 나타낸다. 도 4의 (b)는 덤프 섹션(130)의 레이아웃 및 그에 대응하는 Twiss 파라미터 변화(붉은색: 수평축, 검은색: 수직축)를 나타낸다. 도 4의 (c)는 합병부 압축기의 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류 프로파일을 나타낸다. 도 4의 (d)는 합병부 압축기의 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 위상공간을 나타낸다. 도 4의 (e)는 덤핑 섹션 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류 프로파일을 나타낸다. 도 4의 (f)는 덤핑 섹션 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 위상공간을 나타낸다.
도 4의 (d) 및 (f)를 참조하면, 선형가속기(120)에 의해 전자의 평균 운동 에너지는 630MeV까지 증가할 수 있으며, 선형가속기(120)의 끝에서 , 일 수 있다. 또한 도 4의 (c) 및 (e)를 참조하면 종방향으로 전류분포가 날카로워져서 전류의 피크 값이 대략 25A에서 대략 40A로 증가할 수 있다.
시뮬레이션에 따르면, 선형가속기(120) 안에서 방사형 RF 필드 방향으로 포커싱 필드가 존재할 수 있다. 낮은 에너지에서 선형가속기(120)의 고차 오더 효과가 커지기 때문에 선형 매칭은 어려울 수 있다. 또한, 선형가속기(120)의 사중극자 감속 전자 빔에 영향을 미쳐 최적화는 가능한 약하게 수행되어야 할 필요가 있다. 선형가속기(120)는 상술한 과정을 통해 안정된 종방향 분포를 가지는 빔을 제1 경로 변경부(140)에 전달할 수 있다.
덤프 섹션(130)은 선형가속기(120)에서 방출된 전자 빔 중 저에너지의 전자 빔은 덤핑시키고 고에너지의 전자빔은 제1 경로 변경부(140)로 입사시킬 수 있다. 선형가속기(120)에는 이전 주기에 가속된 고에너지의 전자빔과 새롭게 입사된 저에너지의 전자빔이 입사될 수 있다. 고에너지의 전자빔과 저에너지의 전자빔은 서로 다른 위상을 가지고 선형가속기(120)에 입사될 수 있다. 선형가속기(120)는 고에너지(ex. 630MeV)의 전자들을 감속시킬 수 있다. 이 과정에서 선형가속기(120)는 전자의 운동에너지를 회수할 수 있다. 선형가속기(120)는 저에너지(ex. 15 MeV)의 전자들을 가속시킬 수 있다. 예를 들어 선형가속기(120)는 전자의 운동에너지를 15MeV로부터 630MeV까지 증가시킬 수 있다.
덤프 섹션(130)은 아크로메트 섹션(achromat section) 및 매칭 섹션(matching section)을 포함할 수 있다. 아크로메트 섹션은 선형가속기(120)에서 감속된 전자를 큰 각도로 진행 경로를 벤딩시켜서 버리고, 선형가속기(120)에서 가속된 전자를 이미턴스의 증가 없이 제1 경로 변경부(140)에 전달할 수 있다. 아크로메트 섹션은 복수 개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다. 도 1에서는 아크레메트 섹션이 4개의 벤딩 마그넷을 포함하는 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 아크로메트 섹션에 포함된 첫 번째 벤딩 마그넷은 저에너지의 전자의 경로를 고에너지의 전자의 경로보다 더 크게 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 벤딩 마그넷은 15MeV의 운동에너지를 가지는 전자의 경로는 5°만큼 벤딩시키고, 630MeV의 전자의 경로는 0.1°만큼 벤딩시킬 수 있다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 아크로메트 섹션의 첫 번째 벤딩 마그넷을 제외한 나머지 3개의 벤딩 마그넷들은 S 모양으로 정렬될 수 있다. 벤딩 마그넷들 뒤에는 매칭 섹션이 배치될 수 있다. 매칭 섹션은 복수 개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다. 예를 들어, 매칭 섹션은 6개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다. 매칭 섹션은 제1 경로 변경부(140)의 주기적 조건에 맞게 Twiss 파라미터를 조절할 수 있다. Twiss 파라미터는 입자 각각의 이미턴스와 연관된 파라미터일 수 있다.
도 5는 벤딩 마그넷에서 전자의 에너지 차이로 인한 경로 변화를 나타낸 개념도이다.
도 5를 참조하면, 반경 와 벤딩 각도 를 가지는 벤딩 마그넷에서 전자들의 에너지 차이로 인해 전자들의 경로 차이가 발생할 수 있다. O는 벤딩 마그넷의 중심이고 전자 빔은 A에 수직으로 입사할 수 있다. 전자가 이상적인 에너지를 가지고 있을 경우, 전자는 원운동 후 B를 통과할 수 있다. 하지만 에너지 분산의 크기가 인 경우, 전자 경로의 반경은 자기 강성(magnetic rigidity)의 정의에 의해 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
수학식 1에서 는 벤딩 마그넷의 반지름을 의미하고, 는 자기장을 의미하고 는 전자의 이상적인 모멘텀을 의미하며, 는 전자의 전하량을 의미한다. 도 5에서 을 에 수직으로 입사한 후 운동량 를 가지는 전자가 통과하는 지점이라 두면, 자기장 내부에서 전자는 을 중심으로 원형으로 움직이고 벤딩 각은 일 수 있다. 여기서, 에서 원호 의 접선과 가로축 사이의 접점이 이 될 수 있고, , , 이 이루는 각도는 90도일 수 있다. 또한, 에서 원호 의 접선과 가로축 사이의 접점이 가 될 수 있고, 가 이루는 각도도 90도가 될 수 있다. 따라서, 엣지 각과 , , 로 정의되는 각도는 평행이동시 동일할 수 있다. 엣지 각은 일 수 있다. 삼각형 , , 에 대한 코사인 제2 법칙으로부터 엣지각은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
빔 에너지 차이를 고려하면, 엣지각은 0.1°일 수 있다. 아크로멧 섹션에서 에타 함수는 , 로 계산될 수 있다. 매칭 섹션에서 Twiss 파라미터는 , 로 계산될 수 있다. 수평, 수직 이미턴스와 rms 번치 길이 및 슬라이스 에너지 스프레드는 각각 일 수 있다.
도 6은 제1 경로 변경부(140)의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 6을 참조하면, 제1 경로 변경부(140)는 두 개의 셀들을 포함하며, 제1 경로 변경부(140)의 전체적인 구조는 거울 대칭을 만족할 수 있다. 각각의 셀을 주기적이고, 전자 빔을 90도 벤딩시킬 수 있도록 설계될 수 있다. 각각의 셀은 TBA(Triple Bend Achromat) 부분과 TBA 양쪽에 배열된 두 쌍의 사중극자 마그넷 집합들을 포함할 수 있다. 예시적으로 TBA 양쪽에는 각각 두 개의 사중극자 마그넷들이 마련될 수 있다. 각 셀에서 TBA 양 옆에 마련된 사중극자 마그넷들은 대칭적일 수 있다. 예시적으로, 제1 경로 변경부(140)는 12개의 사중극자 마그넷과 6개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다. 제1 경로 변경부(140)에 포함된 벤딩 마그넷 각각은 전자 빔의 경로를 30°만큼 벤딩시킬 수 있다. 도 6을 참조한 제1 경로 변경부(140)는 등시적(isochronously)으로 설계되었으므로 빔의 이미턴스 및 종방향 분포가 유지될 수 있다. 또한, 빔의 색수차가 발생하지 않을 수 있다.
격자의 거울 대칭성 때문에 수학식 3이 만족될 수 있다.
는 격자의 대칭 축의 위치를 의미한다. 거울 대칭성 때문에, 수학식 4에서 나타낸 바와 같이 은 대칭축에서 0이 되어야 한다.
도 5에서 나타낸 벤딩 마그넷(B2)의 입구에서 에타 함수 및 기울기를 라 하면, 는 수학식 5를 만족할 수 있다.
수학식 4 및 수학식 5에서 는 벤딩 마그넷의 벤딩 반지름을 나타내고, 는 벤딩 마그넷의 벤딩 각도를 나타낸다. 제1 경로 변경부(140)에서 은 사중극자 마그넷(Q3)의 세기 , 벤딩 마그넷(B1)과 사중극자 마그넷(Q3) 사이의 거리 및 벤딩 마그넷(B2)과 사중극자 마그넷(Q3) 사이의 거리 에 의해 결정될 수 있다.
도 7은 제1 경로 변경부(140)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)에서 붉은색 라인은 수평 방향에 대한 Twiss 파라미터를 나타내고 검은색 라인은 수직 방향에 대한 Twiss 파라미터를 나타낸다. 도 7의 (b)는 제1 경로 변경부(140)의 입구에서 빔의 진행방향에 대한 전류 프로파일을 나타내고, 도 7의 (c)는 제1 경로 변경부(140)의 입구에서 빔의 진행방향에 대한 빔의 종방향 공간을 나타내며, 도 7의 (d)는 제1 경로 변경부(140)의 출구에서 빔의 진행방향에 대한 전류의 프로파일을 나타내고, 도 7의 (e)는 제1 경로 변경부(140)의 출구에서 빔의 진행방향에 대한 빔의 종방향 공간을 나타낸다.
시뮬레이션에서 ,, 의 크기는 수학식 5의 (1), (2) 식들에 의해 정해졌다. 시뮬레이션에서 , , 로 설정되었다. 도 7의 (a)에서 나타낸 바와 같이 Twiss 파라미터가 계산되었으며, 제1 경로 변경부(140)의 끝에서 , , 이고 일 수 있다. 도 7의 (b) 및 도 7 (d)에서 보는 바와 같이 전자 다발(bunch)의 길이는 로부터 로 약간의 변화가 있을 수 있다. 전류의 최대치는 고차 효과 때문에 40A에서 35A로 감소할 수 있다. 도 7의 (c) 및 (e)를 참조하면, 첩의 선형성(linearity)는 거의 같을 수 있다. 빔의 이미턴스는 , 으로 모두 보다 작을 수 있다. 따라서, 빔의 이미턴스가 유지됨으로서 빔의 성능이 유지될 수 있다.
제1 경로 변경부(140)에서 방출된 빔은 번치 컴프레서(150)에 입사될 수 있다. 번치 컴프레서(150)는 종방향 에너지 분포가 상수가 아니며 기울어져 있다는 것을 이용하여 종방향 전류의 분포를 날카롭게 또는 평탄하게 변경할 수 있다.
도 8은 번치 컴프레서(150)의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 8을 참조하면, 번치 컴프레서(150)는 제1 다이폴 마그넷(152), 제2 다이폴 마그넷(154), 제3 다이폴 마그넷(156) 및 제4 다이폴 마그넷(158)을 포함할 수 있다. 다이폴 마그넷들(152, 154, 156, 158)은 S 모양으로 배열될 수 있다. 다이폴 마그넷의 길이 및 벤딩 각도가 결정되면, 전자들의 경로 길이(path length)는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 6에서 는 두 전자의 에너지 차(energy difference) 또는 운동량의 차(momentum difference)를 의미한다.
수학식 6으로부터 은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 7로부터 전자의 에너지 첩(chirp)은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 8에서 h는 전자의 에너지 첩을 의미한다.
번치 컴프레서(150)에 의해 압축된 rms 번치 길이는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 9에서 는 압축후 rms 번치 길이를 나타내고 는 압축전 rms 번치 길이를 나타내고 는 에너지 스프레드를 나타내고, 는 이상적 에너지에 대한 상대론적 팩터를 의미한다. 실제 전자 빔은 z 포지션에 따라 다른 에너지 스프레드를 갖는다. 즉, 실제 전자빔은 완벽한 가우시안 분포를 따르지 않을 수 있다. 번치 컴프레서(150)가 잘 작동하기 위해서는 드리프트 길이() 및 각도()를 잘 조절하는 것이 중요하다. 벤딩 각도()가 크면 자기장의 세기와 고차 효과 및 CSR과 같은 군집효과(collective effect)가 강해질 수 있다. 굽힘각도가 8.4°이고, 드리프트 길이( )를 2.2m로 설정하는 경우, 일 수 있다.
도 9는 번치 컴프레서(150)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9의 (a)는 번치 컴프레서(150) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 9의 (c)는 번치 컴프레서(150) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 프로파일을 나타낸다. 도 9의 (b)는 번치 컴프레서(150) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 9의 (d)는 번치 컴프레서(150) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 프로파일을 나타낸다.
도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 번치 컴프레서(150)에 의해 빔의 전류분포가 종방향으로 압축될 수 있다. 따라서, 전류의 최대값이 35A에서 630A로 증가할 수 있다. 압축에 의해 대부분의 전자들이 전류가 최대인 좁은 영역에 모아질 수 있다.
컴프레서(150)를 통과한 빔은 언듈레이터(160)에 입사될 수 있다. 컴프레서(150)와 언듈레이터(160) 사이에는 Twiss 파라미터를 조절하기 위한 매칭 섹션이 더 있을 수 있다. 매칭 섹션은 6개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
언듈레이터(160)는 자기장을 이용하여 입사된 전자를 좌우로 사행(巳行)운동을 시킴으로써, 전자기 방사선을 방출시킬 수 있다. 언듈레이터(160)는 극 자외선(extreme ultraviolet; EUV) 방사선 빔을 방출시킬 수 있다. 극 자외선 방사선 빔은 리소포토그래피 공정에 이용될 수 있다. 언듈레이터(160)에 포함된 자석의 주기 또는 자석 사이의 간격(gap)을 조절함으로써 극 자외선 보다 길거나 짧은 파장의 방사선을 생성할 수도 있다.
언듈레이터(160)의 전체 길이와 주기가 주어지면, 자기장의 세기에 의해 정의되는 언듈레이터 파라미터 K는 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 10에서 는 언듈레이터에서 방출되는 방사선 빔의 파장을 의미하고, 은 공진이 일어나 원하는 파장을 발생 시킬 때의 전자 빔의 에너지를 나타내며, 는 언듈레이터 주기(언듈레이터를 이루는 자석의 종방향 길이)를 의미한다.
시뮬레이션에서 값은 수학식 10에 따라 1.287로 설정되었다. 언듈레이터에 입사되는 전자 빔의 에너지와 언듈레이터 주기가 결정되면, 언듈레이터 내부에서의 전자빔의 베타 함수가 결정될 수 있다. 얇은 렌즈 근사법(thin lenses approximation)에 따르면 베타트론 함수의 최대값 및 최소값은 수학식 11 및 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 11 및 12에서 는 위상 어드밴스(phase advance)를 의미하고, f는 초점 거리로서 로 결정되며, 는 사중극자 마그넷의 세기이고, 은 마그넷의 길이를 의미한다. 시뮬레이션에서 위상 어드벤스는 35°로 설정되었고, 따라서, , 일 수 있다. 이 값은 사중극자 마그넷의 세기에 의해서 조절이 가능하다.
언듈레이터(160)는 복수 개의 FODO 셀(cell)을 포함할 수 있다. 예시적으로 언듈레이터(160)는 5개의 FODO 셀을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 10은 언듈레이터에 포함된 FODO 셀의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 각각의 FODO 셀은 제1 반 사중극자(half quadrupole; 161), 제1 언듈레이팅부(163), 디포커싱 사중극자(165), 제2 언듈레이팅부(167) 및 제2 반 사중극자(169)를 포함할 수 있다. 제1 반 사중극자(161)와 제1 언듈레이팅부(163) 사이에는 제1 드리프트 구간(162)이 마련되어 있을 수 있다. 디포커싱 사중극자(165)와 제1 언듈레이팅부(163) 사이에는 제2 드리프트 구간(164)이 마련되어 있을 수 있다. 디포커싱 사중극자(165)와 제2 언듈레이팅부(167) 사이에는 제3 드리프트 구간(166)이 마련되어 있을 수 있다. 제2 언듈레이팅부(167)와 제2 반 사중극자(169) 사이에는 제4 드리프트 구간(168)이 마련되어 있을 수 있다. 도 10에서 나타낸 바와 같이 언듈레이터(160)의 각 구성의 크기는 (언듈레이터의 주기)의 배수에 해당할 수 있다.
도 11은 언듈레이터(160)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 시뮬레이션은 서로 다른 랜덤 시드 넘버(random seed number)에 기초하여 수행되었으며 5회 수행되었다.
도 11에서 회색 선들 각각은 서로 다른 랜덤 시드 넘버(random seed number)에 기초한 시뮬레이션 결과를 나타내고, 푸른색 선은 시뮬레이션 결과의 평균을 나타낸다.
도 11의 (a)는 언듈레이터의 위치에 따른 펄스 파워를 나타낸다. 도 10의 (b)는 언듈레이터의 출구에서의 피크 파워를 나타낸다. 도 10의 (c) 도 10의 (b)에서 나타낸 펄스의 에너지 스펙트럼을 나타낸다. 도 10의 (d)는 언듈레이터에서 Twiss 파라미터를 나타낸다. 도 10의 (d)에서 붉은색 선은 수직 베타 함수를 나타내고, 검은색 선은 수평 베타 함수를 나타낸다.
도 11의 (a)를 참조하면, 펄스 파워의 평균은 대략 20MW이지만, 실제 펄스 파워는 대략 27MW일 수 있다. 이는 시뮬레이션에서 고려된 것과는 달리 실제 전자빔은 전자빔으로부터의 방사선 도피(escape of radiation)을 보상하기 위한 1mm 길이의 더미 전류(dummy current)를 포함하기 때문일 수 있다. 인젝터(110)의 반복률이 1.3GHz이므로 모든 시간에 대한 평균 출력은 대략 37kW일 수 있다. 이는 포토리소그래피 공정에 대한 목표 출력 10kW보다 더 높은 것이다. 또한, 피크 파워는 약 0.5 GW이고, FWHM은 대략 3 μm일 수 있다. 도 11의 (c)에서 나타낸 에너지 스펙트럼을 보면, 에너지의 범위가 넓기 때문에 펄스의 파장 또한 넓게 분포될 수 있다. 도 11의 (c)에서 피크 값은 대략 91.74 eV이며 이는 파장이 13.51nm보다 길고 13.5nm로부터 0.1% 오차범위 내에 있음을 의미한다. 도 11의 (d)를 참조하면, 격자는 주기적이고 대칭성을 가지지만, Twiss 파라미터는 완벽하게 주기적이지 않을 수 있다.
언듈레이터(160)를 통과한 빔은 번치 디컴프레서(170)에 입사될 수 있다. 번치 디컴프레서(170)는 번치 컴프레서(150)와 동일한 구성을 포함할 수 있다. 예시적으로, 번치 디컴프레서(170)는 4개의 다이폴 마그넷을 포함할 수 있다. 번치 디컴프레서(170)는 전자 빔의 전류분포를 종방향으로 확장시킬 수 있다. 번치 디컴프레서(170)를 통과한 전자 빔은 제2 경로 변경부(180)에 입사될 수 있다. 제2 경로 변경부(180)는 제1 경로 변경부(140)와 동일한 구성을 포함할 수 있다. 제2 경로 변경부(180)는 전자 빔의 진행방향을 변경시킬 수 있다. 제2 경로 변경부(180)를 통과한 전자 빔은 선형가속기(120)에 입사될 수 있다. 선형가속기(120)는 제2 경로 변경부(180)를 통과한 전자 빔의 에너지를 회수할 수 있다.
도 12는 번치 디컴프레서를 통과하는 전자 빔에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 12의 (a)는 번치 디컴프레서의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (b)는 선형가속기의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (c)는 에너지 회수가 이루어진 후 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (d)는 번치 디컴프레서의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (e)는 선형가속기의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (f)는 에너지 회수가 이루어진 후 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상공간 프로파일을 나타낸다.
도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 번치 디컴프레서(170)에 의해 빔의 전류 분포가 종방향으로 확장될 수 있다. 전류의 최대값은 600A로부터 대략 30A까지 감소할 수 있다. 번치 디컴프레서(170)를 통과하는 동안 전류의 첩 방향이 역전될 수 있다. 또한, 도 12의 (f)를 참조하면, 선형가속기(120)의 감속 과정에서 전자 빔은 대략 가속 전의 에너지를 가지도록 감속될 수 있다. 감속 과정 후 전자의 평균 에너지는 대략 14.5MeV로 전자의 에너지가 가속 전으로 회복될 수 있다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생장치(200)의 레이아웃을 나타낸 개념도이다.
도 13을 참조하면, 자유전자 레이저 발생장치(200)는 인젝터(210), 제1 선형가속기(222), 제2 선형가속기(224), 제1 스프레더(230), 제1 선형가속기(222) 및 제2 선형가속기(224)의 제1 단(ex. 도 13의 우측)과 연결된 복수 개의 경로 변경부(242a, 244a, 246a, 248a, 249a), 언듈레이터(250), 제2 스프레더(260) 및 제1 선형가속기(222) 및 제2 선형가속기(224)의 제2 단(ex. 도 13의 좌측)과 복수 개의 경로 변경부(242b, 244b, 246b, 248b, 249b)를 포함할 수 있다.
도 13의 실시예에 따르면, 인젝터(210)에서 주사된 빔이 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)에 의해 적어도 두 번 이상 가속될 수 있다. 따라서, 도 1에서 나타낸 실시예보다 선형가속기의 길이를 작게 구현할 수 있다. 도 13의 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)의 길이는 도 1의 선형가속기(120)의 길이보다 작을 수 있다. 예를 들어, 도 13의 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)의 길이는 대략 9m인 반면, 도 1에서 나타낸 선형가속기(120)의 길이는 대략 45m일 수 있다.
인젝터(210)는 전자 빔을 주사할 수 있다. 인젝터(210)에서 주사된 전자는 대략 15MeV의 운동에너지를 가질 수 있다. 인젝터(210)에서 주사된 전자 빔은 제1 선형가속기(222)에 입사될 수 있다. 제1 선형가속기(222)는 인젝터(210)로부터 주사된 전자 빔을 가속시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제1 선형가속기(222)를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 다른 경로로 입사시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 스프레더(230)는 제1 에너지(ex. 대략 15MeV)를 가지는 전자 빔은 덤핑시켜 버릴 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제2 에너지(ex. 대략 140MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(242a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제3 에너지(ex. 대략 265MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(244a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제4 에너지(ex. 대략 390MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(246a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제5 에너지(ex. 대략 515MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(248a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제6 에너지(ex. 대략 640MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(249a)에 입사시킬 수 있다.
경로 변경부들(242a, 244a, 246a, 248a)을 통과한 전자 빔은 제2 선형가속기(224)에 입사될 수 있다. 제2 선형가속기(224)에 의해 전자 빔은 다시 가속될 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제2 선형가속기(224)를 통과한 전자 빔을 에너지 크기에 따라 다른 경로 변경부로 입사시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 스프레더(260)는 제2 에너지(ex. 대략 140MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(242b)에 입사시킬 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제3 에너지(ex. 대략 265MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(244b)에 입사시킬 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제4 에너지(ex. 대략 390MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(246b)에 입사시킬 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제5 에너지(ex. 대략 515MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(248b)에 입사시킬 수 있다.
전자 빔은 소정의 에너지(ex. 640MeV)를 가질 때까지 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)에 의해 복수 번 가속될 수 있다. 경로 변경부(249a)를 통과한 전자 빔은 언듈레이터(250)에 입사될 수 있다. 언듈레이터(250)는 자기장을 이용하여 입사된 전자를 좌우로 사행운동 시킴으로써, 전자기 방사선을 방출시킬 수 있다.
언듈레이터(250)를 통과한 전자 빔은 경로 변경부(249b)에 입사될 수 있다. 경로 변경부(249b)를 통과한 전자 빔은 제1 선형가속기(222)에 입사될 수 있다. 경로 변경부(249b)를 통과한 전자는 대략 640MeV의 운동 에너지를 가질 수 있으며, 제1 선형가속기(222)에 의해 감속될 수 있다. 상술한 실시예에 따르면, 인젝터(210)로부터 주사된 전자빔이 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)를 복수 회 통과하면서 가속될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)의 길이를 단축시킬 수 있다.
이상 도 1 내지 도 13을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 자유 전자 레이저 발생 장치에 관하여 설명하였다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 고출력의 극자외선 자유전자 레이저를 발생시킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 가속된 전자 빔의 에너지를 회수한 후, 다른 전자의 가속에 사용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 자유전자 레이저를 발생시키는 과정에서 전자빔의 경로, 이미턴스, 첩, 종방향 전류 프로파일 등의 물리량을 효과적으로 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 사람이라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 본 개시서에 첨부된 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그와 같이 균등하게 또는 등가적으로 변형된 것에는, 예컨대 본 발명에 따른 방법을 실시한 것과 동일한 결과를 낼 수 있는, 논리적으로 동치(logically equivalent)인 방법이 포함될 것인 바, 본 발명의 진의 및 범위는 전술한 예시들에 의하여 제한되어서는 아니되며, 법률에 의하여 허용 가능한 가장 넓은 의미로 이해되어야 한다.
Claims (19)
- 자유 전자 레이저 발생장치에 있어서,
전자 빔을 주사하는 인젝터;
상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 선형가속기;
상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 제1 경로 변경부;
상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발(electron bunch)을 종방향(Longitudinal direction)으로 압축하는 번치 컴프레서(Bunch compressor);
전자기장과 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자 빔의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터(Undulator); 및
상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 제2 경로 변경부를 포함하고,
상기 선형가속기 및 상기 제1 경로 변경부 사이에 마련되는 것으로 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 덤프 섹션을 더 포함하고,
상기 덤프 섹션은 복수개의 벤딩 마그넷을 포함하며, 상기 복수개의 벤딩 마그넷 중 적어도 하나는 상기 고에너지 전자 빔과 상기 저에너지 전자 빔을 서로 다른 각도로 벤딩시키고,
상기 선형가속기는 상기 인젝터로부터 주사된 저에너지 전자 빔은 가속시키고, 상기 제2 경로 변경부를 통과한 고에너지 전자 빔은 감속시킴으로써 운동에너지를 회수하고,
상기 제1 경로 변경부 및 상기 제2 경로 변경부 각각은 복수개의 셀들을 포함하며, 거울 대칭 구조를 가지고,
상기 복수개의 셀들 각각은 복수개의 벤딩 마그넷 및 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 TBA(Triple Bend Achromat) 부분 및 상기 TBA 부분 양 옆에 대칭적으로 배열된 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 것으로 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 번치 디컴프레서(Bunch decompressor)를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 합병부를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 합병부는 복수 개의 사중극자 마그넷 및 복수 개의 벤딩 마그넷을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 선형가속기는 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지를 변경함으로써, 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지 값을 증가시키거나 감소시키는 자유전자 레이저 발생장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 선형가속기는 동일한 구조를 가진 복수개의 모듈들을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 번치 컴프레서는 복수개의 다이폴 마그넷을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치. - 자유 전자 레이저 발생 장치를 이용한 자유 전자 레이저 발생방법에 있어서,
인젝터를 이용하여 전자 빔을 주사하는 단계;
선형가속기를 이용하여 상기 인젝터로부터 주사된 전자 빔을 가속시키는 단계;
상기 선형가속기 및 제1 경로 변경부 사이에 마련된 덤프 섹션을 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 단계;
상기 제1 경로 변경부를 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 단계;
번치 컴프레서를 이용하여 상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 압축하는 단계;
언듈레이터를 이용하여 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 단계;
제2 경로 변경부를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 단계를 포함하고,
상기 덤프 섹션은 복수개의 벤딩 마그넷을 포함하며, 상기 복수개의 벤딩 마그넷 중 적어도 하나는 상기 고에너지 전자 빔과 상기 저에너지 전자 빔을 서로 다른 각도로 벤딩시키고,
상기 선형가속기는 상기 인젝터로부터 주사된 저에너지 전자 빔은 가속시키고, 상기 제2 경로 변경부를 통과한 고에너지 전자 빔은 감속시킴으로써 운동에너지를 회수하고,
상기 제1 경로 변경부 및 상기 제2 경로 변경부 각각은 복수개의 셀들을 포함하며, 거울 대칭 구조를 가지고,
상기 복수개의 셀들 각각은 복수개의 벤딩 마그넷 및 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 TBA(Triple Bend Achromat) 부분 및 상기 TBA 부분 양 옆에 대칭적으로 배열된 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유전자 레이저 발생방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 번치 디컴프레서를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 단계를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생방법. - 삭제
- 제 13 항에 있어서,
상기 선형가속기와 상기 인젝터 사이에 마련된 합병부를 이용하여 상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 단계를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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