(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームが生成される後面部と、生成された前記電子ビームが外部に排出されるように電子ビーム排出ホールが形成された前面部と、前記後面部と前記前面部を連結する側面部と、を含み、前記側面部には第１のホールが形成され、前記第１のホールにより内部に誘発される電場不均衡を減少させるように前記第１のホールと向かい合う反対側側面部に第２のホールが形成されたハウジング； 
前記第１のホールを介して前記ハウジング内部に電磁気波を供給するように前記側面部に設置されるウェーブガード；及び
前記第２のホールを介して前記ハウジング内部の空気を排出することによって前記ハウジング内部に真空を形成することができるように前記側面部に設置される第１のポンピングポート；を含み、
前記前面部を介して前記ハウジング内部に入射されたレーザーによって前記電子ビームが生成され、前記ハウジング内部に供給された電磁気波によって前記電子ビームが加速される電子ビーム発生装置であって、
前記ハウジングの前記側面部における前記第１のホールと前記第２のホールとの中間に、第３のホールが形成され、前記側面部における前記第３のホールと向かい合う部分に第４のホールが形成され、
前記側面部における前記第３のホールが形成された位置に第２のポンピングポートが設置され、前記側面部における前記第４のホールが形成された位置に第３のポンピングポートが設置され、前記第２及び第３のポンピングポートにより前記第３及び第４のホールを介して前記ハウジング内部の空気を排出して前記ハウジング内部に真空を形成することにより、前記第１のホールにより誘発される電場不均衡を減少させる構成としたことを特徴とする電子ビーム発生装置。
【請求項２】
前記第２のホールは、前記第１のホールと形状が異なることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項３】
前記第２のホールは、一側方向に延長されたホールの形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項４】
前記第２のホールは、実質的に楕円形に形成されることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項５】
前記側面部は、第１の側面部と第２の側面部を含み、前記前面部は、前記第１の側面部に結合され、前記第１の側面部と前記第２の側面部は連結部により連結され、前記第２の側面部は、前記後面部に結合され、
前記第１のホール及び前記第２のホールは、前記第１の側面部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項６】
前記前面部には、レーザーが前記ハウジング内部に入射される入射ホールと、前記ハウジング内部で反射されたレーザーが排出される排出ホールが形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項７】
前記前面部に電子ビーム排出ホールを形成し、前記電子ビーム排出ホールを介してレーザーが入射され、前記後面部で反射されたレーザーが前記電子ビーム排出ホールを介して排出されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項８】
前記第３のホールと前記第４のホールは、一側方向に延長されたホールの形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項９】
前記第３のホールと前記第４のホールは、実質的に楕円形に形成されることを特徴とする請求項８に記載の電子ビーム発生装置。
【請求項１０】
前記第２乃至第４のホールは、同一形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを用いて電子ビームを発生させる電子ビーム発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電子銃(ｅｌｅｃｔｒｏｎｇｕｎ)とは、電子顕微鏡、進行波管、ブラウン管などのように電子の流れを細いビーム形状に収束させて排出する装置をいう。
【０００３】
従来技術による電子銃は、カプラーセル(ｃｏｕｐｌｅｒｃｅｌｌ)の内部を通過する電子ビームを加速するために電磁気波を用いる。即ち、カプラーセルに形成されたカップリングホール(ｃｏｕｐｌｉｎｇｈｏｌｅ)を介して電磁気波をカプラーセルの内部に入射させる。しかし、このようなカップリングホールによってカプラーセルの内部電場の対称性がくずれるようになる。電場の対称性がくずれると、電子ビームのエミッタンス(ｅｍｉｔｔａｎｃｅ)が大きくなるため、電子ビームの品質が低下されるという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電子ビームのエミッタンスを減少させることができる電子ビーム発生装置が要求される。
【０００５】
本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されない他の技術的課題は、下記により当業者が明確に理解することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明による電子ビーム発生装置は、電子ビームが生成される後面部と、生成された前記電子ビームが外部に排出されるように電子ビーム排出ホールが形成された前面部と、前記後面部と前記前面部を連結する側面部と、を含み、前記側面部には第１のホールが形成され、前記第１のホールにより誘発される電場不均衡を減少させるように前記第１のホールと向かい合う反対側側面部に第２のホールが形成されたハウジング；及び、前記第１のホールを介して前記ハウジング内部に電磁気波を供給するように前記側面部に設置されるウェーブガード；を含み、前記ハウジング内部に入射されたレーザーによって前記電子ビームが生成され、前記ハウジング内部に供給された電磁気波によって前記電子ビームが加速される。
【０００７】
また、前記前面部を介してレーザーが前記ハウジング内部に入射される。
【０００８】
また、前記第２のホールを介して前記ハウジング内部の空気を排出することによって前記ハウジング内部に真空を形成することができるように前記側面部に設置される第１のポンピングポートをさらに含む。
【０００９】
また、前記第２のホールは、前記第１のホールと形状が異なる。
【００１０】
また、前記第２のホールは、一側方向に延長されたホールの形状に形成される。
【００１１】
また、前記第２のホールは、実質的に楕円形またはレーストラック(ｒａｃｅｔｒａｃｋ)形態に形成される。
【００１２】
また、前記側面部は、第１の側面部と第２の側面部を含み、前記前面部は、前記第１の側面部に結合され、前記第１の側面部と前記第２の側面部は、連結部により連結され、前記第２の側面部は、前記後面部に結合され、前記第１のホール及び前記第２のホールは、前記第１のハウジングまたは前記第２のハウジングに形成される。
【００１３】
また、前記ハウジングには、レーザーが前記ハウジング内部に入射される入射ホールと、前記ハウジング内部で反射されたレーザーが排出される排出ホールが形成される。
【００１４】
また、前記電子ビーム排出ホールを介してレーザーが入射され、前記後面部で反射されたレーザーが前記電子ビーム排出ホールを介して排出される。
【００１５】
また、前記第１のホールにより誘発される電場不均衡を減少させるように前記ハウジングの前記側面部に前記第１のホールと前記第２のホールとの中間に第３のホールが形成され、前記第３のホールと向かい合う反対側側面部に第４のホールが形成される。
【００１６】
また、前記第３のホールと前記第４のホールは、一側方向に延長されたホールの形状に形成される。
【００１７】
また、前記第３のホールと前記第４のホールは、実質的に楕円形またはレーストラック(ｒａｃｅｔｒａｃｋ)形態に形成される。
【００１８】
また、前記第２乃至第４のホールは、同一形状に形成される。
【００１９】
また、前記第３のホールが形成された位置に第２のポンピングポートが設置され、前記第４のホールが形成された位置に第３のポンピングポートが設置される。
【発明の効果】
【００２０】
電場の不均衡を改善して電子ビームのエミッタンスを減少させる効果がある。
【００２１】
また、別途の複雑な付加装置無しに単純なホール寸法の変更やポンピングホールの追加だけでも電場のエミッタンスを減少させることができるため、コスト節減効果がある。
【００２２】
従来の電子ビーム発生装置においてハウジングの側面部にレーザー入射ホールとレーザー排出ホールを別途に形成する場合があるが、本発明は、ハウジングの正面部に一つのホールだけを開けてレーザービームを入射及び排出させ、同時に電子ビーム排出ホールとして用いることができるため、製作が容易になる効果がある。
【００２３】
本発明の技術的効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されない他の技術的効果は、下記により当業者が明確に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】カップリングホールのない理想的な条件におけるハウジングを概略的に示す断面図である。
【図２】カップリングホールのない理想的な条件におけるハウジングの電場を示すグラフである。
【図３】一つのカップリングホールが形成されたハウジングを概略的に示す断面図である。
【図４】一つのカップリングホールが形成されたハウジングの電場を示すグラフである。
【図５】カップリングホールと一つのポンピングホールが形成されたハウジングを概略的に示す断面図である。
【図６】カップリングホールと一つのポンピングホールが形成されたハウジングの電場を示すグラフである。
【図７】カップリングホールと３個のポンピングホールが形成されたハウジングを概略的に示す断面図である。
【図８】カップリングホールと３個のポンピングホールが形成されたハウジングの電場を示すグラフである。
【図９】本実施例に係る電子ビーム発生装置のシミュレーション装置の配置図である。
【図１０】第１の実施例に係る電子ビーム発生装置の斜視図である。
【図１１】第１の実施例に係る電子ビーム発生装置をｘ軸に対して垂直に切断した断面図である。
【図１２】第１の実施例に係る電子ビーム発生装置をｚ軸に対して垂直に切断した断面斜視図である。
【図１３】第１の実施例に係る電子ビーム発生装置のポンピングホールの形態を示す図面である。
【図１４】第１の実施例に係る電子ビーム発生装置のＬ１とフーリエ係数との関係を示す図面である。
【図１５】第２の実施例に係る電子ビーム発生装置の斜視図である。
【図１６】第２の実施例に係る電子ビーム発生装置をｘ軸に対して垂直に切断した側断面図である。
【図１７】第２の実施例に係る電子ビーム発生装置をｚ軸に対して垂直に切断した側断面図である。
【図１８】第２の実施例に係る電子ビーム発生装置をｚ軸に対して垂直に切断した断面斜視図である。
【図１９】第２の実施例に係る電子ビーム発生装置におけるＬ２とフーリエ係数との関係を示す図面である。
【図２０】第１の実施例及び第２の実施例において電場の角度分布を示す図面である。
【図２１】第２の実施例においてｚ軸に対するｙ軸方向の標準化エミッタンスに対するシミュレーション結果を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、実施例は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、多様な形態で具現されることができ、但し、本実施例は、本発明の開示が完全になるようにし、通常の知識を有する者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものである。図面における要素の形状などは、より明確な説明のために誇張されるように表現した部分があり、図面上で同一符号で表示された要素は同一要素を意味する。
【００２６】
強力で且つ小さいエミッタンス(ｅｍｉｔｔａｎｃｅ)を有する電子ビーム発生装置が必要である。エミッタンスεは、３種類要素を有し、数式１のように表現することができる。
【００２７】
【数１】
0005386588.tif 000002
【００２８】
ここで、εｔｈは、熱的エミッタンス(ｔｈｅｒｍａｌｅｍｉｔｔａｎｃｅ)であり、εｓｃは、空間荷電効果(ｓｐａｃｅｃｈａｒｇｅｅｆｆｅｃｔ)によるエミッタンスであり、εｒｆは、高周波動力学効果(ｒｆｄｙｎａｍｉｃｓｅｆｆｅｃｔ)によるエミッタンスである。
【００２９】
εｔｈは、カソード面(ｃａｔｈｏｄｅｓｕｒｆａｃｅ)に対するレーザーの入射角を制御することによって減少されることができる。全体エミッタンス(ε)は、熱的エミッタンスに比べて著しく高く現れる。この理由は、空間荷電効果と高周波動力学効果によるエミッタンスの増加が熱的エミッタンスに比べて無視することができない程度であるためである。εｓｃは、特殊な３Ｄ均一楕円レーザーパルス(ｕｎｉｆｏｒｍｅｌｌｉｐｓｏｉｄａｌｌａｓｅｒｐｕｌｓｅ)と著しく強い電場を用いて減少させることができる。本発明の主な関心事は、全体エミッタンスを減少させるためにどのような方法により３番目の要素であるεｒｆを減少させることができるかに対することである。
【００３０】
図１は、カップリングホールのない理想的な条件におけるハウジングを概略的に示す断面図であり、図２は、カップリングホールのない理想的な条件におけるハウジングの電場を示すグラフである。
【００３１】
図１で地面に垂直方向は電子ビームの進行方向であり、円形枠はハウジングを示す。ｘ軸とｙ軸は、ハウジング内部の共振空洞(ｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙ)の中心を基準とする直交座標軸を示す。ρは共振空洞の中心から任意の位置Ｔまでの距離を意味し、Φは共振空洞の中心と座標Ｔを連結する直線がｘ軸に対してなす角度を意味する。図２における｜Ｅｚ｜は、共振空洞の中心から所定距離における電場を示す。電子ビーム発生装置の共振空洞に発生する電場は、一般的に数式２のように表現されることができる。
【００３２】
【数２】
0005386588.tif 000003
【００３３】
ここで、ｘｍ１はＪｍ（ｘ）＝０の１番目のルートであり、Ｅ０は最大電場を、Ｒは共振空洞の半径を、Ａｍ１０はｍ番目のフーリエ係数を示す。理想的な電子ビーム発生装置における｜Ｅｚ｜は、図２に示すように、ｍｏｎｏｐｏｌｅｆｉｅｌｄだけ存在し、角度Φが変わっても一定の値を有する。
【００３４】
しかし、電子ビーム発生装置では電子ビーム加速に必要な高周波電力を供給するためにハウジングの側面にカップリングホールを形成せざるを得ない。カップリングホールは、共振空洞の内部で側方向(ｘ-ｙ平面方向)の力を誘発し、これによって電場の非対称性が発生することができる。電場の非対称性(ａｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ)は、ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄで増加することができ、ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄは、電子ビーム発生装置で発生される電子ビームに対してエミッタンスを増加させる横方向モメンタムキック(ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｍｏｍｅｎｔｕｍｋｉｃｋ)を発生させる。
【００３５】
Ｐａｎｏｆｓｋｙ-Ｗｅｎｚｅｌ整理は、数式３のように共振空洞の電場で横方向モメンタムキックｐ⊥を提供する。
【００３６】
【数３】
0005386588.tif 000004
【００３７】
ここで、ω０は空洞の共振周波数(ｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ)であり、Ｌは共振空洞の長さであり、Ｅｚは共振空洞の電場の長手方向要素(ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔ)である。Ｐａｎｏｆｓｋｙ-Ｗｅｎｚｅｌ整理は、一定速度状況(ｃｏｎｓｔａｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙｃａｓｅ)に適用可能である。運動エネルギーの増加にもかかわらず共振空洞の内部では電子の速度が微量だけ増加するため、本実施例では共振空洞領域がこのような条件を満たす。数式３における横方向モメンタムキックは、以下で記述するように全体エミッタンスの増加量を示す。
【００３８】
共振空洞の非対称形態は、ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを引き起こす。一般的に、共振空洞は、有限なクォリティーファクタ(ｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ)を有するため、共振空洞の内部には電力の流れがある。従って、このようなｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄは、ｙ軸に沿って進行する進行波(ｔｒａｖｅｌｉｎｇｗａｖｅ)を含む。進行波の成分に起因するｙ軸方向ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄの位相不均衡(ｐｈａｓｅａｓｙｍｍｅｔｒｙ)は、共振空洞の電場分析において考慮しなければならない。共振空洞における電場は、数式４のようにｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄの重畳(ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ)で表現されることができる。
【００３９】
【数４】
0005386588.tif 000005
【００４０】
ここで、Ｅ０は電場の最大値、Ｋｙはｙ軸方向の位相分布係数(ｐｈａｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)、ａｎはｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄのフーリエ係数、ωは空洞(ｃａｖｉｔｙ)の共振周波数である。ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄによるエミッタンス増加(ｅｍｉｔｔａｎｃｅｇｒｏｗｔｈ)は、数式４のフーリエ係数により計算することができる。
【００４１】
ｍｏｎｏｐｏｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔによるエミッタンスは、次のように計算することができる。
【００４２】
【数５】
0005386588.tif 000006
【００４３】
ここで、ｋは高周波電場の波動の次数(ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｒｆｆｉｅｌｄ)、σｙはビーム大きさ、σｚは実効バンチ長さ(ｒｍｓｂｕｎｃｈｌｅｎｇｔｈ)である。空洞の幾何学的中心と電場の中心との間には偏差、即ち、ｄｉｐｏｌｅｏｆｆｓｅｔｙ０が存在する。ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄによる横方向モメンタムキックはｄｉｐｏｌｅｏｆｆｓｅｔに依存する。位相不均衡(ｐｈａｓｅａｓｙｍｍｅｔｒｙ)によるｄｉｐｏｌｅｏｆｆｓｅｔｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎは、Ｇｕａｎによって数式６のように誘導された。
【００４４】
【数６】
0005386588.tif 000007
【００４５】
Ｇｕａｎは、ｓｔａｎｄｉｎｇｗａｖｅｔｙｐｅの高周波電子銃の内部における電力の流れが極めてわずかであるため、数式６のＫｙが無視されることができることを証明した。従って、数式６の大きさ成分(ａｍｐｌｉｔｕｄｅｔｅｒｍ)は、ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄによるエミッタンス増加の計算に十分である。Ｐａｌｍｅｒの研究結果によって、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄによるエミッタンス増加は次の通り計算される。
【００４６】
【数７】
0005386588.tif 000008
【００４７】
【数８】
0005386588.tif 000009
【００４８】
ここで、Ｌは、不均衡高周波電場が存在する共振空洞の長さである。
【００４９】
以下、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄによるエミッタンス増加を他の方式に示す。共振空洞に一つのカップリングホールが形成された場合、｜Ｅｚ｜は、数式９のように表現することができる。
【００５０】
【数９】
0005386588.tif 000010
【００５１】
数式９において、１番目の項はｍｏｎｏｐｏｌｅｆｉｅｌｄ、２番目の項はｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ、３番目の項はｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを意味する。数式９におけるｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｆｏｕｒｉｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔであるＭ、Ｄ、Ｑは、数式１０のように表現することができる。
【００５２】
【数１０】
0005386588.tif 000011
【００５３】
【数１１】
0005386588.tif 000012
【００５４】
数式１１は、電子ビーム発生装置でｍｏｎｏｐｏｌｅｆｉｅｌｄ、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ、ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄがεＲＦに及ぼす影響を示す。εＭはｍｏｎｏｐｏｌｅｆｉｅｌｄにより発生するエミッタンス(ｅｍｉｔｔａｎｃｅ)を、εＤはｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄにより発生するエミッタンスを、εＱはｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄにより発生するエミッタンスを示す。εＭ、εＤ、εＱの値は、数式１２により計算することができる。
【００５５】
【数１２】
0005386588.tif 000013
【００５６】
数式１２で、ｅは電子の電荷量、ｍｅは電子の質量、ｃは光速、ｋは波数、σｙはｙ軸方向の電子ビーム大きさ、σｚはｚ軸方向の電子ビーム大きさ、Ｌは共振空洞の長さである。εＲＦの値を減少させるためには電子ビーム加速に必ず必要なｍｏｎｏｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除くｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除去することが必要である。
【００５７】
図３は、一つのカップリングホールが形成されたハウジングを概略的に示す断面図であり、図４は、一つのカップリングホールが形成されたハウジングの電場を示すグラフである。
【００５８】
図４と関連、Ｘ表示は｜Ｅｚ｜のシミュレーション結果値であり、カップリングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを意味する。この値は、数式９の１番目の項、２番目の項及び３番目の項の値だけを用いて得た結果値である。図４に示すように、カップリングホールが形成された方向に相対的に著しく強い電場が形成されるということが分かる。
【００５９】
ｍｏｎｏｐｏｌｅｆｉｅｌｄ、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ、ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄに比べてその以上のｈｉｇｈｏｒｄｅｒｆｉｅｌｄは無視することができる程度に影響が少ないため、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄの影響を除去するのが高品質の電子ビーム発生装置の製作において極めて重要である。以下、ポンピングホールを追加にハウジングに形成することによってｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除去する方法を説明する。
【００６０】
図５は、カップリングホールと一つのポンピングホールが形成されたハウジングを概略的に示す断面図であり、図６は、カップリングホールと一つのポンピングホールが形成されたハウジングの電場を示すグラフである。
【００６１】
図５に示すように、ハウジングの上部には電磁気波が供給されるカップリングホールが形成され、ハウジングの下部にはポンピングホールが形成されている。ポンピングホールは、カップリングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄに対して位相が１８０度差のあるｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを発生させるためのものである。これによって、ポンピングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを用いてカップリングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを相殺させることができる。
【００６２】
ポンピングホールの形態と大きさは一般的にカップリングホールと同一に製作される。しかし、ポンピングホールとカップリングホールの各々の境界条件(ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ)が異なるため、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄの減少量が不十分である。一方、ポンピングホールの寸法(ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ)を変化させる単純な方法によってｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを減少させることができる。ただし、このようなｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを減少させる方法はｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄに影響を及ぼさない。結局、ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除去するためには追加的な除去過程が必要である。
【００６３】
ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除去するためにポンピングホールの形態をレーストラック形態(ｒａｃｅｔｒａｃｋｓｈａｐｅ)に形成する方法がある。ｒａｃｅｔｒａｃｋ形態のホールはｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを減少させることができる。
【００６４】
図６に示すように、カップリングホールにより形成されたｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ及びポンピングホールにより形成されたｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄの値が表示されている。ポンピングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとカップリングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄが結合すると、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ成分が相殺されながらｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄが主成分であるｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｄｏｍｉｎａｎｔｆｉｅｌｄが残るようになる。ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ成分が除去されることによって、図４の結果値と比較してエミッタンスが著しく減少されることが分かる。次に、ハウジングに二つの追加的なポンピングホールを形成してｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除去する方法を説明する。
【００６５】
図７は、カップリングホールと３個のポンピングホールが形成されたハウジングを概略的に示す断面図であり、図８は、カップリングホールと３個のポンピングホールが形成されたハウジングの電場を示すグラフである。
【００６６】
図７に示すように、ハウジングの上部にカップリングホールが形成され、ハウジングの下部に第１のポンピングホール及び左右側に各々第２のポンピングホール、第３のポンピングホールが形成されている。
【００６７】
図８に示すように、カップリングホールにより形成されたｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ及び第１、第２、第３のポンピングホールにより形成されたｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄの値が表示されている。第１、第２、第３のポンピングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとカップリングホールにより発生するｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄが結合すると、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ及びｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄが相殺される。これによってｏｃｔｏｐｏｌｅｆｉｅｌｄが主成分であるｏｃｔｏｐｏｌｅｄｏｍｉｎａｎｔｆｉｅｌｄだけ残るようになる。ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ及びｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄが除去されることによって、図４の結果値と比較してエミッタンスが著しく減少されることが分かる。
【００６８】
図９は、本実施例に係る電子ビーム発生装置のシミュレーション装置の配置図である。
【００６９】
図９に示すように、電子ビーム発生装置１００で電子ビームを排出させ、排出された電子ビームは、通路４００を通しながら外側のソレノイド３００により集中され、加速カラム(ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｃｏｌｕｍｎ)を通過しながら加速される。空間荷電によるエミッタンス増加を除去するためにソレノイド３００とブースターリニアアクセラレータ(ｂｏｏｓｔｅｒｌｉｎａｃ)が使われる。このようなシミュレーション条件下で共振空洞のｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄからのエミッタンス増加は、数学シミュレーションプログラムＰＡＲＭＥＬＡにより計算することができる。
【００７０】
図１０は、第１の実施例に係る電子ビーム発生装置の斜視図である。
【００７１】
図１１は、第１の実施例に係る電子ビーム発生装置をｘ軸に対して垂直に切断した断面図である。
【００７２】
図１２は、第１の実施例に係る電子ビーム発生装置をｚ軸に対して垂直に切断した断面斜視図である。
【００７３】
図１０に示すように、本実施例は、第１のハウジング１４０、第２のハウジング１２０、ウェーブガード１１０、ポンピングポート１６０、及び電子ビーム排出管１５０を含む。以下、電子ビームの進行方向をｚ軸で説明する。
【００７４】
図１１に示すように、第２のハウジング１２０は、円筒形状に形成されており、電極１２１、円板１２４、側壁１２２を含む。電極１２１は、図１１を基準に第２のハウジング１２０の右側面に該当する。電極１２１は、入射されたレーザービームが衝突して電子ビームが発生される部分である。電極１２１から左側に所定距離離隔されて向かい合う円板１２４が形成され、前記電極１２１と円板１２４を連結する側壁１２２が形成される。内側には第２の共振空洞１２３が形成される。連結部１３０は、曲面部１３１と連結空洞１３２を含む。曲面部１３１は、断面が半円型である環形状に形成され、一側が円板１２４に結合され、他側の円板１４１に結合される。連結空洞１３２は、第１の共振空洞１４４と第２の共振空洞１２３を連結する空間である。
【００７５】
第１のハウジング１４０は、円板１４１、円板１４３、及び側壁１４２を含む。円板１４１は曲面部１３１と連結され、円板１４３は前記円板１４１と向かい合いながら図１１を基準に左側に位置し、側壁１４２は円板１４１と円板１４３を連結する。内側には第１の共振空洞１４４が形成される。第１のハウジング１４０と第２のハウジング１２０で構成せずに一つの円筒形ハウジングで構成することもできる。
【００７６】
ウェーブガード１１０は、側壁１１１、底板１１３を含む。側壁１１１は、四角形の箱形状に形成され、下面に底板１１３が連結される。内側には電磁気波発生部(未図示)で発生された電磁気波を第１の共振空洞１４４に伝達するために電磁気波空洞１１２が形成される。底板１１３には前記電磁気波空洞１１２と第１の共振空洞１４４を連通させるようにカップリングホール１１４が形成され、これは高周波電力を共振空洞に提供するためである。カップリングホール１１４は、第１の共振空洞１４４に高周波不均衡を引き起こし、さらに電場不均衡を引き起こすことができる。
【００７７】
第１のポンピングポート１６０は、側壁１６１、底板１６４を含む。側壁１６１の内側には第１のポンピング空洞１６３が形成される。第１のポンピング空洞１６３は、第１の共振空洞１４４の真空度を維持するために真空排気のための空間であり、真空ポンプ(未図示)と連結される部分である。底板１６４には第１の共振空洞１４４と第１のポンピング空洞１６３を連通させる第１のポンピングホール１６５が形成される。第１のポンピングポート１６０の第１のポンピングホール１６５の調整によって２周期成分を除去することができる。
【００７８】
電子ビーム排出管１５０は、側壁１５１を含む。側壁１５１は、一側が放射形であり、軟らかい曲面に拡張されながら円板１４３に結合され、他側には電子ビームが排出されるようにホール１５４が形成される。ホール１５４を介してレーザービームが内側にｚ軸に対して斜めに入射され、前記レーザービームにより発生された電子ビームがホール１５４を介して排出されることができる。即ち、前記ホール１５４は、レーザービームが入射される入射ホール、反射されるレーザービームが排出される排出ホール、及び電子ビームが排出される電子ビーム排出ホールの機能を同時にすることができる。
【００７９】
他の実施例として、ホール１５４が１個ではなく３個に形成されることができる。この場合、電子ビーム排出管１５０、第１のハウジング１４０または第２のハウジング１２０の側面部に、一つのホールはレーザービームが入射される入射ホール、他の一つのホールはレーザービームが反射されて排出される排出ホール、残りのホールは電子ビームが排出される電子ビーム排出ホールとして形成されることもできる。
【００８０】
図１２における電子ビームはＺ軸方向に進行する。エミッタンスのビーム動力学計算に使われたフィールドマップは、３Ｄ高周波計算機により生成したものである。
【００８１】
図１３は、第１の実施例に係る電子ビーム発生装置のポンピングホールの形態を示す図面である。
【００８２】
図１３に示すように、第１のポンピングホール１６５の長軸長さ(Ｗ)と短軸長さ(Ｈ)の差がＬ１である。Ｒ１は、第１のポンピングホール１６５の両端曲面部の半径である。ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄの除去は、Ｌ１を調整することによって行われる。
【００８３】
図１４は、第１の実施例に係る電子ビーム発生装置のＬ１とフーリエ係数との関係を示す図面である。計算機を使用した数学的分析によって得られたｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄｏｆｆｓｅｔｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎは、図１４で四角形で表示された部分である。図１４の連結線は、数式６により求めるものである。ｙ軸方向の位相分布係数Ｋｙは、このような分析により計算可能である。Ｋｙは１０-５のように相対的に小さい値であるため、本実験では無視することができる。
【００８４】
ポンピングホールの電場は、減殺モード(ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｍｏｄｅ)でなければならず、カップリングホールとポンピングホールの各々の境界条件(ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ)が異なるため、より多くの最適化プロセスが必要である。ポンピングホール寸法(Ｌ１)の調整によってｄｉｐｏｌｅｍｏｄｅを最適化するのが可能である。カップリングホールの寸法調整は、共振空洞の共振周波数を変更させるため、共振空洞の寸法調整がより必要である。ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄは変わらない反面、最適寸法におけるｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄは図１４に示すように減少する。図１４に示すように、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ除去過程の以後、ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄはｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄより大きいということが分かる。ポンピングホールとカップリングホールに対して９０度位置に形成された二つの追加ポンピングホールはｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄを効果的に除去することができる。第２の実施例は、単純な円筒形態に形成され、製作が容易な二つの追加ポンピングホールを含む構成である。
【００８５】
図１５は、第２の実施例に係る電子ビーム発生装置の斜視図である。図１６は、第２の実施例に係る電子ビーム発生装置をｘ軸に対して垂直に切断した側断面図である。図１７は、第２の実施例に係る電子ビーム発生装置をｚ軸に対して垂直に切断した側断面図である。図１８は、第２の実施例に係る電子ビーム発生装置をｚ軸に対して垂直に切断した断面斜視図である。図１６及び図１７で第１の実施例と類似の構成に対する重畳した説明は省略する。
【００８６】
図１７に示すように、第２のポンピングポート２７０は、側壁２７１、底板２７４を含む。内側には第２のポンピング空洞２７３が形成され、底板２７４には第２のポンピングホール２７５が形成される。第３のポンピングポート２８０は、側壁２８１、底板２８４を含む。内側には第３のポンピング空洞２８３が形成され、底板２８４には第３のポンピングホール２８５が形成される。第２のポンピング空洞２７３と第３のポンピング空洞２８３は、真空ポンプ(未図示)と連結されて共振空洞の真空度を維持するようになる。
【００８７】
図１９は、第２の実施例に係る電子ビーム発生装置におけるＬ２とフーリエ係数との関係を示す図面である。ここで、第１のポンピングホール１６５、第２のポンピングホール２７５及び第３のポンピングホール２８５のＬ２が全部同一寸法であり、Ｌ１は１１.６５に固定されており、三個のポンピングホールのＬ２を同一に変更しながら測定した。他の実施例として、第１のポンピングホール１６５、第２のポンピングホール２７５及び第３のポンピングホール２８５の各々のＬ２数値を異にしながら最適の条件をさがすこともできる。
【００８８】
図１９に示すように、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄが同時に最小化される最適の条件をさがすことができる。しかし、三個のポンピングホールのＬ２が１１.４〜１１.５ミリメートルの場合、高次フィールドが増加する傾向がある。ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄは、略１/１０倍〜１/１００倍程度に減少される。図１９の左側にはｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除去する前のＬ２の値とｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄを除去した後のＬ２の値を示した。これによって、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ除去過程によってｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄは相当減少されるが、ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄには大きい影響を与えないということが分かる。
【００８９】
図２０は、第１の実施例及び第２の実施例において電場の角度分布を示す図面である。
【００９０】
図２０に示すように、角度による電場の偏差は、略Ｌ２が１１.４〜１１.６範囲で相当部分除去されることが分かる。このような結果から、高次ｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄはほとんど除去されることが分かる。
【００９１】
ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ及びｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄが最小化されるＬ２の条件は、図１９に示すように少しの差がある。このような場合、ビーム動力学シミュレーションでエミッタンスが最小化される条件をｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄ最適化条件と判断するのが好ましい。本実施例でｓｅｘｔｕｐｏｌｅｍｏｄｅとｏｃｔｕｐｏｌｅｍｏｄｅは有意味に増加しなかった。
【００９２】
図２１は、第２の実施例においてｚ軸に対するｙ軸方向の標準化エミッタンスに対するシミュレーション結果を示す図面である。
【００９３】
四角形部分は、カップリングホールとポンピングホールがない理想的な場合を示す。図２１の三角形部分は、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ除去過程による結果を示す。図２１の円は、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄ除去の場合を示す。
【００９４】
ＢＮＬＧＵＮ-ＩＩＩを使用した場合はダイアモンドで表示した。ＢＮＬＧＵＮ-ＩＩＩ(ＢＮＬ/ＳＬＡＣ/ＵＣＬＡ１.６ｃｅｌｌＳ-ｂａｎｄ光陰極高周波電子銃)は、韓国浦項工大の加速機研究所で使われているモデルである。
【００９５】
図２１に示すように、理想的な場合にはＰＡＲＭＥＬＡシミュレーションによると最小横方向実効エミッタンスが略０.５３ｍｍ-ｍｒａｄであり、この場合、図２１に四角形で表示したように、高次のｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄは現れなかった。調整する以前の場合には、図２１にダイアモンドで表示したように略１.６５ｍｍ-ｍｒａｄであり、これは理想的な場合より３倍以上大きい値である。
【００９６】
前記ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ除去過程は、図２１に三角形で表示したように、横方向実効エミッタンスを略０.９８ｍｍ-ｍｒａｄまで減少させることができる。結局、ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄ除去過程によってエミッタンスを略４０％程度減少させることができる。ｄｉｐｏｌｅｆｉｅｌｄとｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｆｉｅｌｄの最適化過程の場合、図２１に円で表示したように、エミッタンスは略０.６０ｍｍ-ｍｒａｄである。このような最適化条件でエミッタンスは、単純にＢＮＬＧＵＮ-ＩＩＩを使用した場合より略６０％減少された。
【００９７】
以下、本実施例に係る電子ビーム発生装置を用いた電子ビーム発生方法に対して説明する。
【００９８】
まず、ホール１５４、２５４を介して前記電子ビーム発生装置の内側にレーザービームが入射される段階が実施されることができる。
【００９９】
次に、入射された前記レーザービームによって前記電子ビーム発生装置の内側で発生された電子ビームが前記ホール１５４、２５４を介して排出する段階が実施されることができる。
【０１００】
他の実施例として、ホールが１個ではなく３個に形成されることができる。
【０１０１】
この場合、電子ビーム排出管、第１のハウジングまたは第２のハウジングの側面部に、一つのホールはレーザービームが入射される入射ホール、他の一つのホールはレーザービームが反射されて排出する排出ホール、残りのホールは電子ビームが排出される電子ビーム排出ホールとして形成されることもできる。
【０１０２】
前記電子ビームが排出される段階は、ウェーブガードに入射される電磁気波によって前記電子ビームが加速されながら排出する段階であってもよい。
【０１０３】
以上で説明され、図面に示した本発明の一実施例は、本発明の技術的思想を限定すると解釈されてはならない。本発明の保護範囲は、請求範囲に記載された事項に限って制限され、本発明の技術分野において通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想を多様な形態に改良変更するのが可能である。従って、このような改良及び変更は、通常の知識を有する者に自明な場合、本発明の保護範囲に属するようになる。
【符号の説明】
【０１０４】
１００        電子ビーム発生装置
１１０        ウェーブガード
１２０        第２のハウジング
１４０        第１のハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0005386588.tif 000029
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0005386588.tif 000033
【図２１】
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