(57)【要約】【課題】  自由電子レーザーは、赤外線からＸ線までの幅広い領域で極めて高い輝度と狭い波長帯域を持った光を生成することができるが、同時に複数のビームラインで利用することができない。【解決手段】  電子蓄積リング、リニアック、エネルギー回収型リニアック等の電子加速器において、光と電子の相互作用により発生する電子バンチに電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を有する電子バンチを偏向磁石又はアンジュレーターに導入して大強度狭帯域の軌道放射光を得ることにより、大強度狭帯域の軌道放射光を同時に複数のビームラインで利用可能にする。【選択図】  図3
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子蓄積リング、リニアック又はエネルギー回収型リニアックの電子加速器において、加速した電子バンチに光と電子の相互作用により電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を有する電子バンチを偏向磁石又はアンジュレーターに導入して大強度狭帯域の軌道放射光を発生させることを特徴とする、大強度狭帯域の軌道放射光を同時に複数のビームラインで利用可能にする方法。
【請求項２】
電子蓄積リングにおいて、入射用加速器で加速され、更に加速空洞で加速された電子ビームを蓄積リング中で回転、蓄積し、そのビームをＦＥＬ共振器に導入し、発生する電子バンチに光の波長に等しい間隔を持った電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を維持したまま電子バンチを偏向磁石又はアンジュレーターに導入し、電子密度の粗密状態に由来する干渉現象により、自由電子レーザーの発振波長と等しい波長において強化されたシンクロトロン放射光又はアンジュレーター放射光を発生させる請求項１記載の方法。
【請求項３】
直線加速器であるリニアックにおいて、リニアックで加速された電子ビームをＦＥＬ共振器に導入し、発生する電子バンチに光の波長に等しい間隔を持った電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を維持したまま電子バンチを偏向磁石又はアンジュレーターに導入し、電子密度の粗密状態に由来する干渉現象により、自由電子レーザーの発振波長と等しい波長において強化された軌道放射光であるシンクロトロン放射光又はアンジュレーター放射光を発生させる請求項１記載の方法。
【請求項４】
直線加速器であるリニアックで生成した電子ビームを利用した後、再度リニアックに戻し、電子ビームのエネルギーを高周波エネルギーとして回収し、後続電子の加速に再利用するエネルギー回収型リニアックにおいて、入射用加速器で加速された電子ビームを更に主加速器で加速した後、ＦＥＬ共振器に導入し、発生する電子バンチに電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を維持したまま電子バンチを偏向磁石又はアンジュレーターに導入し、電子密度の粗密状態に由来する干渉現象により、自由電子レーザーの発振波長と等しい波長において強化された軌道放射光であるシンクロトロン放射光又はアンジュレーター放射光を発生させる請求項1記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子蓄積リング、リニアック、エネルギー回収型リニアック等の電子加速器の形態を問わず、それに設けられた複数のビームライン（利用場所）で大強度狭帯域の軌道放射光を同時に利用可能にする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子蓄積リングやエネルギー回収型リニアックを用いて、高エネルギーに加速した電子により生じる軌道放射光（シンクロトロン放射、アンジュレータ放射）は、紫外線からＸ線の領域で大きな強度と優れた指向性を持っている。又、同時に複数のビームラインでの放射光の利用が可能である。
シンクロトロン放射、アンジュレータ放射では、前方（電子の進行方向）に集中的に電磁波（光）が放射されるという指向性がある。シンクロトロン放射は、高エネルギーに加速された電子が磁場によって曲げられる時に電磁波（光）を放射する現象であり、電子蓄積リングの偏向磁石から放射されるのが代表的な例である。又、アンジュレータ放射は、特定の形に組み合わされた磁石により電子を周期的に小さく蛇行させて放射光を発生させる現象である。
【０００３】
電子蓄積リングは、図1に示されるように、入射用加速器で加速された電子を蓄積リング中で回転、蓄積し、その蓄積電子から、リングに設けられた偏向磁石又はアンジュレータにより、リングの接線方向に放射光を同時に複数分離発生させる装置である。
【０００４】
エネルギー回収型リニアックは、図３に示されるように（但し、ＦＥＬ共振器を装備しない場合）、入射直線加速器（リニアック）及び主直線加速器（リニアック）で生成した電子ビームを利用した後、再度主加速器に戻して電子ビームのエネルギーを高周波（ＲＦ）エネルギーに変換（回収）し、後続電子の加速に再利用する方式であり、これによって、装置全体の電力効率が改善されるものである。電子ビームからＲＦへのエネルギー変換は、電子を再入射する時に減速位相に合わせることにより実現する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、自由電子レーザーは、赤外線からＸ線までの幅広い領域で極めて高い輝度と狭い波長帯域（時間コヒーレンス）を持った光を生成することができるが、同時に複数のビームラインで利用することができないという問題点がある。
【０００６】
自由電子レーザー装置は、図2に示されるように、加速器で加速した電子ビームをアンジュレーターにおいて磁石の力で蛇行させることにより放射光を発生させ、この放射光を光共振器のミラーで往復させて何度も電子と相互作用させて増幅されたレーザーを発生させる装置である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、単一の装置（電子加速器）において、大強度狭帯域の軌道放射光を同時に複数のビームライン（利用場所）で利用可能にするものである。単一の加速器とは、１台の加速器を意味し、加速器を複数台並べる必要がなく、一台の加速器のみで複数のビームラインへ、大強度狭帯域の放射光を提供できるものである。
即ち、本発明は、電子蓄積リング、リニアック、エネルギー回収型リニアック等における１台の電子加速器において、加速した電子バンチ（多数の電子を含む塊）に光と電子の相互作用により電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を有する電子バンチを偏向磁石又はアンジュレーターに導入して大強度狭帯域の軌道放射光を得ることにより、軌道放射光を同時に複数のビームラインで利用可能にすることができるようにするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、電子蓄積リング、リニアック、エネルギー回収型リニアックなど、電子加速器の形態を問わず、大強度狭帯域の軌道放射光を得るために利用可能である汎用性を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（１）自由電子レーザー（Free-Electron Laser）装置（ＦＥＬ共振器）
自由電子レーザー共振器では、図2の自由電子レーザー装置に示されるように、光と電子の相互作用によって、電子バンチ（多数の電子を含む塊）に、光の波長に等しい間隔を持った電子密度の粗密状態が形成される。このような粗密状態を維持したまま、電子バンチを偏向磁石又はアンジュレーターに導けば、この時放射されるシンクロトロン放射光又はアンジュレーター放射光では、電子の粗密状態に由来する干渉現象の結果、自由電子レーザーの発振波長と等しい放射波長において光が強められる。この干渉による放射光の強度増大は、電子バンチに含まれる電子数に等しい。
又、放射光の波長帯域は、粗密状態の繰り返し周期数（自由電子レーザーにおけるアンジュレーター周期数とほぼ等しい）で決まるので、偏向磁石や少周期数のアンジュレーターからも狭帯域の放射光を得ることができる。
【００１０】
シンクロトロン放射、アンジュレーター放射の波長帯域（波長スペクトル）は、電子のエネルギーと軌道の幾何学的形状（軌道半径、アンジュレーター周波数）で決まり、偏向磁石からのシンクロトロン放射では、図４の点線で示されるように、放射光の高エネルギー側（短波長側）にカットオフ（遮断）を有し、なめらかな分布をしたものとなる。即ち、広帯域の放射光しか得られない。
【００１１】
一方、自由電子レーザー（ＦＥＬ）で生じた粗密状態を維持した電子バンチによるシンクロトロン放射、及びアンジュレータ放射では、個々の電子が放出する放射光の重ね合わせにおいて、粗密状態に由来する位相の整合現象によって、波長帯域が狭くなる。この位相の整合現象は、多数の電子が放出する光の位相（振幅の山と谷）が揃うために、光が強められ、又、波長が揃って観測される。光が強められる度合、波長帯域の狭くなる度合は、電子バンチの粗密状態で決まるので、自由電子レーザー部の構成で決まることになる。実際に、放射を行う位置での偏向磁石、アンジュレーターの幾何学形状で決まる波長帯域よりも狭くすることができる。
【００１２】
更に、自由電子レーザー共振器では、発振したレーザー光を外部（光共振器の外）に取り出すための装置部位が必要であり、一般的には、図２に示されるように、その光の一部を透過する部分透過鏡が設けられる。しかし、次世代リソグラフィで用いられる波長１３ｎｍのＥＵＶ領域では、部分透過鏡が存在しないので、通常の自由電子レーザーは実現が困難であるが、本発明の方式によれば、動作が可能である。又、図２の光共振器は、アンジュレータからの放射光を２枚の反射鏡の間に閉じ込め、電子と繰り返し相互作用させることで、電子に粗密状態を形成し、強い放射光（レーザー）を得るための装置である。
【００１３】
（２）ＦＥＬ共振器を電子蓄積リングに適用した例
図４に示される蓄積リングにおいて、入射用加速器で加速され、更に加速空洞で加速された電子ビームを蓄積リング中で回転、蓄積し、そのビームをＦＥＬ共振器に導入し、発生する電子バンチに光の波長に等しい間隔を持った電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を維持したまま電子バンチを電子軌道に設けられた偏向磁石又はアンジュレーターに導入し、電子密度の粗密状態に由来する干渉現象により、自由電子レーザーの発振波長と等しい波長において強化されたシンクロトロン放射光又はアンジュレーター放射光を発生させる。この光は、電子の干渉による放射光の強度増大された大強度狭帯域の軌道放射光である。
【００１４】
（３）ＦＥＬ共振器をリニアックに適用した例
図５に示されるリニアックにおいて、直線加速器（リニアック）で加速された電子ビームをＦＥＬ共振器に導入し、発生する電子バンチに光の波長に等しい間隔を持った電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を維持したまま電子バンチをアンジュレーターに導入し、電子密度の粗密状態に由来する干渉現象により、自由電子レーザーの発振波長と等しい波長において強化されたアンジュレーター放射光を発生させる。この光は、電子の干渉による放射光の強度増大された大強度狭帯域の軌道放射光である。又、図５のビームダンプは、電子ビームを止める（捨てる）ための装置であって、通常、空冷又は水冷された金属のブロックである。
【００１５】
（４）ＦＥＬ共振器をエネルギー回収型リニアックに適用した例
本発明は、図３に示されるエネルギー回収型リニアックにおいて、入射用加速器で加速された電子ビームを更に主加速器で加速した後、ＦＥＬ共振器に導入し、発生する電子バンチに光の波長に等しい間隔を持った電子密度の粗密状態を形成させ、この粗密状態を維持したまま電子バンチを電子軌道に設けられた偏向磁石又はアンジュレーターに導入し、電子密度の粗密状態に由来する干渉現象により、自由電子レーザーの発振波長と等しい波長において強化されたシンクロトロン放射光又はアンジュレーター放射光を発生させた後、再度主加速器に戻し、電子ビームのエネルギーを高周波エネルギーに変換し、後続電子の加速に再利用する。この光は、電子の干渉による放射光の強度増大された大強度狭帯域の軌道放射光である。
【実施例】
【００１６】
図4に、本発明を用いない場合の装置と本発明を用いた場合の装置とにおける偏向磁石からの放射光スペクトルが示されている。点線は本発明を用いない場合のスペクトルであり、実線は本発明を用いた場合のスペクトルである。
【００１７】
本発明を用いた装置の場合には、そのスペクトル強度は、電子バンチに含まれる電子数（Ｎｅ）倍の増大が得られ、その帯域は、自由電子レーザー発振部のアンジュレーター周期数（Ｎｕ）の逆数で与えられることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】蓄積リングを用いた軌道放射光装置を示す図である。
【図２】自由電子レーザー装置を示す図である。
【図３】本発明をエネルギー回収型リニアックに適用した装置を示す図である。
【図４】本発明を用いた装置における偏向磁石からの放射光スペクトルを示す図である。
【図５】本発明をリニアックに適用した装置を示す図である。
【図６】本発明を蓄積リングに適用した装置を示す図である。
【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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