物理学报：稳态微聚束加速器光源

唐传祥邓秀杰 Steady-state micro-bunching accelerator light sourceTang Chuan-XiangDeng Xiu-Jie 您可能感兴趣的其他文章Articles you may be interested in 基于3.5 MeV射频四极质子加速器硼中子俘获治疗装置的束流整形体设计Design of beam shaping assembly based on 3.5 MeV radio-frequency quadrupole proton accelerator for boron neutron capture therapy物理学报. 2018, 67(14): 142801https://doi.org/10.7498/aps.67.20180380 基于光谱法的发光二极管稳态热阻测量方法Steady-state thermal resistance measurement of light-emitting diodes based on spectroscopic method物理学报. 2021, 70(9): 098501https://doi.org/10.7498/aps.70.20201093 高品质激光尾波场电子加速器High-quality laser wakefield electron accelerator物理学报. 2021, 70(8): 084103https://doi.org/10.7498/aps.70.20201993 工作参数对平行轨道加速器放电模式的影响Influence of operating parameters on discharge mode of parallel-rail accelerator物理学报. 2021, 70(20): 205205https://doi.org/10.7498/aps.70.20210484 平行轨道加速器等离子体动力学特性研究Plasma dynamic characteristics of a parallel-rail accelerator物理学报. 2018, 67(6): 065201https://doi.org/10.7498/aps.67.20172403 SESRI 300 MeV同步加速器注入线的传输效率与接受效率Transmission efficiency and beam reception of the SESRI 300 MeV synchrotron injection line物理学报. 2022, 71(11): 112901https://doi.org/10.7498/aps.71.20212112 特邀综述 稳态微聚束加速器光源* 唐传祥†邓秀杰 (清华大学工程物理系,北京100084) (2022年3月17日收到; 2022年4月19日收到修改稿) 稳态微聚束(steady-state micro-bunching, 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：加速器光源,稳态微聚束,原理验证实验,极紫外光刻 DOI:10.7498/aps.71.20220486 PACS：29.20.–c, 41.60.Ap, 41.60.Cr, 81.16.Nd 属于第三代,目前正在北京怀柔建设的高能同步辐射 光 源(high energy photon source, HEPS)[9]属于第四代. 1加速器光源简介 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: 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(synchrotron radia-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(storage ring)[4,5].一个SR光源装置包括电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(Beijing synchrotronradiation facility, BSRF)[6]属 于 第 一 代,合 肥 光源(Hefei light source, HLS)[7]属于第二代,上海光源(Shanghai synchrotron radiation facility, SSRF)[8] 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),从而降低辐射光源的尺寸及散角. 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. 2006—2012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 大自发辐射(self-amplified spontaneous emission,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[12–15]: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. 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,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. 相比同步辐射光源, FEL的峰值亮度有8—10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: SR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. λuK= 0.934·B[T]·λu[cm]γ=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. ε⊥< λr/(4π)σδ< ρFEL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 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)[16–18].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 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-electron laser, 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 ρ=[116IeIAK2[JJ]2γ3σ2xk2u]1/3Ie1/3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(superconducting RF, SRF)直线加速器的高重频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-rate XFEL and extreme light facility, 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-state micro-bunching, SSMB)于2010年由Ratner和Chao[19]首次提出.其核心想法是将储存环中的聚束系统,即微波射频腔,用激光调制系统