JP2017510032A - アンジュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】自由電子レーザ用のアンジュレータを提供する。【解決手段】自由電子レーザ用のアンジュレータ（２４ｂ）は、電子ビーム用のパイプ（１４０）と、パイプに沿って軸方向に延びる１つ以上の周期的磁気構造（１４２）と、を含む。それぞれの周期的磁気構造は、複数の磁石（１４４）と複数の受動強磁性素子（１４８）とを含み、複数の磁石が、軸方向に延びる一列に複数の受動強磁性素子と交互に配置される。複数の磁石のそれぞれはパイプから空間的に分離され、受動強磁性素子のそれぞれはパイプに向かって隣接磁石から半径方向に延びる。磁石とパイプとの間にスペーサエレメント（１４６）を設け、磁石のための放射線遮蔽及び／又はパイプの冷却を提供することができる。【選択図】図９

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本出願は、２０１４年３月３１日に出願され、参照により全体として本明細書に取り入れられるヨーロッパ特許出願第１４６２８２８．９号に関連するものである。

[0002] 本発明は、自由電子レーザ用のアンジュレータに関する。排他的ではないが、特に、自由電子レーザはリソグラフィシステム用の放射の発生に使用することができる。

[0003] リソグラフィ装置は、所望のパターンを基板に適用するように構築された機械である。リソグラフィ装置は、例えば、集積回路（ＩＣ）の製造に使用可能である。リソグラフィ装置は、例えば、基板上に設けられた放射感応性材料（レジスト）の層にパターニングデバイス（例えば、マスク）からのパターンを投影することができる。

[0004] 基板上にパターンを投影するためにリソグラフィ装置によって使用される放射の波長は、その基板上に形成可能なフィーチャの最小サイズを決定する。４〜２０ｎｍの範囲内の波長を有する電磁放射であるＥＵＶ放射を使用するリソグラフィ装置を使用して、従来の（例えば、１９３ｎｍの波長を有する電磁放射を使用することができる）リソグラフィ装置より小さいフィーチャを基板上に形成することができる。

[0005] リソグラフィ及びその他の適用例の場合、既知の出力及び／又は特定の空間強度分布を有する放射ビームを発生できることが望ましい。

[0006] 本発明の一目的は、従来技術の少なくとも１つの問題を未然に防ぐか又は軽減することにある。

[0007] 本発明の第１の態様によれば、周期経路に沿って電子ビームを誘導するためのアンジュレータであって、アンジュレータに沿って軸方向に延びる１つ以上の周期的磁気構造であって、それぞれの周期的磁気構造が、複数の磁石と複数の受動強磁性素子とを含み、複数の磁石が、軸方向に延びる一列に複数の受動強磁性素子と交互に配置される、１つ以上の周期的磁気構造を含み、複数の磁石のそれぞれが、電子ビームが辿る周期経路から空間的に分離され、受動強磁性素子のそれぞれが、電子ビームが辿る周期経路に向かって隣接磁石から半径方向に延びる、アンジュレータが提供される。

[0008] 第１の態様のアンジュレータは、アンジュレータの磁石が電子ビームの経路に可能な限り近くなければならないと慣習的に理解されている既知のアンジュレータ設計と比較して、有利に長寿化を可能にするものである。第１の態様によりアンジュレータ内において磁石と電子ビームの経路との間に追加の空間分離を設けることにより、磁石のより安定した温度を達成することができ、磁石の磁場を安定化する。追加的に、第１の態様は磁石を積極的に遮蔽する能力を提供する。

[0009] アンジュレータは、それを通って電子ビームが伝搬できるパイプを更に含むことができる。パイプは真空にすることができる。パイプは電子ビームが辿る経路を実質的に取り囲むことができる。電子ビームが辿る経路は実質的にパイプの中心に沿って延びることができる。パイプを含む実施形態の場合、複数の磁石のそれぞれはパイプから空間的に分離することができ、受動強磁性素子のそれぞれはパイプに向かって隣接磁石から半径方向に延びることができる。このような配置では、電子ビームがパイプを通って伝搬した結果として、パイプは電子ビームが発生したウェークフィールドにより熱くなる可能性がある。パイプを含む実施形態の場合、電子ビームの経路から永久磁石を半径方向に間隔をあけることによるもう１つの利点は、これにより、パイプから熱を放散することができる冷却液システムのための空間が得られることである。

[0010] アンジュレータは、複数のスペーサエレメントを更に含むことができる。複数の磁石のうちの１つ以上は複数のスペーサエレメントのうちの１つによって周期経路から分離することができる。スペーサエレメントは、磁石の消磁を引き起こすことができる高エネルギー電子及び／又は光子から磁石を有利に遮蔽することができる。

[0011] 複数のスペーサエレメントは非磁性体で形成することができる。

[0012] 複数のスペーサエレメントは比較的小さいモリエール半径と比較的高い密度を有する材料で形成することができる。

[0013] 複数のスペーサエレメントはタングステン又は鉛で形成することができる。

[0014] 複数のスペーサエレメントは、２９〜３３、４０〜５１、及び７２〜８３の範囲内の原子番号を有する元素を含む合金で形成することができる。

[0015] 複数のスペーサエレメントは、少なくともそれが形成される材料のモリエール半径の半径厚さを有することができる。

[0016] 複数のスペーサエレメントは１ｃｍより大きい半径厚さを有することができる。複数のスペーサエレメントは３ｃｍより大きい半径厚さを有することができる。

[0017] アンジュレータは電子ビームが通過するためのパイプを更に含むことができる。１つ以上の周期的磁気構造のそれぞれはパイプに沿って軸方向に延びることができる。

[0018] 複数の磁石のそれぞれは複数のスペーサエレメントのうちの１つによってパイプから分離することができる。

[0019] 所与の周期構造の複数の磁石は、周期的磁気構造の長さに沿って磁石の分極が正の軸方向と負の軸方向の間で交互になるように配置することができる。

[0020] 磁石は希土類磁石を含むことができる。

[0021] 磁石は遷移金属と希土類元素の合金で形成することができる。

[0022] 合金はＲｅＴｍ_５又はＲｅ_２Ｔｍ_１７の形にすることができ、ここでＲｅは希土類元素であり、Ｔｍは遷移金属である。希土類元素は、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、又はジスプロシウム（Ｄｙ）のうちのいずれかを含むことができる。遷移金属は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はハフニウム（Ｈｆ）のうちのいずれかを含むことができる。磁石は、サマリウムとコバルトの合金で形成されるサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石を含むことができる。

[0023] 合金はホウ素を更に含むことができる。合金はＲｅ_２Ｔｍ_１７Ｂの形にすることができ、ここでＲｅは希土類元素であり、Ｔｍは遷移金属である。

[0024] 軸方向に垂直な平面では、それぞれの受動強磁性素子の断面は、隣接磁石と位置合わせされた半径方向外側部分と、周期経路に向かって延びる半径方向内側部分とを含むことができる。

[0025] 半径方向内側部分は、内側に向かって先細になる可能性がある。

[0026] アンジュレータは、アンジュレータの外面上に中性子吸収材を更に含むことができる。

[0027] アンジュレータには、それを通って冷却液を循環させることができる１つ以上の冷却水路を設けることができる。

[0028] １つ以上の冷却水路は複数のスペーサエレメント内に設けることができる。代替的に、１つ以上の冷却水路はパイプ内に設けることができる。

[0029] アンジュレータは、一方の側の周期経路ともう一方の側の磁石及び受動強磁性素子との間にサーマルバリアを更に含むことができる。

[0030] サーマルバリアは、一方の側のスペーサエレメントともう一方の側の磁石及び受動強磁性素子との間に設けることができる。

[0031] サーマルバリアは、一方の側のパイプともう一方の側の磁石及び受動強磁性素子との間に設けることができる。

[0032] サーマルバリアはギャップを含むことができる。ギャップは真空条件下に保持することができる。

[0033] サーマルバリアは、アンジュレータの１つ以上の表面上にコーティングされた低放射率フィルムを含むことができる。

[0034] 強磁性素子は、９５％を超える鉄を含む軟鉄で形成することができる。

[0035] 強磁性素子は、２０％を超える鉄と２０％を超えるコバルトを含む合金で形成することができる。

[0036] 強磁性素子は、Ｆｅ_４９Ｃｏ_４９Ｖ_２の形で鉄、コバルト、及びバナジウムを含む合金で形成することができる。

[0037] 本発明の第２の態様によれば、周期経路に沿って電子ビームを誘導するためのアンジュレータであって、アンジュレータに沿って軸方向に延びる１つ以上の周期的磁気構造であってそれぞれの周期的磁気構造が複数の磁石を含む１つ以上の周期的磁気構造と、複数のスペーサエレメントと、を含み、複数の磁石のうちの１つ以上が、複数のスペーサエレメントのうちの１つによって電子ビームが辿る周期経路から空間的に分離される、アンジュレータが提供される。

[0038] 複数のスペーサエレメントは非磁性体で形成することができる。

[0039] 複数のスペーサエレメントは比較的小さいモリエール半径と比較的高い密度を有する材料で形成することができる。

[0040] 複数のスペーサエレメントは、少なくともそれが形成される材料のモリエール半径の半径厚さを有することができる。

[0041] アンジュレータは電子ビームが通過するためのパイプを更に含むことができ、１つ以上の周期的磁気構造のそれぞれはパイプに沿って軸方向に延びる。

[0042] 複数の磁石のそれぞれは複数のスペーサエレメントのうちの１つによってパイプから分離することができる。

[0043] 本発明の第３の態様によれば、周期経路に沿って電子ビームを誘導するためのアンジュレータモジュールであって、電子ビーム用のビームパイプであってアンジュレータモジュールの軸を画定するビームパイプと、軸に沿って周期磁場を発生するように動作可能な超伝導磁石アセンブリと、超伝導磁石アセンブリを第１の温度まで冷却するように動作可能な第１の冷却液システムと、ビームパイプを第２の温度まで冷却するように動作可能な第２の冷却液システムと、を含む、アンジュレータモジュールが提供される。

[0044] ビームパイプと超伝導磁石アセンブリとの間にサーマルバリアを設けることができる。サーマルバリアは、熱放射によってビームパイプと超伝導磁石アセンブリとの間の熱伝達を低減するように配置することができる。

[0045] サーマルバリアはビームパイプと超伝導磁石アセンブリとの間のギャップを含むことができる。

[0046] サーマルバリアは多層断熱を含むことができる。

[0047] 超伝導磁石アセンブリは１つ以上の周期的磁気構造を含むことができる。１つ以上の周期的磁気構造のそれぞれは、その周りに超伝導線材のコイルが巻き付けられた複数の強磁性素子を含むことができる。

[0048] 第１の冷却液システムは冷却液として液体ヘリウムを使用することができる。

[0049] 第２の冷却液システムは冷却液として液体窒素を使用することができる。

[0050] 本発明の第４の態様によれば、複数のバンチの相対論的電子を含む電子ビームを発生するための電子源と、電子ビームがアンジュレータ内の放射と相互作用し、放射の放出を刺激し、放射ビームを提供するように、電子ビームを受け取ってそれを周期経路に沿って誘導するように配置された本発明の第１、第２、又は第３の態様によるアンジュレータと、を含む、自由電子レーザが提供される。

[0051] 本発明の第５の態様によれば、本発明の第２の態様による自由電子レーザと、少なくとも１つのリソグラフィ装置であってそのそれぞれが自由電子レーザが発生した少なくとも１つの放射ビームの少なくとも一部分を受け取るように配置される少なくとも１つのリソグラフィ装置と、を含む、リソグラフィシステムが提供される。

[0052] 上記又は下記で述べる本発明の様々な態様及び特徴は、当業者にとって容易に明らかになる本発明のその他の様々な態様及び特徴と組み合わせることができる。

[0053] 添付の概略図に関連して、例としてのみ、本発明の実施形態について以下に説明する。

本発明の一実施形態による自由電子レーザを含むリソグラフィシステムの概略説明図である。 図１のリソグラフィシステムの一部を形成するリソグラフィ装置の概略説明図である。 図１のリソグラフィシステムの一部を形成する自由電子レーザの概略説明図である。 図３の自由電子レーザの一部を形成可能な第１のアンジュレータの軸に平行な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図４の第１のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図４の第１のアンジュレータの軸に平行な平面における、そのアンジュレータの一部分の部分断面図の概略説明図であって、アンジュレータのパイプが示されていない図である。 図４の第１のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部を形成する磁石のうちの１つの断面図の概略説明図である。 図４の第１のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部を形成する強磁性素子のうちの１つの断面図の概略説明図である。 図３の自由電子レーザの一部を形成可能な第２のアンジュレータの軸に平行な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図９の第２のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図３の自由電子レーザの一部を形成可能な第３のアンジュレータの軸に平行な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図１１の第３のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図１１の第３のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部を形成する強磁性素子のうちの１つの断面図の概略説明図である。 図１１の第３のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部を形成する磁石ののうちの１つの断面図の概略説明図である。 図１１の第３のアンジュレータの軸に垂直な平面における、そのアンジュレータの一部を形成するスペーサエレメントのうちの１つの断面図の概略説明図である。 図３の自由電子レーザの一部を形成可能な第４のアンジュレータの軸に平行な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図３の自由電子レーザの一部を形成可能な第５のアンジュレータの軸に平行な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。 図１７の第５のアンジュレータの軸に平行な平面における、そのアンジュレータの一部分の断面図の概略説明図である。

[0054] 図１は、本発明の一実施形態によるリソグラフィシステムＬＳを示している。このリソグラフィシステムＬＳは、放射源ＳＯと、ビームスプリッティング装置１９と、８つのリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８と、を含む。放射源ＳＯは、極端紫外（ＥＵＶ）放射ビームＢ（メインビームと呼ぶ場合もある）を発生するように構成される。メイン放射ビームＢは複数の放射ビームＢ_ａ〜Ｂ_ｈ（分岐ビームと呼ぶ場合もある）に分割され、そのそれぞれはビームスプリッティング装置１９によってリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８のうちの異なる装置に誘導される。分岐放射ビームＢ_ａ〜Ｂ_ｈはメイン放射ビームから連続して分割することができ、それぞれの分岐放射ビームは直前の分岐放射ビームの下流のメイン放射ビームから分割される。この場合、分岐放射ビームは、例えば、実質的に互いに平行に伝搬することができる。

[0055] 放射源ＳＯ、ビームスプリッティング装置１９、及びリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８はいずれも、外部環境から隔離できるように構築し配置することができる。ＥＵＶ放射の吸収を最小限にするために、放射源ＳＯ、ビームスプリッティング装置１９、及びリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８の少なくとも一部に真空を提供することができる。リソグラフィシステムＬＳの異なる部分に異なる圧力の真空を提供する（即ち、大気圧未満の異なる圧力に保持する）ことができる。

[0056] 図２を参照すると、リソグラフィ装置ＬＡ１は、照明システムＩＬと、パターニングデバイスＭＡ（例えば、マスク）を支持するように構成された支持構造ＭＴと、投影システムＰＳと、基板Ｗを支持するように構成された基板テーブルＷＴと、を含む。照明システムＩＬは、パターニングデバイスＭＡに入射する前にそのリソグラフィ装置ＬＡ１によって受け取られる分岐放射ビームＢ_ａを調節するように構成される。投影システムＰＳは、基板Ｗ上に放射ビームＢ_ａ’（この時点でマスクＭＡによってパターン付与されている）を投影するように構成される。基板Ｗはあらかじめ形成されたパターンを含むことができる。この場合、リソグラフィ装置は、パターン付与された放射ビームＢ_ａ’を、基板Ｗ上にあらかじめ形成されたパターンと位置合わせする。

[0057] リソグラフィ装置ＬＡ１によって受け取られた分岐放射ビームＢ_ａは、照明システムＩＬの封鎖構造内の開口部８を通ってビームスプリッティング装置１９から照明システムＩＬ内に入る。任意選択で、分岐放射ビームＢ_ａは、開口部８に又はその付近に中間焦点を形成するように合焦させることができる。

[0058] 照明システムＩＬは、ファセット型視野ミラーデバイス１０及びファセット型瞳ミラーデバイス１１を含むことができる。ファセット型視野ミラーデバイス１０及びファセット型瞳ミラーデバイス１１は協力して、所望の断面形状と所望の角分布を有する放射ビームＢ_ａを提供する。放射ビームＢ_ａは照明システムＩＬから出て、支持構造ＭＴによって保持されたパターニングデバイスＭＡに入射する。パターニングデバイスＭＡは放射ビームを反射してパターン付与し、パターン付きビームＢ_ａ’を形成する。照明システムＩＬは、ファセット型視野ミラーデバイス１０及びファセット型瞳ミラーデバイス１１に加えて又はそれらの代わりに、他のミラー又はデバイスを含むことができる。照明システムＩＬは、例えば、独立可動ミラーのアレイを含むことができる。独立可動ミラーは、例えば、差し渡し１ｍｍ未満にすることができる。独立可動ミラーは、例えば、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスにすることができる。

[0059] パターニングデバイスＭＡから反射した後、パターン付き放射ビームＢ_ａ’は投影システムＰＳに入る。投影システムＰＳは、基板テーブルＷＴによって保持された基板Ｗに放射ビームＢ_ａ’を投影するように構成された複数のミラー１３、１４を含む。投影システムＰＳは、放射ビームに縮小係数を適用し、パターニングデバイスＭＡ上の対応するフィーチャより小さいフィーチャを有する像を形成することができる。例えば、４という縮小係数を適用することができる。投影システムＰＳは図２では２つのミラーを有するが、投影システムは任意の数のミラー（例えば、６つのミラー）を含むことができる。

[0060] 放射源ＳＯは、十分な出力を有するＥＵＶ放射ビームＢを発生して、リソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８のそれぞれに供給するように構成される。この放射源は自由電子レーザを含む。

[0061] 自由電子レーザは、バンチ化した相対論的電子ビームを発生するように動作可能な電子源及び加速器と、それを通って相対論的電子バンチを誘導する周期磁場と、を含む。周期磁場はアンジュレータによって発生され、重心軸の周りの発振経路を電子に辿らせる。磁気構造によって引き起こされた加速の結果として、電子は自発的に概ね重心軸の方向に電磁放射を放射する。相対論的電子はアンジュレータ内の放射と相互作用する。特定の条件下では、この相互作用により、電子はまとめてバンチ化し、アンジュレータ内の放射の波長で変調されたマイクロバンチになり、重心軸に沿った放射のコヒーレント発光が刺激される。

[0062] 電子が辿る経路は、電子が周期的に重心軸を横断する正弦かつ平面になる場合もあれば、電子が重心軸の周りを回転する螺旋状になる場合もある。発振経路のタイプは、自由電子レーザが放出する放射の偏光に影響する可能性がある。例えば、螺旋経路に沿って電子に伝搬させる自由電子レーザは楕円状に偏光した放射を放出する可能性があり、これはいくつかのリソグラフィ装置による基板Ｗの露光には好ましい可能性がある。

[0063] 図３は、インジェクタ２１と、線形加速器２２と、アンジュレータ２４と、電子減速器２６と、ビームダンプ１００と、任意選択でバンチコンプレッサ２３と、を含む自由電子レーザＦＥＬの概略図である。

[0064] インジェクタ２１は、バンチ化した電子ビームＥを発生するように配置され、例えば、熱電子陰極又は光電陰極及び加速電場などの電子源を含む。電子ビームＥは線形加速器２２によって相対論的速度まで加速される。一例では、線形加速器２２は、共通軸に沿って軸方向に間隔をあけて配置された複数の無線周波空胴と、電子バンチがそれぞれの電子バンチを加速するために電磁場の間を通過する時に共通軸に沿って電磁場を制御するように動作可能な１つ以上の無線周波電源と、を含むことができる。この空胴は超伝導無線周波空胴にすることができる。有利なことに、これにより、比較的大きい電磁場を高いデューティサイクルで適用することができ、より大きいビームアパーチャの結果、ウェークフィールドによる損失を削減することができ、（空胴壁により消散されるのとは対照的に）高周波エネルギーのうち、ビームに伝達される分を増加することができる。代替的に、この空胴は、従来通りの導電性（即ち、超伝導ではない）にすることができ、例えば、銅で形成することができる。その他のタイプの線形加速器も使用することができる。例えば、線形加速器２２はレーザ加速器を含むことができ、その場合、電子ビームＥは合焦させたレーザビームを通過し、レーザビームの電場が電子を加速させる。

[0065] インジェクタ２１及び線形加速器２２は協力して、相対論的電子を発生するように動作可能な電子源を形成する。

[0066] 電子ビームＥは、線形加速器２２とアンジュレータ２４との間に配置されたバンチコンプレッサ２３を通過する。バンチコンプレッサ２３は、電子ビームＥ内の電子をバンチ化するように構成され、電子ビームＥ内の既存の電子バンチを空間的に圧縮する。

[0067] 次に、電子ビームＥはアンジュレータ２４を通過する。一般に、アンジュレータ２４は複数のモジュールを含む。それぞれのモジュールは周期的磁石構造を含み、これは周期磁場を発生するように動作可能であり、そのモジュール内の周期経路に沿ってインジェクタ２１及び線形加速器２２によって発生された相対論的電子ビームＥを誘導するように配置される。その結果、それぞれのアンジュレータモジュール内の電子は、そのモジュールを通って概ねそれぞれの周期回路の重心軸の方向に電磁放射を放射する。

[0068] 電子はそれぞれのアンジュレータモジュールを通って移動する時に、放射の電場と相互作用し、その放射とエネルギーを交換する。一般に、電子と放射との間で交換されるエネルギーの量は、条件が以下の式で示される共振条件に近くない限り、急速に変動する。

ここでλ_ｅｍは放射の波長であり、λ_ｕは電子が伝搬するアンジュレータモジュールに関するアンジュレータ周期であり、γは電子のローレンツ因子であり、Ｋはアンジュレータパラメータである。Ａはアンジュレータ２４の幾何形状に依存し、螺旋アンジュレータの場合はＡ＝１であり、平面アンジュレータの場合はＡ＝２である。実際には、それぞれの電子バンチはエネルギーの広がりを有するが、この広がりは（低いエミッタンスの電子ビームＥを発生することにより）可能な限り最小限にすることができる。アンジュレータパラメータＫは典型的にほぼ１であり、以下の式で示される。

ここでｑ及びｍはそれぞれ電子の電荷及び質量であり、Ｂ_０は周期磁場の振幅であり、ｃは光の速さである。

[0069] 共振波長λ_ｅｍは、それぞれのアンジュレータモジュールを通って移動する電子によって自発的に放射された第１の高調波波長に等しい。自由電子レーザＦＥＬは自己増幅自然放出光（ＳＡＳＥ）モードで動作することができる。ＳＡＳＥモードでの動作は、それがそれぞれのアンジュレータモジュールに入る前に電子ビームＥ内の電子バンチの低エネルギーの広がりを必要とする可能性がある。代替的に、自由電子レーザＦＥＬはシード放射源を含むことができ、この放射源はアンジュレータ２４内の誘導放出によって増幅することができる。自由電子レーザＦＥＬは再循環増幅器自由電子レーザ（ＲＡＦＥＬ）として動作することができ、その場合、自由電子レーザＦＥＬによって発生された放射の一部分を使用して、放射の更なる発生のシードを提供する。

[0070] アンジュレータ２４を通って移動する電子は放射の振幅を増加させることができ、即ち、自由電子レーザＦＥＬは非ゼロの利得を有することができる。共振条件を満たした場合又は条件が共振に近いがわずかに外れている場合に最大利得を達成することができる。

[0071] それぞれのアンジュレータモジュールの重心軸の周りの領域は「良磁場領域」であると見なすことができる。良磁場領域は、重心軸の周りのボリュームであって、アンジュレータモジュールの重心軸に沿った所与の位置について、そのボリューム内の磁場の大きさ及び方向が実質的に一定になるボリュームである。良磁場領域内を伝搬する電子バンチは式（１）の共振条件を満足することができ、従って、放射を増幅することになる。更に、良磁場領域内を伝搬する電子ビームＥは非補償磁場による著しい不測の分裂を経験しないはずである。

[0072] それぞれのアンジュレータモジュールは、ある範囲の許容可能な初期軌道を有することができる。この範囲の許容可能な初期軌道内の初期軌道でアンジュレータモジュールに入る電子は、式（１）の共振条件を満足し、そのアンジュレータモジュール内の放射と相互作用して、コヒーレント放射の放出を刺激することができる。対照的に、その他の軌道でアンジュレータモジュールに入る電子はコヒーレント放射の著しい放出を刺激しない可能性がある。

[0073] 例えば、一般的に、螺旋アンジュレータモジュールの場合、電子ビームＥは実質的にアンジュレータモジュールの重心軸に位置合わせされなければならない。電子ビームＥとアンジュレータモジュールの重心軸との間の傾斜又は角度は一般に１／１０ρを超えてはならず、ここでρはピアスパラメータである。そうではない場合、アンジュレータモジュールの変換効率（即ち、電子ビームＥのエネルギーのうち、そのモジュール内の放射に変換される部分）は所望の量未満に低下する可能性がある（又はほとんどゼロまで低下する可能性がある）。一実施形態では、ＥＵＶ螺旋アンジュレータモジュールのピアスパラメータはおおよそ０．００１にすることができ、アンジュレータモジュールの重心軸に対する電子ビームＥの傾斜が１００μｒａｄ未満でなければならないことを示している。

[0074] 平面アンジュレータモジュールの場合、より大きい範囲の初期軌道が許容可能である。電子ビームＥが実質的に平面アンジュレータモジュールの磁場に垂直なままになり、平面アンジュレータモジュールの良磁場領域内に存続するのであれば、放射のコヒーレント発光を刺激することができる。

[0075] 電子ビームＥの電子がそれぞれのアンジュレータモジュール間のドリフト空間を通って移動する時に、電子は周期経路を辿らない。従って、このドリフト空間内では、電子は空間的に放射と空間的にオーバラップするが、この電子はいずれの著しいエネルギーも放射と交換せず、従って、放射から効果的に分離される。

[0076] バンチ化した電子ビームＥは有限のエミッタンスを有し、従って、再焦されない限り、直径が増加することになる。従って、アンジュレータ２４は、１対以上の隣接モジュール間の電子ビームＥを再焦させるためのメカニズムを更に含む。例えば、各対の隣接モジュール間に四極電磁石を設けることができる。この四極電磁石は電子バンチのサイズを低減し、電子ビームＥをアンジュレータ２４の良磁場領域内に保持する。これにより、次のアンジュレータモジュール内の電子と放射との間の結合が改善され、放射の放出の刺激が増加する。

[0077] アンジュレータ２４に入る時に共振条件を満たす電子は、放射を放出（又は吸収）する時にエネルギーを失う（又は獲得する）ことになり、その結果、共振条件はもはや満足されなくなる。従って、幾つかの実施形態では、アンジュレータ２４は先細にすることができる。即ち、周期磁場の振幅及び／又はアンジュレータ周期λ_ｕは、アンジュレータ２４によって誘導される時に電子のバンチを共振又はその近くに保持するために、アンジュレータ２４の長さに沿って変動する可能性がある。先細部分は、それぞれのアンジュレータモジュール内で及び／又はモジュールごとに周期磁場の振幅及び／又はアンジュレータ周期λ_ｕを変動させることによって達成することができる。

[0078] アンジュレータ２４内の電子と放射との間の相互作用は電子バンチ内のエネルギーの広がりを発生する。アンジュレータ２４の先細部分は、共振又はその近くで電子の数を最大限にするように配置することができる。例えば、電子バンチはピークエネルギーでピークに達するエネルギー分布を有することができ、先細部分はアンジュレータ２４によって誘導される時に共振又はその近くでこのピークエネルギーを有する電子を保持するように配置することができる。有利なことに、アンジュレータ２４の先細部分は変換効率を大幅に増加するための能力を有する。例えば、先細のアンジュレータ２４を使用すると、変換効率を２倍以上に増加することができる。アンジュレータ２４の先細部分は、その長さに沿ってアンジュレータパラメータＫを低減することによって達成することができる。これは、アンジュレータ周期λ_ｕ及び／又はアンジュレータの軸に沿った磁場強度Ｂ_０を電子バンチエネルギーに整合させて、それが共振条件又はそれに近くなることを保証することによって達成することができる。このように共振条件を満たすと、放出された放射の帯域幅が増加する。

[0079] 図４、図５、及び図６を参照すると、本発明の一実施形態による第１のアンジュレータ２４ａの一部分の種々の断面図が示されている。アンジュレータ２４ａは、電子ビームＥ用のパイプ４０と、４つの周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄ（図５）と、複数のスペーサエレメント４６と、を含む。周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄの特徴をより良く示すために、図５及び図６からスペーサエレメント４６を省略し、図６からビームパイプを省略している。

[0080] パイプ４０は、使用中に電子ビームＥがパイプ４０の一端に入り、実質的にアンジュレータ２４ａの重心軸４１に沿ってそれを通過し、パイプ４０の反対端から出るように配置される。使用中にパイプ４０は真空条件下に保持される。このため、パイプは、ステンレス鋼など、ガス抜けを起こさない材料で形成することができる。代替的に、パイプ４０は、アルミニウム（Ａｌ）で形成することができ、任意選択でガス抜けを起こさないコーティング（例えば、非蒸発性ゲッターＮＥＧで形成されるコーティング）を施すこともできる。パイプ４０は電子ビームが通過するボアを画定し、そのボアの断面はアンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面において概ね円形である。パイプ４０の断面はアンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面において概ね円形にすることができ、即ち、パイプ４０の厚さは概ね均一にすることができる。

[0081] パイプ４０の内部は電子ビームＥが伝搬するのに適した環境を提供する。特に、これは真空条件下に保持される。代替の一実施形態では、アンジュレータ２４ａはパイプ４０を含まないが、むしろ電子ビームは磁気構造４２ａ〜４２ｄによって画定されるチャネルを通って伝搬する。このような実施形態では、アンジュレータ２４ａ全体は電子ビームＥが伝搬するのに適した環境を維持することができる。

[0082] アンジュレータ２４ａは細長い構造であり、軸方向と呼ぶことができる軸４１に沿って延びている。アンジュレータ２４ａの軸４１はパイプ４０の中心を貫いている。周期構造４２ａ〜４２ｄのそれぞれは、半径方向と呼ぶことができる、実質的にアンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な方向に、軸４１から分離される。

[0083] 周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄはいずれも実質的に同様の構造である。特に、周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄのそれぞれは実質的に同じアンジュレータ周期λ_ｕを有する。

[0084] 周期構造４２ａ〜４２ｄのそれぞれはパイプ４０に沿って軸方向に延びている。アンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面において、４つの磁気構造はパイプ４０の周りに実質的に均等に分散している。第１の対の磁気構造４２ａ、４２ｂは実質的に同相に配置され、パイプ４０の両側に対称的に配置されている。第２の対の磁気構造４２ｃ、４２ｄは実質的に同相に配置され、パイプ４０の両側に対称的に配置されている。第２の対の磁気構造４２ｃ、４２ｄはアンジュレータ２４ａの軸４１の周りで第１の対４２ａ、４２ｂに対して９０度回転している。第１の対４２ａ、４２ｂは、第１の対４２ａ、４２ｂ及び第２の対４２ｃ、４２ｄが位相外れになるように、第２の対４２ｃ、４２ｄに対して軸方向にシフトすることができる。このシフトの量は、アンジュレータが発生する放射の偏光を決定することができる。例えば、図５及び図６に示されている実施形態では、第１の対４２ａ、４２ｂはアンジュレータ周期λ_ｕの４分の１だけ第２の対４２ｃ、４２ｄに対して軸方向にシフトしている。このような配置は、電子ビームＥがそれを通って伝搬するにつれて円形に偏光した放射を発生することができる。

[0085] 周期構造４２ａ〜４２ｄのそれぞれは複数の磁石４４と複数の強磁性素子４８とを含む。

[0086] 所与の周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄの複数の磁石４４は、軸方向に延びる一列にその周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄの強磁性素子４８と交互に配置される。複数の磁石４４のそれぞれは実質的に一定の分極方向を有し、これは図５〜図７に矢印で示されている。複数の磁石４４のそれぞれの分極は概ね正の軸方向又は負の軸方向のいずれかにある。所与の周期構造の複数の磁石４４は、周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄの長さに沿って磁石４４の分極が正の軸方向と負の軸方向との間で交互になるように配置される。それぞれの周期的磁気構造４２ａ〜４２ｄは周期磁場を発生し、その周期λ_ｕは２つの磁石４４及び２つの強磁性素子４８の長さである。それぞれの磁石４４の断面はアンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面において概ね正方形である（図７を参照）。それぞれの磁石４４は、アンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面において磁石４４の対角線が概ね半径方向に延びるように向けられる。

[0087] それぞれの強磁性素子４８は受動強磁性素子として作用する。従って、複数の強磁性素子４８のそれぞれは比較的軟らかい強磁性物質で形成される。軟らかい強磁性物質は容易に磁化及び消磁され、比較的小さい残留磁気、狭いヒステリシスループ（即ち、低い保磁力）、高い透磁率、及び高い磁気飽和誘導を有する。複数の強磁性素子４８のそれぞれは、５００Ａ／ｍ未満の保磁力及び１０００を超える最大比透磁率を有する軟らかい強磁性物質で形成することができる。

[0088] 幾つかの実施形態では、強磁性素子４８は軟鉄又は鉄−コバルト合金で形成される。強磁性素子４８が軟鉄で形成される実施形態の場合、強磁性素子４８は９５％を超える鉄を含むことができる。比較的高いコバルト含有量（例えば、２０％を超える）を有する合金が好ましい可能性がある。強磁性素子４８が鉄−コバルト合金で形成される実施形態の場合、強磁性素子４８は２０％を超える鉄と２０％を超えるコバルトを含むことができる。幾つかの実施形態では、鉄−コバルト合金は等しい割合の鉄及びコバルトを含むことができる（これはパーメンジュールとして知られている）。任意選択で、軟鉄又は鉄−コバルト合金は１つ以上の添加剤をパーセントレベルで含むことができる。適切な添加剤としてはバナジウム（Ｖ）又はニオブ（Ｎｂ）を含む。一実施形態では、強磁性素子４８はＦｅ_４９Ｃｏ_４９Ｖ_２の形の合金で形成される。

[0089] 複数の磁石４４のそれぞれはスペーサエレメント４６によってパイプ４０から分離される。即ち、スペーサエレメント４６は磁石４４の半径方向内側に設けられる。それぞれのスペーサエレメント４６は実質的にその対応する磁石４４と同じ軸範囲を有する。（アンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面における）断面では、スペーサエレメント４６は任意の都合の良い形状を有することができる。アンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面では、スペーサエレメント４６は、実質的に強磁性素子４８の半径方向内側部分と一致する形状を有することができる。幾つかの実施形態では、この形状は台形又は先細の長方形にすることができる。代替的に、その他の実施形態では、スペーサエレメント４６は実質的に環状の形状にするか又は環形のうちの１つの扇形の形にすることができる。

[0090] 複数の磁石４４のそれぞれは比較的堅い強磁性物質で形成され、これは比較的消磁しにくいものである。堅い強磁性物質は、比較的高い残留磁気及び比較的広いヒステリシス曲線を有するものである。

[0091] 例えば、磁石４４は、比較的強い永久磁石である希土類磁石にすることができる。特に、磁石４４は遷移金属と希土類元素の合金で形成することができる。この合金はＲｅＴｍ_５又はＲｅ_２Ｔｍ_１７の形にすることができ、ここでＲｅは希土類元素であり、Ｔｍは遷移金属である。代替的に、磁石４４は遷移金属と希土類元素とホウ素（Ｂ）の合金で形成することができる。この合金はＲｅ_２Ｔｍ_１７Ｂの形にすることができ、ここでＲｅは希土類元素であり、Ｔｍは遷移金属である。希土類元素は、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、又はジスプロシウム（Ｄｙ）のうちのいずれかを含むことができる。遷移金属は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はハフニウム（Ｈｆ）のうちのいずれかを含むことができる。一実施形態では、磁石は、サマリウムとコバルトの合金で形成されるサマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）磁石である。これらは、ＳｍＣｏ１：５系列（ＳｍＣｏ_５）及びＳｍＣｏ２：１７系列（Ｓｍ_２Ｃｏ_１７）を含む。その他の実施形態では、磁石は、ＰｒＣｏ_５、Ｓｍ_２Ｆｅ_１７、Ｓｍ_２Ｃｕ_１７、Ｓｍ_２Ｚｒ_１７、Ｓｍ_２Ｈｆ_１７という合金で形成することができる。一実施形態では、磁石４４は、鉄とネオジムとホウ素の合金で形成され、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂという形にすることができるネオジム磁石（ＦｅＮｄＢ）にすることができる。その他の実施形態では、磁石はＮｄ_２Ｃｏ_１４Ｂ、Ｐｒ_２Ｆｅ_１４Ｂ、Ｐｒ_２Ｃｏ_１４Ｂ、Ｄｙ_２Ｆｅ_１４Ｂ、Ｄｙ_２Ｃｏ_１４Ｂで形成することができる。

[0092] （アンジュレータ２４ａの軸４１に垂直な平面における）断面では、強磁性素子４８は五角形の形状である（図８を参照）。特に、強磁性素子４８は、実質的に磁石４４のものと同じ長さの第１及び第２の概ね垂直な側面４８ａ、４８ｂを含む。第１及び第２の側面４８ａ、４８ｂは、その強磁性素子４８に隣接する磁石４４と位置合わせされた五角形の凸形部分を形成する。それぞれの強磁性素子は、磁石４４からパイプ４０に向かって延びる第３及び第４の側面４８ｃ、４８ｄを更に含む。第３及び第４の側面４８ｃ、４８ｄは、パイプ４０に向かって延びるにつれて内側に向かって先細になり、パイプ４０に隣接する第５の側面４８ｅによって接続される。従って、それぞれの強磁性素子４８は、隣接する１対の磁石４４を分離し、それぞれの磁石４４より遠くまでパイプ４０に向かって延びている。

[0093] アンジュレータ２４ａの設計は次に説明するように幾つかの理由で有利である。アンジュレータ２４ａは、ビームパイプからの放射、特に高エネルギー電子及び光子に対して抵抗性が高い。パイプ４０は高真空で維持されるが、電子ビームＥからの高エネルギー電子は、例えば、ラザフォード散乱により、パイプ４０内の残留ガス分子によって散乱する可能性がある。このような散乱した電子はアンジュレータの磁石にぶつかる可能性があり、それにより磁石を少なくとも部分的に消磁させる可能性がある。

[0094] 高エネルギー電子は物質を通って移動するにつれて、電磁力を介してその物質と相互作用し、低エネルギー電子及び光子の電磁シャワー又はカスケードを発生する。これは、高エネルギー電子及び光子と物質との相互作用を考慮することにより理解することができる。

[0095] 電子と物質との相互作用については、制動放射及び非弾性散乱（原子の電子又は原子核のいずれかによる）という２つの主要メカニズムが存在する。高エネルギー電子（およそ１０ＭｅＶより大きいエネルギーを有する）の場合、制動放射が優勢なプロセスである。制動放射は、電子が電場によって加速された時の放射の放出である。十分に大きいエネルギーの場合、電子のエネルギーは、それが貫通した物質の深さの関数として指数的に低下し、即ち、Ｅ（ｘ）〜Ｅ_０ｅｘｐ（−ｘ／Ｌ_ｒａｄ）になり、ここでＥ_０は電子の初期エネルギーであり、ｘは物質の深さであり、Ｌ_ｒａｄはその物質の放射長である。低エネルギー電子（およそ１０ＭｅＶより小さいエネルギーを有する）の場合、非弾性散乱が優勢なプロセスである。十分に低いエネルギーの場合、それが貫通した物質の深さに対する電子のエネルギーの変化率はＥ^−１／２で概算する。

[0096] 光子と物質との相互作用については、（ｉ）光電効果、（ｉｉ）コンプトン散乱、（ｉｉｉ）電子−陽電子対生成、及び（ｉｖ）光核反応という４つの主要メカニズムが存在する。光子の低エネルギーでは、光電効果（物質からの電子の放出を引き起こす光子の吸収）及びコンプトン散乱（自由電子による光子の非弾性散乱）が優勢なプロセスである。電子−陽電子対生成については、電子の静止質量（自然単位で０．５１１ＭｅＶ）の２倍のエネルギーしきい値が存在する。（およそ１０ＭｅＶより大きいエネルギーを有する）高エネルギー光子の場合、電子−陽電子対生成が優勢なプロセスである。

[0097] 所与の物質の場合の高エネルギー電子と光子の相互作用は、その放射長Ｌ_ｒａｄとそのモリエール半径Ｒ_Ｍによって特徴付けられる。放射長Ｌ_ｒａｄは、そのエネルギーが（制動放射により）ｅ分の１に低減される前に電子が移動した平均距離の尺度であり、電子−陽電子対生成の場合のその平均自由行程の７／９である。所与の物質の場合のモリエール半径Ｒ_Ｍは、電磁シャワーの横方向への広がりの尺度である。所与の物質の場合のモリエール半径Ｒ_Ｍは、その放射長Ｌ_ｒａｄと、その密度ρと、その臨界エネルギーＥ_ｃに対するスケーリングエネルギーＥ_ｓ（ここでＥ_ｓ＝２１ＭｅＶ）の割合との積であり、即ち、Ｒ_Ｍ＝Ｌ_ｒａｄρＥ_ｓ／Ｅ_ｃである。電磁シャワーのエネルギーのおよそ９０％は半径Ｒ_ｍの円筒内に置かれ、電磁シャワーのエネルギーのおよそ９５％は半径２Ｒ_ｍの円筒内に置かれ、電磁シャワーのエネルギーのおよそ９９％は半径３．５Ｒ_ｍの円筒内に置かれる。

[0098] 高エネルギー電子が永久磁石を通って移動する場合、その結果の電磁シャワーは、永久磁石を消磁させるのに十分なほど永久磁石を熱くする可能性がある。このような消磁は自由電子レーザのアンジュレータのＫパラメータに影響するので、これはアンジュレータ内の永久磁石にとって望ましくない（上記の式（２）を参照）。

[0099] 軸４１上の磁場を最大限にするために可能な限りパイプの近くに磁石が配置されている当技術分野で知られているアンジュレータとは反対に、本発明の諸実施形態は、パイプ４０から空間的に分離されている永久磁石４４を含む。パイプ４０から永久磁石４４を空間的に分離することにより、永久磁石４４とパイプ４０との間にスペーサエレメントを配置することができる。このスペーサ材は、ビームパイプ４０から発生する高エネルギー電子及び光子の大部分を吸収する物質で形成することができる。このようにして、永久磁石４４をこの電磁放射から遮蔽することができ、アンジュレータ２４ａの寿命を延ばすことができる。一般に、ビームパイプの壁にぶつかる電子はかなり小さいグレージング角でそれを行う。半径方向のこのような電子の減衰は、スペーサエレメント４６及び強磁性素子４８内の（電子及び光子の）電磁シャワーの横方向への広がりによって画定される。従って、ビームパイプ４０から発生する高エネルギー電子及び光子の減衰は、スペーサエレメント４６及び強磁性素子４８のモリエール半径及び半径厚さに依存する。

[00100] 強磁性素子４８は磁石４４によって磁化され、磁石４４によって加えられる磁場を軸４１に向かって誘導するので、強磁性素子４８の使用により、磁石４４はアンジュレータ２４ａの軸４１において磁場強度の著しい損失なしにパイプ４０から離れることができる。実際に、アンジュレータ２４ａの幾何形状は、強磁性素子４８が十分な合焦を提供して、同じ強度の磁石を有する従来のアンジュレータより大きい振幅Ｂ_０を有する磁場を軸４１に沿って提供するように選択することができる。強磁性素子４８は受動的であり、磁石４４が発生した磁束を誘導するだけであるので、強磁性素子４８の磁化は高エネルギー電子又は光子の影響を受けない。

[00101] 強磁性素子４８と磁石４４の相対的な（軸方向）厚さは任意の適切な値を有することができる。所与の（半径）厚さのスペーサエレメント４６の場合、強磁性素子４８の軸方向厚さは、軸４１上の磁場が所望の振幅範囲内になるように磁石４４によって加えられる磁場が軸４１に向かって誘導されることを保証するのに十分な大きさでなければならない。強磁性素子４８の軸方向厚さ及び／又は形状は、磁石４４が発生した著しい量の磁束が強磁性素子４８の軸方向に面する側面からスペーサ材を通って隣接する強磁性素子内に漏れ出し、その結果、アンジュレータ２４ａの軸４１を効果的に迂回するようなものであってはならない。

[00102] スペーサエレメント４６は非磁性体で形成される。スペーサエレメント４６は、好ましくは、小さいモリエール半径と比較的高い密度を有する材料で形成される。有利なことに、材料のモリエール半径が小さいほど、所与の量の電磁エネルギーを吸収するのに必要なスペーサエレメントの（半径）厚さが小さくなる。スペーサエレメント４６は、例えば、タングステン（Ｒ_ｍ＝０．９ｃｍ）又は鉛（Ｒ_ｍ＝１．５）で形成することができる。代替的に、スペーサエレメント４６は銀又はモリブデンで形成することができる。代替的に、スペーサエレメント４６は、２９〜３３、４０〜５１、及び７２〜８３の範囲内の原子番号を有する比較的高い含有量の元素を含む合金で形成することができる。比較的高い含有量とは、５０％より大きく、例えば、６０％より大きく、例えば、７０％より大きいものを意味することができる。

[00103] スペーサエレメント４６の半径厚さは、好ましくは、少なくともそれが形成される材料のモリエール半径である。小さいグレージング入射角を有する電子の場合、このようなスペーサエレメント４６はそのエネルギーのおよそ９０％を吸収しなければならない。より好ましくは、スペーサエレメントの半径厚さは、それが形成される材料のモリエール半径の少なくとも２倍であり、これは小さいグレージング入射角を有する電子のエネルギーのおよそ９５％を吸収するはずである。より好ましくは、スペーサエレメントの半径厚さは、それが形成される材料のモリエール半径の少なくとも３．５倍であり、これは小さいグレージング入射角を有する電子のエネルギーのおよそ９９％を吸収するはずである。

[00104] 一実施形態では、スペーサエレメント４６はタングステンで形成され、１ｃｍより大きい半径厚さを有する。代替の一実施形態では、スペーサエレメントはタングステンで形成され、３ｃｍより大きい半径厚さ、より好ましくは６ｃｍより大きい半径厚さを有する。軸４１に垂直な平面におけるスペーサエレメント４６の断面形状は、そのスペーサエレメントがビームパイプ４０と磁石４４及び強磁性素子４８のアセンブリとの間の空間のほとんどを占有するようなものにすることができる。従って、スペーサエレメント４６は、強磁性素子４８の形状と同様にビームパイプ４０に向かって延びる側面４６ａ〜４６ｃを有する。即ち、スペーサエレメント４６の形状は強磁性素子４８の半径方向に最も内側の部分の形状と実質的に一致する可能性がある。

[00105] 比較的高密度の材料で形成されたスペーサエレメント４６の使用は、そうでなければ磁石４４の消磁を引き起こすと思われる高エネルギー電子及び光子から磁石４４をそのスペーサエレメントが部分的に遮蔽できるので有利である。しかし、高エネルギー電子がスペーサエレメント４６に入ることにより発生する電磁シャワーは著しい数の光子を発生することになる。そして次に、これによりスペーサエレメント４６内の光核反応の数が増加し、その結果、原子核から中性子を放出することになる可能性がある。従って、本発明の諸実施形態では、磁石４４は好ましくは、高エネルギーの中性子によって消磁される可能性の低い磁性材料で形成される。このため、ネオジム（ＦｅＮｄＢ）磁石よりサマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）磁石の方が中性子の消磁効果が５桁小さいので、ＦｅＮｄＢ磁石よりＳｍＣｏ磁石の方が好ましい。

[00106] 幾つかの実施形態では、アンジュレータ２４ａには、例えば、外側半径表面上に中性子吸収材を設けることができる。これは、例えば、自由電子レーザのその他の部分が発生した中性子から磁石を保護することができる。

[00107] パルス電子ビームがパイプ４０を通って伝搬した結果として、パイプ４０は電子ビームＥが発生したウェークフィールドにより熱くなる。パイプ４０から永久磁石を半径方向に間隔をあけることのもう１つの利点は、これによりパイプ４０から熱を放散させることができる冷却液システムのための空間が提供されることである。従って、アンジュレータ２４ａには、それを通って冷却液を循環できる冷却水路を設けることができる。この実施形態では、それを通って冷却液を循環できる冷却水路５２がスペーサエレメント４６内に設けられる。

[00108] 本発明の幾つかの実施形態では、一方の側のスペーサエレメント４６及びパイプ４０と、もう一方の側の磁石４４及び強磁性素子４８との間に小さいギャップ（図示せず）を設けることができる。有利なことに、このようなギャップは少なくとも部分的に、スペーサエレメント４６及びパイプ４０から磁石４４を（伝導に対抗して）熱的に絶縁することができる。これは、磁石４４の温度を安定化し、そして次に、アンジュレータ２４ａの軸４１に沿って発生した磁場を安定化するのに役立つ可能性がある。このギャップは真空条件下に保持することができ、これにより断熱のレベルを改善することができる。これは、例えば、低圧で保持することができるチャンバ内にアンジュレータ２４ａ全体を配置することによって達成することができる。更に、このギャップを画定するスペーサエレメント４６、パイプ４０、磁石４４、及び強磁性素子４８の１つ以上の表面は低放射率フィルムでコーティングすることができる。この低放射率フィルムは、例えば、金、銀、又はニッケルを含むことができる。有利なことに、このような低放射率フィルムは少なくとも部分的に、スペーサエレメント４６及びパイプ４０から磁石４４を（赤外線放射に対抗して）熱的に絶縁することができる。これは、磁石４４の温度に対して、そして次に、アンジュレータ２４ａの軸４１に沿って発生した磁場に対して、更に安定性を提供することができる。

[00109] 図９及び図１０を参照すると、本発明の一実施形態による第２のアンジュレータ２４ｂの一部分の２つの異なる断面図が示されている。第２のアンジュレータ２４ｂは第１のアンジュレータ２４ａと同様の構造であり、第１及び第２のアンジュレータ２４ａ、２４ｂ間の相違点についてのみ以下に詳細に説明する。

[00110] アンジュレータ２４ｂは、電子ビームＥ用のパイプ１４０と、２つの周期的磁気構造１４２ａ、１４２ｂと、複数のスペーサエレメント１４６とを含む。第２のアンジュレータ２４ｂは平面アンジュレータである（即ち、電子ビームＥの軌道は、それが第２のアンジュレータ２４ｂを通って伝搬する時に平面内にある）。

[00111] パイプ１４０はパイプ４０と同じ材料で形成することができる。パイプ１４０は電子ビームが通過するボア１４０ａを画定し、そのボア１４０ａの断面はアンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面において概ね円形である。パイプ１４０は、使用中に電子ビームＥがパイプ１４０の一端に入り、実質的にアンジュレータ２４ｂの重心軸４１に沿ってボア１４０ａを通過し、パイプ１４０の反対端から出るように配置される。使用中にパイプ１４０の内部は真空条件下に保持される。

[00112] 周期的磁気構造１４２ａ、１４２ｂのそれぞれは実質的に同様の構造であり、特に、実質的に同じアンジュレータ周期λ_ｕを有する。周期構造１４２ａ、１４２ｂのそれぞれは複数の磁石１４４と複数の強磁性素子１４８とを含む。

[00113] 所与の周期的磁気構造１４２ａ、１４２ｂの複数の磁石１４４は、軸方向に延びる一列にその周期的磁気構造１４２ａ、１４２ｂの強磁性素子１４８と交互に配置される。複数の磁石１４４のそれぞれは実質的に一定の分極方向を有し、これは図９に矢印で示されている。複数の磁石１４４のそれぞれの分極は概ね正の軸方向又は負の軸方向のいずれかにあり、所与の周期構造１４２ａ、１４２ｂの磁石１４４は、周期的磁気構造１４２ａ、１４２ｂの長さに沿って磁石１４４の分極が正の軸方向と負の軸方向との間で交互になるように配置される。

[00114] それぞれの磁石１４４の断面はアンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面において概ね正方形である。それぞれの磁石１４４は、アンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面において第１のアンジュレータ２４ａの磁石とは異なる方向に向けられることに留意されたい。特に、（磁石４４の対角線に沿って延びる場合とは対照的に）半径方向は磁石の２つの対向面を通って磁石１４４を二等分する。複数の磁石１４４のそれぞれは実質的に磁石４４と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00115] それぞれの強磁性素子１４８は強磁性素子４８とは異なる形状を有することができる。その他の点では、それぞれの強磁性素子１４８は実質的に強磁性素子４８と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00116] それぞれのスペーサエレメント１４６は（例えば、磁石１４４の向きが異なることにより）スペーサエレメント４６とは異なる形状を有することができる。（アンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面における）断面では、スペーサエレメント１４６は、例えば、台形又は先細の長方形などの任意の都合の良い形状を有することができる。（アンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面における）断面では、スペーサエレメント１４６は、実質的に強磁性素子１４８の半径方向内側部分のものと一致する形状を有することができる。その他の点では、それぞれのスペーサエレメント１４６は実質的にスペーサエレメント４６と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00117] 第２のアンジュレータ２４ｂの周期構造１４２ａ、１４２ｂの磁石１４４、強磁性素子１４８、及びスペーサエレメント１４６の配置は第１のアンジュレータ２４ａの周期構造４２ａ〜４２ｄの磁石４４、強磁性素子４８、及びスペーサエレメント４６の配置と概ね同じである。特に、複数の磁石１４４のそれぞれはスペーサエレメント１４６によってパイプ１４０から分離される。

[00118] 周期構造１４２ａ、１４２ｂのそれぞれはパイプ１４０に沿って軸方向に延びている。アンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面において、磁気構造１４２ａ、１４２ｂはパイプ１４０の両側に対称的に配置されている。周期的磁気構造１４２ａのそれぞれの磁石１４４は周期的磁気構造１４２ｂの磁石１４４のうちの１つに対向しており、周期的磁気構造１４２ａのそれぞれの強磁性素子１４８は周期的磁気構造１４２ｂの強磁性素子１４８のうちの１つに対向している。周期的磁気構造１４２ａのそれぞれの磁石１４４の分極方向は周期的磁気構造１４２ｂの対向する磁石１４４の分極方向とは反対の方向である。即ち、磁気構造１４２ａ、１４２ｂはアンジュレータ周期λ_ｕの半分だけ位相がずれて配置される。

[00119] （アンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面における）断面では、強磁性素子１４８は概ね長方形の半径方向外側部分と半径方向内側部分とを含む。それぞれの強磁性素子１４８の半径方向外側部分は、その強磁性素子１４８に隣接する磁石１４４と位置合わせされる。半径方向内側方向に移動すると、半径方向内側部分は、パイプ１４０に向かって延びるにつれて内側に向かって先細になる。それぞれの強磁性素子１４８の半径方向内側部分は、その強磁性素子１４８に隣接するスペーサエレメント１４６と位置合わせされる。

[00120] 第２のアンジュレータ２４ｂの設計は、第１のアンジュレータ２４ａに関して上記で示した理由で有利である。

[00121] パルス電子ビームがパイプ１４０を通って伝搬した結果として、パイプ１４０は電子ビームＥが発生したウェークフィールドにより熱くなる。パイプ１４０から永久磁石を半径方向に間隔をあけることのもう１つの利点は、これによりパイプ１４０から熱を放散させることができる冷却液システムのための空間が提供されることである。従って、アンジュレータ２４ｂには、それを通って冷却液を循環できる冷却水路を設けることができる。この実施形態では、それを通って冷却液を循環できる冷却水路５２がパイプ１４０内に設けられる。

[00122] アンジュレータ２４ｂのパイプ１４０の軸４１に垂直な平面はｘ−ｙ平面と呼ぶことができる（図１０の軸が示す通り）。２つの磁気構造１４２ａ、１４２ｂの間に延びる方向はｙ方向と呼ぶことができ、垂直な方向はｘ方向と呼ぶことができる。アンジュレータ２４ｂの軸４１に垂直な平面における断面では、パイプ１４０の形状は概ね長方形である（図１０を参照）。この長方形の形状は丸コーナーを有することができる。長方形の長い方の寸法はｘ方向と位置合わせされ、長方形の短い方の寸法はｙ方向と位置合わせされる。パイプ１４０には２つの冷却水路５２が設けられる。それぞれの冷却水路５２は（ｘ方向で）ボア１４０ａの反対側に設けられる。

[00123] 一方の側のパイプ１４０と、もう一方の側の磁石１４４、スペーサエレメント１４６、及び強磁性素子１４８との間に小さいギャップ１６０を設けることができる。有利なことに、このようなギャップは少なくとも部分的に、磁石１４４、スペーサエレメント１４６、及び強磁性素子１４８をパイプ１４０から（伝導に対抗して）熱的に絶縁することができる。これは、磁石１４４の温度を安定化し、そして次に、アンジュレータ２４ｂの軸４１に沿って発生した磁場を安定化するのに役立つ可能性がある。このギャップは真空条件下に保持することができ、これにより断熱のレベルを改善することができる。これは、例えば、低圧で保持することができるチャンバ内にアンジュレータ２４ｂ全体を配置することによって達成することができる。更に、このギャップを画定するスペーサエレメント１４６、パイプ１４０、磁石１４４、及び強磁性素子１４８の１つ以上の表面は低放射率フィルムでコーティングすることができる。この低放射率フィルムは、例えば、金、銀、又はニッケルを含むことができる。有利なことに、このような低放射率フィルムは少なくとも部分的に、パイプ１４０から磁石１４４を（赤外線放射に対抗して）熱的に絶縁することができる。これは、磁石１４４の温度に対して、そして次に、アンジュレータ２４ｂの軸４１に沿って発生した磁場に対して、更に安定性を提供することができる。

[00124] 図１１及び図１２を参照すると、本発明の一実施形態による第３のアンジュレータ２４ｃの一部分の２つの異なる断面図が示されている。周期的磁気構造の特徴をより良く示すために、図１２からいくつかのスペーサエレメント及びビームパイプを省略している。

[00125] 第３のアンジュレータ２４ｃは第１及び第２のアンジュレータ２４ａ、２４ｂと同様の構造であり、第３のアンジュレータ２４ｃと第１及び第２のアンジュレータ２４ａ、２４ｂとの相違点についてのみ以下に詳細に説明する。

[00126] アンジュレータ２４ｃは、電子ビームＥ用のパイプ２４０と、４つの周期的磁気構造２４２ａ〜２４２ｄと、複数のスペーサエレメント２４６と、を含む。従って、第３のアンジュレータ２４ｃはほとんどの点について第２のアンジュレータ２４ｂと同様であるが、第１のアンジュレータ２４ａのように、第３のアンジュレータ２４ｃは４つの周期的磁気構造２４２ａ〜２４２ｄを有する。

[00127] パイプ２４０はパイプ１４０と同様のものであり、同じ材料で形成することができる。

[00128] 周期的磁気構造２４２ａ〜２４２ｄのそれぞれは実質的に同様の構造であり、特に、実質的に同じアンジュレータ周期λ_ｕを有する。周期構造２４２ａ〜２４２ｄのそれぞれは複数の磁石２４４と複数の強磁性素子２４８とを含む。それぞれの周期構造２４２ａ〜２４２ｄ内の磁石２４４及び強磁性素子２４８の配置はそれぞれの周期構造１４２ａ、１４２ｂ内の磁石１４４及び強磁性素子１４８の配置と実質的に同じである。

[00129] 図１４に示されているように、それぞれの磁石２４４の断面はアンジュレータ２４ｃの軸４１に垂直な平面において概ね長方形である。アンジュレータ２４ｃの軸４１に垂直な平面では、それぞれの磁石２４４は第２のアンジュレータ２４ｂの磁石１４４と同じように向けられている。複数の磁石２４４のそれぞれは実質的に磁石４４と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00130] それぞれの強磁性素子２４８は強磁性素子４８及び強磁性素子１４８とは異なる形状を有することができる。その他の点では、それぞれの強磁性素子２４８は実質的に強磁性素子４８及び強磁性素子１４８と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00131] それぞれのスペーサエレメント２４６はスペーサエレメント４６及びスペーサエレメント１４６とは異なる形状を有することができる。（アンジュレータ２４ｃの軸４１に垂直な平面における）断面では、スペーサエレメント２４６は、例えば、台形又は先細の長方形などの任意の都合の良い形状を有することができる。その他の点では、それぞれのスペーサエレメント２４６は実質的にスペーサエレメント４６及びスペーサエレメント１４６と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00132] 第３のアンジュレータ２４ｃの周期構造２４２ａ〜２４２ｄの磁石２４４、強磁性素子２４８、及びスペーサエレメント２４６の配置は第１のアンジュレータ２４ａの周期構造４２ａ〜４２ｄの磁石４４、強磁性素子４８、及びスペーサエレメント４６並びに第２のアンジュレータ２４ｂの周期構造１４２ａ、１４２ｂの磁石１４４、強磁性素子１４８、及びスペーサエレメント１４６の配置と概ね同じである。特に、複数の磁石２４４のそれぞれはスペーサエレメント２４６によってパイプ２４０から分離される。

[00133] それぞれの周期構造２４２ａ〜２４２ｄはパイプ２４０に沿って軸方向に延びている。アンジュレータ２４ｃの軸４１に垂直な平面において、４つの磁気構造１４２ａ、１４２ｂはパイプ２４０の周りに均等に分散している。第１の対の磁気構造２４２ａ、２４２ｂはパイプ２４０の両側に対称的に配置されている。周期的磁気構造２４２ａのそれぞれの磁石２４４は周期的磁気構造２４２ｂの磁石２４４のうちの１つに対向しており、周期的磁気構造２４２ａのそれぞれの強磁性素子２４８は周期的磁気構造２４２ｂの強磁性素子２４８のうちの１つに対向している。周期的磁気構造２４２ａのそれぞれの磁石２４４の分極方向は周期的磁気構造２４２ｂの対向する磁石２４４の分極方向とは反対の方向である。即ち、第１の対の磁気構造２４２ａ、２４２ｂはアンジュレータ周期λ_ｕの半分だけ位相がずれて配置される。

[00134] 第２の対の磁気構造２４２ｃ、２４２ｄはアンジュレータ周期λ_ｕの半分だけ位相がずれて配置され、パイプ２４０の両側に対称的に配置されている。第２の対の磁気構造２４２ｃ、２４２ｄは重心軸４１の周りで第１の対２４２ａ、２４２ｂに対して９０度回転している。第１の対２４２ａ、２４２ｂは、第１の対２４２ａ、２４２ｂ及び第２の対２４２ｃ、２４２ｄが位相外れになるように、第２の対２４２ｃ、２４２ｄに対して軸方向にシフトすることができる。このシフトの量は、アンジュレータ２４ｃが発生する放射の偏光を決定することができる。例えば、図１１及び図１２に示されている実施形態では、第１の対２４２ａ、２４２ｂはアンジュレータ周期λ_ｕの４分の１だけ第２の対２４２ｃ、２４２ｄに対して軸方向にシフトしている。即ち、第１の対の周期的磁気構造２４２ａ、２４２ｂの磁石２４４は第２の対の磁気構造２４２ｃ、２４２ｄの強磁性素子２４８と実質的に同じ軸位置に配置される。即ち、アンジュレータ２４ｃの重心軸４１の周りを方位学的に移動すると、それぞれの周期的磁気構造は（即ち、２４２ａ、２４２ｄ、２４２ｂ、２４２ｃという順序で）＋λ_ｕ／４又は−λ_ｕ／４のいずれか一方の同じ量だけ前の周期的磁気構造に対して軸方向にシフトする。このような配置は、電子ビームＥがそれを通って伝搬するにつれて円形に偏光した放射を発生することができ、螺旋アンジュレータ２４ｃと呼ぶことができる。円形に偏光した放射の偏光状態は、それぞれの周期的磁気構造が（２４２ａ、２４２ｄ、２４２ｂ、２４２ｃという順序で）＋λ_ｕ／４又は−λ_ｕ／４だけ前の周期的磁気構造に対して軸方向にシフトするかどうかに依存する。

[00135] 図１３に示されているように、（アンジュレータ２４ｃの軸４１に垂直な平面における）断面では、強磁性素子２４８は概ね長方形の半径方向外側部分２４９と半径方向内側部分２５０とを含む。それぞれの強磁性素子２４８の半径方向外側部分は、その強磁性素子２４８に隣接する磁石２４４と位置合わせされる。半径方向内側方向に移動すると、半径方向に最も内側の側面２４８ｂ（パイプ２４０に隣接している可能性がある）に向かって延びるにつれて半径方向内側部分２５０が内側に向かって先細になるように、内側部分２５０には２つの傾斜側面２４８ａ、２４８ｃが設けられる。それぞれの強磁性素子２４８の半径方向内側部分２５０は第２のアンジュレータ２４ｂのそれぞれの強磁性素子１４８の半径方向内側部分より先細になり、４つの周期構造２４２ａ〜２４２ｄをパイプ２４０の周りに物理的に詰め込むことができるようになっていることに留意されたい。

[00136] それぞれの強磁性素子２４８の半径方向内側部分２５０は、その強磁性素子２４８に隣接するスペーサエレメント２４６と位置合わせされる。図１５に示されているように、（アンジュレータ２４ｃの軸４１に垂直な平面における）断面では、スペーサエレメント２４６は、強磁性素子２４８の半径方向内側部分２５０の形状と実質的に一致する形状を有することができる。特に、半径方向内側方向に移動すると、半径方向に最も内側の側面２４６ｂ（パイプ２４０に隣接している可能性がある）に向かってスペーサエレメント２４６が延びるにつれて内側に向かって先細になるように、スペーサエレメント２４６には２つの傾斜側面２４６ａ、２４６ｃが設けられる。

[00137] 第３のアンジュレータ２４ｃの設計は、第１及び第２のアンジュレータ２４ａ、２４ｂに関して上記で示した理由で有利である。

[00138] パルス電子ビームがパイプ２４０を通って伝搬した結果として、パイプ２４０は電子ビームＥが発生したウェークフィールドにより熱くなる。パイプ２４０から永久磁石を半径方向に間隔をあけることのもう１つの利点は、これによりパイプ２４０から熱を放散させることができる冷却液システムのための空間が提供されることである。従って、アンジュレータ２４ｃには、それを通って冷却液を循環できる冷却水路を設けることができる。この実施形態では、それを通って冷却液を循環できる冷却水路５２がパイプ２４０内に設けられる。

[00139] アンジュレータ２４ｃのパイプ２４０の軸４１に垂直な平面はｘ−ｙ平面と呼ぶことができる（図１２の軸が示す通り）。第１の対の磁気構造１４２ａ、１４２ｂの間に延びる方向はｙ方向と呼ぶことができ、第２の対の磁気構造１４２ｃ、１４２ｄの間に延びる方向はｘ方向と呼ぶことができる。アンジュレータ２４ｃの軸４１に垂直な平面における断面では、パイプ２４０の形状は概ね正方形である（図１０を参照）。この正方形の形状は丸コーナーを有することができる。正方形の１対の側面はｘ方向と位置合わせされ、正方形のもう１対の側面はｙ方向と位置合わせされる。パイプ２４０には４つの冷却水路５２が設けられる。それぞれの冷却水路５２は正方形の形状の４隅のそれぞれ異なる１つに隣接して設けられる。

[00140] 一方の側のパイプ２４０と、もう一方の側の磁石２４４、スペーサエレメント２４６、及び強磁性素子２４８との間に小さいギャップ２６０を設けることができる。有利なことに、このようなギャップは少なくとも部分的に、パイプ２４０から磁石２４４、スペーサエレメント２４６及び強磁性素子２４８を（伝導に対抗して）熱的に絶縁することができる。これは、磁石１４４の温度を安定化し、そして次に、アンジュレータ２４ｃの軸４１に沿って発生した磁場を安定化するのに役立つ可能性がある。このギャップ２６０は真空条件下に保持することができ、これにより断熱のレベルを改善することができる。これは、例えば、低圧で保持することができるチャンバ内にアンジュレータ２４ｃ全体を配置することによって達成することができる。更に、このギャップを画定するスペーサエレメント２４６、パイプ２４０、磁石２４４、及び強磁性素子２４８の１つ以上の表面は低放射率フィルムでコーティングすることができる。この低放射率フィルムは、例えば、金、銀、又はニッケルを含むことができる。有利なことに、このような低放射率フィルムは少なくとも部分的に、パイプ２４０から磁石２４４を（赤外線放射に対抗して）熱的に絶縁することができる。これは、磁石１４４の温度に対して、そして次に、アンジュレータ２４ｃの軸４１に沿って発生した磁場に対して、更に安定性を提供することができる。

[00141] 第２のアンジュレータ２４ｂの強磁性素子１４８は第３のアンジュレータ２４ｃの強磁性素子２４８（図１３に示されている）と概ね同じ形状であることに留意されたい。更に、第２のアンジュレータ２４ｂの磁石１４４は第３のアンジュレータ２４ｃの磁石２４４（図１４に示されている）と概ね同じ形状である。更に、第２のアンジュレータ２４ｂのスペーサエレメント１４６は第３のアンジュレータ２４ｃのスペーサエレメント２４６（図１５に示されている）と概ね同じ形状である。

[00142] 図１６を参照すると、本発明の一実施形態による第４のアンジュレータ２４ｄの一部分の断面図が示されている。第４のアンジュレータ２４ｄは第１、第２、及び第３のアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃと同様の構造であり、第４のアンジュレータ２４ｄと第１、第２、及び第３のアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃとの相違点についてのみ以下に詳細に説明する。

[00143] アンジュレータ２４ｄは、電子ビームＥ用のパイプ３４０と、複数の周期的磁気構造と、スペーサエレメント３６１とを含む。図１６の平面には２つの周期的磁気構造３６０ａ、３６０ｂが示されている。第４のアンジュレータ２４ｄは平面アンジュレータにすることができ、第２のアンジュレータ２４ｂと同様に、このような２つの周期的磁気構造３６０ａ、３６０ｂのみを含むことができる。代替的に、第４のアンジュレータ２４ｄは、第１及び第３のアンジュレータ２４ａ、２４ｃと同様に追加の１対の周期的磁気構造（図１６には示されていない）を含むこともできる。第１及び第３のアンジュレータ２４ａ、２４ｃのように、第４のアンジュレータ２４ｄが追加の１対の周期的磁気構造を含む（即ち、全部で４つの周期的磁気構造を含む）場合、第４のアンジュレータ２４ｄは、４つの周期的磁気構造の相対的な軸位置次第で、直線偏光、楕円偏光、又は円偏光を有する放射を発生することができる。

[00144] パイプ３４０はパイプ４０と同様のものであり、同じ材料で形成することができる。

[00145] 周期的磁気構造３６０ａ、３６０ｂのそれぞれは実質的に同様の構造であり、特に、実質的に同じアンジュレータ周期λ_ｕを有する。周期構造３６０ａ、３６０ｂのそれぞれは複数の磁石３４４ａ、３４４ｂを含む。第４のアンジュレータ２４ｄは、第１、第２、及び第３のアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃとは対照的に、受動的で軟らかい強磁性素子を使用しない。

[00146] 複数の磁石は、第１の向きを有する第１の磁石３４４ａと、第２の向きを有する第２の磁石３４４ｂとを含む。それぞれの周期的磁気構造３６０ａ、３６０ｂ内で、第１の磁石３４４ａは軸方向に延びる一列に第２の磁石３４４ｂと交互に配置される。複数の磁石３４４ａ、３４４ｂのそれぞれは実質的に一定の分極方向を有し、これは図１６に矢印で示されている。第１の磁石３４４ａのそれぞれの分極は概ね正の軸方向又は負の軸方向のいずれかにある。第２の磁石３４４ｂのそれぞれの分極は概ね正の半径方向又は負の半径方向のいずれかにある。軸方向において、複数の磁石の分極の方向が、負の半径方向、負の軸方向、正の半径方向、正の軸方向という順序を辿るように、それぞれの周期的磁気構造３６０ａ、３６０ｂ内で、第１の磁石３４４ａは軸方向に延びる一列に第２の磁石３４４ｂと交互に配置される。それぞれの周期的磁気構造３６０ａ、３６０ｂは周期磁場を発生し、その周期λ_ｕは、２つの第１の磁石３４４ａと２つの第２の磁石３４４ｂという４つの磁石の長さである。

[00147] 複数の磁石３４４ａ、３４４ｂのそれぞれは実質的に磁石４４と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00148] スペーサエレメント３６１は、パイプ３４０を取り囲む中空円筒の形である。即ち、アンジュレータ２４ｄの軸４１に垂直な平面における断面では、スペーサエレメント３６１の形状は環状である。その他の点では、スペーサエレメント３６１は実質的にスペーサエレメント４６、１４６、２４６と同じものにすることができ、特に、同じ材料で形成することができる。

[00149] 第４のアンジュレータ２４ｄの設計は幾つかの理由で有利である。アンジュレータ２４ｄが、ビームパイプ３４０からの放射、特に高エネルギー電子及び光子に対して抵抗性が高くなるように、スペーサエレメント３６１は少なくとも部分的に磁石３４４ａ、３４４ｂを放射から遮蔽する。永久磁石３４４ａ、３４４ｂがパイプ３４０から空間的に分離していることにより、永久磁石３４４ａ、３４４ｂとパイプ３４０との間にスペーサエレメント３６１を配置することができる。

[00150] パルス電子ビームがパイプ３４０を通って伝搬した結果として、パイプ３４０は電子ビームＥが発生したウェークフィールドにより熱くなる。パイプ３４０から永久磁石３４４ａ、３４４ｂを半径方向に間隔をあけることのもう１つの利点は、これによりパイプ３４０から熱を放散させることができる冷却液システムのための空間が提供されることである。従って、アンジュレータ２４ｄには、それを通って冷却液を循環できる冷却水路を設けることができる。例えば、それを通って冷却液を循環できる冷却水路５２は、（第１のアンジュレータ２４ａと同様に）スペーサエレメント３６１内又は（第２又は第３のアンジュレータ２４ｂ、２４ｃと同様に）パイプ３４０内に設けることができる。

[00151] 上記のアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのいずれでも、次に説明するように、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上の磁場を制御できるようにする調整メカニズムを設けることができる。４つの別個のタイプの調整メカニズムについて次に説明する。

[00152] 第１及び第２の調整メカニズムでは、１つ以上の磁性材料プレートを使用して、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上の磁場を制御する。

[00153] 第１の調整メカニズムでは１つ以上の磁性材料プレートを使用する。このプレートはシムと呼ぶことができる。特に、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上の磁場の制御は、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの磁石のうちの１つ以上の半径方向外側に隣接して１つ以上の磁性材料プレートを配置することによって達成することができる。このプレートは、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの磁場、特に、このプレートが隣に配置される磁石の磁場をゆがめることになる。そして次に、これが軸４１上の磁場を左右することになる。このようなプレートの存在に対する軸４１上の磁場の感受性は、プレートの磁気特性及び磁石の隣に設けられるプレートの（半径）厚さに依存する可能性がある。磁性材料プレートに対する軸４１上の磁場の感受性は、そのプレートの厚さに線形に依存する可能性がある。（軸４１上の磁場の所望の変化に影響するために）適切な材料の厚さは、１つ以上の比較的薄い個別プレートを使用して達成することができる。このプレートは、例えば、コバルトと鉄の合金（ＣｏＦｅ）などの任意の適切な磁性材料で形成することができる。

[00154] 第１の調整メカニズムは、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上の磁場に対する何らかの制御を提供する。しかし、所望の厚さの磁性材料は１つ以上の比較的薄いプレートを使用して達成されるので、このような方法の分解能は個別プレートの（非ゼロの）厚さによって制限される。更に、第１のメカニズムは容易に自動化に向いていない。第一に、所望の磁場を達成するためにそれぞれの磁石について磁性材料の所望の厚さを計算しなければならない。次に、対応する数の個別シムをそれぞれの磁石の隣に配置しなければならない。

[00155] 第２のメカニズムは１つ以上の磁性材料プレートを使用する。このプレートはシムと呼ぶことができる。特に、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは１つ以上の磁石について１つの磁性材料プレートを含む。幾つかの実施形態では、それぞれの磁石には対応する磁性材料プレートが提供される。それぞれのプレートは、それに対応する磁石の半径方向外側に隣接して配置され、半径方向に移動可能である。これを達成するために、それぞれのプレートにはリニアアクチュエータを設けることができる。第１の調整メカニズムのように、それぞれのプレートは、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの磁場、特に、それが隣接しているその対応する磁石の磁場をゆがめることになる。そして次に、これが軸４１上の磁場を左右することになる。このプレートの存在に対する軸４１上の磁場の感受性は、プレートの磁気特性、プレートの（半径）厚さ、及びそれぞれのプレートの半径位置に依存する可能性がある。それぞれのプレートは等しい半径厚さを有することができる。それぞれのプレートの半径位置の関数としての軸４１上の磁場に対するプレートの影響は非線形になる可能性がある。しかし、プレートの十分に小さい半径方向変位範囲については、その依存性はほぼ線形になる可能性がある。軸４１上の磁場に対する制御は、１つ以上のプレートの半径方向への独立した移動によって達成される。このプレートは、例えば、コバルトと鉄の合金（ＣｏＦｅ）などの任意の適切な磁性材料で形成することができる。

[00156] それぞれのプレートの公称位置又はデフォルト位置は、そのプレートがその公称位置から半径方向内側及び半径方向外側の両方に移動できるように、それに対応する磁石から半径方向に変位させることができる。これにより、プレートを（半径方向内側又は半径方向外側の）いずれかの方向に移動することによって磁場を左右することができる。

[00157] 第２の調整メカニズムは、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上の磁場に対する制御を提供する。第２の調整メカニズムの分解能は個別プレートの線形半径方向変位の分解能によって制限される。第２の調整メカニズムは第１の調整メカニズムより大きい分解能を有すると期待することができる。更に、第２のメカニズムは自動化に適している。例えば、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、それぞれの磁性材料プレートの半径位置を制御するように動作可能なコントローラを含むことができる。

[00158] 第３及び第４の調整メカニズムは、軸４１上の磁場を制御するために、１つ以上のアクチュエータを使用して、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの１つ以上の部分を移動させる。

[00159] 第３のメカニズムは１つ以上の個別可動式磁石を使用する。特に、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは１つ以上のアクチュエータを含み、それぞれのアクチュエータは対応する磁石の半径位置を制御するように動作可能である。一実施形態では、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれの磁石にはアクチュエータが設けられ、従って、それぞれの磁石は他の磁石から独立して移動可能である。それぞれのアクチュエータはリニアアクチュエータにすることができる。それぞれの個別磁石のこのような半径方向移動はその磁石と軸４１との間の距離を変更し、従って、軸４１上の磁場を左右する。

[00160] 磁石の移動に対する軸４１上の磁場の感受性はそれぞれの磁石の半径位置に依存する可能性がある。それぞれの磁石の半径位置の関数としての軸４１上の磁場に対するそれぞれの磁石の移動の影響は非線形になる可能性がある。しかし、磁石の十分に小さい半径方向変位範囲については、その依存性はほぼ線形になる可能性がある。軸４１上の磁場に対する制御は、１つ以上の磁石の半径方向への独立した移動によって達成される。

[00161] それぞれの磁石の公称位置又はデフォルト位置は、その磁石がその公称位置から半径方向内側及び半径方向外側の両方に移動できるようなものにすることができる。これにより、磁石を（半径方向内側又は半径方向外側の）いずれかの方向に移動することによって磁場を左右することができる。第３のメカニズムの感受性は公称位置について非対称になる可能性がある。即ち、内側への所与の半径方向変位に関する磁場の変化は外側への同じ半径方向変位の磁場の変化とは異なる可能性がある。

[00162] 第３の調整メカニズムは良好な分解能を有すると期待することができる。更に、第３の調整メカニズムは自動化に適している。例えば、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、それぞれの磁石の半径位置を制御するように動作可能なコントローラを含むことができる。しかし、それぞれの可動式磁石と隣接する強磁性素子（又は磁石）との間には望ましくない摩擦が存在する可能性がある。

[00163] 第４のメカニズムは１つ以上の個別可動式磁気素子群を使用する。特に、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは１つ以上のアクチュエータを含み、それぞれのアクチュエータは対応する磁気素子群の半径位置を制御するように動作可能である。それぞれの磁気素子群は複数の素子を含み、その素子は磁石又は強磁性素子を含む。それぞれの磁気素子群はアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの周期的磁気構造の全部又は一部を含むことができる。一実施形態では、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれの周期的磁気構造にはアクチュエータが設けられ、従って、それぞれの周期的磁気構造は他の周期的磁気構造から独立して移動可能である。それぞれのアクチュエータはリニアアクチュエータにすることができる。それぞれの個別磁気素子群のこのような半径方向移動はその磁気素子群と軸４１との間の距離を変更し、従って、軸４１上の磁場を左右する。

[00164] 磁気素子群の移動に対する軸４１上の磁場の感受性はそれぞれの磁気素子群の半径位置に依存する可能性がある。それぞれの磁気素子群の半径位置の関数としての軸４１上の磁場に対するそれぞれの磁気素子群の移動の影響はほぼ線形になる可能性がある。軸４１上の磁場に対する制御は、１つ以上の磁気素子群の半径方向への独立した移動によって達成される。

[00165] それぞれの磁気素子群の公称位置又はデフォルト位置は、その磁気素子群がその公称位置から半径方向内側及び半径方向外側の両方に移動できるようなものにすることができる。これにより、磁気素子群を（半径方向内側又は半径方向外側の）いずれかの方向に移動することによって磁場を左右することができる。

[00166] 第４の調整メカニズムは良好な分解能を有すると期待することができる。更に、第４の調整メカニズムは自動化に適している。例えば、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、それぞれの磁気素子群の半径位置を制御するように動作可能なコントローラを含むことができる。しかし、磁気素子群の隣接対同士の間には望ましくない摩擦が存在する可能性がある。この摩擦は、磁気素子群のそれぞれの隣接対同士の間にギャップを設けるようにアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを組み立てることにより、未然に防ぐことができる。これは、磁気素子群のそれぞれの隣接対同士の間に、後で除去されるシム又はスペーサを使用することにより、達成することができる。

[00167] 上記の調整メカニズムはいずれも、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上の磁場を決定するためのメカニズムとともに使用することができる。コントローラは、アンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上で決定された磁場に応答して、上記の調整メカニズムのうちの１つを使用してアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上の磁場を調整することができる。この調整は、所望の磁場又は公称磁場がアンジュレータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの軸４１上で達成されるようなものにすることができる。

[00168] アンジュレータ２４ａ〜２４ｄの上記の諸実施形態のそれぞれでは、磁石を室温で提供することができる。これにより、軸４１に沿って所望の磁場を正確に提供するように磁石を正確に位置決めし位置合わせするプロセスを支援することができる。代替的に、磁石に冷却液システムを提供し、磁石を室温未満に冷却することができる。有利なことに、これにより放射線損傷に対する抵抗性を追加することができる。磁石と電子ビーム用のパイプは共通の冷却システムを共用することができる。例えば、液体窒素などの任意の適切な冷却液を使用することができる。

[00169] 図１７及び図１８は、アンジュレータモジュール２４ｅの２つの異なる断面図を示しており、アンジュレータモジュール２４ｅは本発明の一実施形態による第５のアンジュレータの一部分である。アンジュレータモジュール２４ｅは電子ビームＥ用のビームパイプ４４０と超伝導磁石アセンブリとを含む。ビームパイプ４４０は電子ビームＥが伝搬するのに適している。ビームパイプ４４０は、ビームパイプ４４０の中心を通って延びる、アンジュレータモジュール２４ｅの軸４４１を画定する。

[00170] 軸４４１に沿った方向又はそれに平行な方向は軸方向と呼ぶことができる。図１７では、軸方向はｚ方向に対応する。軸４４１を通過する方向及び実質的にそれに垂直な方向は半径方向と呼ぶことができる。アンジュレータモジュール２４ｅの軸４４１に垂直な平面はｘ−ｙ平面と呼ぶことができる（図１８の軸が示す通り）。

[00171] ｘ−ｙ平面における断面では、ビームパイプ４４０の形状は概ね長方形である（図１８を参照）。長方形の長い方の寸法はｘ方向と位置合わせされ、長方形の短い方の寸法はｙ方向と位置合わせされる。中心ボア４７０はビームパイプ４４０を通って軸方向に延びている。中心ボア４７０のｘ−ｙ平面における断面は楕円である。ビームパイプ４４０には２つの冷却水路４５２が設けられ、そのそれぞれはビームパイプ４４０を通って軸方向に延びている。それぞれの冷却水路４５２は（ｘ方向で）中心ボア４７０の反対側に設けられる。

[00172] ビームパイプ４４０は、使用中に電子ビームＥがパイプ４４０の一端に入り、実質的にアンジュレータ２４ｅの重心軸４４１に沿って中心ボア４７０を通過し、パイプ４４０の反対端から出るように配置される。使用中にビームパイプ４４０の中心ボア４７０は真空条件下に保持される。このため、ビームパイプ４４０は、ステンレス鋼など、ガス抜けを起こさない材料で形成することができる。代替的に、ビームパイプ４４０は、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）で形成することができ、中心ボア４７０には任意選択でガス抜けを起こさないコーティング（例えば、非蒸発性ゲッターＮＥＧで形成されるコーティング）を施すこともできる。

[00173] アンジュレータモジュール２４ｅは概ね直方体の形の外部容器４５０を含む。ビームパイプ４４０は外部容器４５０を通って延びている。アンジュレータ２４ｅは２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂを含む。２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂのそれぞれは概ね直方体の形である。２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂのそれぞれは（例えば、１つ以上の支持体を介して）外部容器４５０内に収容され、外部容器４５０に接続される。任意選択で、外部容器４５０と内部容器４５５ａ、４５５ｂとの間の振動伝達を低減するためのメカニズム（例えば、１つ以上のベロー又はダンパー）を設けることができる。内部容器４５５ａ、４５５ｂはビームパイプ４４０の両側に（ｙ方向に）対称的に配置されている。

[00174] ビームパイプ４４０には、次に説明するように、ビームパイプ４４０のそれぞれの端部にダブルフランジ接続部が設けられる。ダブルフランジ接続部は、第１の（半径方向内側）フランジ４４６と第２の（半径方向外側）フランジ４４８という２つの同心で概ね環状のフランジを含む。第１及び第２のフランジは、１つ以上の半径方向に延びる支持支柱（図示せず）を介して接続することができる。

[00175] 第１のフランジ４４６によりビームパイプを、例えば、隣接するアンジュレータモジュールのビームパイプに又は自由電子レーザの他の素子に結合することができる。第１のフランジ４４６は、所望の環境、例えば、超高真空（ＵＨＶ）をその中で維持できるようにビームパイプ４４０の中心ボア４７０を封止するためのメカニズムを提供する。

[00176] 第２のフランジ４４８により外部容器２５０と２つの内部容器２５５ａ、２５５ｂとの間のボリューム４６０を、例えば、隣接するアンジュレータモジュールの対応するボリュームに結合することができる。第２のフランジ４４８は、所望の環境をその中で維持できるように外部容器２５０と２つの内部容器２５５ａ、２５５ｂとの間のボリューム４６０を封止するためのメカニズムを提供する。

[00177] およそ１０μｍの正確さで超伝導磁石アセンブリの位置を維持することが望ましいか又は軸４４１上の所望の磁場を維持することがより良いことである可能性がある。この理由で、ビームパイプ４４０はベローシステム４８８を介して外部容器４５０に接続される。ベローシステム４８８は（例えば、冷却液の流れからの）ビームパイプ４４０と外部容器４５０との間の振動伝達を低減する。

[00178] 超伝導磁石アセンブリは４つの周期的磁気構造４４２ａ〜４４２ｄを含み、そのそれぞれが２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂのうちの１つに収容される。

[00179] ４つの周期的磁気構造４４２ａ〜４４２ｄは実質的に同様の構造である。特に、周期的磁気構造４４２ａ〜４４２ｄのそれぞれは実質的に同じアンジュレータ周期を有する。それぞれの周期構造４４２ａ〜４４２ｄはパイプ４４０に沿って軸方向に（即ち、ｚ方向に）延びている。ｘ−ｙ平面において、４つの磁気構造はパイプ４４０の周りに実質的に均等に分散している。アンジュレータ２４ａ、２４ｃのように、４つの周期的磁気構造４４２ａ〜４４２ｄの相対的軸位置は、アンジュレータモジュール２４ｅが発生した放射の偏光を決定することができる。アンジュレータモジュール２４ｅの重心軸４４１の周りを方位学的に移動すると、それぞれの周期的磁気構造は（即ち、４４２ａ、４４２ｄ、４４２ｂ、４４２ｃという順序で）＋λ_ｕ／４又は−λ_ｕ／４のいずれか一方の同じ量だけ前の周期的磁気構造に対して軸方向にシフトする。このような配置は、電子ビームＥがそれを通って伝搬するにつれて円形に偏光した放射を発生することができ、螺旋アンジュレータモジュール２４ｅと呼ぶことができる。

[00180] それぞれの周期的磁気構造４４２ａ〜４４２ｄは、その周りに線材４８２のコイルが巻き付けられた複数の強磁性素子４８０を含む。この線材４８２のコイルは超伝導材料、即ち、その臨界温度未満の温度で超伝導体として動作する材料で形成される。２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂには、超伝導磁石アセンブリを第１の温度まで冷却するように動作可能な第１の冷却液システムが設けられる。第１の温度は、線材のコイルが形成される材料の臨界温度未満である。

[00181] ２つの内部容器のそれぞれは入口と出口（図示せず）を含む。第１の冷却液システムは第１の冷却液用の閉ループを形成することができる。第１の冷却液システムは、それぞれの入口に第１の冷却液を供給し、それぞれの出口から第１の冷却液を抽出するように動作可能なものにすることができる。従って、２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂのそれぞれの内部のボリューム４６５は第１の冷却液で部分的に充填される。

[00182] 冷却液はそれぞれの内部容器４５５ａ、４５５ｂ内を流れる時に、周期的磁気構造から熱を抽出し、そのようにする際に周期的磁気構造を冷却する。従って、それぞれの内部容器４５５ａ、４５５ｂの出口から抽出された冷却液はそれぞれの内部容器４５５ａ、４５５ｂの入口に送り出された冷却液より高い温度になる。第１の冷却液システムは、それぞれの入口に供給する前にそれぞれの出口から抽出された第１の冷却液から熱を抽出するように更に動作可能である。

[00183] 第１の冷却液は、超流動体である液体ヘリウムを含むことができる。ヘリウムの沸点は４．２Ｋ（−２６８．９℃）である。従って、第１の温度は４．２Ｋ（−２６８．９℃）以下にすることができる。

[00184] 第１の冷却液システムは線材４８２のコイルをその臨界温度未満に維持する。これは、線材４８２のコイルがゼロの電気抵抗を有し、印加電圧がない場合に電流を支持できることを保証するものである。

[00185] 強磁性素子４８０は、電流が線材のコイルを流れる時に発生した磁場を合焦させるように動作する。強磁性素子４８０は鉄で形成することができ、鉄ヨークと呼ぶことができる。強磁性素子４８０は比較的軟らかい強磁性物質で形成することができる。軟らかい強磁性物質は容易に磁化及び消磁され、比較的小さい残留磁気、狭いヒステリシスループ（即ち、低い保磁力）、高い透磁率、及び高い磁気飽和誘導を有する。例えば、複数の強磁性素子４８０のそれぞれは、５００Ａ／ｍ未満の保磁力及び１０００を超える最大比透磁率を有する軟らかい強磁性物質で形成することができる。幾つかの実施形態では、強磁性素子４８０は軟鉄又は鉄−コバルト合金で形成される。

[00186] パルス電子ビームＥがビームパイプ４４０を通って伝搬するにつれて、電子ビームＥが発生したウェークフィールドにより熱を発生する。

[00187] 使用中に第２の冷却液はパイプ４４０内の冷却水路４５２を通って循環する。これは、ビームパイプ４４０を第２の温度まで冷却するように動作可能な第２の冷却液システムを形成する。第２の温度は第１の温度より高い可能性がある。

[00188] 冷却水路４５２は第２の冷却液用の閉ループの一部を形成することができる。第２の冷却液はそれぞれの冷却水路内を流れる時に、ビームパイプ４４０から熱を抽出し、そのようにする際にそのビームパイプを冷却する。第２の冷却液システムは、冷却水路４５２に戻す前に冷却水路４５２から抽出された第２の冷却液から熱を抽出するように動作可能である。

[00189] 第２の冷却液は液体窒素を含むことができる。ヘリウムの沸点は７７．４Ｋ（−１９８．８℃）である。従って、第２の温度は７７．４Ｋ（−１９８．８℃）以下にすることができる。窒素を液化するための技術はすでに存在しているので、窒素は第２の冷却液として使用するのに特に適している。更に、ビームパイプ４４０からの迷走電子により発生する可能性のある窒素の放射性同位体（^１７Ｎ及び^１３Ｎ）は１０分未満の寿命を有する。従って、液体窒素を使用する冷却システムは本質的に低活性の冷却運転時間を有する。窒素同位体の崩壊の結果得られる炭素同位体も短命であるので、このような炭素の同位体はフィルタで除去するか又は閉じたシステム内に残すことができる。

[00190] 次に説明するように、ビームパイプ４４０と超伝導磁石アセンブリとの間にサーマルバリアが設けられる。このサーマルバリアは熱放射によってビームパイプ４４０と超伝導磁石アセンブリとの間の熱伝達を低減するように配置される。

[00191] パイプ４４０と２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂとの間に小さいギャップ４９０が設けられる。有利なことに、このギャップ４９０は少なくとも部分的に、パイプ４４０から超伝導磁石アセンブリを熱的に絶縁することができる。このギャップ４９０は真空条件下に保持することができ、これにより断熱のレベルを改善することができる。これは、外部容器２５０と２つの内部容器２５５ａ、２５５ｂとの間のボリューム４６０を真空条件下で維持することによって達成することができる。更に、このギャップ４９０を画定するビームパイプ４４０及び２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂの１つ以上の表面は低放射率フィルムでコーティングすることができる。この低放射率フィルムは、例えば、金、銀、又はニッケルを含むことができる。有利なことに、このような低放射率フィルムはパイプ４４０からの赤外線放射の放出を低減することができる。

[00192] 外部容器４５０と２つの内部容器４５５ａ、４５５ｂとの間のボリューム４６０（ギャップ４９０を含む）は、例えば、多層断熱（ＭＬＩ）などの絶縁材（図示せず）で充填することができる。ＭＬＩは、マイラーというブランド名で販売されているものなどの二軸延伸のポリエチレンテレフタレート（ＢｏＰＥＴ）ホイルで形成することができる。ＢｏＰＥＴホイルにはアルミニウムコーティングを施すことができる。代替的に、ＭＬＩはアルミニウムホイルで形成することができる。このような絶縁材はビームパイプ４４０と超伝導磁石アセンブリとの間の熱伝達を更に低減することができる。

[00193] 一実施形態では、ビームパイプ４４０と超伝導磁石アセンブリとの間の熱伝達は＜１０^−４Ｗ／（ｍＫ）である。

[00194] 第２の冷却液システムによるビームパイプ４４０の冷却はビームパイプ４４０から超伝導磁石アセンブリへの放射熱伝達を抑制する。

[00195] アンジュレータモジュール２４ｅには、超伝導磁石アセンブリ用の１つと、ビームパイプ４４０用の１つという２つの別個の冷却システムが設けられる。これは、ヘリウムによって外側から冷却されるビームパイプの周りに超伝導線材が巻き付けられる、既知の超伝導アンジュレータ構成とは対照的である。このような従来技術の設計の不利点の１つは、ヘリウム冷却が非効率的であり、従って、費用がかかることである。プラグからの平均効率は１対１０００であり、即ち、４Ｋで１ジュールのエネルギーを冷却するために１０００ジュールの電気が必要である。本発明の構成では、超伝導磁石アセンブリのみがヘリウムを使用して冷却される。ビームパイプ４４０はおよそ７７Ｋ（１バールでの窒素の沸点）の温度まで又はおよそ１００Ｋの温度まで冷却することができる。このような構成では、ビームパイプ４４０からのウェークフィールド熱負荷の冷却はおおよそ１０〜１００倍エネルギー効率が良く、技術的な難易度は低くなる。

[00196] ビームパイプ４４０を形成できる金属（例えば、アルミニウム又は銅）の導電率は、温度が３００Ｋから７７Ｋに低下すると、およそ１０〜２０倍に増加する。例えば、アルミニウムの抵抗率は３００Ｋで２．７×１０^−６Ωｃｍ、７７Ｋで０．１０×１０^−６Ωｃｍであり、銅の抵抗率は３００Ｋで１．６×１０^−６Ωｃｍ、７７Ｋで０．１６×１０^−６Ωｃｍである。従って、ビームパイプ４４０を７７Ｋという第２の温度に冷却することにより、ビームパイプ４４０上のウェークフィールド熱負荷はおよそ１０〜２０分の１に低減される。例えば、ビームパイプ４４０上のウェークフィールド熱負荷は１００Ｗ／ｍから５Ｗ／ｍに低減される可能性がある。そして次に、これにより、ビームパイプ４４０に必要な冷却全体が低減される。より小さいエネルギーの広がりが電子ビームＥに取り入れられるので、電子ビームＥからのウェークフィールド損失がこのように低減すると、自由電子レーザの変換効率の増加が得られる。

[00197] ビームパイプ４４０を形成できる金属（例えば、アルミニウム又は銅）の熱伝導率は、温度が３００Ｋから７７Ｋに低下すると、およそ２倍に増加する。例えば、アルミニウムの熱伝導率は３００Ｋで〜２００Ｗ／（Ｋｍ）、７７Ｋで〜７００Ｗ／（Ｋｍ）であり、銅の熱伝導率は３００Ｋで〜４００Ｗ／（Ｋｍ）、７７Ｋで〜６００Ｗ／（Ｋｍ）である。従って、より低い温度でビームパイプ４４０から熱を伝導する方が容易である。

[00198] 更に、金属からのガス抜けはより低い温度では減速する。例えば、水素のガス抜けはおよそ１００分の１に低減することができる。有利なことに、ガス抜けが少ないということは、中心ボア４７０（それを通って電子ビームＥが伝搬する）内のイオン濃度を所与のレベルに維持するために必要なポンピングがより少ないことを意味する。

[00199] パイプ４４０は高真空に維持されるが、電子ビームＥからの高エネルギー電子はビームパイプ４４０内の残留ガス分子によって、例えば、ラザフォード散乱を介して散乱させることができる。このような散乱電子はアンジュレータモジュール２４ｅの超伝導磁石アセンブリにぶつかる可能性がある。このような散乱電子は物質を通って移動するにつれて、電磁力を介してその物質と相互作用し、低エネルギー電子及び光子の電磁シャワー又はカスケードを発生する。

[00200] アンジュレータモジュール２４ｅは、ビームパイプ４４０からの放射、特に高エネルギー電子及び光子に対して比較的鈍感である。超伝導磁石アセンブリによって吸収されるエネルギーのほとんどは強磁性素子４８０によって吸収される。エネルギーのうちの比較的小さい部分（例えば、おおよそ０．１％）のみが線材４８２のコイルによって吸収され、これは典型的に著しい速度で線材４８２のコイルを損傷するには不十分なものである。

[00201] 放射源ＳＯの諸実施形態については自由電子レーザＦＥＬを含むものとして説明し描写してきたが、放射源は任意の数の自由電子レーザＦＥＬを含むことができることを認識されたい。例えば、放射源は２つ以上の自由電子レーザＦＥＬを含むことができる。

[00202] リソグラフィシステムＬＳについて記載されている諸実施形態は８つのリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８を含むが、リソグラフィシステムＬＳは任意の数のリソグラフィ装置を含むことができる。リソグラフィシステムＬＳを形成するリソグラフィ装置の数は、例えば、放射源ＳＯから出力される放射の量及びビームスプリッティング装置１９内で失われる放射の量に依存する可能性がある。リソグラフィシステムＬＳを形成するリソグラフィ装置の数は、追加的に又は代替的に、１つのリソグラフィシステムＬＳのレイアウト及び／又は複数のリソグラフィシステムＬＳのレイアウトに依存する可能性がある。

[00203] リソグラフィシステムＬＳの諸実施形態は、１つ以上のマスク点検装置ＭＩＡ及び／又は１つ以上の空中査察測定システム（ＡＩＭＳ）も含むことができる。幾つかの実施形態では、リソグラフィシステムＬＳは、ある程度の冗長性を可能にするために複数のマスク点検装置を含むことができる。これにより、あるマスク点検装置が修理されているか又はメンテナンスを受けている時に、他のマスク点検装置を使用することができる。従って、１つのマスク点検装置が必ず使用できる状態になっている。マスク点検装置はリソグラフィ装置より低出力の放射ビームを使用することができる。更に、本明細書に記載されているタイプの自由電子レーザＦＥＬを使用して発生した放射を、リソグラフィ以外の適用例又はリソグラフィ関連の適用例に使用できることが認識されるであろう。

[00204] 上記に記載されているアンジュレータを含む自由電子レーザは、リソグラフィを含むがこれに限定されない幾つかの用途のための放射源として使用できることが更に認識されるであろう。

[00205] 「相対論的電子」という用語は、相対論的エネルギーを有する電子を意味するものと解釈するべきである。電子は、その運動エネルギーがその静止質量エネルギー（自然単位で５１１ｋｅＶ）に匹敵するか又はそれより大きい時に相対論的エネルギーを有すると見なすことができる。実際には、自由電子レーザの一部を形成する粒子加速器は、その静止質量エネルギーよりかなり大きいエネルギーまで電子を加速することができる。例えば、粒子加速器は、＞１０ＭｅＶ、＞１００ＭｅＶ、＞１ＧｅＶ以上のエネルギーまで電子を加速することができる。

[00206] 本発明の諸実施形態は、ＥＵＶ放射ビームを出力する自由電子レーザＦＥＬに関連して記載されている。しかし、自由電子レーザＦＥＬは任意の波長を有する放射を出力するように構成することができる。従って、本発明の幾つかの実施形態は、ＥＵＶ放射ビームではない放射ビームを出力する自由電子を含むことができる。

[00207] 「ＥＵＶ放射」という用語は、４〜２０ｎｍの範囲内、例えば、１３〜１４ｎｍの範囲内の波長を有する電磁放射を包含すると見なすことができる。ＥＵＶ放射は、１０ｎｍ未満、例えば、６．７ｎｍ又は６．８ｎｍなどの５〜１０ｎｍの範囲内の波長を有することができる。

[00208] リソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８はＩＣの製造に使用することができる。代替的に、本明細書に記載されているリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８はその他の適用例も可能である。考えられるその他の適用例としては、集中光学システム、磁気ドメインメモリ用誘導及び検出パターン、フラットパネルディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜磁気ヘッドなどの製造を含む。

[00209] 本発明の特定の実施形態について上記で説明してきたが、本発明は上記以外に実践できることが認識されるであろう。上記の説明は限定的ではなく、例示的なものである。従って、以下に明記されている特許請求の範囲から逸脱せずに、上記の本発明に対して変更が可能であることは当業者には明白であろう。

Claims (45)

1. 周期経路に沿って電子ビームを誘導するためのアンジュレータであって、
   前記アンジュレータに沿って軸方向に延びる１つ以上の周期的磁気構造であって、それぞれの周期的磁気構造が、複数の磁石と複数の受動強磁性素子とを含み、前記複数の磁石が、軸方向に延びる一列に前記複数の受動強磁性素子と交互に配置される、１つ以上の周期的磁気構造を含み、
   前記複数の磁石のそれぞれが、前記電子ビームが辿る前記周期経路から空間的に分離され、
   前記受動強磁性素子のそれぞれが、前記電子ビームが辿る前記周期経路に向かって隣接磁石から半径方向に延びる、アンジュレータ。
2. 複数のスペーサエレメントを更に含み、
   前記複数の磁石のうちの１つ以上が、前記複数のスペーサエレメントのうちの１つによって前記周期経路から分離される、請求項１に記載のアンジュレータ。
3. 前記複数のスペーサエレメントが、非磁性体で形成される、請求項２に記載のアンジュレータ。
4. 前記複数のスペーサエレメントが、比較的小さいモリエール半径と比較的高い密度を有する材料で形成される、請求項２又は３に記載のアンジュレータ。
5. 前記複数のスペーサエレメントが、タングステン又は鉛で形成される、請求項４に記載のアンジュレータ。
6. 前記複数のスペーサエレメントが、２９〜３３、４０〜５１、及び７２〜８３の範囲内の原子番号を有する元素を含む合金で形成される、請求項４に記載のアンジュレータ。
7. 前記複数のスペーサエレメントが、少なくともそれが形成される前記材料の前記モリエール半径の半径厚さを有する、請求項２乃至６のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
8. 前記複数のスペーサエレメントが１ｃｍより大きい半径厚さを有する、請求項２乃至６のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
9. 前記電子ビームが、通過するためのパイプを更に含み、
   前記１つ以上の周期的磁気構造のそれぞれが、前記パイプに沿って軸方向に延びる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
10. 前記複数の磁石のそれぞれが、前記複数のスペーサエレメントのうちの１つによって前記パイプから分離される、直接的又は間接的に請求項２に従属する場合に請求項９に記載のアンジュレータ。
11. 前記周期的磁気構造の長さに沿って前記磁石の分極が正の軸方向と負の軸方向の間で交互になるように、所与の周期構造の前記複数の磁石が配置される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
12. 前記磁石が、希土類磁石を含む、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
13. 前記磁石が、遷移金属と希土類元素の合金で形成される、請求項１２に記載のアンジュレータ。
14. 前記磁石が、サマリウムとコバルトの合金で形成されるサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石を含む、請求項１２又は１３に記載のアンジュレータ。
15. 前記合金が、ホウ素を更に含む、請求項１３又は１４に記載のアンジュレータ。
16. 軸方向に垂直な平面において、前記受動強磁性素子のそれぞれの断面が、隣接磁石と位置合わせされた半径方向外側部分と、前記周期経路に向かって延びる半径方向内側部分と、を含む、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
17. 前記半径方向内側部分が、内側に向かって先細になる、請求項１６に記載のアンジュレータ。
18. 前記アンジュレータの外面上に中性子吸収材を更に含む、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
19. それを通って冷却液を循環させることができる１つ以上の冷却水路が前記アンジュレータに設けられる、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
20. 前記１つ以上の冷却水路が、前記複数のスペーサエレメント内に設けられる、直接的又は間接的に請求項２に従属する場合に請求項１９に記載のアンジュレータ。
21. 前記１つ以上の冷却水路が、前記パイプ内に設けられる、直接的又は間接的に請求項９に従属する場合に請求項１９に記載のアンジュレータ。
22. 一方の側の前記周期経路ともう一方の側の前記磁石及び前記受動強磁性素子との間にサーマルバリアを更に含む、請求項１乃至２１のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
23. 前記サーマルバリアが、一方の側の前記スペーサエレメントともう一方の側の前記磁石及び前記受動強磁性素子との間に設けられる、直接的又は間接的に請求項２に従属する場合に請求項２２に記載のアンジュレータ。
24. 前記サーマルバリアが、一方の側の前記パイプともう一方の側の前記磁石及び前記受動強磁性素子との間に設けられる、直接的又は間接的に請求項９に従属する場合に請求項２２に記載のアンジュレータ。
25. 前記サーマルバリアが、ギャップを含む、請求項２２乃至２４のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
26. 前記ギャップが、真空条件下に保持される、請求項２５に記載のアンジュレータ。
27. 前記サーマルバリアが、前記アンジュレータの１つ以上の表面上にコーティングされた低放射率フィルムを含む、請求項２２乃至２６のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
28. 前記強磁性素子が、９５％を超える鉄を含む軟鉄で形成される、請求項１乃至２７のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
29. 前記強磁性素子が、２０％を超える鉄と２０％を超えるコバルトを含む合金で形成される、請求項１乃至２８のいずれか一項に記載のアンジュレータ。
30. 前記強磁性素子が、Ｆｅ_４９Ｃｏ_４９Ｖ_２の形で鉄、コバルト、及びバナジウムを含む合金で形成される、請求項２９に記載のアンジュレータ。
31. 周期経路に沿って電子ビームを誘導するためのアンジュレータであって、
    前記アンジュレータに沿って軸方向に延びる１つ以上の周期的磁気構造であって、それぞれの周期的磁気構造が複数の磁石を含む、１つ以上の周期的磁気構造と、
    複数のスペーサエレメントと、を含み、
    前記複数の磁石のうちの１つ以上が、前記複数のスペーサエレメントのうちの１つによって前記電子ビームが辿る前記周期経路から空間的に分離される、アンジュレータ。
32. 前記複数のスペーサエレメントが、非磁性体で形成される、請求項３１に記載のアンジュレータ。
33. 前記複数のスペーサエレメントが、比較的小さいモリエール半径と比較的高い密度を有する材料で形成される、請求項３１又は３２に記載のアンジュレータ。
34. 前記複数のスペーサエレメントが、少なくともそれが形成される前記材料の前記モリエール半径の半径厚さを有する、請求項３１乃至３３のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
35. 前記電子ビームが通過するためのパイプを更に含み、
    前記１つ以上の周期的磁気構造のそれぞれが、前記パイプに沿って軸方向に延びる、請求項３１乃至３４のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
36. 前記複数の磁石のそれぞれが、前記複数のスペーサエレメントのうちの１つによって前記パイプから分離される、請求項３５に記載のアンジュレータ。
37. 周期経路に沿って電子ビームを誘導するためのアンジュレータモジュールであって、
    電子ビーム用のビームパイプであって、前記アンジュレータモジュールの軸を画定する、ビームパイプと、
    前記軸に沿って周期磁場を発生するように動作可能な超伝導磁石アセンブリと、
    前記超伝導磁石アセンブリを第１の温度まで冷却するように動作可能な第１の冷却液システムと、
    前記ビームパイプを第２の温度まで冷却するように動作可能な第２の冷却液システムと、
    を含む、アンジュレータモジュール。
38. 前記ビームパイプと前記超伝導磁石アセンブリとの間にサーマルバリアが設けられ、
    前記サーマルバリアが、熱放射によって前記ビームパイプと前記超伝導磁石アセンブリとの間の熱伝達を低減する、請求項３７に記載のアンジュレータ。
39. 前記サーマルバリアが、前記ビームパイプと前記超伝導磁石アセンブリとの間のギャップを含む、請求項３８に記載のアンジュレータ。
40. 前記サーマルバリアが、多層断熱を含む、請求項３８に記載のアンジュレータ。
41. 前記超伝導磁石アセンブリが、１つ以上の周期的磁気構造を含み、
    それぞれが、その周りに超伝導線材のコイルが巻き付けられた複数の強磁性素子を含む、請求項３７乃至４０のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
42. 前記第１の冷却液システムが、冷却液として液体ヘリウムを使用する、請求項３７乃至４１のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
43. 前記第２の冷却液システムが、冷却液として液体窒素を使用する、請求項３７乃至４２のいずれか１項に記載のアンジュレータ。
44. 複数のバンチの相対論的電子を含む電子ビームを発生するための電子源と、
    前記電子ビームがアンジュレータ内の放射と相互作用し、放射の放出を刺激し、放射ビームを提供するように、前記電子ビームを受け取ってそれを周期経路に沿って誘導する請求項１乃至４３のいずれか一項に記載のアンジュレータと、を含む、
    自由電子レーザ。
45. 請求項４４に記載の自由電子レーザと、
    少なくとも１つのリソグラフィ装置であって、前記少なくとも１つのリソグラフィ装置のそれぞれが、前記自由電子レーザが発生した少なくとも１つの放射ビームの少なくとも一部分を受け取る、少なくとも１つのリソグラフィ装置と、を含む、
    リソグラフィシステム。
    

Images