KR102111184B1 - 집속 강-전류 하전 입자 빔 생성 방법 및 장치 - Google Patents

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줄리앙 푹스
브루노 알베르타찌
헨리 페핀
임마누엘 뒤미에르
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에꼴레 폴리테크닉
쌍트르 나쉬오날 드 라 르쉐르스 쉬앙티피끄
인스터? 내셔널 드 라 르세르슈 사이언티피크
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    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/093—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by magnetic means

Abstract

본 발명은 하전 입자들의 집속 빔 생성 방법에 관한 것으로서, a) 하전 입자들의 빔(10)을 생성하는 단계; b) 레이저 펄스(40)를 발산시키는 단계; c) 레이저 펄스와 타겟(50) 사이의 상호작용에 의해 타겟에 집속 자기장 구조(60)를 생성하는 단계; 및 d) 집속 자기장 구조 속으로 하전 입자들의 빔을 적어도 부분적으로 관통시키는 단계를 포함한다.

Description

집속 강-전류 하전 입자 빔 생성 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A FOCUSED STRONG-CURRENT CHARGED-PARTICLE BEAM}
본 발명은 고전류 하전 입자의 집속 빔의 생성 방법 및 그러한 빔의 생성 장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 고전류의 하전 입자의 집속 펄스 빔 생성 방법에 관한 것으로서, 입자들의 빔은 피코초(pico second) 단위의 지속 시간, 킬로-암페어 단위의 전류를 가지며, 메가일렉트론볼트(MeV) 단위의 에너지를 가진 입자들로 형성된다.
예를 들어, 그러한 빔은 고출력 레이저와 고체 또는 기체 타겟 사이의 상호작용에 의해 생성될 수 있다.
이러한 빔은 보통 매우 발산하고 예를 들어, 물리적 현상의 조사, 관성 융해 또는 강렬한 방사선의 생성과 같은 응용 분야를 위해 빔을 집중시킬 필요가 있다.
불행하게도, 그러한 빔의 강도는 빔의 집속을 어렵게 만든다. 따라서, 입자 가속기의 하전 입자 빔을 집속시키기 위해 통상적으로 사용되는 4-극 자석은 강렬한 빔의 전자기장에 의해 교란되어 적절하게 작동하지 않는다.
예를 들어, T. Toncian 등에 의한 "메가일렉트론볼트 양성자의 집속 및 에너지-선택을 위한 초고속 레이저-구동 마이크로렌즈"(SCIENCE, vol. 312, 21 April 2006)에 개시된 것과 같은, 반음계 집속(chromatic focusing) 장치가 알려져 있지만, 그러한 장치는 입자 빔의 스펙트럼의 에너지를 선택하기 때문에 빔의 대부분은 집속되지 않는다.
따라서, 본 발명의 전술한 선행기술의 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 고전류의 하전 입자의 집속 펄스 빔을 생성할 수 있는 장치의 개선을 목적으로 한다.
이러한 기술적 과제를 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른, 하전 입자의 집속 빔 생성 방법은, a) 하전 입자들의 빔을 생성하는 단계; b) 레이저 펄스를 발산시키는 단계; c) 레이저 펄스와 타겟의 상호작용에 의해 집속 자기장 구조를 생성하는 단계; 및 d) 하전 입자들의 빔을 집속 자기장 구조에 적어도 부분적으로 침투시키는 단계를 포함한다.
이러한 기술적 해결책을 통해, 강렬하고 컴팩트한 자기장 구조가 타겟에 생성될 수 있다. 이러한 자기장의 진폭은 빔에 의해 생성된 자기장에 의해 그들을 교란시키지 않으면서 고전류 하전 입자들의 펄스 빔을 집속하기에 충분하다. 집속은 하전 입자 빔의 전체 통과 기간 예를 들어, 몇몇 피코초 동안 안정화될 수 있으므로, 하전 입자들의 펄스 빔의 반음계 집속을 가능하게 한다. 집속 강도는 레이저 펄스의 강도의 함수로서 조절될 수 있다. 하전 입자들의 펄스 빔의 전파 방향에 대하여 자기장 구조를 생성하는 레이저 펄스의 전파 방향을 간단히 변화시킴으로써 양전하 또는 음전하 입자의 집속이 가능하다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 발명은 다음과 같은 하나 및/또는 다른 기술적 해결책을 선택적으로 가질 수 있다.
- 레이저 펄스는 실질적으로 1 테라와트(terawatt) 내지 대략 100 테라와트 사이의 파워를 가질 수 있다.
- 레이저 펄스는 실질적으로 대략 10 펨토초(femtosecond) 내지 대략 10 피코초(picosecond) 사이의 지속 기간을 가질 수 있다.
- c) 단계에서, 레이저 펄스는 초점에서 타겟에 집속되고, d) 단계에서, 하전 입자들의 빔은 초점을 적어도 부분적으로 통과한다.
- 타겟은 금속의 적어도 일부로 제조된다.
- 타겟은 금, 구리 및 알루미늄을 포함하는 리스트로부터 선택된 금속의 적어도 일부로 제조된다.
- 타겟은 전면과 후면 사이의 연장 평면을 따라 실질적으로 연장하고, 전면과 후면은 연장 평면에 수직인 두께 방향으로 서로 반대이고 두께 방향에서 측정된 두께만큼 분리되어 있고, d) 단계에서, 빔은 두께 방향으로 타겟을 실질적으로 통과한다.
- 타겟의 두께는 500 나노미터와 대략 100 마이크로미터 사이에 실질적으로 놓여진다.
- 입자 빔을 생성하는 단계 a)는 생성되는 레이저 펄스의 방출과 레이저 펄스를 생성과 타겟 생성의 상호작용에 의해 입자의 비-집속 빔의 생성을 포함한다.
본 발명의 기술적 과제는, 하전 입자들의 집속 빔 생성 장치에 관한 것으로서, 하전 입자들의 빔을 생성하기 위한 수단; 레이저 펄스를 발산하는 레이저 소스; 및 레이저 펄스와 타겟의 상호작용에 의해 생성되고 하전 입자들의 빔이 적어도 부분적으로 관통하는 집속 자기장 구조를 생성하기 위한 타겟을 구비한다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 있어서, 하전 입자들의 빔을 생성하기 위한 수단은, 생성되는 레이저 펄스를 방출하기 위한 레이저 소스; 및 생성되는 레이저 펄스와 생성되는 타겟의 상호작용시 하전 입자들의 빔을 생성하기 위한 생성 타겟을 선택적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징들과 장점들은 비제한적인 방식에 의해 주어진 본 발명의 다수의 실시예들을 첨부된 도면들과 함께 읽을 때 더 명백해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 고전류의 하전 입자의 빔 집속 장치 및 고전류의 하전 입자의 집속 빔 생성 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 고전류 하전 입자의 집속 빔 생성 방법의 실시예의 제1 레이저 펄스와 제1 타겟 사이의 상호작용의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 고전류 하전 입자의 빔 집속 장치 및 고전류 하전 입자의 집속 빔 생성 장치를 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 고전류 하전 입자의 빔 집속 방법의 상세도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전류 하전 입자의 집속 빔 생성 방법의 플로우챠트이다.
이하, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들에서, 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 고전류 하전 입자들의 집속 펄스 빔(10)의 생성 방법이 개시된다.
그러한 입자들의 빔(10)은 예를 들어, 수십 펨토초 내지 수십 피코초 사이의 피코초 승수의 지속 기간 예를 들어, 300 펨토초를 가질 수 있다. 그러한 입자들의 빔(10)은 예를 들어, 수 암페어 내지 수 메가-암페어와 같이, 킬로-암페어의 전류를 가질 수 있고, 예를 들어, 60 메가일렉트론볼트와 같이, 수십 메가일렉트론볼트 정도까지 많은 에너지를 가진 입자들로 형성될 수 있다.
바람직하게, 입자의 빔(10)은 1 메가일렉트론볼트보다 더 큰 에너지를 가지며, 예를 들어, 입자의 절반 이상과 같은 중요 입자 분량을 포함한다.
그러한 빔은 예를 들어, 물리적 현상의 탐지, 관성 융해 또는 강렬한 방사선의 생성과 같은 응용분야에 사용된다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 그러한 빔(10)은 예를 들어, 고출력 생성 제1 레이저 펄스(20)와 생성하는 제1 타겟(30) 사이의 상호작용에 의해 생성될 수 있다.
생성되는 제1 레이저 펄스(20)는 예를 들어, 대략 수백 테라와트의 고출력을 가질 수 있다.
레이저 빔은 예를 들어, 대략 30 Joules의 에너지 및 대략 300 펨토초를 가진 펄스로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 레이저 펄스의 강도는 예를 들어, 수 줄(Joules) 및 수 킬로-줄 사이일 수 있고, 레이저 펄스의 지속 기간은 수십 펨토초 내지 수십 피코초 사이일 수 있다.
제1 레이저 펄스(20)는 고출력의 제1 레이저 소스(21)에 의해 생성(1100 단계:도 5 참조)되어 전파 방향(XL1)으로 전파된다.
제1 타겟(30)은, 예를 들어, T. Toncian 등에 의한 "메가일렉트론볼트 양성자의 집속 및 에너지-선택을 위한 초고속 레이저-구동 마이크로렌즈"(SCIENCE, vol. 312, 21 April 2006) 및 이 논문에서 인용된 참조문헌에 개시된 두께 15 마이크로미터인 알루미늄 필름과 같이, 고체, 액체 또는 기체 타겟일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 그것은 실질적으로 연장 평면(YT1ZT1)을 따라 연장될 수 있다.
제1 레이저 펄스(20)와 제1 타겟(30) 사이의 상호작용(1200)은 제1 타겟 위에 펄스의 적어도 부분적 집속에 의해 얻어질 수 있다.
따라서, 제1 레이저 펄스(20)는 광 집속 장치 수단에 의해, 예를 들어, 반값전폭(width at half the maximum intensity; "FWHM")이 대략 6마이크로미터의 제한된 치수의 초점(32) 레벨에서, 제1 타겟(30)의 전면(31) 위에 집속된다.
이러한 제1 레이저 펄스(20)는 초점(32)의 레벨에 놓여진 제1 타겟(30)의 원자들의 이온화에 의해 생성 타겟(30)의 전면(31)의 레벨에 플라즈마(34)를 생성한다.
제1 레이저 펄스(20)는 제1 타겟(30)을 가열하고, 제1 타겟을 통과하여 후면(33)의 레벨에서 그곳으로부터 벗어나는 전자들의 부분(35)을 유도할 수 있는 현저한 열 에너지를 타겟(30)의 전자들에 연통시키고, 상기 후면(33)은 제1 타겟의 두께 방향(XT1)에서 전면(31)에 반대되는 생성 타겟(30)의 면으로 되어 있고, 두께 방향(XT1)은 예를 들어, 제1 타겟의 연장 평면(YT1ZT1)에 실질적으로 직교하도록 되어 있다.
일 실시예에 있어서, 생성 타겟(30)의 두께 방향(XT1)과 제1 레이저 펄스의 전파 방향(XL1)은 실질적으로 동일 선상일 수 있다.
변형예로서, 레이저의 전파 방향(XL1)은 제1 타겟의 두께 방향(XT1)에 대해 예를 들어, 45° 또는 그 이상으로 경사질 수 있다. 그러므로, 제1 레이저 펄스(20)는, 실질적으로 생성 타겟(30)의 두께 방향(XT1)에서 움직이도록 설정된 전자들(35)의 빔을 구성하는 생성 타겟(30)의 두께에서 전자(35)의 변위를 생성한다.
후면 레벨에서 제1 타겟의 외측을 연장함으로써, 이러한 전자들은 후면(33) 레벨에서(미터당 테라-볼트의) 현저한 전기장(36)을 생성할 수 있다.
특히, 이러한 전기장(36)은 후면으로부터 이온들(11)을 떼어내기에 충분히 강할 수 있으므로, 하전 입자들(11)의 빔(10)을 생성한다(1200 단계 : 도 5 참조).
하전 입자들(11)의 에너지는 예를 들어, 60 내지 100 메가일렉트론볼트까지 도달할 수 있고, 예를 들어, 펄스당 1011 내지 1013의 범위일 수 있다.
그러한 빔(10)의 펄스는 예를 들어, 피코초 미만 즉, 제1 레이저 펄스의 지속 기간으로 지속될 수 있고, 생성되는 전류는 수 킬로-암페어 내지 수 백 킬로-암페어일 수 있다.
제1 레이저 펄스(20)에 의해 생성하는 제1 타겟(30)의 두께 방향으로 이동하도록 설정된 전자(35)의 빔은 발산할 수 있다. 따라서, 생성되는 하전 입자들(10)의 빔도 이와 유사하게 발산할 수 있다.
이것은 본 명세서에서 언급한 것들을 포함하는 다양한 응용분야에 그것을 사용하기 위해 입자들의 빔을 집속할 필요가 있다.
따라서, 도 1 내지 도 5를 참조하면, 고전류 하전 입자들의 집속 빔을 생성하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함할 수 있다.
단계 a)는 예를 들어, 전술한 작동에 의해 입자들(10)의 빔의 생성을 포함한다.
제2 단계 b)(2100)는 제2 레이저 펄스(40)의 방출을 포함할 수 있다.
이러한 제2 레이저 펄스(40)는 수 테라와트, 수십 테라와트 또는 그 이상의 파워를 가질 수 있다.
이러한 제2 레이저 펄스(40)는 대략 십 펨토초 내지 수십 피코초 사이의 지속 기간을 가질 수 있다.
제2 레이저 펄스(40)는 도 1에 도시된 바와 같은 제2 레이저 소스(41)에 의해 발산될 수 있고, 아니면 대안적으로, 그것은 도 3a에 도시된 바와 같은 고출력 레이저 소스(21)에 의해 발산될 수 있고, 예를 들어, 미러(mirrors)와 같은 집속 장치들(42)에 의해 재집속되어, 제1 타겟(30)을 피해갈 수 있다.
제2 단계 b)(2100)는 후술하게 될 제2 레이저 펄스(40)의 레이저 콘트래스트의 증가를 포함할 수 있다.
제2 레이저 펄스(40)는 메인 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스 바로 직전에 전파되는 제2 레이저 펄스(40)의 프리-펄스(pre-pulse)를 포함할 수 있다.
레이저 콘트래스트 증가 장치는 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스에 대한 제2 레이저 펄스(40)의 프리-펄스의 강도를 현저하게 감소시킬 수 있는 장치이다.
레이저 콘트래스트를 증가시키기 위해 장치의 상류로 전파하는 제2 레이저 펄스(40)를 위해, 들어오는 비율(incoming ratio)은 예를 들어, 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스의 최대 강도와 제2 레이저 펄스(40)의 프리-펄스의 최대 강도 사이의 비로서 정의된다.
레이저 콘트래스트를 증가시키기 위해 장치의 하류로 전파하는 제2 레이저 펄스(40)를 위해, 나가는 비율(outgoing ratio)은 예를 들어, 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스의 최대 강도와 제2 레이저 펄스(40)의 프리-펄스의 최대 강도 사이의 비로서 정의된다.
레이저 콘트래스트를 증가시키기 위한 장치는 예를 들어, 나가는 비율이 들어오는 비율보다 대략 100배 더 큰 그러한 장치일 수 있다.
레이저 콘트래스트를 증가시키기 위한 장치는 특히, 다음과 같은 방식의 집속 장치(42)에 통합될 수 있다.
집속 장치(42)는 예를 들어, 투명 유리 플레이트와 같이, 레이저의 파장을 위해 투명한 플레이트를 구비할 수 있다.
제2 레이저 펄스(40)는 법선으로부터 경사진 입사 각도로 집속 장치(42)를 타격할 수 있다.
제2 레이저 펄스(40)는 제2 레이저 펄스(40)의 프리-펄스가 집속 장치(42)를 통과할 수 있도록 충분히 낮은 플루엔스(fluence)를 갖거나, 수 퍼센트의 강도에 의해서만 반사될 수 있다.
제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스의 강도는 높게 되어 있고, 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스 특히, 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스의 상승 에지(rising edge)는 집속 장치(42)의 표면에 플라즈마를 촉발시킬 수 있다.
집속 장치(42)의 표면의 플라즈마는 예를 들어, 50 퍼센트 내지 80 퍼센트의 강도에 의해 제2 반사 레이저 펄스로서 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스를 반사시킬 수 있다.
"집속 장치의 표면의 플라즈마"는 제2 레이저 펄스(40)의 메인 레이저 펄스의 적어도 일부를 반사할 수 있는 플라즈마 미러(mirror)를 의미한다.
제2 반사 레이저 펄스는 본 실시예의 나머지를 위한 집속 장치들(42)에 의해 재집속된 제2 레이저 펄스(40)를 구성할 수 있다.
레이저 콘트래스트를 증가시키기 위한 그러한 장치는 투명 플레이트를 구비하고, 예를 들어, 나가는 비율이 들어오는 비율 보다 대략 10배 더 클 수 있다.
레이저 콘트래스트를 증가시키기 위한 장치는 반사방지 처리가 된 투명 플레이트를 구비하고, 예를 들어 나가는 비율이 들어오는 비율보다 대략 100배 더 클 수 있다.
제3 단계 c)(2200)는 제2 레이저 펄스(40)와 제2 타겟(50)의 상호작용에 의해 제2 타겟(50)에 집속 자기장 구조(60)의 생성을 포함할 수 있다.
제2 타겟(50)은 예를 들어, 고체 타겟일 수 있다. 그것은 금속 타겟일 수 있다.
제2 타겟(50)은 예를 들어, 금, 알루미늄 또는 구리로 제조된 부품을 포함할 수 있다.
제2 타겟(50)은 예를 들어, 연장 평면(YT2ZT2)을 따라 연장할 수 있고, 연장 평면(YT2ZT2)에 직교하는 두께 방향(XT2)에서 서로에 대해 반대되는 전면(51)과 후면(53)을 구비한다.
전면(51)과 후면(53)은 두께 방향(XT2)에서 측정된 두께에 의해 분리될 수 있고, 예를 들어, 500 나노미터 내지 대략 100 마이크로미터 범위, 예를 들어, 대략 10 마이크로미터일 수 있다.
제2 펄스(40)와 제2 타겟(50) 사이의 상호작용은 타겟 위에서 펄스의 적어도 부분적 집속에 의해 얻어질 수 있다.
따라서, 제2 레이저 펄스(40)는 예를 들어, 반값전폭(width at half the maximum intensity; "FWHM")이 대략 6마이크로미터의 제한된 치수의 초점(52)에서 제2 타겟의 전면(51)에 집속될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 레이저 펄스(40)는 수평 두께 방향(XT2)과 실질적으로 동일 선상인 전파 방향(XL2)으로 전파될 수 있다.
변형예로서, 레이저의 전파 방향(XL2)은 제2 타겟의 두께 방향(XT2)에 대해 경사질 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2 레이저 펄스(40)와 제2 타겟(50) 사이의 상호작용은 제1 레이저 펄스와 제1 타겟 사이의 상호작용과 관련하여 전술한 메커니즘과 유사한 메커니즘에 따른 전자(55)의 제1 변위를 생성한다.
일 실시예에 있어서, 제2 타겟(50)의 전면(51)은 전자(55)의 제1 변위를 제어하기 위해 예를 들어, 릴리프 패턴에 의해 조각될 수 있다.
전자(55)의 제1 변위는 제2 타겟(50)의 전면(51)으로부터 후면(53)을 향할 수 있고, 제2 타겟의 두께 방향(XT2)을 실질적으로 향하고 제2 타겟(50)의 두께 방향(XT2)을 따를 때 초점(52)의 연장에 위치되는 제2 타겟(50)의 변위 전류를 생성할 수 있다.
전자(55)의 제1 변위 때문에, 제2 타겟의 전면(51)의 초점(52)에 근접하게 위치된 제2 타겟(50)의 구역(54)의 전자 밀도가 낮아질 수 있다.
전자 밀도의 이러한 낮아짐은 전자(56)의 제2 변위를 생성할 수 있고, 이것은 구역(54)에서 전자 중립을 복구하기 위해, 제2 타겟(50)으로부터 전체로서 초점에 근접하게 위치된 제2 타겟의 구역(54)을 향하는 것을 예정한다.
전자(56)의 이러한 제2 변위는 제2 타겟에서 리턴 전류를 생성할 수 있다.
이러한 리턴 전류는 변위 전류와 다르게 향할 수 있다.
그러면, 변위 전류와 리턴 전류는 제2 타겟(50)에서 자기장(60)을 생성할 수 있다.
이러한 자기장(60)은 아래에서 설명될 집속 자기장 구조(60)를 구성할 수 있다.
변위 전류는 제2 타겟의 두께 방향(XT2)을 향하고, 따라서, 자기장(60)은 제2 타겟(50)의 두께 방향(XT2)에 직교할 수 있다.
리턴 전류는 제2 타겟의 두께 방향(XT2)에 적어도 부분적인 방사 방향을 향하고(즉, 두께 방향(XT2)에 대한 방사 방향에서 적어도 하나의 영(zero)이 아닌 성분을 가지며), 그러므로 자기장(60)은 제2 타겟(50)의 두께 방향(XT2)과 두께 방향(XT2)의 방사 방향에 직교하는 원주(또는 직교-방사) 방향에서 적어도 하나의 영이 아닌 성분을 구비할 수 있다.
제2 타겟(50)의 두께 방향(XT2)과 실질적으로 동일 선상의 축 방향의 어느 일측에 위치된 자기장(60)은 반대 의미의 성분들을 구비할 수 있다.
자기장(60)에 의해 형성되는 집속 자기장 구조(60)는 제2 타겟(50)의 두께 방향(XT2)과 동일 선상의 축에 대해 축 대칭을 나타낼 수 있다.
따라서, 자기장(60)에 의해 형성된 집속 자기장 구조(60)는 제2 타겟(50)의 두께 방향(XT2)에 대해 도넛형(toroidal) 또는 관상(solenoidal)의 기하학적 구조를 가질 수 있다.
제4 단계 d)(2300)에서, 전술한 바와 같은 고전류의 하전 입자들 빔(10)은 집속 자기장 구조(60)를 적어도 부분적으로 침투할 수 있다.
입자의 빔(10)은 예를 들어 제2 타겟(50)의 두께 방향(XT2)에 실질적으로 동일 선상의 전파 방향과 같은 전파 방향(XP)에서 전파될 수 있다.
입자의 빔(10)의 전파 방향은 예를 들어, 빔이 구성하는 입자들의 전파 방향의 평균 벡터로 이해될 수 있다.
입자들의 빔(10)은 예를 들어, 전면(51)에 위치된 초점(52)의 레벨에서 전면(51) 레벨에서 제2 타겟(50) 속으로 적어도 부분적으로 침투하도록 배치될 수 있다.
빔(10)을 구성하는 입자(11)가 하전되어 있으므로, 그들은 집속 자기장 구조(60)에 의해 편향될 수 있다.
특히, 제2 레이저 펄스(40)와 제2 타겟(50) 사이의 상호작용에 의해 생성되는 집속 자기장 구조(60)는 빔(11)의 입자들의 적어도 현저한 분량의 편향에 의해 하전 입자(10)의 집속이 가능하다.
입자들(11)은 특히, 빔(10)의 전파 방향(XP)으로부터 편향될 수 있다. 즉, 입자들(11)은 빔의 전파 방향(XP)의 방사 방향으로 편향될 수 있다.
입자들(10)을 구성하는 빔의 입자들(11)의 각각의 전하의 표시에 따라, 집속 자기장 구조(60)는 빔의 전파 방향(XP)의 빔의 입자들(11)을 편할될 수 있거나, 반대 방향에서 입자들의 빔을 집속하거나 초점을 흐리게 할 수 있다.
도 3b에 도시된 대안적 실시예에 있어서, 입자 빔(10)은 그 후면(53)의 레벨에서 제2 타겟(50)을 적어도 부분적으로 침투하도록 배치될 수 있고 전면(51)의 방향에서 제2 타겟(50)에서 전파된다.
이 실시예에 있어서, 집속 자기장 구조(60)는 도 1 및 도 3a의 실시예에서 설명된 구조(60) 즉, 전술한 실시예의 구조의 자기장의 방향과 반대이다. 빔(11)의 입자들의 각각의 편향은 전술한 실시예에 대해 반대로 되고 빔(10)은 도 1 및 도 3a의 실시예에 대해 반대 방식으로 구성된 입자들의 전하에 따라 초점이 흐려지거나 집속될 것이다.
그러한 집속 장치(100) 또는 생성 장치(200)의 집속 간격은 변조될 수 있다.
따라서, 예를 들어, 제2 레이저(40)의 강도의 감소에 의해, 전자들(55)(56)의 변위 및 제2 타겟(50)에 생성되는 전류가 감소될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 생성되는 자기장(60)이 감소될 수 있고 입자들(10)의 빔의 입자 편향이 더 작게 될 것이다.
집속 장치(100) 또는 생성 장치(200)에 의해 수행되는 집속이 따라서 덜 현저할 수 있고 집속 간격은 더 클 수 있다.
반대로, 예를 들어, 제2 레이저(40)의 강도의 증가에 의해, 집속 장치(100) 또는 생성 장치(200)에 의해 수행되는 집속이 증가될 수 있고 집속 간격은 감소될 수 있다.
제2 타겟(50)을 위한 다른 물질의 사용은 집속 장치(100) 또는 생성 장치(200)에 의해 수행되는 집속에 영향을 미칠 수 있다.
특히, 예를 들어, Y. Sentoku 등의 논문 "이온화-구동 저항률 자기장을 사용한 금속의 메가-암페어 전자 전류의 역학 제어"(Physical Review Letters, vol. 107, 135005, 2011) 및 이 논문에서 인용된 참고문헌에 개시된 것과 같은 재료의 저항률 및 이온화의 역학 및 재료의 가열의 함수로서, 생성되는 자기장의 크기를 변화시킬 수 있도록 여러 가지의 재질들을 당업자가 선택할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고강도 하전 입자 빔 집속 장치(100) 또는 고강도의 하전 입자 집속 빔 생성 장치(200)는 다양한 여분의 모듈을 더 구비할 수 있다.
따라서, 진공 챔버(70)는 상기 장치들(100)(200) 및 특히, 적어도 레이저(40) 및 타겟(50)을 수용할 수 있다.
진공 챔버(70)는 하전 입자 빔(10)이 진공 챔버를 떠나게 허용하는 윈도우(71)가 설비될 수 있다.
진공 챔버(70)는 장치들(100)(200)의 출구에서 주변 방사선 또는 입자를 막을 수 있는 콜리메이터(80)가 설비될 수 있다.
진공 챔버(70)는 방사선을 막기 위한 모듈이 설비될 수 있고, 예를 들어, 철, 납 또는 우라늄과 같이, 높은 원자 수를 가진 물질을 구비할 수 있다.
진공 챔버(70)는 예를 들어, 자기장에 근거한 편향 모듈과 같이, 유사한 전파 방향을 가진 하전 입자 빔과 방사선을 분리할 수 있는 빔 편향 모듈이 구비될 수 있다.
진공 챔버(70)는 하나 또는 그 이상의 진공 펌프(72)에 의해 진공 처리되어 진공으로 유지될 수 있다.
10...빔 11...이온
20...제1 레이저 펄스 30...제1 타겟
31...전면 33...후면
34...플라즈마 35...전자
36...전기장 40...제2 레이저 펄스
41...제2 레이저 소스 42...집속 장치
50...제2 타겟 51...전면
52...초점 53...후면
54...구역 55...전자
60...자기장 구조 70...진공 챔버
71...윈도우 80...콜리메이터
100...빔 집속 장치 200...빔 생성 장치

Claims (13)

  1. 하전 입자들의 집속 빔 생성 방법에 있어서,
    a) 하전 입자들의 빔(10)을 생성하는 단계로서, 생성되는 제1 레이저 펄스(20)를 발산시키는 단계(1100), 및 상기 제1 레이저 펄스와 제1 타겟(30) 사이의 상호작용에 의해 입자들의 비-집속(non-focused) 빔(10)을 생성하는 단계(1200);
    b) 메인 레이저 펄스 및 상기 메인 레이저 펄스 바로 직전에 전파되는 프리-펄스(pre-pulse)를 포함하는 제2 레이저 펄스(40)를 발산시키는 단계(2100);
    c) 상기 제2 레이저 펄스와 제2 타겟(50) 사이의 상호작용에 의해 상기 제2 타겟에 집속 자기장 구조(60)를 생성하는 단계(2200); 및
    d) 상기 집속 자기장 구조 속으로 하전 입자들의 빔을 적어도 부분적으로 관통시키는 단계(2300)를 포함하고,
    상기 b) 단계에서, 상기 메인 레이저 펄스에 대한 상기 프리-펄스의 세기를 감소시킴으로써 상기 제2 레이저 펄스(40)의 레이저 콘트래스트를 증가시키는, 집속 빔 생성 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 레이저 펄스(40)는 1 테라와트 내지 100 테라와트 사이의 파워를 가지는, 집속 빔 생성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 레이저 펄스(40)는 10 펨토초 내지 10 피코초 범위의 지속 기간을 가지는, 집속 빔 생성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    c) 단계에서, 상기 제2 레이저 펄스(40)는 초점(52) 레벨에서 상기 제2 타겟(50)에 집속되고,
    d) 단계에서, 하전 입자들의 빔(10)은 초점을 적어도 부분적으로 통과하는, 집속 빔 생성 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 타겟(50)은 금속의 적어도 일부로서 제조된, 집속 빔 생성 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 타겟(50)은 금, 구리, 알루미늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속의 적어도 일부로 제조되는, 집속 빔 생성 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 타겟(50)은 전면(51)과 후면(53) 사이의 연장 평면(YT2,ZT2)을 따라 연장하고,
    전면과 후면은 연장 평면에 직교하는 두께 방향(XT2)에서 서로 반대로 되어 있고 두께 방향에서 측정된 두께에 의해 분리되고,
    d) 단계에서, 빔(10)은 두께 방향에서 상기 제2 타겟을 통과하는, 집속 빔 생성 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 타겟(50)의 두께는 500 나노미터 내지 100 마이크로미터의 범위인, 집속 빔 생성 방법.
  10. 삭제
  11. 하전 입자들의 집속 빔 생성 장치에 있어서,
    제1 레이저 펄스(20)를 발산하기 위한 제1 레이저 소스(21), 및 상기 제1 레이저 펄스(20)와 제1 타겟(30) 사이의 상호작용에 따라 하전 입자들의 빔(10)을 생성하기 위한 상기 제1 타겟(30)을 구비하는, 하전 입자들의 빔(10)을 생성 수단(21,30);
    메인 레이저 펄스와 상기 메인 레이저 펄스 바로 직전에 전파하는 프리-펄스를 포함하는 제2 레이저 펄스(40)를 발산하기 위한 제2 레이저 소스(41);
    상기 제2 레이저 펄스와 제2 타겟(50) 사이의 상호작용에 의해 집속 자기장 구조(60)를 생성하기 위한 상기 제2 타겟(50); 및
    상기 메인 레이저 펄스에 대한 상기 프리-펄스의 세기를 감소시킴으로써 상기 제2 레이저 펄스(40)의 레이저 콘트래스트(42)를 증가시키기 위한 부재를 구비하고,
    상기 하전 입자들의 빔이 자기장 구조 속으로 적어도 부분적으로 침투하는, 집속 빔 생성 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
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