KR20080021760A - 광학 언듈레이터를 이용하는 고효율 단색성 엑스-선원 - Google Patents
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Abstract
고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 방법은, 복수의 분리된 방사 간격의 각각 동안, 주어진 파장의 방사선에 대해 소정의 왕복 횡단 시간(RTTT)을 갖는 광학 공동(optical cavity)으로 상기 주어진 파장의 레이저 방사선을 주사하는 단계를 포함한다. 적어도 소정 개수의 방사 간격들이 하나 또는 그 이상의 광학 매크로펄스에 의해 정의되고, 적어도 하나의 광학 매크로펄스는 연관된 순환 광학 마이크로펄스를 발생시키고, 상기 순환 광학 마이크로펄스는 상기 광학 매크로펄스 내의 후속하는 광학 마이크로펄스에 의해 보강 간섭되며, 상기 공동 내의 주어진 소정 위치에서의 상기 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭은 상기 방사 간격 중에 최대값에 도달한다.
고에너지 전자기 방사선, 광학 마이크로펄스, 광학 매크로펄스, 전자 마이크로펄스, 전자 빔, 광학 공동.
Description
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은 2005년 6월 2일 자로 출원된 미국 특허 출원 제60/687,014호를 35 U.S.C. §119(e) 규정에 의한 우선권 주장의 기초로 하고, 상기 출원에 개시된 전체 기재를 참조에 의해 편입시킨다.
본 발명은 일반적으로 X선 및 다른 고에너지 전자기 방사선(단파장)의 제조에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 단파장의 전자기 방사선을 발생시키기 위해, 상대론적 전자(relativistic electron)를 상대적으로 장파장을 갖는 전자기 방사선과 상호 작용하도록 하는 기술에 관한 것이다.
언듈레이터(undulator)를 채용한 전자 빔 기반의 전자기 방사선원(radiation source)의, 강하고 단색에 가까우며 전방에서 피크를 갖는 방사선 빔을 발생시키는 고유한 성능은, 언듈레이터를 제2 및 제3 세대 싱크로트론(synchrotron) 방사선원 과 자유 전자 레이저와 같은 진보된 광원의 필수적 컴포넌트로 만들었다. 따라서, 스탠포드(모츠(Motz), 1951년)에서의 개념 및 제1 논증에 대한 선구적인 보고서를 시작으로, 자유 전자 레이저의 개발(메이디(Madey), 1971년) 및, 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)(덱커(Decker), 1996년), 로렌스 버클리 연구소(Lawrence Berkeley Laboratory)(로빈슨(Robinson), 1991년), 스탠포드 선형 가속기 센터(Stanford Linear Accelerator Center)(헤텔(Hettel), 2002년) 및 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)(갈레이다(Galayda), 1995년)에서의 제2 세대 싱크로트론 방사선원의 개발과 관련하여 그 개념과 구현에 대한 많은 발행된 보고서들에 이르기까지, 문헌에서의 언듈레이터 기술과 언듈레이터 사용에 관한 많은 참고 문헌이 존재한다.
현재까지 구축된 이러한 시스템 중 거의 모두는, 정지된 횡방향의 공간주기적인 자기장을 생성하도록 설계된 선형 배열의 양극(dipole) 자석들로서 구축된 언듈레이터를 채용하는데, 이러한 자기장에서 로렌츠 힘(Lorentz force) ev×B의 자기적 성분이 상기 장을 통해 움직이는 전자의 움직임에 주기적인 횡방향 가속도와 주기적인 횡방향 속도를 모두 부여한다. 전형적인 자석 주기는, 원하는 방사선의 파장 및 상기 시스템에서 사용될 수 있는 전자 빔의 에너지에 따라서 1cm보다 작은 소정의 값으로부터 10cm 단위에 이르는 값의 범위를 갖는다. 방사된 전력을 최대화하면서 고조파(harmonics)에서의 방출을 제한하기 위해, 상기 시스템들은 전형적으로 0.1과 1.0 사이의 단위의 정규화된(normalized) 벡터 포텐셜 an에서 작동된다. 전형적인 언듈레이터 길이는, 원하는 스펙트럼 대역폭을 달성하기 위해 요구되는 바에 따라 1m에서 10m 사이의 범위를 갖는다. 예를 들면, 3.0GeV의 전자 에너지에서 1%의 스펙트럼 대역폭을 갖는 10Å 파장의 X선과, 최소 각도로 발산되는 전자 빔을 생산하기 위해 설계된, an 2=0.2에서 동작하는 언듈레이터는 5.7cm의 주기와 3m의 길이를 가질 것이다.
상기 시스템에 이용된 언듈레이터의 연장된 길이와 함께, 동작에 요구된 고에너지, 고전력 전자 빔을 발생시키기 위해 필요한 가속기 시스템의 크기, 비용 및 복잡도는, 그러한 광원들이 물리적인 크기가 크고 고가가 되도록 하였다. 예를 들면, 브룩헤이븐, 로렌스 버클리 연구소, 스탠포드 및 아르곤에서 개발된 X선 광원은 각각, 1억 6천만 달러에서 5억 달러 범위의 구축 비용과 함께 54, 63.75 및 350m의 직경을 갖는다.
또한, 관련된 물리적 현상인 역콤프턴 산란(inverse Compton scattering)이 싱크로트론 방사선원(루스(Ruth) 1998년, 루스 2000년, 및 하터먼(Harteman) 2004년)과 자유 전자 레이저(엘리어스(Elias) 1979년)에 있어서의 단파장 전자기 방사선의 생산을 위한 수단으로서 연구되었다. 역-콤프턴 메커니즘은 두 가지의 기본적인 물리 효과, 즉 입사된 전자기파가 단일 전자에 의해 산란되는 콤프턴 산란 및, 움직이는 전하에 의해 방출된 방사선이 움직임 방향을 따라 진동수가 높아지는 도플러 시프트(shift)를 결합한다.
그러나, 문헌(헤이틀러(Heitler) 1960년)에 기재된 바와 같이, 콤프턴 산란 의 개념은 상기 메커니즘이 단일 광자의 산란으로서 설명될 수 있을 때만 적용될 수 있고, 입사된 전자기파의 전기 및 자기장이 빛의 속도에 가까운 횡방향 속도를 유발하기에 충분할 정도로 강할 때, 예를 들면, 상기 장(field)들의 정규화된 벡터 포텐셜이 1에 접근하는 때에는 유효하지 않다. 낮은 장 진폭에 대한 이러한 제한과 방사된 전력의 상기 장 진폭의 제곱에의 비례성 하에서, 현재까지는 전자 빔 기반의 역-콤프턴 광원이 언듈레이터 기반의 광원에 비해 경쟁력이 있는 것으로 증명되지 않았다.
본 발명의 일 국면에 있어서, 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 방법은, 복수의 분리된 방사 간격의 각각의 간격 동안, 주어진 파장의 방사선에 대해 소정의 왕복 횡단 시간(round-trip transit time; RTTT)을 갖는 광학 공동(空洞)으로 상기 주어진 파장의 레이저 방사선을 주사하는 단계를 포함한다. 적어도 소정의 방사 간격이 하나 또는 그 이상의 광학 매크로펄스에 의해 정의되고, 적어도 하나의 광학 매크로펄스는, 상기 광학 매크로펄스 내의 후속하는 광학 마이크로펄스에 의해 보강 간섭되는 연관된 순환 광학 마이크로 펄스를 발생시키며, 상기 공동 내의 주어진 소정 위치에서의 상기 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭은 상기 방사 주기 중에 최대값에 도달한다.
"레이저"라는 용어가 사용되는데, 이는 현재 시점에서 레이저들이 (전력 면에서) 유일한 실용적인 간섭성 방사선원을 나타내기 때문이다. 신규하게 발견된 간섭성 광원이 유용한 것으로 증명된다면, 상기 "레이저"라는 용어는 그러한 광원을 포함하는 것으로 의도될 것이다.
본 방법에서, 순환 광학 마이크로펄스를 발생시키는 적어도 하나의 광학 매크로펄스는 일련의 광학 마이크로펄스들을 포함하는데, 상기 일련의 광학 마이크로펄스들에 있어서, 하나의 광학 마이크로펄스의 시작 지점과 다음 차례의 광학 마이크로펄스의 시작 지점의 간극(spacing)이, 상기 주어진 파장의 방사선에 대한 RTTT의 정확한 정수배(1배를 포함함)에 근접하여, 주사된 광학 마이크로펄스들과 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 마이크로 펄스의 사이에 적어도 50%의 공간적 중첩을 제공하고, 상기 광학 매크로펄스 내의 상기 주사된 광학 마이크로펄스는 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 펄스에 대해 ±45°내의 광학적 위상을 갖는다.
본 방법은, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭이 최대값 또는 그에 근접한 값을 가질 때, 상기 순환 광학 마이크로펄스가 상호 작용 영역에 0.1보다 큰 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 광학 언듈레이터장을 제공하도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 순환 마이크로펄스의 초점을 맞추는 단계 및, 일련의 전자 마이크로펄스를 포함하는 전자 빔이 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하도록 하는 단계를 더 포함한다. 적어도 소정 개수의 상기 전자 마이크로펄스가 상기 공동 내의 상기 순환 광학 마이크로펄스와 동기화되고, 적어도 하나의 전자 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역에서 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고, 상기 레이저 방사선의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점이 맞춰진다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 현재 세대의 언듈레이터 기반의 싱크로트론 방사선원에서 달성될 수 있는 것들에 비교될 만한 성능 수준에서의 동작이, 광학 언듈레이터, 즉, 일련의 강한 광학 펄스들을 이용하여 획득될 수 있는데, 상기 광학 언듈레이터에서, 정규화된 벡터 포텐셜이 0.1 또는 그 이상의 단위로, 이러한 일련의 펄스들을 통해 움직이는 상대론적 전자에 의한 자외선, X-선 및 감마선 방사선의 방출이 최적화되는 값의 범위로 상승한다. 그러나, 이러한 정규화된 벡터 포텐셜에서 동작하는 영구 자석 언듈레이터와 비교하면, 상기와 같은 광학 언듈레이터 내의 단위 길이당 방사된 X-선 전력은 10,000 단위의 배수(倍數)만큼 더 크다.
동등하게 중요한, 상기 소스들의 동작에 필요한 전자 에너지는 같은 배수의 제곱근 크기만큼 감소되어, 크기, 비용 및 동작 경비를 상당히 감소시킬 수 있다. 최종적으로, 자기 언듈레이터의 사용에 기초한 단파장 방사선원과 비교하면, 연속하는 방사 간격에서 광학 언듈레이터를 포함하는 광학 펄스 열(train)의 파장과 형식을 변경할 수 있는 성능은, 사용에 필요한 단색 및 다색의 X-선 펄스의 발생에 있어서의 소정 수준의 유연성이 제공될 수 있도록 하는데, 이는 기존의 자기 언듈레이터의 사용을 통해서는 획득될 수 없다.
실질적으로 동심인(concentric) 광학 공동의 광학적 특성은, 하나 또는 그 이상의 저전력 펌프 레이저로부터 상기 공동 내로 주사된 광전력을 통합하고, 당해 축적된 에너지를 상기 공동 내의 진공에서의 작은 스폿(spot)에 집중시킴으로써, 본 발명의 동작에 필요한 강한 광학 펄스를 발생시킬 수 있도록 한다. 적합한 설계에 의해, 상기 공동의 내부 표면에서의 피크 광전력 밀도 및 에너지 밀도(fluence)가, 회절에 의해 상기 표면의 피크 전력 손상 문턱값(threshold)에 부합되는 수준으로 감소될 수 있다. 나아가, 펌프 레이저(들)이 상기 공동 내로 광전력을 주사하는 시간 간격을 제한함으로써, 상기 표면에 입사된 에너지 밀도 및 평균 광전력이, 통합된 펄스 및 평균 전력 손상 문턱값 이하로 유지될 수 있다.
전문 용어의 관점에서, 상기 광학 공동에 입사되거나 그 내부에 저장된 개별적인 광학 펄스들을 광학 마이크로펄스라고 하고, 상기 광학 마이크로펄스들이 상기 광학 공동 내에 주사되는 동안의 서로 이격된 간격들을 방사 간격이라고 하는 것이 편리하다. 따라서, 상기 공동 내로 입사된 레이저 방사선은, 서로 다른 두 가지의 시간 척도, 즉, 방사 간격이라는 시간 척도와 마이크로펄스라는 시간 척도에 의해 결정되는 계층적인 펄스 구조를 갖는다. 이하에 기술되는 바와 같이, 본 시스템 및 방법은, 상기 공동 내로 주사된 광학 마이크로펄스가 상기 공동 내에서 순환 광학 마이크로펄스를 보강 간섭하여, 주어진 순환 광학 마이크로펄스의 진폭을 증가시키도록 구성된다.
본 출원에서, 주사된 광학 마이크로펄스가 순환 광학 마이크로펄스를 보강 간섭한다는 문맥에 있어서의 "보강 간섭"이라는 용어는, 주사된 광학 마이크로펄스의 진폭과 순환 광학 마이크로펄스의 진폭이 더해지는 것을 의미하도록 사용될 것이다. 이는 상기 두 마이크로펄스가 서로 정확히 같은 광학적 위상을 갖는 경우에 일어나지만, 상기 용어는 0의 위상 차이로부터의 소정의 가능한 정도의 이탈도 고려한다. 유사하게, 상기 용어는 주사된 광학 마이크로펄스와 상기 순환 광학 마이크로펄스의 포락선들(폭과 도달 시간) 사이의 100%의 중첩으로부터의 소정의 가능한 이탈을 고려한다.
예를 들면, 대표적 실시예에서, 주사된 광학 마이크로펄스의 위상과 상기 순환 광학 마이크로펄스의 위상 간의 ±20도의 위상 차이는 상대적으로 유효한 보강을 여전히 제공할 것이다. 유사하게, 상기 순환 마이크로펄스와 상기 주사된 마이크로펄스들의 포락선들 사이의 10%만큼 비-중첩(non-overlap)은 상대적으로 유효한 보강을 여전히 제공할 것이다.
따라서, 주사된 마이크로펄스들의 위상을 저장된 순환 마이크로펄스의 위상의 ±20°내로 유지하고, 주사된 마이크로펄스들의 포락선들의 시간적 폭과 도달 시간을 상기 순환 광학 마이크로펄스(들)의 폭의 10% 내로 유지함으로써, 유효한 보강이 달성된다. 그러나, 동일한 값의 an에 대해 결과적으로 보다 낮은 주사 효율과 보다 높은 광학 마이크로펄스 주사 전력을 야기한다 하더라도, "보강 간섭"의 정의는 ±45°단위의 한도까지의 위상 차이와 광학 마이크로펄스 지속 시간의 ±50% 단위의 비-중첩을 포함할 정도로 충분히 넓다.
순환 광학 마이크로펄스가 주사된 광학 마이크로펄스에 의해 보강 간섭될 때마다, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 진폭이 증가한다. 그러나, 한번의 왕복 후, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 진폭은 공동(空洞) 손실로 인해 감소할 것이다. 상기 왕복에 대한 공동 손실이 상기 보강 간섭으로 인한 증가보다 작은 한, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 진폭은 계속하여 증가할 것이다. 미러 손실은 입사된 광전력에 대해 백분율로서 비례하므로, 진폭이 클수록 손실도 커진다. 소정의 지점에서, 상기 공동 손실이 상기 보강 간섭의 양과 동일하게 될 것이고, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 진폭은 증가를 멈출 것이다. 상기 광학 매크로펄스가 일단 종료되면, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 진폭이 감소하기 시작할 것은 명확하다.
본 출원에서, "광학 매크로펄스"라는 용어는 방사 간격 내의 일련의 마이크로펄스들을 의미하도록 사용될 것이고, 상기 일련의 마이크로펄스들은, 하나의 광학 마이크로펄스의 시작 지점과 다음 차례의 광학 마이크로펄스의 시작 지점의 사이에, 광학 마이크로펄스가 상기 광학 공동을 한번 왕복 횡단하는 시간 간격의 실질적으로 정확한 정수배(1배를 포함함)와 동일한 크기의 간극을 갖는다. 이러한 왕복 횡단 시간 간격을 "RTTT"라고 할 것이다. 상기 정의에 의해, 주어진 하나의 광학 매크로펄스는, 하나의 순환 광학 마이크로펄스를 (다른 가능한 제한들 하에서) 보강 간섭하는 일련의 광학 마이크로펄스들을 포함한다. 일반적으로 상기 광학 마이크로펄스들은, 실질적으로 동일한 지속 시간을 갖는다.
이러한 정의는 상기 광학 매크로펄스 내의 모든 광학 마이크로펄스들이 서로 동일하게 이격될 것을 요구하는 것은 아니라는 점을 유의하여야 한다. 오히려, 상기 광학 매크로펄스 내의 하나의 광학 마이크로펄스는 선행하는 광학 마이크로펄스로부터 상기 RTTT의 제1 정수배만큼 이격될 수 있는 한편, 상기 광학 매크로펄스 내의 다른 광학 마이크로펄스는 선행하는 광학 마이크로펄스로부터 상기 RTTT의 상기 제1 정수배와는 다른, 상기 RTTT의 제2 정수배만큼 이격될 수 있다. 대부분의 실시예들은 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들을 포함하는 광학 매크로펄스를 포함할 것이지만, 이는 상기 순환 광학 마이크로펄스의 보강 간섭에 필수적인 것은 아니다.
상기의 결과로서, 만약 두 개의 광학 마이크로펄스들이 상기 RTTT의 정수배가 아닌 값에 의해 서로 분리된다면, 당해 광학 마이크로펄스들은 서로 다른 광학 매크로펄스에 속한다(즉, 당해 광학 마이크로펄스 중 하나 또는 양쪽 모두가 하나의 광학 매크로펄스의 일부가 아님). 예를 들면, 공동 내로 주사된 광학 마이크로펄스들이 상기 왕복 횡단 시간의 1/2에 의해 서로 분리된다면, 이는 두 개의 중첩하는 광학 매크로펄스들을 포함하고, 각각의 상기 매크로펄스들의 마이크로펄스들이 상호 배치된 것으로 간주될 것이다. 이러한 두 개의 광학 매크로펄스를 상기 공동 내로 주사하는 것은, 가능한 다른 제한들을 하에서, 두 개의 서로 구분되는 순환 광학 마이크로펄스들의 보강 간섭을 일으킬 것이다. 다시 말해, 광학 매크로펄스의 상기 정의는, 하나의 광학 매크로펄스 내의 모든 광학 마이크로펄스들이 동일한 순환 광학 마이크로펄스를 간섭적으로 강화할 것이라는 결과를 이끌어낸다. 두 개의 중첩되는 광학 매크로펄스들이 임의적인 상대적 시간 지연으로 상호 배치되는 다른 실시예들도 설명될 수 있다.
어떠한 특정 타이밍 제한도 없고 어떠한 순환 광학 마이크로펄스도 보강 간섭하지 않는 하나 또는 그 이상의 광학 마이크로펄스를 주사하는 것이 바람직한, 소정의 진단 애플리케이션과 같은 예시들이 존재할 수 있다. 이들은 소정의 광학 매크로펄스에 속하지 않으므로, 고아(orphan) 광학 마이크로펄스로 간주될 수 있다. 상기 광학 매크로펄스 지속 시간이 실질적으로 상기 방사 간격 지속 시간과 같거나 그보다 짧을 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 상기 광학 매크로펄스 지속 시간이 상기 방사 간격보다 짧을 경우, 이로부터 당해 광학 매크로펄스의 일부가 아닌 다른 광학 마이크로펄스들이 존재할 것이라는 점이 암시된다. 그러한 다른 광학 마이크로펄스들은 하나 또는 그 이상의 다른 광학 매크로펄스에 속할 수 있고, 또는 상기 격리된 고아 광학 마이크로펄스일 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 상기 광학 공동 내의 상기 순환 광학 마이크로펄스를 보강 간섭하기 위해, 상기 광학 공동에 입사된 펌프 레이저의 광학 마이크로펄스의 성능을 이용한다. 주사된 광학 마이크로펄스들의 시간 패턴이 하나 또는 그 이상의 광학 매크로펄스를 포함하고, 여기서 각각의 상기 매크로펄스는 하나 또는 그 이상의 광학 마이크로펄스 간극을 갖고, 각각의 상기 간극은 상기 RTTT의 실질적으로 정확한 정수배 m(1배를 포함, 즉, m=1을 포함함)이라는 것을 보증함으로써, 보강 간섭이 달성될 수 있다. 광학 주파수는 상기 RTTT의 역수(c가 비례 상수로 곱해짐)의 실질적으로 정확한 정수 n배이고, 그러므로 상기 광학 주파수는 n 나누기 (m×RTTT)가 되어야 한다. 상기한 바와 같이, 서로 다른 주기들 또는 동일한 주기를 갖는 다수의, 일련의 마이크로펄스들이 겹쳐질 수 있다.
각각의 광학 마이크로펄스는, 일단 공동으로 주사되면 상기 공동 내에서 순환하고, 상기 공동으로 주사된 동일한 광학 매크로펄스의 후속하는 각각의 광학 마이크로펄스는, 상기 주어진 광학 매크로펄스 내의 선행 광학 마이크로펄스로부터 발생한 순환 마이크로펄스를 보강 간섭한다. 일 국면에서의 본 발명의 동작에 있어서, 상기 매크로펄스 지속 시간과 그에 따른 주사된 마이크로펄스의 수를 상기 공동의 내부 표면에 대한 통합된 펄스 및 평균 전력 손상 문턱값에 부합되는 값으로 제한하면서, 0.1 또는 그 이상의 단위의 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는, 저장된 광학 마이크로펄스를 달성하기에 적합한 전력의 다수의 마이크로펄스의 주사가 요구된다는 점을 알 수 있다.
예를 들면, 광학 마이크로펄스 지속 시간은 1 내지 10ps(피코세컨드) 단위일 수 있는 한편, 광학 마이크로펄스 반복율은 전형적으로 GHz 범위를 가질 것이다(즉, 1GHz[L-대역]에서 10GHz[X-대역]; 특정 예에서는 2.86GHz). 방사 간격 지속 시간은 1 내지 10㎲(마이크로세컨드)의 단위일 수 있고, 방사 간격 반복율은 10 내지 100Hz의 단위일 수 있고, 그보다 더 낮거나 더 높을 수 있다. 이는 0.1 내지 0.001 범위의 마이크로펄스 듀티 사이클과, 0.00001 내지 0.001 범위의 방사 간격 듀티 사이클에 대응한다. 따라서, "방사 간격", "매크로펄스" 및 "마이크로펄스"라는 용어는 상대적인 의미로 사용된다. 특정 예에서, 상기 방사 간격 지속 시간 및 전형적인 광학 매크로펄스의 폭은 마이크로세컨드의 단위이고, 광학 마이크로펄스 폭은 피코세컨드의 단위이다.
또한, 샷-투-샷(shot to shot) 기반의 레이저 발생 파장 및/또는 광학 매크로펄스 타이밍을 변경하기 위해 프로그래밍될 수 있는 단일 펌프 레이저, 또는, 중첩 또는 서로 엇갈리는 광학 매크로펄스들을 생산하도록 트리거(trigger)될 수 있는 다수의 펌프 레이저의 사용을 가정하면, 본 발명은 X-선 파장을 샷(shot)마다 자유롭게 변경하거나, 서로 다른, 임의의 동조 가능한(tunable) 파장들의 X-선 빔들을 교대로 발생시키거나, 또는 동일한 방사 간격 동안 또는 분리된 방사 간격들 동안 다수의 파장들의 X-선 빔들을 동시에 발생시키기 위한 수단을 제공한다.
이러한 성능들은, 시간에 따라 동적으로 변화하는 특성을 갖는 시스템 및 구조의 분석에 있어서 결정적으로 중요할 수 있는데, 상기 시스템 및 구조는, 현재 주요 싱크로트론 방사선 연구소에서 사용되는 영구 자석 언듈레이터 소스와 같은, 보다 고전적인 X-선원을 이용하여 이미징하기에 충분할 정도로 오래 잔존하지 못하는 일시적인 형상을 포착하기 위해, 밀리세컨드(㎳), 마이크로세컨드(㎲) 또는 피코세컨드(㎰)의 시간 규모의 다수의 파장에서의 노출을 요구할 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명은, 0.1 또는 그 이상의 an의 단위의 정규화된 벡터 포텐셜을 갖고 미크론 단위의 공간적 주기를 갖는 광학 언듈레이터를 편입함으로써, 극적으로 감소된 크기 및 비용을 갖는 언듈레이터 및 e-빔 가속기 양쪽 모두와 함께 동작될 수 있고, 따라서 지금까지의 가능한 비용의 일부를 이용하여 고성능 자외선 및 X-선 광원을 구축하고 동작시킬 수 있다.
많은 실시예들에서 각각의 전자 마이크로펄스가 순환 광학 마이크로펄스들 중 하나와 상호 작용하지만, 순환 광학 마이크로펄스가 그 통과시마다 전자 마이크로펄스와 상호 작용해야 하는 것은 아니다. 유사하게, 모든 전자 마이크로펄스가 공동 내의 순환 광학 마이크로펄스와 상호 작용해야 하는 것은 아니다. 실제로 이는 하나의 전자 빔이 복수의 광학 공동에 의해 공유되는 경우에 일어날 수 있다. 또한, 고아(orphan) 광학 마이크로펄스는 전자 마이크로펄스와 상호 작용하기 위해 타이밍 조정되지 않는다는 것을 유의하여야 한다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 특정 실시예는 X-선을 발생하도록 되어 있지만, 다른 실시예들은 EUV와 감마선과 같은 다른 파장 범위의 전자기 방사선을 발생시킬 수 있다. 고에너지 전자기 방사선이라는 용어는 100㎚보다 짧은 파장을 갖는 전자기 방사선을 의미하도록 사용될 것이고, 이는 원자외선(far UV), 극자외선(extreme EUV), X-선 및 감마선을 포함할 것이다. 많은 부분이 X-선과 관련해서 기재되지만, 해당 문맥에서 달리 지시하고 있지 않다면 고에너지 전자기 방사선의 다른 형태들도 포함되어야 한다는 것이 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 본질 및 이점이 본 명세서 및 도면의 나머지 부분들을 참조함으로써 보다 상세히 이해될 수 있을 것이다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 상위 수준의 개략도이고, 입사된 전자 마이크로펄스(단(團)들)의 공동의 상호 작용 영역 내의 순환 광학 마이크로 펄스와의 상호 작용을 개략적으로 도시한다.
도 1B는 도 1A에서 도시된 상기 시스템의 보다 포괄적인 개략도이다.
도 2A는 (a) 일련의 광학 마이크로펄스들을 포함하는 대표적 광학 마이크로펄스, (b) 입사된 광학 마이크로 펄스가 광학 공동 내의 순환 광학 마이크로 펄스를 보강 간섭함에 따라 상기 순환 광학 마이크로펄스의 진폭이 증가하는 방식, (c) 주사된 전자 마이크로펄스가 공동 내의 저장된 광전력의 최대값 또는 그 부근에서 광학 공동에 진입하도록 타이밍 조정되는 대표적 전자 마이크로펄스를 도시하는 타이밍도이다.
도 2B는 방사 간격의 듀티 사이클이 시평균된 손상 및 형상 왜곡을 제한하도록 선택되는 대표적 전자 빔 및 레이저 빔 마이크로펄스 타이밍을 도시한다.
도 3A 및 3B는 광학 위상 간섭의 개념을 개략적으로 도시한다; 도 3A는 좌측으로부터 공동 미러에 접근하는 입사된 광학 마이크로펄스와 우측으로부터 상기 공동 미러에 접근하는 순환 광학 마이크로펄스를 도시하고, 도 3B는 상기 공동 미러에 의해 반사되고 상기 공동 미러를 통해 투과된 상기 입사된 및 순환 광학 마이크로펄스의 일부분들을 도시한다.
도 4는 두 개의 순환 광학 마이크로펄스를 형성하기 위해 사용되는 두 개의 별개 레이저로부터의 광학 마이크로펄스를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예들을 실시하기에 적합한 광학 공동의 제1 구성의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들을 실시하기에 적합한 광학 공동의 제2 구성의 개략도이다.
도 7A 및 7B는, 입사된 광학 마이크로펄스, 순환 광학 마이크로펄스, 및 입사된 전자 마이크로펄스 사이의 원하는 타이밍 관계를 유지하기 위한 대표적인 제어 구성요소를 각각 도시하는, 상기 제1 및 제2 공동 구성을 이용하는 실시예의 개략도이다.
도 8은 보조 광학 공동을 이용하는 제어 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 9A 및 9B는 다수의 광학 언듈레이터 사이에서 하나의 전자 빔을 공유하는 선택적인 접근 방법들의 개략도이다.
[기본 구성 및 동작]
간략히, 본 발명의 실시예들은 X선 및 다른 고에너지 전자기 방사선(자외선 및 감마선을 포함하는 단파장)을 발생시킬 수 있다. 이러한 실시예들은, X선 결정학, 의료 X선 촬영 및 방사선 치료, 그리고 다른 X선 및 감마선 화상 시스템과, 원자력 및 고에너지 물리학 연구에 요구되는 밝고, 단색에 가까우며, 높은 평균 전력과 피크 전력을 갖는 X선 빔을 제공할 수 있다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 대표 시스템 10의 주요 구성요소들의 상위 수준 개략도이다. 상기 시스템의 주요 구성요소는, 펄스 전자 빔 가속기 20과 같은 전자 소스, 모드 고정된(mode-locked) 펌프 레이저 25(또는 다수의 펌프 레이저들)와 같은 펄스 광원, 및 광학 공진기로서 동작되는 광학 공동(optical cavity) 30을 포함한다. 공동 30은 서로 대향하는 오목한 미러 32 및 35를 포함하는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 간략히, 고에너지 전자기 방사선을 발생시키기 위해, 가속기 20으로부터의 일련의 초점이 맞춰진 전자 마이크로펄스 40이 광학 언듈레이터장(undulator field)과 공동 30 내의 상호 작용 영역 45에서 상호 작용하게 된다.
상기 공동에 하나 또는 그 이상의 순환 광학 마이크로펄스 50을 형성하기 위 해, 상기 언듈레이터장은 레이저 25로부터 공동 30으로 방사선 50을 주사함으로써 형성되는 것이 바람직하다. 상기 레이저 방사선은 레이저 빔이라고도 한다. 상기 공동은 순환 광학 마이크로펄스(들)의 초점을 상호 작용 영역 45에 맞추도록 구성된다. 이하에서 보다 상세히 기재되듯이, 상기 순환 광학 마이크로펄스가 입사된 방사선 내의 후속하는 광학 마이크로펄스에 의해 보강 간섭되도록, 상기 입사된 방사선의 광학 마이크로펄스들이 서로 이격되고 동기화된다. 상기 상호 작용의 산물은 산란된 X-선 (또는 다른 고에너지 전자기 방사선) 마이크로펄스 70과 감소된 에너지의 전자 마이크로펄스 75이다.
도 1B는 도 1A에서 도시된 상기 시스템의 보다 포괄적인 개략도이다. 상기한 바와 같이, 상기 시스템은 전자 가속기 20으로부터의 전자 마이크로펄스 40을 광학 공동 30(오목한 미러 32 및 35로서 개략적으로 도시됨)에 저장된 하나 또는 그 이상의 강한 간섭성의 광학 마이크로펄스 60과 충돌시킴으로써, 밝은 간섭성의 단색 X-선(또는 다른 고에너지 전자기 방사선)을 발생시키도록 동작한다. X선 발생은 상호 작용 영역 45 내로 국지화되는데, 상기 영역에서, 상기 광학 마이크로펄스의 벡터 포텐셜이 an을 0.1보다 큰 값으로 유지하기 위해 제어된다.
상기 시스템은 제어 컴퓨터 80에 접속되는 다수의 제어 및 피드백 구성요소를 포함한다. 전자 빔 제어부는 e-빔 수송 광학기 및 진단기 85a, 85b 및 85c와, 빔 위치 모니터 87을 포함한다. 상기 전자 가속기 20으로부터의 전자 단(團)들은 빔 위치 모니터 87의 제어하에 e-빔 수송 광학기 및 진단기 85a를 통해 상호 작용 영역 45로 향하고, e-빔 수송 광학기 및 진단기 85b에 의해 출력 빔으로부터 제거되고 e-빔 수송 광학기 및 진단기 85c에 의해 감속 빔 덤프(decelerating beam dump) 90으로 향한다.
상기 발생된 X-선 마이크로펄스는, X-선 빔 진단 구성요소 95a 및 95b를 통해 X-선 실험 장치 또는 상기 X-선을 이용해야 하는 다른 장치를 향하는데, 상기 X-선 빔 진단 구성요소 95a 및 95b 사이에는 시준기(collimator) 100이 배치된다.
광학 빔 제어기는, 수송 및 모드-매칭 광학기 105, 구형 보상기(sphericity compensator) 110(본 특정 공동 실시예에 대하여, 경사진 플레이트로서 도시됨), 하나 또는 그 이상의 광학 진단 구성요소 115, 및 한 쌍의 방사 열원(heat source) 117 및 120을 포함한다. 펌프 레이저 25(또는 복수의 펌프 레이저들)에 의해 발생된 광학 마이크로펄스는 수송 및 모드-매칭 광학기 105를 통해 광학 공동 30으로 향한다. 간섭성 펄스가 상기 광학 공동 내에 스태킹(stacking)되는 것과 함께 상호 작용 영역 45 내의 조밀한 초점을 달성할 수 있다는 점을 보증하기 위해, 구형 보상기 110가 상기 공동 광학기 내로 편입된다. 광학 공동 30 내에서 순환하는 광학 마이크로펄스의 모드(mode) 품질과 강도는 광학 진단 구성요소(들) 115에 의해 감시된다. 방사 열원 117 및 120은 저장된 빔의 열 효과를 보상하기 위해, 각각 빔 분산기(beamsplitter) 122와 125를 거쳐 공동 미러 32 및 37로 향한다. 광학 공동 30의 이러한 추가적인 수준의 기하학적 제어는, 상호 작용 영역 45 내에서 요구된 광학 벡터 포텐셜 an이 유지되는 것을 돕는다.
e-빔 수송 광학 및 진단 구성요소 85a, 85b 및 85c, 빔 위치 모니터 87, X-선 빔 진단 구성요소 95a 및 95b, 그리고 광학 진단 구성요소(들) 115로부터의 신호들은 제어 컴퓨터 80으로 보내지고, 상기 제어 컴퓨터는 e-빔 수송 광학기 및 진단기 85a, 85b 및 85c, 수송 및 모드-매칭 광학기 105, 구형 보상기 110, 및 방사 열원 117 및 120을 제어하기 위해 상기 신호들을 이용한다.
도 2A는 도 1A 및 1B의 시스템의 동작 동안의, 주어진 순환 광학 마이크로펄스의 경우에 대한 몇몇 타이밍 관련성들을 개략적으로 도시하는 타이밍도이다. 마이크로펄스 타이밍에 대한 상세가 이하에서 논의될 것이지만, 여기서, 입사된 방사선의 전체적인 타임 프로파일은 일련의 서로 이격된(spaced) 광학 매크로펄스들을 포함하고, 각각의 상기 광학 매크로펄스는 일련의 광학 마이크로펄스를 포함한다. "광학 매크로펄스"라는 용어가 본 명세서에서 사용될 때, 광학 매크로펄스를 구성하는 광학 마이크로펄스들은 하나의 순환 광학 마이크로펄스를 발생시킨다. 소정의 실시예들에서, 다수의 광학 매크로펄스들이 대응하는 다수의 순환 광학 마이크로펄스들을 발생시키기 위해 포개어질 수 있다.
도 2A의 최상부는 일련의 광학 마이크로펄스를 포함하는 대표 광학 매크로펄스를 도시한다. 도 2A의 중앙부는, 입사된(주사된) 광학 마이크로펄스가 광학 공동 내의 순환 광학 마이크로 펄스를 보강 간섭함에 따라, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 진폭이 증가하는 방식을 도시한다. 이는 상기 공동 내의 상기 입사된 광학 마이크로펄스 "스태킹-업(stacking up)"이라고 할 수 있다. 도 2A의 최하부는 주사된 전자 마이크로펄스가 상기 공동 내의 저장된 광전력의 최고값 또는 그에 근접 한 값에서 상기 광학 공동에 진입하기 위해 타이밍 조정된 대표적인 전자 매크로펄스를 도시한다.
도 2B는 대표적인 광학 및 전자 타이밍을 도시한다. 주사된 전자 마이크로펄스는 상기 공동 내의 저장된 광전력의 최고값 또는 그에 근접한 값에서 상기 광학 공동에 진입하기 위해 타이밍 조정된다. 매크로펄스 내의 주사된 광학 마이크로펄스의 수는 상기 공동의 열로 인한 급격한 손상을 제한하도록 선택된다. 듀티 사이클은 시평균된 손상 및 보상되지 않은 형상 왜곡을 제한하도록 선택된다.
도 3A 및 3B는 광학 위상 간섭의 개념을 개략적으로 도시한다. 도 3A는 좌측으로부터 광학 미러에 접근하는 입사된 광학 마이크로펄스와 우측으로부터 상기 광학 미러에 접근하는 순환 광학 마이크로펄스를 도시한다. 도 3B는 이하에 대한 일반적인 경우를 도시한다:
(a) 입사된 광학 마이크로펄스의 일부가 광학 미러를 통해 상기 공동으로 투과되고 순환 광학 마이크로펄스의 일부는 상기 광학 미러에 의해 반사된다(반전 포함).
(b) 상기 입사된 광학 마이크로펄스의 일부가 상기 광학 미러에 의해 반사되고(반전 포함), 상기 순환 광학 마이크로펄스의 일부는 상기 광학 미러를 통해 투과된다.
도시된 바와 같이, 상기 주사된 광학 마이크로펄스의 미시적인 (광학) 위상 및 포락선(envelope)이 순환 광학 마이크로펄스의 미시적인 (광학) 위상 및 포락선과 실질적으로 매칭하면, 이하의 결과가 발생할 것이다:
(a) 상기 광학 미러를 통해 투과되는 상기 입사된 광학 마이크로펄스의 상기 일부의 진폭이 상기 광학 미러에 의해 반사되는 상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 일부에 간섭적으로 부가될 것이고;
(b) 상기 광학 미러에 의해 반사되는 상기 입사된 광학 마이크로펄스의 상기 일부와 상기 광학 미러를 통해 투과되는 상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 일부의 진폭이 상기 공동 외부에서 소거될 것이다(즉, 상쇄적으로 부가됨).
본 발명의 물리적 기초 동작
공간주기적인 횡방향 자기장 또는 전자기장에 의해 편향된 상대론적 전자는 곱수 γ2k2A2에 비례하는 비율로 전자기 에너지를 방사하는데, 여기서,
γ는 로렌츠(Lorentz) 인자 E/mc2이고,
k는 상기 장의 공간적 진동의 주기 λ를 특정하는 파수(wavenumber) 2π/λ이며,
A는 rms 벡터 포텐셜이다.
정규화된 벡터 포텐셜 an을 정의하는 것 또한 유용하며, cgs 단위로는 an = eA/mc2이다.
상기 횡방향 자기장이 주기적이라면, 방출된 방사선은 전(前) 방향(즉, 상기 전자의 움직임 방향에 평행한 축)에서, 상기 장이 정적(static)인 경우의 파장 (1+an 2)λ/(1+βcosθ)γ2인 곳에서 피크를 이룬다. 상기 장이 진행 평면파(traveling plane wave)라면, 상기 방출된 방사선은 전 방향에서 파장 (1+an 2)λ/2(1+βcosθ)γ2인 곳에서 피크를 이루는데, 여기서 θ는 상기 광학 공동의 축이 전자 빔의 전 방향으로부터 변위된 각도이다. 이러한 처리는 정적 장(static field)의 경우에 있어서, X-선 결정학과 같은 응용 분야를 위한 단색에 가까운 X-방사선의 강하고 고도로 시준(視準)된 빔의 발생에 적합하고, 이러한 응용 분야에 이바지하기 위한 다수의 초대형이고 고가인 가속기 기반의 X-선원의 구축을 선도하였다.
정적 장 및 시가변(time-varing) 장 모두의 경우에 대해, 이러한 소스들에서의 전자에 의해 방사된 에너지는, 장(場)의 세기의 증가와 함께 벡터 포텐셜의 제곱에 따라 계속하여 증가한다. 훨씬 더 많은 에너지가 넓은 장(an>>1)에서 방사되는 동안, 방사선은 더 긴 파장에서 방출된다. 또한, 높은 장(high field)(an>>1)에서 방출된 방사선은 더이상 단색이 아니고, 상기 방사선에 포함되는 궁극적으로 거의 백색광인 스펙트럼으로 쇠퇴하는 고조파의 수는 증가한다(엘리움(Elleaume) 2003년 및 라우(Lau) 2003년).
따라서, 언듈레이터 방사선이 갖는 정규화된 벡터 포텐셜 값의 증가에 따른, 상기 언듈레이터 방사선의 스펙트럼에서의 질적인 향상은, 이러한 원리에 기초한 시스템의 설계자 및 사용자들에게 응용 분야에 적합하도록 설계를 최적화할 수 있 는 기회를 제공한다(킴(Kim) 1989년). 단색성 및 낮은 고조파 함유율을 강조하는 응용 분야에 대하여, 상기 시스템은 0.1<an<0.5의 범위의 보다 낮은 an 값에서 작동되도록 설계될 수 있는 한편, X-선 리소그라피와 같은 응용 분야에 대하여는, an>>1(말하자면, 3 또는 그 이상)인 경우 실질적으로 연속체(continuum)인 백색광 방사선으로 수렴하는 보다 넓은 범위의 고조파적으로 관련된 파장((harmonically related wavelength)들을 포함하는 보다 높은 전력과 광자 유속(flux)의 빔을 발생시키기 위해, 보다 높은 값의 벡터 포텐셜에서의 동작 특성이 유용하게 활용될 수 있다.
고정된 방출 파장에서 파수, 벡터 포텐셜 및 전자 에너지에 대한 방사된 에너지의 의존성은, 상기 방사된 에너지가 자기장 또는 전자기장의 주기 λ를 감소시키는 것에 의하여만 증가될 수 있다는 것을 나타낸다. 결과적으로 이는 방사된 전력의 최대화가 언듈레이터 주기의 최소화를 요구한다는 일반적인 결론을 도출한다. 본 발명의 기술들은 언듈레이터 주기 λ를 e-빔 기반의 X-선원에서 현재 이용되고 있는 1cm 내지 10cm의 범위로부터 광학 영역으로, 예를 들면, 미크론 단위의, 크기의 차수가 4만큼 더 작은 λ 값으로 감소시킬 수 있다.
이로써, 본 발명에 의해 가능하게 된 언듈레이터 주기에서의 감소는, 상기 언듈레이터의 단위 길이 당 방사된 에너지를 그 크기의 차수를 적어도 4만큼 증가시키는 동시에, 동작에 필요한 전자 가속기의 크기와 비용을 감소시켜, X-선 결정학, 의료 X선 촬영 및 방사선 치료, 진보된 X-선 및 감마선 이미징 시스템, 그리고 원자력과 고에너지 물리학에서의 과학적 연구에 사용되기 위한 간결하고, 저비용이고, 고도의 성능을 갖는 X-선과 감마선 광원의 구축을 가능하게 한다.
상기 조밀하게 초점이 맞춰진 고에너지 광학 펄스의 생성과 유지에 있어서, 공동의 광학 표면상에 입사된 에너지 밀도(fluence) 및 피크 전력 밀도가 상기 공동을 구축하기 위해 이용된 기판과 코팅의 손상도에 부합되고, 동작에 요구되는 초점을 유지하기 위해 공동 미러의 형상 및 간극이 제어되며, 펄스 펌프 레이저에 의해 발생된 광학 펄스들의 간극과 광학 위상이 상기 광학 공동 내의 축적된 광학 펄스들과 정확하게 동기화되어 있을 것이 요구된다.
광학 마이크로펄스 특성들
이러한 매우 엄격한 제한을 충족시키기 위해, 본 명세서에 기재된 본 발명은 매우 정교한(high finesse) 구형에 가까운 광학 공동의 매칭 모드에서, 하나 또는 그 이상의 낮은 평균 전력 펄스 레이저로부터 피코세컨드(ps)의 동기화된 위상-간섭적인 광학 펄스를 축적함으로써 생성된 광학 언듈레이터를 이용하는데, 여기서 미러 상에 cm-규모의 스폿(spot) 크기를 유지하면서 광학 파장의 단위에서 순환 광학 펄스의 초점을 맞추기 위해, 상기 공동들의 성능이 이용된다. 이러한 방식으로, 공동(空洞)의 컴포넌트의 표면에서의 피크 전력 밀도와 에너지 밀도를 안정적이고 신뢰성 있는 동작에 부합하도록 유지하면서 상기 초점에서의 벡터 포텐셜이 1로 접근하는 광학 공동들을 구축할 수 있다.
그러나 상기 공동들의 광학 표면에서의 피크 광전력 밀도를 감소시키더라도, 상기 광학 표면에서의 평균 광전력 밀도는 여전히 코팅 및/또는 기판 물질의 용융, 확산 또는 분해로 인한 손상이나 품질 하락과, 상기 광학 컴포넌트의 코팅 및 기판에서 방산된 매크로펄스 평균 및/또는 시평균 전력으로 인한 형상 왜곡을 야기할 수 있다. 따라서, 기능적인 광학 언듈레이터는 공동의 입체적 구조에만 의존할 수는 없으며, 광원 동작에 필요한 상태를 유지하면서 이러한 광학 손상 메커니즘을 억제하기 위한 하나 또는 그 이상의 기술을 편입하여야 한다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 상기 공동 컴포넌트를 손상으로부터 보호하면서 원하는 높은 벡터 포텐셜을 제공하도록, 상기 공동 내에서 순환하는 광학 마이크로펄스를 위한 시간 구조를 편입한다. 광학 마이크로펄스의 수준에서, 상기 순환 광학 마이크로펄스들은, 그것들이 광학 공동 컴포넌트와 부딪힐 때 전자 사태(avalanche) 파손의 성장을 피코세컨드의 시간 크기로 제한하도록, 충분히 제한된 지속 시간과 피크 전력을 갖는다. 방사 간격의 수준에서는, 상기 공동의 광학 소자 컴포넌트들의 코팅과 표면의 피크 온도 증가를 제한하기 위해 방사 간격 내의 광학 마이크로펄스의 수가 한정된다.
또한, 상기 공동의 구축에 사용된 광학 소자들의 열 응력과 열 왜곡(distortion)을 관리 가능한 값으로 유지하기 위해, 연속하는 방사선 간격들의 반복율이 제한된다. 이러한 문맥에서, "관리 가능한 값"은 소스의 동작에 필요한 상태를 유지하기 위해 기판 온도 변화도를 조절하거나 미러 간극, 펌프 레이저 주파수 및 피코세컨드 펄스를 조정함으로써 보상될 수 있는 값을 의미한다.
본 발명에 있어서, 0.1에서 1.0의 정규화된 벡터 포텐셜 an의 값에서 동작 가능한 광학 장이 생성되면, 조밀하게 초점이 맞춰진 일단(一團)의 펄스 전자 빔이 상기 공동 내에서 저장된 광학 펄스를 통해 그 초점을 향하도록 함으로써, 시준되고 거의 단색인 강한 X-선의 빔이 생산된다. 적합한 e-빔 소스와 연결될 때, 상기와 같이 구축되고 동작되는 광학 언듈레이터는, 특정 값의 X-선 전력 출력에 필요한 가능한 가장 낮은 평균 전류 및 전력에서, 기존의 언듈레이터 기술을 이용할 때에 가능한 것보다 100배 낮은 전자 에너지에서 이러한 방사선을 발생시킬 수 있다.
이러한 시스템에 의해 발생된 X-선 빔의 순간적인 피크 전력은 an 2과 γ에 의해 결정되는 방사된 X-선/전자의 수, 피크 전류와 전자 단(團) 길이에 의해 결정되는 단(團)당 전자의 평균수, 및 단(團) 간극에 의해 결정된다. 본 발명에 의해 발생된 평균 X-선 전력은 상기 광학 공동에 사용된 표면과 기판의 평균 전력 등급(rating)과, 만약 존재한다면, 동작에 필요한 전자 빔을 제공하기 위해 사용된 가속기에 대한 반복율의 한정에 의해서만 제한된다.
현재 성취가능한 광학 손상 문턱값과, 가속기 피크 및 평균 전류에 대한 대표적인 값들을 가정하면, cm-주기의 언듈레이터를 이용하는 소스에 대한 기술 분야의 현재 상태에 비길 만한 X-선 빔 휘도(brightness)를 달성할 수 있고, 또한 동작에 필요한 가속기 및 언듈레이터 시스템의 훨씬 더 작은 크기와 상기 감소된 크기로 인한 더 적은 비용을 달성한다. 상기 순환 광학 마이크로펄스를 생성하기 위해 피코세컨드의 펄스 광학 빔을 이용함으로써, 미러의 표면에서의 광전력 밀도와 평 균 광전력에 관한 동일한 제약에 의하여 제한된 연속적인 광학 빔을 이용할 때에 가능한 것보다, 훨씬 더 큰 값의 정규화된 벡터 포텐셜과 방사된 X-선 전력이 달성될 수 있다.
펌프 레이저 특성
본 발명의 동작에 필요한 광학 방사선은 하나 또는 그 이상의 반복적으로 펄스된 위상 간섭적인 레이저원에 의해 발생되는데, 상기 레이저원의 광학 마이크로 펄스는 공동 내에서 순환하는 광학 펄스의 왕복 횡단 시간(round-trip transit time)의 정수배(integral multiple)와 동일한 주기로 그 위상과 진폭이 변동한다. 상기 레이저는 일반적으로 광학 언듈레이터로서의 용도에 필요한 피크 전력을 직접 달성할 수 없음에도 불구하고, 훨씬 낮은 전력의 위상 간섭적 레이저 소스로부터 획득된 반복적인 펄스가 적절하게 설계된 저손실 광학 저장 공동에 통합되어, 상기 레이저 출력 전력을 적어도 차수 3의 크기만큼 초과하는 상기 공동 내부에서의 피크 전력을 달성할 수 있다.
원칙적으로, 각각의 열의 주사된 마이크로펄스들의 위상들의 주기성에 대한 상기 조건은, 각각의 광학 마이크로펄스에서의 광학적 사이클의 수가 제한되면, 동작에 중대한 영향을 주지 않으면서 광학 저장 공동의 고유 진동수와 동일하지 않은 레이저 주파수(전기장의 영 교차점(zero-crossing)들간의 주기의 역수)를 이용할 수 있도록 한다. 그러나, CW 레이저로 구동된 광학 저장 공동에 통상적으로 적용될 수 있는 주파수 동기화에 대한 그 기준의 완화가 본 발명에 있어서, 상기 주사 된 펄스들의 광학 위상이 공동(空洞) 왕복 횡단 시간의 정수배와 동일한 주기 - 상기 주기는, 적절한 시점에서의 상기 펄스들의 간극과 같음 - 로 주기성을 가져야 한다는 요건을 변경하는 것은 아니다.
이러한 제약하에서, 상기 저장 공동 내로 주사되는 펄스들의 광학적 주파수는 주파수들 νnm=n/(mτ)의 각각 또는 그 조합과 동일하게 설정되어야 하는데, 여기서 τ는 상기 공동에 대한 왕복 횡단 시간(round trip transit time; RTTT라고도 함)이고, m은 상기 주사된 마이크로펄스들 사이의 시간 간격을 τ에 대하여 정의하는 정수이며, n은 상기 광학 주파수의 1/(mτ)에 대한 비를 정의하는 정수이다.
상기 공동 내로 주사된 마이크로펄스의 위상과 진폭의 주기성에 의해 상기 조건들이 만족되는 경우, 각각의 광학 펄스 열들이 진폭 및 위상에서의 변동의 주기성에 대한 상기한 조건을 만족하기만 하면, 서로 다른 레이저 발생 및 마이크로펄스 반복 주파수와 서로 관련된 임의의 타이밍을 갖는 다수의 광학 펄스 열들을 동시에 이용하여 상기 공동을 펌핑(pumping)하는 것이 가능하다는 것은 명백하다.
상기 광학 저장 공동에 사용될 수 있는 레이저원들은 광학 통신에 사용되는 광대역 펄스 다이오드 레이저, 펄스 섬유 광학 레이저 및 위상 고정된(phase-locked) 자유 전자 레이저를 포함한다. 활성 레이저 발생 매체를 상기 광학 저장 공동의 외부에 배치함으로써, 더 넓은 범위의 레이저 발생 매체를 이용하는 것과 이러한 레이저 발생 매체를 상기 저장 공동 내의 필수적 조건들보다 최적화에 더욱 근접된 조건에서 동작시키는 것 모두가 가능하게 되고, 이로써 보다 최적화에 근접 된 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 저장된 광학 마이크로 펄스들을 발생시킬 수 있다.
상기 광학 공동을 펌핑하기 위해 하나 또는 그 이상의 자유-전자 레이저(free-electron laser; FEL)가 본 발명의 일부로서 통합되면, 상기 FEL들은 공통의 선형 가속 주사기(linac injector)를 사용하거나, FEL 동작 및 본 발명의 최적화된 언듈레이터 X-선원의 동작 모두에 대한 공통의 선형 가속 주사기를 사용하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 광학 언듈레이터의 동작에 사용된 피코세컨드의 펄스 구조는, 일반적으로, 위상 간섭적인 펄스 펌프 레이저와 마이크로파 또는 무선 주파수 전자 가속기 양쪽 모두의 성능과 호환되지만, 상기 레이저의 레이저 주파수와 펄스 간극, 및 상기 시스템과 함께 사용되는 상기 가속기에 의해 생산된 전자 단(團)들의 위상 및 펄스 간극의 동기화를 위한 조건은, 상기 가속기 및 레이저 동작 주파수를 상기 광학 저장 공동의 크기에 정확하게 매칭할 것을 요구한다.
상기 펄스 펌프 레이저에 의해 제공된 광학 펄스 열들의 주기성과 상기 공동의 왕복 횡단 시간의 동기화는, 상기 횡단 시간을 적절한 값으로 유지하도록 미러들의 종방향 위치를 조정함으로써, 또는 상기 공동의 크기와 초점 파라미터에서의 변화를 추적하도록 상기 펌프 레이저의 광학 파장과 펄스 주기를 변경함으로써 설정되고 유지된다. 만약 상기 펌프 레이저의 레이저 발생 주파수와 마이크로펄스 반복 주파수가 동작 동안 변동된다면, 상기 가속기의 동작 주파수가 동기화를 유지하기 위해 그에 따라 변경된다. 만약 상기 광학 공동에 대한 왕복 횡단 시간이 동 작 동안 일정한 값으로 유지된다면, 상기 레이저 및 가속기 주파수에 대한 변경은 요구되지 않는다.
상기 주사된 마이크로펄스의 위상에 있어서의 지터 효과, 및 상기 과학 공동 내의 순환 마이크로펄스(들)에 대한 상기 주사된 마이크로펄스의 결합과 강화에서의 포락선들의 타이밍을 고려하면, 효과적인 주사를 보증하기 위해, 상기 주사된 마이크로펄스의 위상이 상기 저장된 순환 마이크로펄스의 위상의 ±20°내로 유지되는 것이 바람직한 한편, 상기 주사된 마이크로펄스의 포락선의 시간적인 폭과 도달 시간은 상기 순환 마이크로펄스(들)의 폭의 10% 내로 규제되는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
상기 주사된 광학 마이크로펄스의 위상과 타이밍이 이러한 한도 내로 유지될 수 없다면, 상기 순환 마이크로펄스의 벡터 포텐셜을 상기 시스템의 동작에 필요한 수준으로 상승시키기 위해, 상기 주사된 마이크로펄스의 전력을 증가시키는 것이 필요할 것이다. 따라서, ±45°단위 한도까지의 보다 큰 위상 지터, 및/또는 상기 광학 마이크로펄스 지속 시간의 ±50% 단위의 보다 큰 타이밍 지터가 용인될 수 있지만, 이는 동일한 an 값에 대하여 보다 낮은 주사 효율과 보다 높은 주사된 광학 마이크로 펄스 전력이라는 비용을 요구할 수 있다. 이러한 확장된 범위의 위상 지터 및/또는 타이밍 지터를 갖는 실시예들은, 주사된 광학 마이크로펄스들에 의한 보강 간섭을 제공하기 위하여 여전히 고려될 것이다.
레이저 발생, 광학 마이크로펄스, 가속기 및 공동 주기성들의 시간 영역에서 의 작은 매칭 오류에 대해, 그리고 이러한 주기성들에 영향을 주는 크기들에 대해 시스템이 극도로 민감하다면, 효율적이고 안정적인 동작을 보증하기 위해 필요한 주파수 및/또는 주기성의 동기화를 위해, 대부분의 실제 시스템에는 상기 주기성을 측정 및 비교하기 위하여, 그리고 폐회로 피드백 제어 하에서 요구되는 바대로 조정되어야 하는 동작의 주파수들 및/또는 구성요소들의 크기를 조정하기 위하여 필요한 센서와 진단기가 포함되어야 할 것이다.
다수의 레이저 실시예들
도 4는, 두 개의 별개의 레이저 25a 및 25b로부터의 광학 마이크로펄스들이 하나의 순환 광학 마이크로펄스 60a 및 60b를 각각 형성하기 위해 사용되는 실시예의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 상기 레이저들은 공동의 왕복 횡단 시간에 의해 서로 분리된 별개의 열의 입사된 광학 마이크로펄스들 50a 및 50b를 제공하고, 상기 왕복 횡단 시간은 하나의 광학 매크로펄스를 발생시키는 각각의 레이저에 대해 일정하다(상호 배치된 매크로펄스들을 제공하는 경우와는 다름). 원칙적으로, 상기 두 개의 레이저 빔들은 상기 공동의 양 말단 내로 도입될 수 있지만, 이러한 빔들은 상기 공동 내로 도입되기에 앞서 빔 조합기 122에서 조합된다.
상기 도면은 또한, 하나의 레이저의 광학 매크로펄스의 광학 마이크로펄스들 사이의 중앙에 위치된 다른 하나의 레이저의 광학 매크로펄스의 광학 마이크로펄스들을 도시한다. 펄스 스태킹(stacking)을 용이하게 하기 위하여, 하나의 레이저의 광학 마이크로펄스의 타이밍의 다른 하나의 레이저의 광학 마이크로펄스에 관한 어 떤 관련성도 요구되지 않는다. 따라서, 모든 간극들이 가속된 전자 마이크로펄스들의 간극의 정수배와 대응되는 한, 한 쌍의 상기 광학 마이크로펄스들이 근접하게 서로 이격되고, 틈(gap)이 뒤따르고, 다른 한 쌍의 근접하게 서로 이격된 광학 마이크로펄스들이 뒤따르면서, 서로 엇갈리게 위치된 한 쌍의 광학 매크로펄스들의 간극은 비주기적일 수 있다.
그러나, 상기 공동이 하나의 주기적 열의 전자 마이크로펄스들을 생산하는 전자 가속기와 함께 사용되어야 한다면, 상기 서로 엇갈리게 위치된 광학 매크로펄스들은 또한, 상기 왕복 시간 τ의 정수분의 1(integral fraction)(τ/n)만큼 서로로부터 이격되어야 할 것이고, 그렇지 않으면 순환 광학 마이크로펄스들이 상기 전자 마이크로펄스들과 충돌하지 않을 것이다. 대부분의 또는 모든 현재의 전자 가속기들은, 전자 마이크로펄스(단(團)들)를 가속하기 위해 필요한 고에너지 장을 생성하기 위해 소정 종류의 RF 공진을 이용하기 때문에, 본 발명의 대부분의 실제 실시예들은 상기 전자 마이크로펄스가 정의된 소정의 주파수에서 주기적으로 전해진다는 점에 의해 제한될 것이다.
전자 빔 특성
본 발명에서 사용된 전자 빔은 하나 또는 그 이상의 RF 또는 마이크로파 가속기에 의해 제공되는데, 이들의 각각은 확장된 일련의 전자 단(團)들을 발생시킨다(각각의 전자 단은 RF 위상에 있어서 10°이하이며 상기 가속기의 동작 주파수의 주기 또는 그 정수배에 의해 이격되는 것이 바람직함). 그러한 빔들의 가능한 소 스는 RF 또는 마이크로파 선형 가속기, 미크로트론 또는 스토리지 링을 포함한다. 대표적인 실시예는 하나 또는 그 이상의 10-30MeV의 전자 선형 가속기들을 사용하고, 상기 가속기의 각각은 높은 평균 전류의 일단의 전자 빔을 생산하기 위해 3GHz에서 동작하는 열이온 마이크로파 건(thermionic microwave gun)을 채택한다.
각각의 가속기에 의해 발생된 상기 전자 빔은, 상기 광학 방사선과 충돌하는 영역의 가로 및 세로 평면 양쪽 모두에서 웨이스트(waist)에 초점이 맞춰진다. 상기 전자의 각도 범위(angluar spread)를 수용 가능한 X-선 스펙트럼 대역을 도출하는 값으로 제한하면서 e-빔의 공간적 단면을 최소화하도록, 상기 초점 스폿(spot)의 크기가 선택된다. X-선 스펙트럼 휘도에 의해 상기 각도 범위에 부가되는 제한과 부합하는 가장 작은 빔 초점을 달성하기 위해, 일반적으로 상기 시스템의 동작은 가능한 낮은 e-빔 이미턴스(emittance)를 요구한다.
전자가 광학 언듈레이터를 통과한 후, 빠져나온 전자 빔(들은) 최초의 것과 유사한 하나 또는 그 이상의 후속하는, 그리고 독립적인 상호 작용 영역에서 사용되기 위해 다시 초점이 맞춰지거나, 스토리지 링 내에서 재순환되거나, 처분(disposal)을 위해 빔 덤프로 수송되거나, 소모된 전자의 에너지를 열 또는 이온 방사선 대신 RF 또는 마이크로파 전력으로서 추출하도록 위상 조정된 하나 또는 그 이상의 RF 또는 마이크로파 가속기의 제2 세트로 수송될 수 있다. 대표적인 실시예에서, 상기 광학 언듈레이터로 수송되는 상기 빔을 발생시키는 가속기와 유사한 길이의 제2 가속기 부분은, 감속된 전자의 에너지를 기존의 빔 덤프에서의 처분을 위한 10MeV 이하로 감소시키기 위해 180°로 탈위상(dephasing) 된다.
공동(
cavity
) 특성
간단한 두 개의 광학 저장 공동의 설계 및 동작이 과학 문헌(시그먼(Siegman) 1996년a)에서 광범위하게 개관(槪觀)되었고, 이러한 타입의 공동은, 고에너지 물리학에서의 연구를 위해 단일-경로 선형 입자 가속기(collider)에서 사용된, 고에너지 저-이미턴스 전자 빔의 단면을 측정하기 위한 매우 세밀한 "광학 와이어"(사카이(Sakai) 2001년)를 제공하기 위해 이미 CW 레이저원과 함께 사용되고 있다. 또한 종래 기술은, 펄스 스태킹을 위해 모드-고정된 펌프를 이용할 때(Jones 2001년) 주사의 효율성 및 저장된 펄스의 진폭을 최적화하도록 고유 모드(eigenmode) 간극을 매칭시키기 위해 모드-고정 주파수를 조정할 필요가 있다.
그러나, 종래 기술에 있어서 그러한 광학 저장 공동은 펄스 스태킹(펄스 펌프 소스를 이용함)의 목적으로, 또는 강하고 좁은 초점 스폿(CW 펌프 소스를 이용함)의 발생을 위해 발전되고 증명된 한편, 효율적인 펄스 축적과 미리 정해진 좁은 초점 스폿을 단일 저장 공동에서 동시에 달성하기 위한 성능은, 종래 기술에서 설명되지 않은 특별한 공동 설계를 요구한다. 예를 들면, 종래 기술에서 단일-모드의 CW "광학 와이어"를 구축하기 위해 사용된 공동은 왕복 횡단 시간에 관한 제한이 없고, 따라서 효율적인 다중 모드 동작을 달성하기 위해 그 마이크로펄스 반복 주파수가 상기 간극에 정확하게 매칭되는 펄스 레이저원과 함께 사용되기에는 매우 부적합하다.
또한 종래 기술은, 본 발명의 일부로서 편입된 광학 공동의 구축과 동작에 요구되는 광학 구성요소를 실제로 제조하기 위해 이용 가능한 수단에 대한 안내(guidance)를 제공하지 않았다. CW 및 위상 간섭적인 펄스 레이저 빔의 주사와 축적을 위해 설계된 공동의 설계와 구축이 문헌(사카이(Sakai) 2001년 및 존스(Jones) 2001년)에서 상세히 논의되었지만, 종래 기술은, 효율적인 축적 및 저장을 위한, 그리고 유용한 광학 언듈레이터의 실현을 위해 필요한 좁은 포커스의 생성과 유지를 위한, 매우 엄격하게 요구되는 조건을 동시에 만족시킬 수 있는 공동을 구축하기 위해 이용가능한 실제 수단에 대한 어떠한 안내도 제공하지 않았다.
본 발명이 의존하는 공동은, 만곡된 반사 표면의 제조에 있어서의 고유한 제한을 회피함으로써, 동작에 요구되는 공동 고유 모드들의 스펙트럼, 공동 왕복 횡단 시간들 및 공동 손실들을 유지하면서, 회절에 의해 허용된 가장 작은 스폿에 상기 순환 광학 펄스의 초점을 맞추는 성능을 동시에 달성한다. 직면하는 핵심적인 문제는, 본 발명의 저장 공동의 실제 실시예에 있어서 요구되는 미러에 대한, 그 곡률 중심의 위치에 있어서의 수백 미크론의 절대적 불확실성에 대응하여, 상기 미러의 곡률 중심이 그 곡률 반경의 0.1% 정도보다 작은 오류로 규정되도록 상기 미러 표면을 폴리싱(polishing)하고 그 형상을 만드는 것이 본질적으로 불가능하다는 점이다.
이러한 불확실성은 본 응용 분야에 대하여 불충분하며, 효율적인 펄스 스태킹을 제공하기 위한 미러 거리, 및 웨이스트에서의 조밀한 초점을 독립적으로 성취하기 위한 미러의 곡률 중심의 공간적 위치의 양쪽 모두에서, 수백 미크론 단위의 불확실성이 동시에 성취되어야 한다. 종래 기술에서는, 이러한 조건들 중 어느 하 나 또는 다른 하나만이 성취될 수 있었고, 양쪽 모두는 성취될 수 없었다. 그러나, 본 발명의 국면들은 펌프 레이저에 의해 주사된 광학 펄스를 축적하기 위해 이용되는 광학 공동의 구축 및 종래 기술에서 발견되지 않는 성능을 제공한다.
공동 설계
2 미러(two-mirror) 공동에서, 최소 초점 스폿 크기 및 규정된 왕복 횡단 시간의 달성은, 미러 제조에 있어서의 실제 달성가능한 정확성보다 더 큰 정확성을 요구하거나, 그 표면이 요구된 형상에 부합되도록 상기 미러를 변형하는 메커니즘을 요구하는데, 그 과정에서 내부 응력이 수용될 수 없는 수준이 될 수도 있다. 따라서, 일반적으로는 공동의 2개의 주요한 미러의 제조에 있어서의 필연적인 오류를 보상하도록 제조되고 배치될 수 있는 제3 구성요소가 상기 공동에 추가되는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서 이용된 광학 저장 공동을 위한 가능한 설계들은, 요구된 정확성을 그에 대응되는 정확성이 제조에서 달성될 수 있는 다른 광학 구성요소로 전가하거나, 동작에 있어서의 공동 파라미터들을 적절하게 조정하기 위한 기술을 제공함으로써, 미러 제조에 있어서의 상기 한계들을 회피한다. 상기 특유한 세 개의 구성요소를 갖는 공동 구성이 적어도 두 가지 실현될 수 있다.
제1 공동 구성
도 5는 본 발명의 실시예들을 실시하기에 적합한 광학 공동 30의 제1 구성의 개략도이다. 본 구성은 구형 보상기 110을 유한한 두께의 유전체 브루스 터(Brewster) 플레이트로서 구현하는데, 상기 유전체 브루스터 플레이트는 펌프 레이저로부터의 P-편광광(P-polarized light)에 대한 브루스터 각도(Brewster Angle) 또는 그 부근을 향한다. 상기 공동 내의 상기 플레이트의 존재는 두 가지 효과를 갖는다: (i) 상기 플레이트의 두께에 직접적으로 비례하는 시간 지연에 의해 상기 공동에서의 펄스들의 왕복 횡단 시간이 증가되고; (ii) 상기 플레이트의 두께에 직접적으로 비례하는 공간적인 변위에 의해 가장 근접한 미러의 곡률 중심이 광학적으로 시프트된다. (i) 및 (ii)에서의 시간적 및 공간적인 변위는 상기 플레이트의 독립적인 물리적 특성에 의해 결정되고, 따라서 상기 시간적 및 공간적 변위는 저장 공동의 설계에서 독립적으로 규정될 수 있다. 두 개의 미러 32 및 35의 곡률 중심이 125로 지정된, 빔 웨이스트에 대응하는 지점에서 실질적으로 일치될 때, 상기 공동에 의해 순환 광학 마이크로펄스들의 최적의 초점이 맞춰진다.
상기 플레이트를 공동 설계 내로 편입하는 방안은 이하의 순서의 단계들을 기초로 한다.
1) 유전체 플레이트에 대해 공칭 두께, 입사각 및 상기 공동내의 위치를 선택한다; 상기 플레이트의 상기 공칭 두께에 대한 최선의 선택은 이하의 단락에 기재되어 있다.
2) 상기 플레이트에 의해 도입된 시간 지연을 포함하는, 효율적인 펄스 스태킹을 위해 요구되는 물리적인 미러 간격을 연산한다; 당해 연산은 상기 플레이트의 두께를 포함하는 제1 식을 생성한다.
3) 상기 플레이트에 의해 광학적으로 도입된 공간적 변위를 포함하는, 웨이스트에서의 초점 스폿의 원하는 반경을 달성하기 위해 요구되는 미러의 곡률 반경을 (2)에서 결정된 간극을 이용하여 연산한다; 당해 연산은 상기 플레이트의 두께를 포함하는 제2 식을 생성한다.
4) (3)에서 결정된 반경에 가능한 근접하게 매칭되는 곡률 반경을 갖는 공동 미러를 제작한다.
5) 간섭계적인(interferometric) 또는 다른 광학적 기술에 의해, (4)에서 생산된 미러의 실제 곡률 반경을 측정한다; 수 미크론의 오류 내에서 당해 측정을 달성하기 위해 요구되는 방법은 종래 기술에서 발견될 수 있다;
6) 단계 (2) 및 (3)으로부터의 상기 플레이트의 두께를 포함하는 두 개의 독립적 식을 이용하여, 그리고 단계 (5)로부터의 상기 측정된 곡률 반경을 상기 식 (2) 및 (3)에서의 고정 파라미터로 이용하여, 두 개의 새로운 미지수 i) 상기 플레이트의 새로운 두께 및 ii) 새로운 물리적 미러 간격에 대해 상기 두 식을 푼다.
미러의 제조 가능한 곡률 반경에 있어서의 불확실성의 한도가 주어지면[단계 (3)], 상기 플레이트의 새로운 두께가 높은 편평도로 제조될 수 있을 만큼 두텁고, 또한 흡수 또는 자체 집광(self-focusing)과 같은 공동 동작에 대한 스퓨리어스(spurious) 광학 효과를 최소할 수 있을 만큼 얇도록, 상기 플레이트의 공칭 두께에 대한 최초 선택이 이루어져야 한다.
일반적으로 경사진 평행한 플레이트는 발산 또는 수렴하는 광학 빔의 비점수차(非點收差)를 도입하여, 본 설계에 있어서, "세로" 및 "가로"(즉, 직교 횡단) 방 향으로 서로 다른 초점 반경을 갖는 저장된 광학 빔을 이끌어낼 것이다. 그러나 이러한 비점수차는 입사면 내의 상기 플레이트의 표면들 사이의 작은 웨지각(wedge angle)을 그라인딩(grinding)함으로써 정확히 보상될 수 있고; 상기 웨지각의 크기는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지 자에게 알려진 광학 분석 기술에 의해 결정될 수 있다.
상기의 설계를 통한 접근의 이점은, 두 개의 미러의 곡률 중심을 수 미크론의 정확도로 위치시키는 어려움과는 반대로, 상기 플레이트의 두께는 용이하게 수 미크론의 정확도로 그라인딩되고 폴리싱될 수 있다는 사실에 있다. 따라서, 본 발명에서 요구되는 바와 같은 (공동 구형성을 통한) 초점 스폿과 펄스 스태킹의 동시 최적화가 상기 설계에서 달성될 수 있다.
만곡된 미러 표면의 제조에 있어서의 오류를 보상하는 것과 함께, 브루스터 플레이트는, 또한, 동작 동안의 미러 표면의 열 왜곡을 보상하도록 설계될 수 있는데, 이의 현저한 효과는 고-전력의 저장된 광학 빔의 공간적 프로파일로 인한 곡률 반경을 변화시킨다는 점이다. 이러한 효과는 원칙적으로, 미러 기판의 기존의 열-기계적(thermo-mechanical) 및 광학적 특성을 이용하여 높은 정확도로 연산되거나 측정될 수 있다. 또는 상기 스토리지 미러는, 예를 들면, 상기 미러들 중 하나 또는 양쪽 모두를 백 히팅(back heating)하기 위해 다양한 전력의 외부 레이저 빔을 이용함으로써, 또는 왜곡 보상을 제공하기 위해 그 후면 또는 에지에서 상기 미러들에 조정 가능한 기계적 압력을 인가함으로써, 상기 보상을 독립적으로 제공하도록 설계될 수 있다. 도 1B는 특정 구현 방법의 하나로서 열 보상에 이용된 두 개 의 방사 열원 117 및 120을 도시한다.
상기 저장 공동의 실제 실시예는, 상기 또는 다른 기술들에 의해 곡률 반경에서의 상기 변화들을 실제로 보상하여야 할 것이다. 예를 들면, 만약 상기 저장 공동의 공칭 구성이 저장된 빔이 없이 미러의 중심의 온도를 높이기 위해 적용된 외부 열원을 이용한다면, 상기 열원의 강도는 동작 동안 펌프 레이저에 의해 도입된 열을 보완하기 위해 요구되는 바에 따라 감소할 수 있다. 유사하게, 고전력의 저장된 빔을 이용하는 동작 동안 요구된 곡률 반경을 유지하기 위하여, 소정의 인가된 기계적 응력이 그 초기의 (빈 공동) 값으로부터 조정될 수 있다.
또한, 도 5는 구형성 및 모드 고정을 제어하는 추가적인 위치 지정 구성요소를 도시한다. 특히, 위치 지정기(positioner) 132는 오목한 미러 32와 연관되는 것으로서 도시되어 있고, 위치 지정기 135는 오목한 미러 35와 연관된 것으로서 도시되어 있다. 예를 들면, 이들 위치 지정기는 발생 가능한 소정의 교란(perturbation)을 보상하기 위한 신속한 응답을 제공하기 위하여, 기계적 및 전기적 컴포넌트 양쪽 모두로 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 미러는 안정된 기계적 만곡부(flexure)에 탑재되어 그 이동 동작이 하나의 축을 따라 놓여지도록 제한될 수 있는데, 여기서 상기 동작은 상기 만곡부 상의 각각의 압전기(piezoelectric) 액츄에이터 푸싱(pushing)에 의해 실제로 도입될 수 있다.
도 5의 기본적 설계에서, 상기 미러의 이동은 상기 공동의 길이를 약간 변경하고 이로써 펄스 스태킹에 영향을 준다는 것을 유의하여야 한다. 상기 미러들을 이동시키지 않고 당해 설계에서의 공진 구형성을 보상하는 기술은, 도 1B에서 도시 된 바와 같이, 공동 길이를 변경하지 않고 상기 미러의 곡률 반경을 변경시키도록 레이저 백 히팅을 이용하는 것이다(방사 열원 117 및 120). 원칙적으로, 공동 왕복 시간과 공진 주파수의 변경 결과가 모드-고정되고 주파수-고정된 레이저원과 RF 구동기에 피드백된다면, 이동 동작만을 이용하여 구형성을 보상하는 것이 가능하다; 상기 변경은 일반적으로 RF 선형가속기 FEL에서도 허용될 수 있을 만큼 작을 것이다.
제2 공동 구성
도 6은 본 발명의 실시예들을 실행하기에 적합한, 30'으로 지시된 광학 공동 30의 제2 구성의 개략도이다. 본 구성은 (공동 구형성을 통한) 초점 스폿과 펄스 스태킹을 독립적으로 최적화할 수 있다. 당해 설계는, 도시된 방식으로 접혀 있는 선형 공동 축을 생산하기 위해, 세 개의 미러(두 개의 만곡된 공동 미러 140 및 145와, 실질적으로 평탄한 미러 150)를 이용한다. 조밀하게 초점이 맞춰진 웨이스트를 수용하는 상기 공동의 영역은 만곡된 미러 140 및 145에 의해 범위가 정해진다.
미러 140은 공동의 일단(一端)의 미러를 정의하는 실질적으로 구형인 대칭형 미러이고, 공동 빔을 수직 입사각으로 반사한다. 미러 145는 중간의 비축(off-axis) 포물면(paraboloidal) 미러이고, 45°와 같은 적합한 입사 사각(oblique angle of incidence)에서 평탄한 미러 150으로 상기 공동 빔을 반사하는데, 상기 미러 150은 상기 공동의 타단(他端)의 미러를 정의한다. 구형의 말단 미러 140과 비축 포물면 미러 145 간의 저장된 빔이 웨이스트에서 조밀한 초점으로 수렴되고, 상기 비축의 포물면 미러와 상기 평탄한 말단 미러 간의 저장된 빔은 상기 평탄한 미러의 위치에서 웨이스트와 실질적으로 평행하도록(즉, 파면(wavefront)이 상기 평탄한 미러에서 실질적으로 평면임) 상기 미러들의 기본적인 곡률 반경이 설계된다.
(공동 구면을 통한) 초점 스폿의 최적화는, 상기 구형의 공동 말단-미러의 상기 중간의 포물면 미러에 관한 거리가 상기 평탄한 미러에 독립적으로 조정될 수 있도록, 상기 구형의 공동 말단-미러를 움직일 수 있는 스테이지 160 상에 위치시키는 것에 의해 달성된다. 조밀한 초점을 달성하고 유지하기 위해, 공동 구면의 상기 독립적이고 동적일 수 있는 최적화를 허용함으로써, 상기 미러들의 곡률을 유지하기 위해 외부의 열 또는 기계적 왜곡을 인가하는 것이 더 이상 요구되지 않는다. 상기 평탄한 공동 말단-미러의 상기 중간의 포물면 미러에 대한 거리가 상기 구형의 말단 미러에 독립적으로 조정될 수 있도록 상기 평탄한 공동 말단-미러를 움직일 수 있는 스테이지 165에 위치시키는 것에 의해, 펄스 스태킹의 최적화가 동시에 달성될 수 있다; 저장된 빔이 상기 공동의 이 영역 내에서 큰 횡방향 반경과 실질적으로 같은 방향을 향하므로, 상기 공동의 상호 작용 영역 내의 초점이 맞춰진 빔에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 펄스-스태킹 조정이 달성될 수 있다.
원칙적으로, 만약 펌프 레이저의 반복율이 충분히 넓은 범위의 반복율에 대하여 연속적으로 조정 가능하다면, 상기 공동 구형성과 펄스 스태킹의 독립적인 최적화의 문제는 일어나지 않는다는 점을 유의하여야 한다. 그러한 경우, 상기 저장 공동은 조밀하게 초점이 맞춰진 빔을 웨이스트에서 제공하기 위해 구축될 수 있고, 상기 펌프 레이저의 반복율은 펄스 스태킹 요건을 만족시키도록 조정될 수 있다. 그러나, RF 선형 가속기 자유-전자 레이저와 같이, 반복율에 있어서의 충분한 조정 성능을 가지지 못하여 상기 저장 공동의 제조 결함을 야기하는 펌프 레이저들도 존재하며, 그러한 경우 상기 공동의 구축은 상기 최적화를 달성하기 위해 모든 상기 기술들을 동시에 통합하여야 할 것이다.
예를 들면, 방사 간격 지속 시간, 저장 공동 길이 및 구동 레이저 전력과 같은 소정의 시스템 파라미터가 규정된 소정의 실시예에서, 순환 광학 마이크로펄스 전력을 상기 방사 간격의 끝에서 최대화하거나, 또는 상기 저장 공동의 상호 작용 영역을 통과하는 통합된 광학 에너지를 상기 방사 주기 동안 최대화하기 위하여, 미러 투과율이 상기 구동 레이저로부터의 충분한 전력을 상기 공동 내부로 연결하도록 선택될 수 있다. 그러나, 상기 저장 공동의 상기 상호 작용 영역에서 원하는 벡터 포텐셜을 성취하기 위해 미러 반사율의 다른 값들이 요구될 수도 있다.
예를 들면, 상기 반사율이 피크 순환 전력 또는 통합된 순환 에너지에 대해 최적화될 때, 상기 구동 레이저 전력이 높아서 상기 벡터 포텐셜이 원하는 값을 초과한다면, 상기 반사율은 상기 원하는 벡터 포텐셜을 달성하기 위해 필요한 만큼 감소될 수 있고, 또한 이는 상기 방사 간격 동안 상기 저장 공동 내의 상기 순환 광전력이 보다 일정한 시간 의존성(time-dependence)을 갖도록 할 것이다. 본 명세서에서 고려된 것과 같은 소정의 실제 실시예에서, 상기 미러의 흡수 손실은 무시할만 하고, 따라서 상기 미러로부터 반사되지 않은 에너지는 상기 미러를 통해 투과된 것으로 고려될 수 있다. 비-제로(non-zero) 흡수 손실을 처리하는 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상을 지식을 가진 자에게 공지되어 있다.
상기 연결 구성요소를 포함하지 않는 광학 구성요소들 사이에서의 반사율 손실의 분배에 관한 선택은 원하는 연결 효율에 따라 결정되는데, 상기 연결 효율은 전체 손실 대 연결 손실의 비로써 정의된다. 만약 연결 효율이 1이라면, 상기 공동에서의 가장 큰 전력 강화가 획득될 것이지만, 당해 경우에 있어서 반사된 전력의 최종 수준은, 상기 구동 레이저로의 역반사(back-reflection)를 감소시키기 위해 상기 구동 레이저와 저장 공동 사이에 분리용 광학기(isolation optics)를 요구할 것이다. 이러한 반사된 전력은 손실-매칭된 공동(예를 들면, 미러 반사율이 동일한 2 미러 공동)을 설계함으로써 최소화될 수 있지만, 이는 연결 효율이 1인 경우에 비해 상기 공동에서의 전력 강화를 감소시킬 것이다. 상기 반사되고 투과된 전력 사이의 적합한 타협(tradeoff)을 택하기 위해, 상기 연결 효율의 다른 값들이 선택될 수 있다.
시스템 구성 고려사항
상기 e-빔과 저장된 광학 펄스의 초점들이 서로 같은 곳에 위치하도록 상기와 같은 광학 저장 공동을 e-빔 초점의 부근에 위치시키고, 주사된 광학 펄스 및/또는 가속된 e-빔의 타이밍을 제어하여 상기 두 빔이 그들의 공유된 초점에서 교차하도록 함으로써, 각각의 반복적 단(團)의 가속된 빔 내의 전자들에 상기 광학 펄스의 피크 강도 또는 그에 근접한 강도로, 저장된 강한 광학 펄스에 의해 발생된 강한 언듈레이터장이 걸리고, 이로써, 각 충돌시에 언듈레이터 방사선의 효율적인 발생을 위한 조건과, 상기 광학 저장 공동 내에서 순환하는 상기 높은 강도의 광학 펄스들과 보다 작은 이들 전자 단(團)들의 다수의 연속적인 충돌을 통한 높은 평균 X-선 에너지 밀도과 휘도에 요구되는 조건이 성취될 것이다.
상기 시스템의 동작을 최적화하기 위해 필요한 상기 순환 광학 펄스의 초점 파라미터는 e-빔에 대한 것과 다소 다르다. 초점에서의 상기 e-빔의 가로 및 세로의 스폿 크기를 최적화하는 것은 일반적으로, 각도 범위(angular spread)에 대한 제한들 - 상기 제한은, 역산란된(back-scattered) X-선들의 파장의 각도 의존성(angular dependence)에 의해 부가됨 - 에 부합되는 스폿 크기의 최소화만을 필요로 하는 한편, 상기 저장된 광학 펄스에 대한 초점 파라미터들은 상기 광학 펄스의 상기 전자 단들과의 중첩을 최적화하도록 선택되는 것이 바람직하다.
가장 간단한 경우 - 상기 전자 빔과 광학 펄스의 동일 축을 따르는, 서로 다른 방향으로의 동일 선상에서의 전파 - 에 있어서, 상기 전자들이 상호 작용하는 광학적 장의 전력 밀도는, 펌프 레이저의 설계에 따라 결정되는 상기 광학 펄스의 길이 및, 회절 법칙에 의해 결정되는 초점 부근의 광학 빔 직경 및 면적의 특징적 의존성 양쪽 모두에 의존하여, 시간 및 위치에 따라 변동할 것이다. 상기 광학 스폿 반경 w(z)는 전형적으로 초점 스폿의 위치에 관한 축 상의 위치 z에 따라 변동하는데, 이는 다음과 같다:
여기서, w0는 상기 초점의 스폿 반경이고, zR, 즉 레일리(Rayleigh) 파라미터는 상기 초점 스폿의 "장의 깊이(depth of field)"를 규정한다.
상기 전자에 의해 방출된 언듈레이터 방사선 강도의 광학적 전력 밀도에 대한 특징적 의존성을 고려함으로써, 초점이 맞춰진 연속적인 광학 빔을 통해 이동하는 전자는, 상기 초점으로부터 +/-zr 거리에서 - 무한대로부터 + 무한대로 이동하면서 방출된 에너지의 절반을 방사할 것이라는 점을 알 수 있다. 따라서, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 펄스 길이는 레일리 파라미터 zR의 2배 크기로 감소될 것이고, 이하의 조건 하에서 전자들이 동일한 피크 강도의 연속적인 광학 빔과 충돌하는 경우에 비해 역산란된 X-선 광자의 수에 있어서 2배 이상의 손실은 없을 것이다:
7) 초점 영역 내의 상기 광학 펄스의 단면이 상기 전자 빔의 단면과 매칭되도록 유지된다.
8) 상기 광학 펄스의 중심이 상기 초점 앞의 하나의 레일리 파라미터 지점에 도달하는 시간과 상기 펄스의 중심이 상기 초점에 도달하는 시간 사이의 간격 동안의 소정 시간에, 상기 전자들은 역으로 전파되는 광학 펄스와 만난다.
9) 상기 광학 펄스는 일반적으로, 빛의 속도로 나눈 상기 레일리 파라미터의 2배와 같거나 그보다 작은 지속 시간을 갖는다.
10) 상기 광학 저장 공동에 대한 상기 레일리 파라미터는 가속기 드라이버에 의해 제공된 전자 단의 길이와 실질적으로 같거나 그보다 크게 설정되었다.
이러한 조건이 만족되면, 상기 저장 공동 내에서 순환하는 광학 펄스를 통해 움직이는 전자들은, 상기 광학적 전력 밀도가 상기 초점에서의 강도의 2배 이내의 값을 갖는 상기 초점 주위의 공간의 영역에서 광학적 장과 만나고, 상기 광학적 저장 공동 내의 순환 펄스의 피크 전력과 동일한 전력을 갖는 연속적인 광학 빔을 통해 움직이는 동일한 전자들에 의해 발생된 X-선 빔의 2배 이내의 에너지 밀도 및 휘도의 X-선 빔을 발생시킬 것이다.
공동 크기 및
미러
반사율 분석
미러에 부과되는 광학적 강도 또는 화력(thermal power)을 적용 가능한 손상 문턱값 이하로 제한하면서, 상호 작용 영역에서 원하는 벡터 포텐셜을 산출하는, 레이저-구동된 저장 공동에 대한 대표적 설계 체계가 이하에 기술되어 있다. 당해 설계 과정은 바람직한 것에 지나지 않으며, 배타적이거나 한정적인 것으로 의도된 것은 아니다.
상기 대표적 설계는 펌프 레이저 파장 λ, 레이저 마이크로펄스 지속 시간 τp, 피크 전력 Pinc, 및 마이크로펄스 반복율 νp로 시작되는데, 전형적으로 이들은 모두, 이용 가능한 레이저 시스템에 의해 결정된다. 상기 공동의 상호 작용 영역에서 원하는 공동 내부의 강도가 1/e2인 TEM00 모드의 빔 반경 ω0은, 예를 들면, 상기 광학 빔과 매칭되는 전자 빔의 이미턴스 특성과 초점 조절을 위한 기하학적 형상(focusing geometry)에 따라 규정될 수 있다.
상기 상호 작용 영역 내의 축상의(on-axis) 원하는 정규화된 벡터 포텐셜 an은 당해 응용 분야에 필요한 바에 따라 규정된다. rms 벡터 포텐셜 an은 이하의 식에 의해 cgs 단위인 rms 광학 전기장 E와 관련된다.
여기서, e와 m은 전자의 전하와 질량이고, λ는 광학 파장이며, c는 빛의 속도이다. an으로부터 축상의 전기장 E가 결정되면, cgs 단위의 축상의 광학적 강도 IP가 이하의 식으로부터 연산될 수 있다.
강도의 mks 단위로의 변환은 주지되어 있으며, 대응되는 순환 마이크로펄스 피크 전력 Pcirc가 이하의 관계식에 의해 상기 축상의 강도로부터 얻어진다.
공동의 길이에 관하여 완벽하게 위상 조정되어 상기 순환 광학 마이크로펄스를 보강 간섭하는, 피크 전력 Pinc의 주사된 마이크로펄스에 대하여, 상기 공동 내의 n번째 통과 동안의 순환 전력 Pcirc(0번째 통과시 빈 공동으로부터 시작함)는 이 하의 식에 의해 설명된다.
여기서, ti 2는 입력 미러에서의 부분 전력 연결 계수이고, δc는 부분 왕복 공동 전력 손실이다. 방사 간격 동안의 광학 미러들의 각각에 입사된 전체 광학 에너지로서 정의되는 통합된 광학적 에너지 Kcav가 상기 식들의 통합에 의해 이하와 같이 유도된다.
여기서, 
는 상기 방사 간격 동안의 시평균된 입사 레이저 전력이고, TΩ는 상기 방사 간격의 지속 시간이며, N은 상기 방사 간격 동안의 공동 왕복의 전체 회수이다.
상기 공동 내의 총 N회의 왕복 회수를 갖는 방사 간격에 대해, 상기 방사 간격의 끝에서의(즉, N번째 통과시의) 상기 순환 피크 전력 Pcirc는 δcN=2.52를 만족하는 공동 손실 δc에 대해 최대화되고, 통합된 광학적 에너지 Kcav는 δcN=3.78에 대해 최대화된다. 상기 두 가지 경우들 간의 유용한 설계 절충안은 이하의 조건을 이용하여 얻어진다.
여기서, Pcirc=(0.985)Pcirc max이고, Kcav=(0.985)Kcav max이며,
상기 방사 주기의 끝에서의 상기 순환 피크 전력 Pcirc는 이하의 식에 의해 주어진다(이는, ti 2가 공동 손실 δc를 지배하는 공동 설계에 대한 것임).
길이 Lc의 대칭형 공동에서 공동 미러에서의 방사 간격 동안의 에너지 밀도 FΩ(즉, 축상의 단위 면적 당 통합된 에너지)는 TEM00 모드 형상(geometry)으로부터 이하의 식으로서 얻어진다.
여기서, 상기 방사 간격의 지속 시간 TΩ는 이하의 식에 의해 상기 공동 길이 Lc와 관련된다.
수학식 2, 1 및 3은, 다른 시스템 파라미터 또는 요건에 부합되기 위하여 원하는 바에 따라 수정될 수 있는 화력 부하를 제한하기 위한 핵심 설계(point-design) 과정을 대한 기초를 형성한다. 예를 들면, 자유 전자 레이저 기반의 시스템에 대한 이하의 설계는 상기 과정으로부터 직접 나타난다:
λ=1㎛
ω0=10㎛[zR=0.31mm=c(1ps)에 대한 것임]
τp=1ps
νp=2.86GHz
Pcirc=43GW[an=0.1에 대응]
Pinc=50MW[역-테이퍼형(inverse-tapered) FEL에 대응]
FΩ=60J/cm2[TΩ=1㎲에 대한 보존적 에너지 밀도 손상 문턱값]
상기 파라미터들에 대해, 수학식 2는 δc=0.285%의 왕복 공동 손실을 규정하고, 수학식 1은 상기 공동 내의 N=1073회의 총 왕복 회수를 규정하며, 수학식 3은 상기 방사 간격에 대해 TΩ=5.4㎲의 지속 시간(손실 문턱값의 크기가 TΩ의 제곱근에 비례한다고 가정함)을 규정한다.
상기 공동의 크기가 상기 설계 과정에 의해 획득된 특정 공동 파라미터에 대해 연산될 수 있다. 본 예에 있어서, 대응되는 공동의 길이는 Lc=0.75m인데, 이는 상기 공동 내의 순환 마이크로펄스들의 가장 가까운 정수(integral number)에 매칭되기 위해 필요한 바에 따라 증가될 수 있으며; 당해 예에서, Lc=0.786m이다. 이러한 공동 길이에 대해 미러에서의 TEM00 모드의 강도가 1/e2인 반경 ωmirr은 ωmirr=12.5mm이고, 상기 공동 미러의 지름 φmirr는 φmirr=60mm가 되도록 신중하게 선택될 수 있다.
손상 메커니즘이 상기 피크 광학 강도에 따른 고속의 시간 규모로 일어나는 동작 체제에 대하여(통합된 광학 에너지 밀도와는 반대임), 선택된 설계는 당해 처리들에 대한 적용 가능한 손상 문턱값과 호환되어야 한다. 길이 Lc의 대칭형 공동 내의 공동 미러에서의 방사 간격의 끝에서의 상기 순환 마이크로펄스 피크 강도(즉, 축상의 단위 면적당 피크 마이크로펄스 전력)는 이하와 같다.
따라서, 미리 규정된 빔 반경 ω0와 상호 작용 영역 내의 원하는 벡터 포텐셜 an을 산출하기 위해 선택된 순환 피크 마이크로펄스 전력 Pcirc에 대하여, 상기 대칭형 광학 저장 공동의 길이 Lc는 에너지 밀도에 대한 고려에 독립적으로 결정된다. 최종 시스템 설계에 대해, 상기 시스템 파라미터들은 광학적 강도에 의존적인 손상 메커니즘 및 통합 에너지 밀도에 의존적인 손상 메커니즘 양쪽 모두에 대한 손상 문턱값들과 호환되어야 한다.
동기화의 제어 및 안정화
상기한 바와 같이, 전자 마이크로펄스, 펌프 레이저로부터의 광학 마이크로펄스, 및 상기 저장 공동 내의 순환 광학 마이크로펄스가 동기화되는 것은 중요하다. 이를 달성하기 위한 다수의 가능한 접근 방법이 존재한다. 요컨대, 본 발명의 실시예들은 이하의 것들 중 하나 또는 그 이상을 설정 및 안정화하는 센서와 제어기들을 제공할 수 있다.
● 광학 공동의 초점 파라미터들 및 왕복 횡단 시간;
● 펌프 레이저(들)의 레이저 발생 및 광학 마이크로펄스 주기성;
● e-빔 가속기(들)의 주파수; 및
● 상기 가속기(들)의 위상 및 e-빔 조향(steering)
바람직한 실시예들은 상기의 것들 중 최소한 몇몇의 안정화, 바람직하게는 상기의 것들 모두의 안정화를 추구한다.
도 7A 및 7B는 동기화의 제어 및 안정화를 달성하기 위한 대표적인 제어 구성요소를 도시하는 개략도이다. 도 7A는 도 5에서 도시된 제1 (브루스터-보상된) 공동 구성을 이용하는 실시예에 대응하고, 도 7B는 도 6에서 도시된 제2 (접혀진) 공동 구성을 이용하는 실시예에 대응한다. 진단기 및 제어기는 상기 저장 공동의 정상 상태는 물론, 과도적 상태의 동작 체제를 조정하기 위해 설계되는데, 그 중 소정의 실시예들은, 최대의 저장된 순환 광전력과 통합된 광학적 에너지를 제공하도록, 유한한 지속 시간의 방사 간격에 의해 제한될 수 있다. 전형적으로, 정상 상태에서의 동작은 그러한 최적의 공동에 의해 달성되지 않으므로, 상기 최적의 공동들은 주기적인 구동 레이저 및 전자 빔 입력들과 순환 광학 펄스들의 주파수와 위상 양쪽 모두를 감시하는 진단기 및 제어기를 포함해야한다.
상기 광학 공동 내의 상기 순환 광학 펄스를 위한 주요한 진단기들은, 공동 내부의 펄스들이 반복된 왕복으로 강화될 때의 공간적 및 열적 발달을 기록할 수 있는 하나 또는 그 이상의 2차원 및/또는 3차원 포토다이오드 배열과 고속 포토다이오드들을 포함한다. 이러한 검출기들은, 하나 또는 그 이상의 공동 포트(cavity port)에서 구성되어, 횡방향 모드 프로파일의 형태 및 위치와, 공동 왕복 횡단 시간보다 더 빠른 시간 규모 상의 상기 순환 광학 강도의 열 의존성을 측정한다.
입사된 전자 단(團)들에 대한 주요한 진단기들은 상호 작용 영역 부근의 하나 또는 그 이상의 빔 위치 모니터와 RF 픽오프(pickoff) 검출기, 및 발생된 고에너지 광자 전력 및/또는 유속을 측정하기 위한 X-선 검출기를 포함한다. 또한, 구동 레이저 시스템으로부터의 입사 레이저 펄스의 주파수 및 위상을 위한 진단기들 이 포함된다.
이하의 것들 중 적어도 하나에 대한 제어가 제공되는 것이 바람직하고, 이하의 것들 중 다수 또는 모두에 대한 제어가 제공되는 것이 더욱 바람직하다.
● 광학 저장 공동 미러들의 동심성(concentricity). 대표적 제어는 상기 광학 저장 공동 미러의 이동 및/또는 레이저 백 히팅을 포함할 수 있다.
● 순환 광학 펄스들의 왕복 횡단 시간. 대표적 제어는 상기 광학 펄스 포락선의 규모 및 감도 상에 따른 미러 이동을 포함할 수 있다.
● 상기 광학 저장 공동의 구동 레이저의 주파수 매칭. 대표적 제어는 상기 광학 파장분의 1의 크기 및 공간 해상도에 따른 레이저 공동 미러 이동을 제공할 수 있다.
● 구동 레이저 시스템의 마이크로펄스 반복 주파수.
● RF 전자 가속기의 마이크로 단(團)(microbunch) 반복 주파수.
● 광학 저장 공동 미러의 횡방향의 정렬.
● 구동 레이저 빔의 횡방향의 정렬 및 타이밍.
● 구동 레이저 빔의 종방향의 정렬 및 모드 매칭.
● 입사된 전자 단들의 횡방향의 정렬 및 타이밍.
● 구동 레이저로부터의 광학 펄스들과 입사된 전자 단들의 동기화.
구동 레이저 공동-연결 계수
구동 레이저 및 저장 공동의 최적의 정렬을 유지하는 제어에 필요한 감도는, 상기 구동 레이저 공간 모드의 상기 저장 공동의 TEM00 모드와의 중첩을 결정하는 시스템 파라미터에 의존한다. 만약 상기 구동 레이저 모드가 그 자체로 TEM00 모드라면, 공동 모드에 대한 상기 구동 레이저 모드의 연결은, 가우시안(Gaussian) 모드 이론으로부터 연산된 이하의 전력 연결 계수 η에 의해 분석적으로 결정된다(여기서, 상기 구동 레이저와 공동 모드의 완벽한 공간적 정렬은 1의 전력 연결 계수에 대응한다고 가정함):
1) 입사된 구동 레이저 빔이 완벽하게 정렬되어 공동 축으로부터의 일정한 횡방향의 변위 δ를 제외하고 상기 공동 모드에 모드 매칭된다면, 이하와 같다.
여기서, ω0는 웨이스트에서의 TEM00 모드의 강도가 1/e2인 빔 반경이다.
2) 상기 입사된 구동 레이저 빔이 완벽하게 정렬되어 웨이스트에서의 상기 공동 축으로부터의 
의 각 변위(angular displacement)를 제외하고 상기 공동 모드에 모드 매칭된다면, 이하와 같다.
여기서, 
는 먼 장(far field)에서의 TEM00 모드의 강도가 1/e2인 절반 발산 각도(half-divergence angle)이다.
3) 상기 입사된 구동 레이저 빔이 완벽하게 정렬되어 공동 축을 따른 Δz의 종방향의 변위를 제외하고 상기 공동 모드에 모드 매칭된다면, 이하와 같다.
여기서, ζ≡Δz/zR이고, zR은 상기 공동 모드의 레일리 범위이다.
4) 상기 입사된 구동 레이저 빔이 완벽하게 정렬되어 웨이스트에서의 빔 반경 내의 매칭 오류를 제외하고 상기 공동 모드에 모드 매칭된다면, 이하와 같다.
여기서, ωb는 웨이스트에서의 구동 레이저 모드의 강도가 1/e2인 빔 반경이다.
TEM00 공동 모드에 연결되지 않거나 광학 구성요소에 의해 흡수되지 않는 입사된 구동 레이저 전력은 상기 공동으로부터 반사된다.
독립적(즉, 마스터) 및 비독립적(즉, 슬레이브) 제어들이 이하와 같이 대표적 실시예에서 연결된다(실제 실시예들은 이하의 것들의 소정의 부분집합을 포함할 수 있음):
1. 광학 공동의 정렬 및 초점 맞추기
상기 광학 공동의 정렬 및 초점 맞추기는 이하의 것 중 하나 또는 그 이상에 의해 성취될 수 있다:
● 광학 저장 공동 미러들의 동심성이, 투과된 TEM00 모드 프로파일의 횡방향의 형태와 폭을 감시하는 포토다이오드 배열로부터의 피드백에 의해 독립적으로 제어된다.
● 상기 광학 저장 공동 미러들의 횡방향의 정렬이, 투과된 TEM00 모드의 횡방향 위치를 감시하는 상기 포토다이오드 배열로부터의 피드백에 의해 독립적으로 제어된다.
● 상기 저장 공동 내의 순환 광학 펄스들의 타이밍 및/또는 위상이 공동 내부의 TEM00 모드의 순환 전력을 감시하는 포토다이오드 배열로부터 도출된 위상 신호에 의해 독립적으로 감시되고, 상기 위상 신호는 상기 공동 내부의 TEM00 모드의 상기 순환 전력을 최대화하기 위해 입사된 구동 레이저 펄스에 대한 조정 가능한 위상 오프셋을 제공한다.
2. 입사된 구동 레이저의 정렬 및 타이밍
입사된 구동 레이저의 정렬 및 타이밍은 이하의 것들 중 하나 또는 그 이상에 의해 달성될 수 있다:
● 입사된 구동 레이저 빔의 횡방향의 정렬은 TEM00 모드의 전력을 감시하는 포토다이오드 배열로부터의 피드백에 의해 독립적으로 제어된다.
● 상기 입사된 구동 레이저 빔의 종방향의 정렬 및 공간적 모드 매칭(시그먼(Siegman) 1986년b)이 공동 내부의 TEM00 모드에의 최적의 연결을 위해 독립적으로 조정되고, 저장 공동의 포트들 중 둘 또는 그 이상에서 기록된 모드 프로파일 정보를 이용하여 상기 포토다이오드 배열로부터의 피드백에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
● 상기 입사된 구동 레이저 펄스의 광학 저장 공동 내의 순환 펄스에 대한 주파수 매칭(또는 크레스트-투-크레스트 파면 매칭(crest-to-crest wavefront matching))이 PDH(Pound-Drever-Hall) 레이저 안정화 기술(드레버(Drever) 1983년)에 의해 독립적으로 제어되는데, 여기서 PDH 오류 신호가 상기 광학 저장 공동 또는 구동 레이저 시스템의 (미러 이동을 통한) 주파수 조정을 위해 이용된다.
● 상기 입사된 구동 레이저 빔의 타이밍 및/또는 위상이, 상기 입사된 구동 레이저 빔으로부터 전달되고 독립된 포토다이오드 검출기로 향하는 픽오프(pickoff) 신호에 의해 독립적으로 감시된다.
● 이러한 제어들은 구동 레이저 시스템을 형성하는 다수의 소정의 구동 레이저들에 필요한 바에 따라 중복될 수 있다.
3. 입사된 전자 빔의 정렬 및 타이밍
입사된 전자 빔의 정렬 및 타이밍이 이하의 것들 중 하나 또는 그 이상에 의 해 달성될 수 있다:
● 입사된 전자 단들의 횡방향의 정렬이 상호 작용 영역 부근의 근접 빔 위치 모니터로부터의 피드백에 의해 독립적으로 제어되고, 발생된 X-선들의 강도를 최대화하기 위해 최적화된다.
● 상기 입사된 전자 단들의 타이밍 및/또는 위상이 상호 작용 영역에 근접한 RF 픽오프 검출기로부터 전달된 위상 신호에 연결되고 그에 의해 제어되는데, 상기 위상 신호는, 구동 레이저로부터의 광학 펄스들과 상기 입사된 전자 단들의 동기화를 최적화하고 발생된 고에너지 광자 전력 및/또는 유속을 최대화하기 위한 조정 가능한 위상 오프셋을 포함한다.
● 이러한 제어들은 전자 단들의 소스를 형성하는 다수의 소정의 전자 가속기들에 필요한 바에 따라 중복될 수 있다.
4. 구동 레이저 시스템 및 e-빔 가속기의 마이크로펄스 반복 주파수
구동 레이저 시스템 및 e-빔 가속기의 마이크로펄스 반복 주파수는 이하의 것들 중 하나 또는 그 이상에 의해 제어될 수 있다.
● 저장 공동에서의 순환 광학 펄스의 왕복 주파수, 및 구동 레이저 시스템 및 RF 전자 가속기의 마이크로펄스 반복 주파수가 두 개의 슬레이브 제어를 갖는 하나의 마스터 제어로 서로 연결된다.
● 대표적 실시예에서, 상기 구동 레이저 시스템 및 상기 RF 전자 가속기의 마이크로펄스 반복 주파수가 상기 저장 공동의 상기 순환 광학 펄스의 왕복 주파수 와 연결되고 그에 의해 제어되는데, 상기 왕복 주파수는 TEM00 모드의 순환 전력을 감시하는 포토다이오드 배열 및/또는 고속 포토다이오드들로부터 도출된다.
● 다른 실시예에서는, 상기 구동 레이저 시스템의 마이크로펄스 반복 주파수 및, 상기 저장 공동 미러들의 이동에 의해 제어되는 상기 순환 광학 펄스의 왕복 주파수가 RF 전자 가속기의 마이크로 단(團) 반복 주파수에 연결되고 이에 의해 제어된다.
● 이러한 제어들은 다수의 소정의 구동 레이저들과 전자 가속기들을 위해 필요한 바에 따라 중복될 수 있다.
보조적인 저-전력 공동을 이용하는 제어 시스템
도 8은 상기 구동 레이저 및 상기 저장 공동의 주파수들을 매칭하는 다른 제어 시스템의 개략도이다. 도 7A 및 7B에서 도시된 제어 시스템과 도 8 사이의 주요한 차이점은, 고-전력 구동 레이저 및 광학 언듈레이터 저장 공동(브루스터-연결된 또는 접혀진 설계 중 하나의 것임)의 각각에 대해, 기계적으로 연결된 저전력 보조 공동을 도입한 것이다. 이러한 보조 공동의 주(主) 형상은 상기 보조 공동의 미러가 상기 고전력 공동의 미러에 대한 공통의 베이스 상에 기계적으로 또는 고정적으로 탑재된 것으로, 이로써 연결된 미러들의 각 쌍이 서로 함께 이동할 수 있다; 연결된 미러들의 이러한 쌍들은 상기 도면에서 "연결된 미러 조립체"라고 명명되어 있다. 접혀진 저장 공동에 대한 상기 보조 공동 미러는 측면으로 변위된 것 으로서 개략적으로 도시되어 있지만, 상기 접혀진 공동을 이용하는 바람직한 실시예에서는 상기 보조 미러들이 대응 미러들의 "위", 즉, 상기 접혀진 공동의 평면의 외부에 배치될 것이라는 점을 유의하여야 한다.
상기 보조 공동을 도입하는 목적은, PDH(Pound-Drever-Hall) 또는 다른 기술을 이용하여 상기 고전력 구동 레이저를 상기 저장 공동에 대해 직접 안정시키하는 대신, 이러한 보조 공동이 개별적인 저전력 주파수-안정된 레이저 170에 대해 직접 안정되고 주파수-고정될 수 있도록 하는 것이다; 상기 연결된 미러 조립체를 구성하는 안정한 기계적 연결이 이러한 안정성을 간접적으로 상기 고전력 레이저와 저전력 공동으로 전달하기 위해 이용될 수 있다. 상기 보조 공동을 안정시키기 위해 사용되는 단일-모드 CW 레이저는 상기 구동 레이저에 의해 전달된 펄스 빔과 다른 파장을 가질 수 있다.
이러한 다른 기술은 유한한 방사 간격을 채택하는 광학 언듈레이터에 대해 두 가지의 주된 이점을 갖는다. 첫번째로, 상기 레이저 안정화 기술(예를 들면, "PDH; Pound-Drever-Hall")을 상기 고전력 구동 레이저 대신 상기 저전력 보조 공동에 적용함으로써, 상기 고전력 구동 레이저 빔에 대한 광학적 상태 조정(예를 들면, 위상 변조 및 편광 제어)을 하지 않아도 되고, 상기 구동 레이저 빔의 상기 고전력 저장 공동으로의 매칭이 보다 용이하고 신뢰성 있게 구현될 수 있다. 두번째로, 상기 보조 공동이 안정한 CW 레이저에 고정된 채 계속하여 유지되고, 따라서 상기 보조 공동의 안정성을 상기 고전력 공동으로 계속하여 전달하므로, 상기 고전력 공동들은 상기 고전력 구동 빔이 존재하지 않는 방사 간격들 사이의 시간 동안 에도 서로 "주파수-고정된" 채로 남아있다.
도 9에서 도시된 구성에 대해, 동작을 위한 대표적인 제어 체계는 다음과 같다:
1) 마스터 클록이 구동 레이저 모드 고정기(locker) 및 전자 빔을 위한 타이밍 신호를 제공한다.
2) 도시된 바와 같이, 오류 신호가 각각의 연결된 미러 조립체로 피드백 되면서, 보조 공동이 개별 "PDH(Pound-Drever-Hall)" 시스템을 이용하는 안정된 단일-모드 레이저로 주파수-고정된다.
3) 상기 저전력 보조 공동에 독립적으로 구동 레이저 튜닝 엑츄에이터를 조정함으로써, 상기 고전력 구동 레이저의 동작이 최적화된다.
4) 상기 구동 레이저 빔을 상기 저장 공동에 매칭하고 상기 저전력 보조 공동에 독립적으로 상기 저장 공동 펄스 스태킹 엑츄에이터를 조정함으로써, 상기 광학 언듈레이터 저장 공동의 동작이 TEM00 모드 상의 동작에 대해 최적화된다.
5) 구형 미러가 광학적 축에 정렬된 채로 유지되도록, 2차원 포토다이오드 배열이 상기 저장 공동 미러 조향(steering)에 대한 오류 신호를 도출하기 위해 이용된다; 적합하게 설계된 시스템에서는, 상기 구형 미러의 조향이 주파수 매칭 및 펄스 스태킹에 독립적으로 조정될 수 있다.
6) 또한, TEM00 모드 크기가 안정하게 유지되도록, 2차원 포토다이오드 배열이 저장 공동 동심성(concentricity)에 대한 오류 신호를 도출하기 위해 이용된다; 일반적으로, 이러한 보상은 주파수 매칭에 영향을 줄 수 있는 전체적인 공동 길이에 있어서 변화를 일으킨다. 그러나, 상기 광학 언듈레이터 저장 공동이 상기 저전력 보조 공동에 기계적으로 연결되므로, PDH 피드백 시스템은 상기 공동 길이에서의 (계획적인 또는 그 외의) 변화를 즉각적이고 계속적으로 보상한다; 상기 전체적인 공동 길이는 안정하게 유지되고, 상기 구동 레이저로의 상기 저장 공동의 주파수 고정은 보존된다.
7) TEM00 모드에서의 상기 저장 공동의 안정한 동작 하에서, 상기 저장 공동 펄스 스태킹 엑츄에이터가 오류 신호를 생산하기 위해 약간 진동할 수 있는데, 상기 오류 신호는 당해 엑츄에이터가 최대 TEM00 모드 전력을 위해 조정된 채 유지되도록 이용될 수 있다.
8) 상기 TEM00 모드의 안정한 동작이 성취되었을 때, 상기 구동 레이저/e-빔 동기화 스테이지는, 저장된 광학 펄스들의 전자 단(團)들과의 중첩을 최적화하여 X-선 생성을 최대화하기 위해 저속으로 주사될 수 있다.
안정한 저장된 광학 빔을 형성하고 제어하는 시작(
turn
-
on
) 과정
이하의 과정은, 고전력 동작 및 X-선의 생성을 위한 시스템을 최초로 시작하기 위한 대표적인 과정이다. 이는 배타적인 것은 아니다.
1) 최초의 공동 준비:
상기 공동의 최초 정렬은 상기 제어들이 비활성화된 상태로 '수동으로' 행해 진다. 공동 왕복 시간은 - 구동 레이저 및 전자 가속기의 마이크로펄스 반복 주파수가 동작 동안 상기 왕복 시간에 매칭되어야 함 -, 보유된 물리적 거리를 신중하게 측정함으로써 또는 하나의 시드(seed) 마이크로펄스를 주사함으로써 형성될 수 있는데, 여기서 상기 시드 마이크로펄스의 상기 공동 내의 교란되지 않은 순환이 상기 포토다이오드 진단기를 이용하여 측정될 수 있다. 변환된 주사된 빔의 웨이스트가 상기 공동의 웨이스트와 공간적으로 정렬되도록 입력 레이저의 정렬 및 매칭을 포함하는 상기 공동의 초기의 횡방향 정렬이 저전력 구동 레이저 빔의 주사에 의해 행해질 수 있고, 미러들의 횡방향 정렬은 포토다이오드 배열상의 상기 저전력 및 비간섭성의 내부 공동 빔의 대칭성과 위치를 관찰함으로써 조정될 수 있다. 상기 구동 레이저 및 공동 미러의 이러한 정렬은 필요에 따라 반복될 수 있다. 이러한 그리고 유사한 과정에 의해, 동작 동안의 부수적 조정이 남아있지 않다면 상기 공동은 실질적 정렬 상태로 준비되어, 주사된 레이저의 초기의 간섭적 강화가 이루어질 수 있다.
2) 저전력의 안정한 저장된 빔의 초기 형성:
간섭성의 순환 광학 빔의 초기 형성은, 상기 제어가 비활성화된 상태에서, 그리고 구동 레이저 전력이 충분히 낮은 상태 - 상기 구동 레이저 전력이 충분히 낮은 상태는, 공동의 조정이 간섭성 펄스 스태킹을 불시에 발생시키고 그에 따른 공동 내부 전력의 증가를 야기할 때 열 왜곡이 공동 광학기에 부가되지 않도록 할 수 있는 상태임 - 에서 가장 잘 수행된다. 이러한 낮은 빔 전력에서 상기 구동 레이저가 공동 내로 주사되고, 상기 구동 레이저 시스템의 마이크로펄스 반복 주파수 는 저장 공동의 왕복 주파수에 매칭되도록 조정된다(상기 왕복 주파수가 공동의 동심성에 독립적으로 조정될 수 있는 광학 공동에 대해, 상기 저장 공동의 왕복 주파수는 상기 구동 레이저 시스템의 마이크로펄스 반복 주파수와 매칭하도록 조정될 수 있음). 만약 상기 조정이 충분히 느리다면, 상기 주사된 구동 레이저가 상기 공동 내의 공진을 여기하기 위해, 아마도 최초에는 단지 산발적으로 여기하기 위해 관찰될 것이고, 그 변동의 크기는 상기 구동 레이저의 공동 내부의 빔에의 연결(즉, 모드 고정)의 정도를 나타낼 것이다.
여기서, 상기 구동 레이저의 광학 주파수(또는 광학 파장분의 1의 규모에 따른 광학 미러의 이동)는 상기 저장 공동의 공진을 여기하기 위해 신중하게 조정된다. 이러한 공진은 상기 광학 주파수 조정에 민감한 준-안정(quasi-stable) 모드 프로파일로서 상기 포토다이오드 진단기 상에 나타날 것이다. 그 결과인 공진은 반드시 TEM00 모드의 여기를 나타내는 것이 아니라, 보다 높은 순위의 다른 횡방향 모드들 중 하나를 나타낼 것이며, 따라서 상기 주파수 조정은 TEM00 공진이 상기 공동 내에서 강화되도록 관찰될 때까지 계속되어야 한다. 이러한 형성된 TEM00 공진을 기준으로서 하여, 상기 횡방향의 공동 정렬 및 공동 동심성이 상기 TEM00 모드 내의 저장된 전력을 최대화하기 위해 신중하게 조정되고, 필요하다면 상기 주파수와 함께 반복적으로 조정되어야 한다.
3) 제어 시스템의 시작(
turn
-
on
):
단계 2에서의 상기 낮은 구동 레이저 전력에서, 상기 공동에 대한 제어는 한 번에 하나씩 활성화되어야 한다. 활성화에 대한 대표적인 순서는 다음과 같다: (a) 저장된 빔의 중심을 포토다이오드 배열 상에 위치시키기 위한 공동 미러의 횡방향 정렬, (b) 저장된 TEM00 모드에의 연결을 최대화하기 위한 구동 레이저 빔의 횡방향 및 종방향 정렬, (c) 구동 레이저 광학 주파수를 공진 TEM00 모드의 축방향 모드(axial mode)로 고정하기 위한 PDH(Pound-Drever-Hall) 레이저 안정화 시스템의 활성화, (d) 상호 작용 영역 내의 원하는 초점 파라미터와 빔 사이즈를 성취하기 위한 저장 공동의 동심성 조정(여기서, 그에 대응하는 공동 길이의 변화가 상기 PDH 안정화 시스템에 의해 보상되고 추적될 것임), 및 (e) 상기 저장 공동의 왕복 주파수에 대한 마이크로펄스 반복 주파수의 고정.
4)
고전력의
안정한 저장된 빔의 최종 형성:
단계 3에서의 조정을 시작한 후, 상기 구동 레이저 전력은 상기 공동의 상호 작용 영역에서 원하는 정규화된 벡터 포텐셜을 성취하기 위해 저속으로 증가할 수 있다. 이상적으로는, 이는 내부 공동 빔 또는 광학기의 교란 없이 진행될 것이다. 그러나, 고전력에서 미러 또는 광학기의 왜곡이 야기된다면, 상기 공동에 대한 그 주요한 효과는 공동 동심성의 왜곡과 그 결과인 TEM00 모드의 크기 변화일 것이다. 제어 시스템이 충분히 활성화되면, 이러한 변화는 고전력에서도 보상되어야 한다. 그러나, 상기 보상이 최적의 최종 시스템 구성에서 이루어지지 않는다면(예를 들면, 제어 파라미터 중 어느 하나가 결국 최적의 범위 밖에 존재한다면), 상기 정렬 및 시작 과정이 그 개시 구성을 다시 초기화하기 위해 저전력에서 반복될 수 있고, 이로써 최적화되는 고전력 구성을 생성할 수 있을 것이다.
5) X-선의 발생:
단계 1 내지 4에서 광학적 언듈레이터를 형성한 후, 가속기 마이크로펄스 반복 주파수가 상기 구동 레이저 및 저장 공동 주파수에 고정된 상태에서, 전자 빔의 초점이 상기 상호 작용 영역에 맞춰질 수 있고, 전자 단들이 저장된 광학 펄스들과 상기 상호 작용 영역 내에서 충돌하도록 상대적 위상이 조정될 수 있다. 이 과정에 대한 주요한 진단은 X-선 검출기 상의 고에너지 광자의 발생일 것이다. 상기 전자 빔의 횡방향 및 종방향의 정렬과 타이밍이 상기 발생된 X-선 전력을 최적화하기 위해 조정될 수 있다.
다수의
언듈레이터
실시예들
상기 논의들은 하나의 공동 내의 강한 언듈레이터장에 노출되는 전자 빔을 고려하였지만, 다수의 광학 공동들 간에 하나의 전자 빔을 공유하고, 따라서 복수의 X-선원을 제공하는 것도 가능하다. 이는, 정규화된 벡터 포텐셜이 1에 접근할 때에도 X-선 방출의 확률이 여전히 작아서, 여섯 개의 상기와 같은 상호 작용 영역을 통과한 후에도 빔 내의 대부분의 전자들이 교란되지 않은 최대 운동량과 에너지를 가질 것이기 때문이다. 다수의 X-선원들 사이에 전자 빔을 공유할 수 있는 성능은 상기 전자 빔 설비가 고가라는 이유에서도 중요하다. 이는, 단백질 결정학에 대해 그러한 다수의 X-선을 사용하는 연구소들 및 다수의 X-선원으로부터의 혜택을 받을 수 있는 다른 응용 분야에 대해 가치 있는 특성이다.
도 9A 및 9B는 다수의 광학 언듈레이터 간에 하나의 전자 빔을 공유하는 다른 접근 방법에 관한 개략도이다. 양 실시예에서, 상기 전자 빔은 4극 자석(quadrupole magnet)들 200과 같은 주지의 구성요소를 이용하여 초점이 맞춰지고, 양극 자석(dipole magnet)들 210과 같은 주지의 구성요소를 이용하여 편향된다. 제1 광학 공동 30a을 통과한 후, 상기 빔은 하위의 광학 공동 30b을 통과하기 위해 편향되고 초점이 맞춰진다. 상기 도면들은 단지 두 개의 그러한 공동만을 도시하지만, 추가적 공동을 제공하는 것도 가능하다.
도 9A는 X-선 빔들이 모두 원래의 전자 빔 방향의 한쪽 방향을 향하는 구성을 도시한다. 당해 구성을 이용함으로써, 다수의 독립적 X-선 빔을 구동하기 위해, 제1 광학 저장 공동 내의 제1 상호 작용 영역으로부터 하위에 위치된 광학 공동들 내의 다수의 상호 작용 영역들에 상기 광학 빔의 초점을 다시 맞추는 것이 가능하다는 점을 유의하여야 한다. 상기 구성은 스토리지 링을 필요로 하지는 않지만, e-빔이 5 내지 30도-1(degree arc) 부근을 향하도록 하고, 제2 저장 공동의 상호 작용에서 상기 전자 빔의 초점을 다시 맞추고, 해당 설비 내에서 사용되어야 하는 수의 빔 라인들을 구동하기 위해 필요한 회수 만큼 상기 처리를 반복할 수 있는 전자-빔 수송 채널(격자)을 필요로 한다. 소모된 전자 빔이 "에너지 회복" 선형 가속기 내에 배치되기 전에 감속되는지 또는 적합하게 설계된 고에너지 빔 덤프 내에서 단순히 처리되는지에 무관하게, 이러한 배열은 적합하다.
다수의 X-선 빔 라인을 공급하기 위해 스토리지 링을 필요로 하지 않는다는 상기 설명은, 본 발명이 전자 스토리지 링과 관련되어 사용될 수 없다는 것을 의미하도록 해석되어서는 안 된다.
도 9B는 X-선 빔이 상기 원래의 전자 빔 방향의 다른 쪽 방향들을 향하는 고성을 도시한다. 도 9A에 도시된 구성에 대한 유일한 변경은, 각각의 추가적 광학 공동에 대한 상기 시스템에 다른 렌즈(예를 들면, 4극 200)들과 다른 한 쌍의 편향 구성요소(예를 들면, 양극 210)를 추가한 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 원리들에 따라 구축된 UV, X-선 및 감마선 소스들의 효율적인 동작은, 상호 작용 영역에서의 전자 빔의 횡방향 차원에서의 전자 빔 에너지 범위와 이미턴스의 효과를 최소화하는 전자-빔 수송 시스템을 요구한다. 따라서 상기 전자-빔 수송 시스템은, 상호 작용 영역 내에 실질적으로 0의 분산을 제공하도록, 그리고 분산을 변동시킴이 없이 세로 및 가로 평면 내에서 상기 전자 빔의 초점을 정확히 맞출 수 있는 포커싱(focusing) 렌즈의 설치가 가능하도록, 그리고 상기 상호 작용 영역 내에서의 사용 후에 감속 또는 처분을 위해 빔의 초점을 다시 맞추거나 또는 제2 상호 작용 영역 내에서의 사용 후에 제2의 독립적으로 동조 가능한(tunable) UV, X-선, 또는 감마선 빔 라인의 발생을 위해 빔의 초점을 다시 맞출 수 있도록 설계되어야 한다.
도 9A 및 9B에서 도시된 단순한 전자-빔 수송 시스템들은 그 대칭성에 의해, 상기의 요건들을 만족시킬 수 있는 시스템의 예시인 동시에, 또한, 상기 시스템들은 서로 무관한 과학적, 의학적 또는 산업적 응용 분야들을 지원하는 동시적 사용을 용이하게 하기 위하여, 빔 라인을 따라 연속된 상호 작용 영역들 내에 발생된 UV, X-선 및 감마선 빔들을 공간적으로 분리하는 성능을 제공한다. 또한, 이러한 구성은 모든 상기 포커싱 렌즈들이 0의 분산 위치 또는 그 부근에 배치되어 상기 전자 빔의 하위의 분산에 대한 상기 렌즈들의 효과를 제거(또는 최소화)할 수 있도록 한다.
이러한 상대적으로 단순한 설계에 추가될 수 있는 소정의 향상이 더 존재한다. 예를 들면, 4극에 의해 도입된 에너지-의존적인 초점 맞춤 항목에 기인하는 무색성 수차(收差)를 감소시키거나 제거하기 위해 비축(off-axis)의 양극들 사이에 6극(sextupole) 자석이 사용될 수 있다. 이는 상기 6극을 이용한 초점 맞춤이 횡방향 위치의 함수로서 비대칭이기 때문이고, 따라서 비축의 고에너지 전자들이 비축의 저에너지 전자들보다 강한 초점 맞춤 효과를 나타낼 것이다.
설계적
우위
본 발명을 편입하는 시스템에서, 공동의 광학적 표면 상에 입사된 피크 및 평균 전력 농도의 양쪽 모두는, 상기 공동의 길이, 공동 미러의 횡방향의 반경 및 상기 미러에서의 광학적 스폿 크기를 증가시킴으로서 감소될 수 있고, 상기와 같은 보다 길고 보다 큰 공동은, 스토리지 링 또는 초전도 선형 가속기와 같은 연속된 또는 연속에 근접하는 e-빔 소스들을 이용하는 시스템의 동작에 유용할 것이다.
상기 시스템에서 사용된 각각의 전자에 의하여 생산된 X-선의, 방출 처리의 물리적 현상 및 이용 가능한 광학 물질의 특성에 부합되는 수를 최대화함으로써, 본 발명은 동작에 필요한 전자 빔의 발생에 요구되는 전력과, 또한 상기 e-빔에 의 해 생성된 이온화 방사선을 획득 가능한 가장 낮은 수준으로 감소시키고, 이로써 설비 및 동작 비용을 최소한으로 감소시키는 한편 상기 소스에 의해 발생되는 X-선들의 강도 및 휘도는 최대화한다.
참조 문헌
이하의 참조 문헌들이 참조에 의해 본 명세서에 편입된다:
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결론
결론적으로 본 발명의 실시예들은, 자외선, X-선 및 감마선 파장에서 실질적으로 단색인 고에너지 전자기 방사선의 효율적이고 동조 가능한 소스를 제공할 수 있다는 점을 알 수 있다. 그러한 소스는 광학 언듈레이터 및 상대론적 전자 빔을 이용하여 구축될 수 있는데, 상기 광학 언듈레이터는, 매칭된 구형에 가까운 저손 실 광학 공동 내에 하나 또는 그 이상의 펄스 레이저로부터의 위상 간섭적인 펄스 방사선을 축적함으로써 생성되고, 상기 상대론적 전자 빔은 상기한 광학 마이크로펄스의 주기에서 그 단(團)이 형성되고, 상기 전자의 단(團)들이 상기 광학 마이크로펄스의 피크 강도에서 순환 광학 마이크로펄스와 상호 작용하도록, 상기한 광학 공동의 상호 작용 (초점) 영역에서 그 초점이 맞춰지고 상기 축적된 (순환) 광학 마이크로펄스와 동기화된다.
펌프 레이저의 피크 전력과 상기 공동의 반사성이 상기 공동의 상호 작용 (초점) 영역에서 0.1보다 큰 정규화된 광학 벡터 포텐셜을 갖는 순환 광학 펄스를 발생시키도록 선택될 때, X-선 생산의 강도 및 효율성이 최적화되고, 상기 광학 공동의 반사 표면에 입사된 광학 펄스의 에너지 밀도 및 평균 전력이 그 손상 문턱값 이내로 유지되도록 하면서 상기 생성된 펄스 열들의 반복율을 최대화하여 평균 방사 X-선 전력을 최적화한다는 점을 보증하기 위해서, 주사된 광학 펄스들 및 전자 단들의 방사 간격 지속 시간이 미러에서의 주어진 빔 크기에 대해 최적화된다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 조밀한 단(團)으로 형성된 전자 빔들을 이용하여 효율적인 X-선 생산에 필요한 평균 순환 광전력을 크게 감소시키거나 연속적인 빔에서와 동일한 평균 전력을 유지하면서 피크 광전력을 크게 증가시킴으로써, 실질적으로 상기 광학 저장 공동의 고도 반사 미러들에 입사된 광학적 장의 에너지 밀도 및 평균 전력 밀도를 제한하고, 따라서 상기 미러들에의 광학적 손상의 위험, 열적 확장으로 인한 형상 왜곡 등을 실질적으로 감소시킨다는 이점을 제공할 수 있다. 그리고, 저속의 듀티-사이클 펄스 레이저 빔의 사용이 실질적으로 펌프 레이 저가 상기 시스템의 동작에 제공하는 평균 전력을 감소시킨다는 점 또한 명백하다.
상기 규정은 가능한 가장 밝고 강한 X-선 빔들의 발생에 적합하지만, 광학 파장 또는 광학 펄스 폭 및 간극을 변경함으로써, 또는 상기 광학 저장 공동에 대한 레일리 파라미터를 변경시킴으로써, 또는 전자 에너지 또는 전자들이 역으로 전파되는 광학 펄스들의 빔과 교차하는 각도를 변경시킴으로써, 생성된 X-선의 실제적인 펄스 폭 및 펄스 분리가 강도 및 휘도를 위한 비용을 감소시키도록 변경될 수 있다.
상기 기재는 본 발명의 특정 실시예들에 관한 완성된 기재이지만, 상기 기재들은 청구항들에 의하여 정의되는 본 발명의 범위를 한정해서는 안 된다.
Claims (67)
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 방법에 있어서,복수의 분리된 방사 간격의 각각 동안,주어진 파장의 방사선에 대해 소정의 왕복 횡단 시간(round-trip transit time; RTTT)을 갖는 광학 공동(optical cavity)으로 상기 주어진 파장의 레이저 방사선을 주사하는 단계 - 적어도 소정 개수의 방사 간격들이 하나 또는 그 이상의 광학 매크로펄스에 의해 정의되고,적어도 하나의 광학 매크로펄스는 연관된 순환(circulating) 광학 마이크로펄스를 발생시키고, 상기 순환 광학 마이크로펄스는 상기 광학 매크로펄스 내의 후속하는 광학 마이크로펄스에 의해 보강 간섭되고, 상기 공동 내의 주어진 소정 위치에서의 상기 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭은 상기 방사 간격 중에 최대값에 도달하며,순환 광학 마이크로펄스를 발생시키는 적어도 하나의 광학 매크로펄스는 일련의 광학 마이크로펄스를 포함하되, 상기 일련의 광학 마이크로펄스에 있어서, (ⅰ) 하나의 광학 마이크로펄스의 시작 지점과 다음 차례의 광학 마이크로펄스의 시작 지점의 간극(spacing)이 상기 주어진 파장의 방사선에 대한 상기 RTTT의 정확한 정수배(1배를 포함함)에 근접하여, 주사된 광학 마이크로펄스와 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 마이크로 펄스 사이에 적어도 50%의 공간적 중첩을 제공하고, (ⅱ) 상기 광학 매크로펄스 내의 상기 주사된 광학 마이크 로펄스는 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 펄스에 대해 ±45°내의 광학적 위상을 가짐 -;상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 전기장 진폭이 최대값 또는 그에 근접한 값을 가질 때, 상기 순환 광학 마이크로펄스가 상기 공동 내의 상호 작용 영역 내에 0.1보다 큰 정규화된(normalized) 벡터 포텐셜을 갖는 광학 언듈레이터장(optical undulator field)을 제공하도록, 상기 상호 작용 영역에 상기 순환 마이크로펄스의 초점을 맞추는 단계;일련의 전자 마이크로펄스를 포함하는 전자 빔이 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하도록 하는 단계;적어도 소정 개수의 상기 전자 마이크로펄스를 상기 공동 내의 상기 순환 광학 마이크로펄스와 동기화시키는 단계; 및적어도 하나의 전자 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역에서 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고 상기 레이저 방사선의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞추는 단계를 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 방법에 있어서,공진 광학 공동에 광학 언듈레이터장을 발생시키는 단계 - 상기 광학 언듈레 이터장은, 상기 공동 내에서 순환하고 상호 작용 영역 내에 초점이 맞춰지는 광학 마이크로펄스에 의해 상기 상호 작용 영역에 제공되고,상기 광학 언듈레이터장은 상기 공동의 상기 상호 작용 영역에서 0.1보다 큰 정규화된 벡터 포텐셜을 가짐 -;상기 광학 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역을 통해 이동하는 방향에 반대인 방향을 따라 일 성분(component)을 갖는 방향으로, 전자 마이크로펄스의 전자 빔을 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하도록 하는 단계; 및상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞추는 단계를 포함하되,상기 전자 마이크로펄스는 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고, 상기 언듈레이터장을 제공하는 상기 순환 광학 마이크로펄스의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 방법에 있어서,복수의 분리된 방사 간격의 각각 동안,레이저 방사선을 광학 공동으로 주사하는 단계 - 상기 레이저 방사선은 서로 이격된(spaced) 광학 마이크로펄스들을 포함하고,적어도 소정 개수의 상기 광학 마이크로펄스는 상기 공동 내에서 순환하는 하나 또는 그 이상의 광학 마이크로펄스를 발생시키고,상기 광학 마이크로펄스들은, 적어도 소정 개수의 주사된 광학 마이크로펄스가 상기 공동 내의 순환 광학 마이크로펄스를 보강 간섭하도록 서로 이격되고 위상 조정되며,상기 공동 내의 주어진 소정 위치에 대한 각각의 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭은 상기 방사 간격 중에 최대값에 도달함 -;적어도 하나의 순환 광학 마이크로펄스에 대해, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 전기장 진폭이 최대값 또는 그에 근접한 값을 가질 때, 상기 순환 광학 마이크로펄스가 상기 공동 내의 상호 작용 영역에 0.1보다 큰 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 광학 언듈레이터장을 제공하도록, 상기 상호 작용 영역에 각각의 순환 광학 마이크로펄스의 초점을 맞추는 단계;전자 빔이 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하도록 하는 단계 - 상기 전자 빔은 서로 이격된 전자 마이크로펄스들을 포함함 -;상기 전자 마이크로펄스를 하나 또는 그 이상의 상기 순환 광학 마이크로펄스와 동기화시키는 단계; 및상기 전자 빔이 상기 상호 작용 영역에서 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고, 상기 언듈레이터장을 제공하는 상기 순환 광학 마이크로펄스의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞추는 단계를 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 방법에 있어서,유한한 방사 간격 동안,하나 또는 그 이상의 광학 마이크로펄스가 그 내부에서 순환하고 있는 광학 공동으로 레이저 방사선을 주사하는 단계 - 상기 레이저 방사선의 적어도 일부는, 적어도 일련의 서로 이격된 광학 마이크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성(time dependence)을 갖고, 상기 일련의 광학 마이크로펄스들은 소정의 광학 마이크로펄스 지속 시간, 소정의 광학 마이크로펄스 위상 및 소정의 광학 마이크로펄스 주기를 갖고,상기 광학 마이크로펄스 주기는, 광학 마이크로펄스가 상기 광학 공동을 한번 왕복 횡단하는 시간 간격의 실질적으로 정확한 정수배(1배를 포함함)이고,상기 광학 주파수는 상기 마이크로펄스의 반복 주파수의 실질적으로 정확한 정수배이며,상기 방사 간격 동안, 적어도 하나의 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭이 소정 개수의 상기 주사된 광학 마이크로펄스에 의해 보강 간섭되고, 상기 방사 간격 중에 상기 공동 내의 주어진 소정 위치에서 최대값에 도달함 -;적어도 하나의 순환 광학 마이크로펄스에 대해, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 전기장 진폭이 최대값 또는 그에 근접한 값을 가질 때, 상기 순환 광학 마이크로펄스가 상기 공동 내의 상호 작용 영역 내에 0.1보다 큰 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 광학 언듈레이터장을 제공하도록, 상기 상호 작용 영역에 각각의 순환 광학 마이크로펄스의 초점을 맞추는 단계;전자 빔이 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하도록 하는 단계 - 상기 전자 빔의 적어도 일부는, 소정의 전자 마이크로펄스 지속 기간 및 소정의 전자 마이크로펄스 반복 주파수를 갖는 서로 이격된 전자 마이크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성을 갖고,적어도 소정 개수의 상기 전자 마이크로펄스는 상기 순환 광학 마이크로펄스와 동기화됨 -; 및적어도 하나의 전자 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역에서 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고, 상기 레이저 방사선의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞추는 단계를 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 광학 매크로펄스 내의 상기 주사된 광학 마이크로펄스는, 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 마이크로펄스에 대해 ±20°내의 광학적 위상을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,하나의 광학 마이크로펄스의 시작 지점과 다음 차례의 광학 마이크로펄스의 시작 지점 사이의 간극이 주어진 파장의 방사선에 대한 RTTT의 실질적으로 정확한 정수배(1배를 포함함)에 근접하여, 주사된 광학 마이크로펄스와 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 마이크로 펄스 사이에 적어도 90%의 공간적 중첩을 제공하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,발생된 상기 전자기 방사선이 고도의 단색성을 갖도록, 상기 광학 언듈레이터장이 0.1 내지 0.5 범위의 상기 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,발생된 상기 전자기 방사선이 상대적으로 광대역을 갖도록, 상기 상호 작용 영역 내의 상기 광학 언듈레이터장이 1.0 내지 2.5 범위의 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 방사 간격의 적어도 과반수에 대하여, 상기 방사선이 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들을 포함하는 하나의 광학 매크로펄스를 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항에 있어서,상기 광학 매크로펄스 내의 모든 상기 광학 마이크로펄스들은 상기 RTTT의 동일한 정수배에 의해 서로 이격되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항에 있어서,상기 광학 매크로펄스 내의 적어도 소정 개수의 상기 광학 마이크로펄스는 상기 RTTT의 다른 정수배에 의해 서로 이격되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,실질적으로 모든 상기 광학 마이크로펄스들은 하나 또는 그 이상의 방사 간격 동안 서로 동일하게 이격되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항에 있어서,상기 레이저 방사선은 추가적인 일련의 광학 매크로펄스를 포함하고,각각의 추가적인 매크로펄스는 추가적인 순환 광학 마이크로펄스를 발생시키고,상기 추가적인 일련의 광학 매크로펄스 내의 각각의 광학 매크로펄스는 일련의 광학 마이크로펄스를 포함하고, 상기 일련의 광학 마이크로펄스에 있어서, 하나의 광학 마이크로펄스의 시작 지점과 다음 차례의 광학 마이크로펄스의 시작 지점의 간극이 상기 주어진 파장의 방사선에 대한 상기 RTTT의 정확한 정수배(1배를 포함함)에 근접하여, 주사된 광학 마이크로펄스와 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 마이크로 펄스 사이에 적어도 50%의 공간적 중첩을 제공하며,처음으로 언급된 상기 일련의 광학 매크로펄스의 상기 광학 마이크로펄스들이 상기 추가적인 광학 매크로펄스의 광학 마이크로펄스들과 상호 배치되는(interleaved) 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제13항에 있어서,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스들은 서로 동일하게 이격되고,상기 추가적인 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스들은, 상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스들과 같은 서로 동일한 간극을 갖고,하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 두 개의 계속되는 광학 마이크로펄스들 사이에 있는, 다른 하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 각각의 광학 마이크로펄스가 상기 두 개의 계속되는 광학 마이크로펄스들 사이에서 동일하게 이격되도록 상기 매크로펄스들이 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제13항에 있어서,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스들은 서로 동일하게 이격되고,상기 추가적인 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스들은 상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스와 같은 동일한 간극을 갖고,하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 두 개의 계속되는 광학 마이크로펄스들 사이에 있는, 다른 하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 각각의 광학 마이크로펄스가 상기 두 개의 계속되는 광학 마이크로펄스들 사이에서 동일하지 않게 이격되도록 상기 매크로펄스들이 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제13항에 있어서,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스와 상기 추가적인 광학 매크로펄스는 서로 다른 파장을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제13항에 있어서,상기 레이저 방사선은 제1 및 제2의 별개 레이저에 의해 발생되고,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스와 상기 추가적인 광학 매크로펄스는 상기 제1 및 제2 레이저에 의해 각각 생성되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,각각의 방사 간격은 일련의 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들에 의해 결정되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,다수의 순환 광학 마이크로펄스가 존재하고,각각의 순환 광학 마이크로펄스는 상기 공동에 입사된 별개의, 일련의 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들에 의해 발생되는 고에너지 전자기 방사선 발 생 방법.
- 제19항에 있어서,서로 다른 상기 별개의, 일련의 광학 마이크로펄스들로부터의 상기 광학 마이크로펄스들은 상기 공동에 입사된 상기 광학 마이크로펄스들이 서로 동일하게 이격되는 방식으로 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제19항에 있어서,서로 다른 상기 별개의, 일련의 광학 마이크로펄스들로부터의 상기 광학 마이크로펄스들은 상기 공동에 입사된 상기 광학 마이크로펄스들이 서로 동일하지 않게 이격되는 방식으로 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 레이저 방사선은 복수의 광학 매크로펄스들을 포함하고, 각각의 상기 광학 매크로펄스는, 상기 공동의 왕복 횡단 시간의 실질적으로 정확한 정수배(1배를 포함함)인 광학 마이크로펄스 주기를 갖는 별개의, 일련의 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들을 포함하고,각각의 매크로펄스가 별개의 순환 광학 마이크로펄스를 발생시키도록 상기 광학 매크로펄스의 광학 마이크로펄스들이 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제22항에 있어서,상기 복수의 광학 매크로펄스들의 상기 광학 마이크로펄스들은 상기 광학 마이크로펄스들이 서로 동일하게 이격되는 방식으로 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제22항에 있어서,상기 복수의 광학 매크로펄스들의 상기 광학 마이크로펄스들은 상기 광학 마이크로펄스들이 서로 동일하지 않게 이격되는 방식으로 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,각각의 광학 매크로펄스는 일련의 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들을 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항에 있어서,상기 순환 광학 마이크로펄스가 고속의 비선형 현상에 의해 상기 공동의 컴포넌트에 손상을 주지 않도록, 광학 마이크로펄스의 피크 전력, 에너지 밀도(fluence) 및 듀티 사이클(duty cycle)이 정해지고,주어진 방사 간격에 대한 상기 전력 및 에너지 밀도의 평균은 공동 컴포넌트에 국부적인 열 손상을 야기하지 않을 만큼 낮으며,적어도 100회의 방사 간격에 걸쳐진 시간 간격에 대한 상기 전력 및 에너지 밀도의 평균은 공동 컴포넌트에 전체적인 열 손상을 야기하지 않을 만큼 낮은 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔 마이크로펄스 및 상기 순환 광학 마이크로펄스는 상기 상호 작용 영역에서 실질적으로 동일한 횡방향 크기를 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,주어진 순환 광학 마이크로펄스가 실질적으로 상기 상호 작용 영역 내에 수용되어 있는 동안, 주어진 전자 마이크로펄스와 상호 작용하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔은 1 내지 10%의 마이크로펄스 듀티 사이클을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔은 마이크로파 가속기에 의해 제공된 일단(一團)의 빔이고,상기 전자 빔은, 소정의 전자 매크로펄스 지속 시간 및 소정의 전자 매크로펄스 반복 주파수를 갖는 서로 이격된 전자 매크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성을 갖고,각각의 전자 매크로펄스는 일련의 서로 이격된 전자 마이크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제30항에 있어서,상기 전자의 단(團)은 RF 위상에 있어서 10°이하인 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔은 스토리지 링(storage ring)에 의해 제공되는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 공동은 하나 또는 그 이상의 미러를 포함하고,예컨대, 상기 공동 미러의 이동 및 레이저 백 히팅(backheating) 중 적어도 하나에 의한, 적어도 하나의 공동 미러의 동심성(同心性) 제어;적어도 하나의 공동 미러의 횡방향 정렬 제어;예컨대, 상기 광학 마이크로펄스 포락선(envelope)의 규모와 감도에 따른 미러 이동에 의한, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 왕복 횡단 시간 제어; 및예컨대, 상기 광학 파장분의 1의 크기와 감도에 따른 미러 이동에 의한, 상기 광학 공동에 대한 상기 레이저의 주파수 매칭 제어 중 적어도 하나를 수행하는 하나 또는 그 이상의 구성요소를 더 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,레이저의 변조 주파수;전자 빔 발생기의 변조 주파수;레이저 방사선의 횡방향 정렬 및 타이밍;상기 레이저 방사선의 종방향 정렬 및 모드 매칭;입사된 전자 마이크로펄스의 횡방향 정렬 및 타이밍; 및상기 레이저로부터의 상기 광학 마이크로펄스와 상기 전자 빔 발생기로부터의 상기 입사된 전자 마이크로펄스의 동기화 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 서로 이격된 만곡된 미러들과 그 사이에 위치된 유전체 플레이트를 포함하고, 초점 반경(focal redius)에 의해 결정된 빔 웨이스트(beam waist)로 초점이 맞춰진 빔을 제공하는 광학 공동을 설계하고 제조하는 방법에 있어서,상기 플레이트에 대한 공칭(nominal) 파라미터를 선택하는 단계 - 상기 파라미터는 두께, 입사각 및 상기 공동 내의 위치를 포함함 -;상기 플레이트에 대한 상기 공칭 파라미터를 이용하여, 원하는 특정한 정도의 펄스 스태킹(stacking)을 제공하는 물리적 미러 간격 연산 단계 - 당해 연산에 의하여 상기 플레이트의 두께에 관한 제1 식이 생성됨 -;상기 연산된 미러 거리를 이용하여, 원하는 초점 반경을 제공하는 상기 만곡된 미러에 대한 윤곽 파라미터를 연산하는 단계 - 당해 연산에 의하여 상기 플레이트의 두께에 관한 제2 식이 생성됨 -;상기 연산된 윤곽 파라미터에 매칭되는 윤곽 파라미터를 갖는 만곡된 미러를 제작하는 단계;상기 만곡된 미러의 실제 윤곽 파라미터의 값을 측정하는 단계;상기 윤곽 파라미터의 상기 측정된 값을 상기 제1 및 제2 식에서의 고정값으로 하여, 상기 제1 및 제2 식을 이용하여 상기 플레이트의 두께 및 상기 미러 간격에 대한 새로운 값을 얻는 단계 - 상기 새로운 값은 상기 플레이트의 공칭 두께 및 상기 연산된 미러 간격과 다른 값으로, 상기 실제 윤곽 파라미터 및 상기 연산된 윤곽 파라미터의 값들 사이의 차이에 따라 결정됨 -;상기 새로운 두께 값에 의해 결정된 플레이트를 제작하는 단계; 및상기 새로운 간격으로 상기 제작된 만곡된 미러 및 상기 제작된 플레이트로 상기 공동을 구성하는 단계를 포함하는 광학 공동 설계 및 제조 방법.
- 제35항에 있어서,상기 미러의 제조 가능한 윤곽 파라미터에 있어서의 불확실성의 한도 내에서, 상기 플레이트의 상기 새로운 두께가 높은 편평도로 제조될 수 있을 만큼 두텁고, 공동의 동작에서의 스퓨리어스(spurious) 광학 효과를 회피할 수 있을 만큼 얇 도록, 상기 플레이트의 상기 공칭 두께가 정해지는 광학 공동 설계 및 제조 방법.
- 제35항에 있어서,수직 입사로부터의 비-제로(non-zero) 각도로 인해 발생되는 발산 또는 수렴하는 광학 빔에서의 비점수차(非點收差)를 보상하기 위해, 상기 플레이트가 작은 웨지각(wedge angle)을 갖도록 형성되는 광학 공동 설계 및 제조 방법.
- 적어도 제1 및 제2의 만곡된 미러 - 각각의 상기 만곡된 미러는 소정의 초점을 갖고, 상기 초점으로부터 발산하고 상기 미러에 부딪히는 방사선은, 반사되어 상기 미러의 초점에 그 초점이 맞춰짐 - 를 포함하는 광학 공동에 입사된 적어도 소정 개수의 광학 펄스가, 상기 공동 내에서 순환하는 하나 또는 그 이상의 광학 펄스를 보강 간섭하도록 상기 광학 공동을 제어하는 방법에 있어서,상기 공동에 입사된 주어진 파장의 적어도 소정 개수의 광학 펄스가, 상기 주어진 파장의 방사선에 대한 상기 공동의 왕복 횡단 시간의 정수배(1배를 포함함)와 실질적으로 동일한 펄스 반복 주기를 갖도록, 광학 펄스 반복 주기와 공동 광학 길이 중 적어도 하나를 제어하는 단계; 및상기 제1 및 제2의 만곡된 미러의 상기 초점들이 실질적으로 서로 일치하도록 상기 만곡된 미러들 중 적어도 하나의 초점을 제어하는 단계 - 상기 초점의 제 어는, 상기 광학 펄스 반복 주기 및 공동 광학 길이 중 적어도 하나의 제어에 독립적임 - 를 포함하되,적어도 소정 개수의 입사된 광학 펄스가 상기 하나 또는 그 이상의 순환 광학 펄스들을 보강 간섭하고, 공통의 초점에 상기 하나 또는 그 이상의 순환 광학 펄스들의 초점이 맞춰지는 광학 공동 제어 방법.
- 제38항에 있어서,상기 초점을 제어하는 단계는,상기 광학 공동 내에, 하나의 상기 만곡된 미러와 당해 만곡된 미러의 초점 사이에 투명 플레이트를 제공하는 단계; 및상기 투명 플레이트의 경사각(tilt angle)에 따라 당해 만곡된 미러의 초점이 변위되도록 상기 경사각을 제어하는 단계를 포함하는 광학 공동 제어 방법.
- 제38항에 있어서,상기 초점을 제어하는 단계는,하나의 상기 만곡된 미러의 곡률을 변경하기 위해 상기 만곡된 미러를 변형시키는 장치(mechanism)를 제공하는 단계; 및변형의 정도에 따라 상기 만곡된 미러의 초점이 변위되도록 상기 장치를 제 어하는 단계를 포함하는 광학 공동 제어 방법.
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 방법에 있어서,주어진 파장의 방사선을 광학 공동으로 주사하는 단계 - 레이저 방사선은 일련의 서로 이격된 방사 간격들 동안 생성되고, 각각의 방사 간격에는 하나 또는 그 이상의 별개의 순환 광학 마이크로펄스를 발생시키는, 서로 이격된 광학 마이크로펄스들의 하나 또는 그 이상의 열(train)이 포함됨 -;상기 순환 광학 마이크로펄스가 공동(空洞) 컴포넌트에 부딪히기 전에 상기 공동 내의 상호 작용 영역으로부터 발산할 수 있도록 하면서, 상기 상호 작용 영역에 각각의 순환 광학 마이크로펄스의 초점을 맞추는 단계 - 상기 방사 간격은 소정의 방사 간격 지속 시간 및 소정의 방사 간격 반복 주파수에 의해 결정되고,상기 방사 간격들에 대한, 다수의 방사 간격 상의 평균 전력은 상기 공동 컴포넌트의 교정 불가능한 열 왜곡을 야기하지 않을 만큼 낮고,각각의 방사 간격 동안의 에너지 밀도(fluence)는 공동 컴포넌트에 국부적인 열 손상을 야기하지 않을 만큼 낮고,각각의 일 열의 광학 마이크로펄스들은 소정의 광학 마이크로펄스 지속 시간 및 소정의 광학 마이크로펄스 주기를 갖고,각각의 순환 광학 마이크로펄스는 상기 일 열의 광학 마이크로펄스들 내의 후속하는 광학 마이크로펄스들에 의해 보강 간섭되고, 상기 공동 내의 소정의 주어진 소정 위치에서의 상기 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭은 상기 방사 간격 중에 최대값에 도달하고,상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 전기장 진폭이 최대값 또는 그에 근접한 값을 가질 때, 상기 순환 광학 마이크로펄스는 상기 상호 작용 영역 내에 0.1 이상의 정규화된 벡터 포텐셜에 의해 결정된 원하는 진폭을 갖는 광학 언듈레이터장을 제공하며,상기 순환 광학 마이크로펄스에 대한 발산 각도, 및 상기 상호 작용 영역으로부터 가장 근접한 곳에 위치된 공동 컴포넌트까지의 거리는, 주어진 소정의 광학 컴포넌트에서의 마이크로펄스 강도 및 통합된 에너지 밀도가 열 또는 고속-비선형 현상으로 인한 상기 공동 컴포넌트에의 허용되지 않은 수준의 가역 또는 비가역의 품질 저하를 야기하지 않을 만큼의 큰 값을 가짐 -;일련의 전자 마이크로펄스를 포함하는 전자 빔이 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하도록 하는 단계;상기 전자 마이크로펄스를 상기 공동 내의 적어도 하나의 순환 광학 마이크로펄스와 동기화시키는 단계; 및상기 전자 빔이 상기 상호 작용 영역에서 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고 상기 레이저 방사선의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞추는 단계를 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제41항에 있어서,발생된 상기 전자기 방사선이 고도의 단색성을 갖도록, 상기 언듈레이터장이 0.1 내지 0.5 범위의 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제41항에 있어서,발생된 상기 전자기 방사선이 상대적으로 광대역을 갖도록, 상기 언듈레이터장이 1.0 내지 2.5 범위의 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제41항에 있어서,상기 일 열의 광학 마이크로펄스들에 의한 상기 순환 광학 마이크로펄스의 보강 간섭을 강화하기 위해, 상기 공동으로 주사된 상기 일 열의 광학 마이크로펄스들은 상기 순환 광학 마이크로펄스의 위상의 20°내로 유지된 광학 위상을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 제41항에 있어서,상기 일 열의 광학 마이크로펄스들에 의한 상기 순환 광학 마이크로펄스의 보강 간섭을 강화하기 위해, 상기 공동으로 주사된 상기 일 열의 광학 마이크로펄스들은, 상기 순환 광학 마이크로펄스 지속 시간의 10% 내에서, 주어진 파장의 방사선에 대한 상기 공동의 왕복 횡단 시간의 정수배(1배를 포함함)로서 유지되는 광학 마이크로 반복 주기를 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 방법.
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 장치에 있어서,서로 이격된 적어도 두 개의 오목한 반사기들을 포함하는 광학 공동 - 상기 공동으로 주사된 방사선이 상기 공동 내에서 순환하고, 상기 방사선의 초점은 상호 작용 영역에 맞춰지며, 상기 공동은 주어진 파장의 방사선에 대해 소정의 왕복 횡단 시간(RTTT)을 가짐 -;복수의 분리된 방사 간격의 각각 동안 상기 주어진 파장의 레이저 방사선이 상기 공동을 향하도록 하는 레이저 시스템 - 적어도 하나의 방사 간격 동안,상기 레이저 방사선은 하나 또는 그 이상의 광학 매크로펄스를 포함하고,적어도 하나의 광학 매크로펄스는 일련의 광학 마이크로펄스들을 포함하되, 상기 일련의 광학 마이크로펄스들에 있어서 하나의 광학 마이크로펄스의 시작 지점과 다음 차례의 광학 마이크로펄스의 시작 지점의 간극(spacing)이 상기 주 어진 파장의 방사선에 대한 상기 RTTT의 정확한 정수배(1배를 포함)에 근접하여, 상기 공동 내의 주어진 소정 위치에서의 순환 광학 마이크로펄스의 진폭이 상기 방사 간격 중에 최대값에 도달하도록 후속하는 광학 마이크로펄스에 의해 보강 간섭되는(적어도 50%의 공간적 중첩이 이루어짐) 순환 광학 마이크로펄스가, 적어도 하나의 광학 매크로펄스에 의해 발생되고,상기 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭이 최대값 또는 그에 근접한 값일 때, 상기 순환 광학 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역 내에 0.1보다 큰 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 광학 언듈레이터장을 제공하도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 각각의 순환 마이크로펄스의 초점이 맞춰짐 -;상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하는 전자 빔을 제공하는 전자 빔 발생기 - 상기 전자 빔은 서로 이격된 전자 마이크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성을 갖고,상기 전자 마이크로펄스들은 적어도 하나의 순환 광학 마이크로펄스와 동기화되며,상기 전자 빔이 상기 상호 작용 영역에서 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고 상기 레이저 방사선의 광학 주파수보다 큰 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키도록, 상기 전자 빔 발생기는 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞춤 - 를 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 장치에 있어서,상호 작용 영역을 포함하는 공진 광학 공동;일련의 서로 이격된 방사 간격들 동안, 상기 공동 내에서 순환하고 상기 상호 작용 영역 내에 초점이 맞춰지는 하나 또는 그 이상의 광학 마이크로펄스를 형성함으로써 상기 상호 작용 영역 내에 광학 언듈레이터장을 발생시키는 수단 - 상기 광학 언듈레이터장은 상기 공동의 상기 상호 작용 영역에서 0.1보다 큰 정규화된 벡터 포텐셜을 가짐 -;전자 마이크로펄스들의 전자 빔을 제공하고, 상기 하나 또는 그 이상의 광학 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역을 통해 이동하는 방향에 반대인 방향을 따라 일 성분(componenet)을 갖는 방향으로, 상기 전자 마이크로펄스들을 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역으로 향하도록 하는 수단; 및상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞추는 수단을 포함하되,상기 전자 마이크로펄스는 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고, 상기 언듈레이터장을 제공하는 상기 순환 광학 마이크로펄스의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생시키는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 고에너지 전자기 방사선을 발생시키는 장치에 있어서,레이저 방사선을 제공하는 레이저 시스템 - 상기 레이저 방사선은, 소정의 방사 간격 지속 시간 및 소정의 방사 간격 반복 주파수에 의해 결정된 일련의 서로 이격된 방사 간격들을 갖고,각각의 방사 간격은 일련의 서로 이격된 광학 마이크로펄스들을 하나 또는 그 이상 포함함 -;상기 레이저 방사선의 경로 내에 배치된 광학 공동 - 각각의 방사 주기 동안, 마이크로펄스가 상기 공동으로 주사되고 상기 공동 내에서 순환하고,상기 공동은, 각각의 방사 간격 중에 각각의 순환 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭이 상기 공동 내에서 최대 전력에 도달하도록 각각의 주사된 광학 마이크로펄스가 상기 공동 내의 순환 광학 마이크로펄스를 보강 간섭하도록 하는 광학적 길이를 가지며,상기 광학 마이크로펄스의 전기장 진폭이 그 최대 전력 또는 그에 근접한 값을 가질 때, 상기 순환 광학 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역 내에 0.1보다 큰 정규화된 벡터 포텐셜을 갖는 광학 언듈레이터장을 제공하도록, 상기 공동이 상기 공동 내의 상호 작용 영역에 각각의 순환 마이크로펄스의 초점을 맞춤 -; 및상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역을 향하는 전자 빔을 제공하는 전자 빔 발생기 - 상기 전자 빔은 서로 이격된 전자 마이크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성을 갖고,적어도 소정 개수의 상기 전자 마이크로펄스는 상기 순환 광학 마이크 로펄스와 동기화되며,상기 전자 빔 발생기는, 적어도 소정 개수의 상기 전자 마이크로펄스가 상기 상호 작용 영역에서 상기 광학 언듈레이터장과 상호 작용하고, 상기 레이저 방사선의 광학 주파수보다 높은 광학 주파수에서 전자기 방사선을 발생하도록, 상기 공동 내의 상기 상호 작용 영역에 상기 전자 빔의 초점을 맞춤 - 를 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항에 있어서,각각의 추가적인 매크로펄스가 추가적인 순환 광학 마이크로펄스를 발생시키고,상기 레이저 방사선은 추가적인 일련의 광학 매크로펄스를 포함하고 - 각각의 상기 광학 매크로펄스는 일련의 서로 이격된 광학 마이크로펄스들을 포함하고, 상기 일련의 광학 마이크로펄스들에 있어서, 하나의 추가적 광학 마이크로펄스 주기의 시작 지점과 다음 차례의 광학 마이크로펄스 주기의 시작 지점의 간극이 상기 주어진 파장의 방사선에 대한 상기 RTTT의 정확한 정수배(1배를 포함함)에 근접하여, 주사된 광학 마이크로펄스와 상기 광학 매크로펄스에 의해 발생된 상기 순환 광학 마이크로펄스 사이에 적어도 50%의 공간적 중첩을 제공함 -;상기 추가적인 광학 매크로펄스의 광학 마이크로펄스는 상기 처음 언급된 상기 일련의 광학 매크로펄스의 상기 광학 마이크로펄스들과 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제49항에 있어서,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스들은 서로 동일하게 이격되고,상기 추가적인 광학 마이크로펄스들은 서로 동일하게 이격되며,하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 두 개의 연속하는 광학 마이크로펄스들 사이에 있는, 다른 하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 각각의 광학 마이크로펄스가 상기 두 개의 연속하는 광학 마이크로펄스들 사이에서 동일하게 이격되도록, 상기 매크로펄스들이 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제49항에 있어서,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 내의 상기 광학 마이크로펄스들은 서로 동일하게 이격되고,상기 추가적인 광학 마이크로펄스들은 서로 동일하게 이격되며,하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 두 개의 연속하는 광학 마이크로펄스들 사이에 있는, 다른 하나의 상기 광학 매크로펄스 내의 각각의 광학 마이크로펄스가 상기 두 개의 연속하는 광학 마이크로펄스들 사이에서 동일하지 않게 이격되도록, 상기 매크로펄스들이 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제49항에 있어서,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 및 상기 추가적인 광학 매크로펄스는 서로 다른 파장을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제49항에 있어서,상기 레이저 시스템은 제1 및 제2의 별개 레이저들을 포함하고,상기 처음 언급된 광학 매크로펄스 및 상기 추가적인 광학 매크로펄스는 상기 제1 및 제2의 레이저에 의해 각각 발생되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항에 있어서,상기 레이저 방사선은 복수의 광학 매크로펄스들을 포함하고, 각각의 상기 광학 매크로펄스는, 상기 공동의 왕복 횡단 시간의 실질적으로 정확한 정수배(1배를 포함함)인 광학 마이크로펄스 주기를 갖는 별개의, 일련의 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들을 포함하고, 각각의 매크로펄스가 별개의 순환 광학 마이크로펄스를 발생시키도록 상기 광학 매크로펄스의 광학 마이크로펄스들이 상호 배 치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제54항에 있어서,상기 복수의 광학 매크로펄스들의 상기 광학 마이크로펄스들은, 상기 광학 마이크로펄스들이 서로 동일하게 이격되는 방식으로 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제54항에 있어서,상기 복수의 광학 매크로펄스들의 상기 광학 마이크로펄스들은, 상기 광학 마이크로펄스들이 서로 동일하지 않게 이격되는 방식으로 상호 배치되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 공동은 하나 또는 그 이상의 미러를 포함하고, 상기 고에너지 전자기 방사선 발생 장치는,예컨대, 상기 공동 미러의 이동 및 레이저 백 히팅(backheating) 중 적어도 하나에 의한, 적어도 하나의 공동 미러의 동심성 제어;적어도 하나의 공동 미러의 횡방향 정렬 제어;예컨대, 상기 광학 마이크로펄스 포락선의 규모와 감도에 따른 미러 이동에 의한, 상기 순환 광학 마이크로펄스의 상기 왕복 횡단 시간 제어; 및예컨대, 상기 광학 파장분의 1의 크기와 감도에 따른 미러 이동에 의한, 상기 광학 공동에 대한 상기 레이저의 주파수 매칭 제어 중 적어도 하나를 수행하는 하나 또는 그 이상의 구성요소를 더 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 레이저의 광학 마이크로펄스 반복 주파수;상기 전자 빔 발생기의 전자 마이크로펄스 주파수;상기 레이저 방사선의 횡방향 정렬 및 타이밍;상기 레이저 방사선의 종방향 정렬 및 모드 매칭;입사된 전자 마이크로펄스의 횡방향 정렬 및 타이밍; 및상기 레이저 시스템으로부터의 상기 광학 마이크로펄스와 상기 전자 빔 발생기로부터의 입사된 전자 마이크로펄스의 동기화 중 적어도 하나를 제어하는 하나 또는 그 이상의 구성요소를 더 포함하는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제47항 또는 제48항에 있어서,각각의 방사 간격은 일련의 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들로 구성되어, 당해 방사 간격 동안 하나의 순환 광학 마이크로펄스가 발생되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제47항 또는 제48항에 있어서,각각의 방사 간격은 복수의, 일련의 서로 동일하게 이격된 광학 마이크로펄스들을 포함하고,각각의, 일련의 광학 마이크로펄스들은, 상기 공동의 왕복 횡단 시간의 실질적으로 정확한 정수배(1배를 포함함)인 광학 마이크로펄스 주기를 갖고,각각의, 일련의 광학 마이크로펄스들은 하나의 순환 광학 마이크로펄스를 각각 발생시키는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항에 있어서,상기 순환 광학 마이크로펄스가 고속의 비선형 현상에 의해 상기 공동의 컴포넌트에 손상을 주지 않도록, 상기 광학 마이크로펄스ㅇ,; 피크 전력, 에너지 밀도 및 듀티 사이클이 정해지고,주어진 방사 간격에 대한 상기 전력 및 에너지 밀도의 평균은 공동 컴포넌트 에 국부적인 열 손상을 야기하지 않을 만큼 낮으며,적어도 100회의 방사 간격에 걸쳐진 시간 간격에 대한 상기 전력 및 에너지 밀도의 평균은 공동 컴포넌트에 전체적인 열 손상을 야기하지 않을 만큼 낮은 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔 마이크로펄스 및 상기 순환 광학 마이크로펄스는 상기 상호 작용 영역에서 실질적으로 동일한 횡방향 크기를 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,주어진 순환 광학 마이크로펄스가 실질적으로 상기 상호 작용 영역 내에 수용되어 있는 동안 주어진 전자 마이크로펄스와 상호 작용하는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔은 1 내지 10%의 마이크로펄스 듀티 사이클을 갖는 고에너지 전 자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔은 마이크로파 가속기에 의해 제공된 일단(一團)의 빔이고,상기 전자 빔은, 소정의 전자 매크로펄스 지속 기간 및 소정의 전자 매크로펄스 반복 주파수를 갖는 서로 이격된 전자 매크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성을 가지며,각각의 전자 매크로펄스는 일련의 서로 이격된 전자 마이크로펄스들에 의해 결정된 시간 의존성을 갖는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제30항에 있어서,상기 전자의 단(團)은 RF 위상에 있어서 10°이하인 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
- 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 빔은 스토리지 링에 의해 제공되는 고에너지 전자기 방사선 발생 장치.
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