KR20200110051A - Apparatus and method for generating free electron laser - Google Patents

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KR20200110051A KR1020190030110A KR20190030110A KR20200110051A KR 20200110051 A KR20200110051 A KR 20200110051A KR 1020190030110 A KR1020190030110 A KR 1020190030110A KR 20190030110 A KR20190030110 A KR 20190030110A KR 20200110051 A KR20200110051 A KR 20200110051A
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Abstract

Disclosed are a free-electron laser generation apparatus applicable to a photolithographic process and a free-electron laser generation method thereof. According to the present invention, the free-electron laser generation apparatus comprises: an injector scanning an electron beam; a linear accelerator receiving the electron beam passing through the injector and using an electromagnetic field to accelerate or decelerate electrons; a first path changing unit changing a moving path of the electron beam passing through the linear accelerator; a bunch compressor longitudinally compressing an electron bunch included in the electron beam passing through the first path changing unit; an undulator generating a free-electron laser by an interaction between the electromagnetic field and the electron beam passing through the bunch compressor; and a second path changing unit changing a moving path of the electron beam passing through the undulator to input the electron beam to the linear accelerator.

Description

자유전자 레이저 발생 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING FREE ELECTRON LASER}A device and method for generating a free electron laser {APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING FREE ELECTRON LASER}

본 개시서에는 자유전자 레이저 발생 장치 및 방법이 개시된다.The present disclosure discloses an apparatus and method for generating a free electron laser.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시서에 개시된 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐, 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the embodiments disclosed in the present disclosure, and do not constitute prior art.

포토 리소그래피(Photolithography) 공정은 웨이퍼 등을 패터닝 하기 위한 미세 가공 공정을 의미한다. 포토 리소그래피 공정은 반도체 제조에 필수적인 공정으로서 포토 리소그래피 공정의 정확도와 속도가 반도체 생산의 품질과 속도에 연관될 수 있다. The photolithography process refers to a microfabrication process for patterning a wafer or the like. The photolithography process is an essential process for semiconductor manufacturing, and the accuracy and speed of the photolithography process can be related to the quality and speed of semiconductor production.

종래 포토 리소그래피 공정에서는 I- 라인, 크립톤 불화물 레이저 (248nm), 불화 아르곤 레이저 (Argon Fluoride Lasers), 레이저 생산 플라즈마 (Laser Produced Plasma, LPP, 13.5nm) 등이 이용되었다. 하지만, 상술한 광원들은 1kW 미만의 제한된 전력을 제공하며 이온화 오염 및 고비용의 문제를 가지고 있다. In the conventional photolithography process, I-line, krypton fluoride laser (248 nm), argon fluoride lasers, laser produced plasma (LPP, 13.5 nm), and the like have been used. However, the above-described light sources provide limited power of less than 1kW and have problems of ionization contamination and high cost.

따라서, 포토 리소그래피 공정에서 종래의 광원을 대체할 수 있는 기술들이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for technologies that can replace conventional light sources in a photolithography process.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 포토리소그래피 공정에 적용 가능한 자유 전자 레이저 발생 장치 및 방법이 제공된다.According to at least one embodiment, an apparatus and method for generating a free electron laser applicable to a photolithography process is provided.

일 측면에 따르면, 자유 전자 레이저 발생장치가 개시된다. 자유 전자 레이저 발생장치는, 전자 빔을 주사하는 인젝터; 상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 선형가속기; 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 제1 경로 변경부; 상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발(electron bunch)을 종방향(Longitudinal direction)으로 압축하는 번치 컴프레서(Bunch compressor); 전자기장과 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자 빔의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터(Undulator); 및 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 제2 경로 변경부를 포함한다.According to one aspect, an apparatus for generating a free electron laser is disclosed. The free electron laser generator includes: an injector for scanning an electron beam; A linear accelerator to which an electron beam passing through the injector is incident, and accelerating or decelerating electrons using an electromagnetic field; A first path changing unit for changing a traveling path of the electron beam passing through the linear accelerator; A bunch compressor for compressing electron bunches included in the electron beam passing through the first path change unit in a longitudinal direction; An undulator for generating a free electron laser by the interaction of an electromagnetic field and an electron beam passing through the bunch compressor; And a second path changing unit for changing a traveling path of the electron beam passing through the undulator and entering the linear accelerator.

상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 것으로 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 번치 디컴프레서(Bunch decompressor)를 더 포함할 수 있다.The free electron laser generator includes a bunch decompressor that is provided between the second path changing unit and the undulator and expands a bundle of electrons included in the electron beam passing through the undulator in a longitudinal direction. It may contain more.

상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 선형가속기 및 상기 제1 경로 변경부 사이에 마련되는 것으로 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 덤프 섹션을 더 포함할 수 있다.The free electron laser generating device is provided between the linear accelerator and the first path changing unit, and among the electron beams passing through the linear accelerator, a high energy electron beam is incident on the first path changing unit, and the low energy electron beam is It may further include a dump section for dumping.

상기 덤프 섹션은 복수개의 벤딩 마그넷을 포함하며, 상기 복수개의 벤딩 마그넷 중 적어도 하나는 상기 고에너지 전자 빔과 상기 저에너지 전자 빔을 서로 다른 각도로 벤딩시킬 수 있다.The dump section includes a plurality of bending magnets, and at least one of the plurality of bending magnets may bend the high energy electron beam and the low energy electron beam at different angles.

상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 합병부를 더 포함할 수 있다.The free electron laser generating apparatus may further include a merging unit for changing the path of the electron beam scanned by the injector to be incident on the linear accelerator.

상기 합병부는 복수 개의 사중극자 마그넷 및 복수 개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다.The merging unit may include a plurality of quadrupole magnets and a plurality of bending magnets.

상기 선형가속기는 상기 인젝터로부터 주사된 저에너지 전자 빔은 가속시키고, 상기 제2 경로 변경부를 통과한 고에너지 전자 빔은 감속시킴으로써 운동에너지를 회수할 수 있다.The linear accelerator may recover kinetic energy by accelerating the low energy electron beam scanned from the injector and decelerating the high energy electron beam passing through the second path changing unit.

상기 선형가속기는 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지를 변경함으로써, 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지 값을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.The linear accelerator may increase or decrease the energy value of the electron beam passing through the linear accelerator by changing the energy of the electron beam passing through the linear accelerator.

상기 선형가속기는 동일한 구조를 가진 복수개의 셀들을 포함할 수 있다.The linear accelerator may include a plurality of cells having the same structure.

상기 제1 경로 변경부 및 상기 제2 경로 변경부 각각은 복수개의 셀들을 포함하며, 거울 대칭 구조를 가질 수 있다.Each of the first path change unit and the second path change unit includes a plurality of cells and may have a mirror symmetric structure.

상기 복수개의 셀들 각각은 복수개의 벤딩 마그넷 및 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 TBA(Triple Bend Achromat) 부분 및 상기 TBA 부분 양 옆에 대칭적으로 배열된 복수개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다.Each of the plurality of cells may include a TBA (Triple Bend Achromat) portion including a plurality of bending magnets and a plurality of quadrupole magnets, and a plurality of quadrupole magnets symmetrically arranged on both sides of the TBA portion.

상기 번치 컴프레서는 복수개의 다이폴 마그넷을 포함할 수 있다.The bunch compressor may include a plurality of dipole magnets.

다른 측면에 있어서, 자유전자 레이저 발생방법이 개시된다.In another aspect, a method for generating a free electron laser is disclosed.

자유전자 레이저 발생방법은, 인젝터를 이용하여 전자 빔을 주사하는 단계, 선형가속기를 이용하여 상기 인젝터로부터 주사된 전자 빔을 가속시키는 단계, 제1 경로 변경부를 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 단계, 번치 컴프레서를 이용하여 상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 압축하는 단계, 언듈레이터를 이용하여 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 단계 및 제2 경로 변경부를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 단계를 포함한다.The method of generating a free electron laser includes: scanning an electron beam using an injector, accelerating the electron beam scanned from the injector using a linear accelerator, and an electron beam passing through the linear accelerator using a first path change unit. Changing the path of progression, compressing the electron bundle included in the electron beam passing through the first path changing unit in the longitudinal direction using a bunch compressor, the electron beam passing through the bunch compressor using an undulator and an electromagnetic field And generating a free electron laser by the interaction of and changing a traveling path of the electron beam passing through the undulator using a second path changing unit to enter the linear accelerator.

상기 방법은, 상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 번치 디컴프레서를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include expanding the bundle of electrons included in the electron beam passing through the undulator in a longitudinal direction using a bunch decompressor provided between the second path changing unit and the undulator. .

상기 방법은, 상기 선형가속기 및 상기 제1 경로 변경부 사이에 마련되는 덤프 섹션을 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In the method, a high energy electron beam among electron beams passing through the linear accelerator is incident to the first path changing unit using a dump section provided between the linear accelerator and the first path changing unit, and the low energy electron beam is It may further include a step of dumping.

상기 방법은, 상기 선형가속기와 상기 인젝터 사이에 마련된 합병부를 이용하여 상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include changing a path of an electron beam scanned by the injector using a merging unit provided between the linear accelerator and the injector to enter the linear accelerator.

다른 측면에 있어서, 자유 전자 레이저 발생장치가 개시된다. 개시된 자유 전자 레이저 발생장치는, 전자 빔을 주사하는 인젝터, 상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 제1 선형가속기, 상기 제1 선형가속기를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 서로 다른 경로 변경부로 입사되도록 하는 제1 스프레더, 상기 제1 스프레더를 통과한 전자들의 진행 경로를 변경하는 것으로, 상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부, 상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부 중 적어도 하나를 통과한 전자 빔이 입사되는 것으로 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 제2 선형가속기 및 상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부 중 어느 하나를 통과한 전자 빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터를 포함한다.In another aspect, an apparatus for generating a free electron laser is disclosed. The disclosed free electron laser generator includes an injector that scans an electron beam, a first linear accelerator that accelerates or decelerates electrons using an electromagnetic field, and passes through the first linear accelerator. A first spreader that causes electrons included in the electron beam to be incident to different path changing units according to the energy level, and a plurality of path changing units connected to the first spreader by changing a traveling path of electrons passing through the first spreader , A second linear accelerator that accelerates or decelerates electrons using an electromagnetic field as an electron beam passing through at least one of the plurality of path changing units connected to the first spreader is incident, and a plurality of path changes connected to the first spreader. It includes an undulator for generating a free electron laser by the interaction of an electron beam passing through any one of the parts and an electromagnetic field.

상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 제2 선형가속기를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 서로 다른 경로 변경부로 입사되도록 하는 제2 스프레더 및 상기 제2 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부를 더 포함할 수 있다.The free electron laser generating device includes a second spreader for incidence of electrons included in the electron beam passing through the second linear accelerator to different path changing units according to an energy level, and a plurality of path changing units connected to the second spreader. It may contain more.

상기 자유전자 레이저 발생장치는, 상기 언듈레이터와 연결되어, 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 경로를 변경하는 경로 변경부를 더 포함할 수 있다.The free electron laser generating device may further include a path changing unit connected to the undulator to change a path of an electron beam passing through the undulator.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 고출력의 극자외선 자유전자 레이저를 발생시킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 가속된 전자 빔의 에너지를 회수한 후, 다른 전자의 가속에 사용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 자유전자 레이저를 발생시키는 과정에서 전자빔의 경로, 이미턴스(emittance), 첩(chirp), 종방향 전류 프로파일 등의 물리량을 효과적으로 제어할 수 있다.According to at least one embodiment, it is possible to generate a high-power extreme ultraviolet free electron laser. According to at least one embodiment, energy efficiency may be improved by recovering energy of an accelerated electron beam and then using it to accelerate other electrons. According to at least one embodiment, in the process of generating the free electron laser, physical quantities, such as an electron beam path, an emittance, a chirp, and a longitudinal current profile, can be effectively controlled.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생 장치의 레이아웃을 나타낸 개념도이다.
도 2는 인젝터의 레이아웃 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 벤딩 마그넷에서 전자의 에너지 차이로 인한 경로 변화를 나타낸 개념도이다.
도 6은 제1 경로 변경부의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 7은 제1 경로 변경부에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 번치 컴프레서의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 9는 번치 컴프레서에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 언듈레이터에 포함된 FODO 셀의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 언듈레이터에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 번치 디컴프레서를 통과하는 전자 빔에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생장치의 레이아웃을 나타낸 개념도이다.
Fig. 1 is a conceptual diagram showing a layout of an apparatus for generating a free electron laser according to an exemplary embodiment.
2 is a diagram showing the layout and simulation results of the injector.
3 is a diagram showing a simulation result.
4 is a diagram showing a simulation result.
5 is a conceptual diagram showing a path change due to a difference in energy of electrons in a bending magnet.
6 is a conceptual diagram illustrating an exemplary configuration of a first path change unit.
7 is a diagram showing a simulation result for a first path change unit.
8 is a conceptual diagram illustrating an exemplary configuration of a bunch compressor.
9 is a diagram showing a simulation result for a bunch compressor.
10 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a FODO cell included in an undulator.
11 is a diagram showing a simulation result for an undulator.
12 shows a simulation result for an electron beam passing through a bunch decompressor.
Fig. 13 is a conceptual diagram showing a layout of an apparatus for generating a free electron laser according to another exemplary embodiment.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The detailed description of the present invention to be described later refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced in order to clarify the objects, technical solutions and advantages of the present invention. These embodiments are described in detail enough to enable a person skilled in the art to practice the present invention. In the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of the reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.

실시 예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시 예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for illustrative purposes only, and may be changed in various forms and implemented. Accordingly, the embodiments are not limited to a specific disclosure form, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical idea.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Although terms such as first or second may be used to describe various components, these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" to another component, it is to be understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof exist, but one or more other features, numbers, and steps It is to be understood that it does not preclude the possibility of addition or presence of, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms, including technical or scientific terms, used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the relevant technical field. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this specification. Does not.

본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다. The present invention covers all possible combinations of the embodiments indicated herein. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other, but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components in each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions over several aspects.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Unless otherwise indicated in this specification or clearly contradicting the context, items referred to in the singular encompass the plural unless otherwise required by that context. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to allow those skilled in the art to easily implement the present invention.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생 장치(100)의 레이아웃을 나타낸 개념도이다. 도 1의 자유전자 레이저 발생 장치는 에너지 회수 선형가속기(Energy Recovery Linac; ERL)를 이용하여 자유전자 레이저를 발생시킬 수 있다.Fig. 1 is a conceptual diagram showing a layout of an apparatus 100 for generating a free electron laser according to an exemplary embodiment. The free electron laser generator of FIG. 1 may generate a free electron laser using an energy recovery linear accelerator (ERL).

도 1을 참조하면, 자유전자 레이저 발생 장치(100)는 소정의 에너지 레벨을 가지는 전자 빔을 주사(inject)하는 인젝터(110), 인젝터(110)에서 주사된 전자들을 선형가속기(120)로 입사시키는 합병부(Merger; 112), 전자기장을 이용하여 자유전자를 가속시키거나 감속시키는 선형가속기(120), 선형가속기(120)에서 방출된 전자들 중 고에너지 전자 빔은 제1 경로 변경부(140)로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑(dumping)시키는 덤프 섹션(130), 덤프 섹션(130)으로부터 입사된 전자 빔의 진행경로를 변경하는 제1 경로 변경부(140), 제1 경로 변경부(140)로부터 방출된 전자 빔에 포함된 전자 다발(electron bunch)을 종방향(longitudinal direction)으로 압축하는 번치 컴프레서(Bunch compressor; 150), 번치 컴프레서(150)로부터 방출된 전자 빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터(Undulator; 160), 언듈레이터(160)에서 방출된 전자 빔에 포함된 전다 다발을 종방향으로 확장시키는(즉, 압축을 해제하는) 번치 디컴프레서(Bunch decompressor; 170) 및 번치 디컴프레서(170)서 방출된 전자 빔의 경로를 변경하는 제2 경로 변경부(180)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the free electron laser generating device 100 is an injector 110 that injects an electron beam having a predetermined energy level, and electrons scanned from the injector 110 are incident on the linear accelerator 120. The high-energy electron beam among the electrons emitted from the merger 112, the linear accelerator 120 that accelerates or decelerates free electrons using an electromagnetic field, and the linear accelerator 120 is a first path changer 140 ) And the low energy electron beam is dumped, the first path changing unit 140 for changing the traveling path of the electron beam incident from the dump section 130, the first path changing unit A bunch compressor (150) that compresses electron bunches included in the electron beam emitted from 140 in a longitudinal direction, and the electron beam emitted from the bunch compressor 150 and the electromagnetic field are mutually An undulator 160 that generates a free electron laser by the action, and a bunch decompressor that expands (that is, decompresses) the whole bundle bundle included in the electron beam emitted from the undulator 160 in the longitudinal direction. A bunch decompressor 170 and a second path change unit 180 for changing a path of an electron beam emitted from the bunch decompressor 170 may be included.

인젝터(110)는 전자 빔을 주사할 수 있다. The injector 110 may scan an electron beam.

도 2는 인젝터의 레이아웃 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing the layout and simulation results of the injector.

도 2의 (a)는 인젝터(110)의 예시적인 레이아웃을 나타낸다. 또한, 도 2의 (b)는 인젝터(110)로부터 발생된 빔의 진행방향에 따른 빔 사이즈의 변화를 나타낸다. 도 2의 (c)는 인젝터(110)로부터 발생된 빔의 진행방향에 따른 정규화된 이미턴스(normalized emittance)의 변화를 나타낸다. 도 2의 (d)는 인젝터(110)로부터 발생된 빔의 진행방향에 따른 전자 다발의 길이 변화를 나타낸다. 도 2의 (b)내지 (d)는 ASTRA 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과이다.2A shows an exemplary layout of the injector 110. In addition, (b) of FIG. 2 shows a change in the beam size according to the traveling direction of the beam generated from the injector 110. FIG. 2C shows a change in normalized emittance according to the traveling direction of the beam generated from the injector 110. 2D shows the change in length of the electron bundle according to the traveling direction of the beam generated from the injector 110. 2B to 2D are results obtained through ASTRA simulation.

인젝터(110)는 직류 광전 음극 총(DC photocathode gun), 복수의 솔레노이드, 번처 캐비티, 복수의 SRF 캐비티(Superconducting RF cavity)를 포함할 수 있다. 도 2의 (b) 내지 (d)에서는 인젝터(110)에 포함된 솔레노이드의 개수를 2개로 설정하고 시뮬레이션 결과를 획득했으나 인젝터에 포함된 솔레노이드 개수는 달라질 수 있다.The injector 110 may include a DC photocathode gun, a plurality of solenoids, a buncher cavity, and a plurality of Superconducting RF cavities. In FIGS. 2B to 2D, the number of solenoids included in the injector 110 is set to two and a simulation result is obtained, but the number of solenoids included in the injector may vary.

인젝터(110)의 직류 광전 음극 총은 대략 40pC의 전하 다발을 생성하고 생성한 전하 다발을 960kV 전압, 1.3GHz 반복률로 가속시킬 수 있다. 빔의 이미턴스를 줄이기 위해 인젝터(110)에 포함된 솔레노이드들(예를 들어, 두 개의 솔레노이드)이 횡방향 포커싱(transverse focusing)을 통해 이미턴스 보상을 유도할 수 있다. 이미턴스 보상 효과는, 위상 공간에서 전저빔 슬라이스(slice)의 분포가 중첩되어 발생하는 투영 이미턴스(projected emittance)의 감소일 수 있다. 번처 캐비티는 대략 1.3GHz의 반복률을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과할 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 번처 캐비티는 빔의 종방향 위상 공간을 조작함으로써, 빔의 길이를 변경할 수 있다. 캐비티의 위상(phase)은 ASTRA AUTOPHASE 함수에 의해 정의될 수 있다. 전자가 가장 큰 운동에너지를 가지는 위치에 기반하여 위상 0°가 정의될 수 있다. 위상 0°가 정의되고 나면, 빔의 길이와 이미턴스의 최적 조합을 찾기 위해 위상을 10°씩 증가시켜가며 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 인젝터(110)의 부스터(booster)는 복수 개의 SRF 캐비티들(예를 들어, 5개의 SRF 캐비티)을 포함할 수 있다. 부스터에 포함된 SRF 캐비티들의 위상은 번처 캐비티의 위상과 동일하게 정의될 수 있다. 인젝터(110)에 포함된 캐비티들 중 첫 번째 캐비티를 제외한 나머지 캐비티들의 위상은 모두 0°로 동일할 수 있다. 첫 번째 캐비티의 위상은 음의 위상을 가질 수 있으며, 그 값은 대략 -56.4°일 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.The direct current photoelectric cathode gun of the injector 110 can generate a charge bundle of approximately 40 pC and accelerate the generated charge bundle to a voltage of 960 kV and a repetition rate of 1.3 GHz. In order to reduce the emittance of the beam, solenoids (eg, two solenoids) included in the injector 110 may induce emittance compensation through transverse focusing. The emittance compensation effect may be a reduction in a projected emittance generated by overlapping distributions of a low beam slice in a phase space. The buncher cavity may have a repetition rate of approximately 1.3 GHz, but this is only exemplary, and embodiments are not limited thereto. The buncher cavity can change the length of the beam by manipulating the longitudinal phase space of the beam. The phase of the cavity can be defined by the ASTRA AUTOPHASE function. The phase 0° can be defined based on the position where the electron has the greatest kinetic energy. Once the phase 0° is defined, the simulation can be performed by increasing the phase by 10° to find the optimal combination of the beam length and the emittance. The booster of the injector 110 may include a plurality of SRF cavities (eg, five SRF cavities). The phase of the SRF cavities included in the booster may be defined the same as the phase of the buncher cavity. Among the cavities included in the injector 110, the phases of the cavities other than the first cavity may be the same as 0°. The phase of the first cavity may have a negative phase, and its value may be approximately -56.4°, but embodiments are not limited thereto.

합병부(112)는 인젝터(110)에서 주사된 전자 빔을 선형가속기(120)에 입사시킬 수 있다. 합병부(112)는 복수 개의 사중극자 마그넷(quadrupole magnet)과 복수 개의 벤딩 마그넷(bending magnet)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 합병부(112)는 2개의 사중극자 마그넷 및 3개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다. 합병부(112)에 포함된 마그넷의 개수는 통상의 기술자가 용이하게 변경할 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.The merging unit 112 may cause the electron beam scanned by the injector 110 to be incident on the linear accelerator 120. The merging unit 112 may include a plurality of quadrupole magnets and a plurality of bending magnets. For example, the merging unit 112 may include two quadrupole magnets and three bending magnets. The number of magnets included in the merging unit 112 may be changed within a range that can be easily changed by a person skilled in the art.

합병부(112)는 빔의 전달 기능 외에 빔을 압축하는 기능도 수행할 수 있다. 합병부(112)는 빔의 분산(dispersion)으로부터 빔의 이미턴스를 유지하기 위해 빔을 벤딩하는 각도가 20°이상(예를 들어, 21°)이 되도록 설계될 수 있다. 이러한 설계를 수색 설계(Achromatic design)이라 할 수 있다. 도 2(a)에서

Figure pat00001
의 값은 대략 -0.089m일 수 있다. 여기서, R은 1차 오더까지를 고려해서, 제1 위치에서 빔의 물리적 파라미터로부터 제 2 위치에서의 빔의 물리적 파라미터를 도출하는 계산에서 이용되는 텐서일 수 있다.
Figure pat00002
은 상술한 R 텐서의 5, 6 성분을 의미할 수 있다.The merging unit 112 may perform a function of compressing a beam in addition to a beam transmission function. The merging unit 112 may be designed such that the angle at which the beam is bent is 20° or more (for example, 21°) in order to maintain the emittance of the beam from dispersion of the beam. This design can be referred to as an achromatic design. In Fig. 2(a)
Figure pat00001
The value of may be approximately -0.089m. Here, R may be a tensor used in calculation for deriving the physical parameter of the beam at the second position from the physical parameter of the beam at the first position in consideration of up to the first order.
Figure pat00002
May mean 5 and 6 components of the above-described R tensor.

시뮬레이션을 실시함에 있어서, 저에너지 영역에서 공간 전하 효과(space charge effect)를 고려하기 위해 직류 광전 음극총으로부터 합병부(112)의 입구까지 ASTRA 입자 트래킹 코드가 이용될 수 있다. 시뮬레이션 결과, 상술한 인젝터(110) 및 합병부(112)의 설계조건에서 전자 빔의 횡방향(transverse) 분포는 가우시안 분포를 따랐으며, SRF 캐비티의 말단에서 정규화된 이미턴스는 대략

Figure pat00003
로 계산될 수 있다. 전자 빔의 종방향(longitudinal) 분포도 가우시안 분포를 따르며 rms 다발(bunmch)의 길이가 대략 0.93mm로 계산될 수 있다. 상술한 시뮬레이션 결과들은 도 2의 (b) 내지 (d)를 통해 확인할 수 있다. In performing the simulation, the ASTRA particle tracking code can be used from the direct current photoelectric cathode gun to the entrance of the merging unit 112 in order to take into account the space charge effect in the low energy region. As a result of the simulation, under the design conditions of the injector 110 and the merging unit 112 described above, the transverse distribution of the electron beam followed a Gaussian distribution, and the emittance normalized at the end of the SRF cavity was approximately
Figure pat00003
Can be calculated as The longitudinal distribution of the electron beam also follows a Gaussian distribution, and the length of the rms bundle can be calculated to be approximately 0.93 mm. The simulation results described above can be confirmed through (b) to (d) of FIG. 2.

빔이 발생된 후, 빔의 이미턴스는 공간 전하 효과에 의해 빔이 퍼지는 것 때문에 저하될 수 있다. 하지만, 예시적인 실시예에 따르면, 빔이 인젝터(110)에 포함된 SRF 캐비티와 솔레노이드를 통과하면서 방사형 포커싱 힘(radial focusing force)에 의해 빔이 좁은 영역에 포커싱될 수 있다. 이를 통해 빔의 이미턴스 보상이 이루어지고 이미턴스가 감소하지 않을 수 있다.After the beam is generated, the emittance of the beam can be degraded due to the spreading of the beam by the space charge effect. However, according to an exemplary embodiment, while the beam passes through the SRF cavity and the solenoid included in the injector 110, the beam may be focused on a narrow area by a radial focusing force. As a result, the emittance of the beam is compensated and the emittance may not be reduced.

시뮬레이션 과정에서 ASTRA 시뮬레이션에 의해 얻어진 RF 캐비티들의 말단에서의 결과들은 ELEGANT 시뮬레이션에 적용가능한 포맷으로 변환될 수 있다. Results at the ends of the RF cavities obtained by ASTRA simulation during the simulation process can be converted into a format applicable to ELEGANT simulation.

도 3은 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.3 is a diagram showing a simulation result.

도 3의 (a)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간을 나타낸다. 도 3의 (b)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류를 나타낸다. 도 3의 (c)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 이미턴스를 나타내며, 푸른색 선은 수평 이미턴스, 붉은색 선은 수직 이미턴스를 나타낸다. 도 3의 (d)는 합병부(112) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 수평방향 기울기(푸른색) 및 수직방향 기울기(붉은색)를 나타낸다. 도 3의 (e)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간을 나타낸다. 도 3의 (f)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류를 나타낸다. 도 3의 (g)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 이미턴스를 나타내며, 푸른색 선은 수평 이미턴스, 붉은색 선은 수직 이미턴스를 나타낸다. 도 3의 (h)는 합병부(112) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 수평방향 기울기(푸른색) 및 수직방향 기울기(붉은색)를 나타낸다.3A shows the longitudinal phase space according to the traveling direction of the beam at the entrance of the merging unit 112. 3B shows the current of the beam according to the traveling direction of the beam at the entrance of the merging unit 112. 3C shows the emittance of the beam according to the traveling direction of the beam at the entrance of the merging unit 112, the blue line indicates the horizontal emittance, and the red line indicates the vertical emittance. 3(d) shows the inclination in the horizontal direction (blue) and inclination in the vertical direction (red) of the beam according to the traveling direction of the beam at the entrance of the merging unit 112. 3E shows the longitudinal phase space according to the traveling direction of the beam at the exit of the merging unit 112. 3F shows the current of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the merger unit 112. 3(g) shows the emittance of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the merging unit 112, the blue line indicates the horizontal emittance, and the red line indicates the vertical emittance. 3(h) shows the horizontal direction inclination (blue) and the vertical direction inclination (red) of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the merger 112.

도 3을 참조하면, 종방향(z방향)의

Figure pat00004
에 비례하는 고차 효과
Figure pat00005
에 의한 영향은 작을 수 있다. 또한, 압축에 의해 빔의 첩의 형상은 비 압축 빔의 첩보다 큰 곡률을 가질 수 있다. 압축 후 전류의 최대 값은 25A 정도로 계산되며, 전류의 모양은 양의 z 방향으로 비대칭 적일 수 있다. 굽힘각이 21 °로 증가하였음에도
Figure pat00006
에 비례하는 고차 효과
Figure pat00007
에 의한 영향은 클 것이라 예상되었으나 시뮬레이션 결과 그 영향은 크지 않을 수 있다. 도 3의 (c) 및 (g)를 참조하면
Figure pat00008
에 비례하는 수평 분산은 발견되지 않았으며
Figure pat00009
은 작을 수 있다.3, in the longitudinal direction (z direction)
Figure pat00004
Higher order effect proportional to
Figure pat00005
The effect of can be small. In addition, the shape of the chirp of the beam may have a larger curvature than that of the uncompressed beam by compression. The maximum value of the current after compression is calculated around 25A, and the shape of the current may be asymmetric in the positive z direction. Even though the bend angle increased to 21°
Figure pat00006
Higher order effect proportional to
Figure pat00007
It is expected that the effect of is large, but the effect may not be large as a result of simulation. Referring to Figure 3 (c) and (g)
Figure pat00008
No horizontal variance proportional to
Figure pat00009
Can be small.

시뮬레이션 결과

Figure pat00010
,
Figure pat00011
으로 두 값이 모두 충분히 작을 수 있다. 이미턴스는 수평 및 수직 방향으로 모두
Figure pat00012
내로 보존될 수 있다. 슬라이스 에너지 스프레드(slice energy spread)는 0.01까지 증가할 수 있지만, 이는 후술하는 선형가속기(120)에 의해 보상될 수 있다.Simulation results
Figure pat00010
,
Figure pat00011
As such, both values can be sufficiently small. The emittance is in both horizontal and vertical directions.
Figure pat00012
Can be preserved within. The slice energy spread may increase to 0.01, but this may be compensated for by a linear accelerator 120 to be described later.

선형가속기(120)는 복수 개의 초전도 모듈들을 포함할 수 있다. 도 1에서는 선형가속기(120)가 다섯 개의 초전도 모듈들을 포함하는 경우를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 각각의 초전도 모듈은 복수개의 셀들과 하나의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다. 4중 극자는 초전도 모듈 속에 포함되어 초전도로 제작될 수 있다. 초전도 모듈들 각각은 8개의 셀들을 포함할 수 있으나 구체적인 셀들의 개수는 변할 수 있다. The linear accelerator 120 may include a plurality of superconducting modules. In FIG. 1, a case in which the linear accelerator 120 includes five superconducting modules is illustrated, but the embodiment is not limited thereto. Each superconducting module may include a plurality of cells and a quadrupole magnet. The quadrupole is included in the superconducting module and can be made superconducting. Each of the superconducting modules may include eight cells, but the number of specific cells may vary.

선형가속기(120)는 저에너지 레벨의 전자 빔을 가속시킬 수 있다. 예를 들어, 선형가속기(120)는 전자의 운동 에너지가 15MeV에서 638MeV까지 되도록 전자를 가속시킬 수 있다. 종방향 위상공간의 기울기로 정의되는 첩이 선형가속기(120)의 성능과 연관성이 있을 수 있으며, 선형가속기(120)에 포함된 RF 캐비티의 위상이 첩을 결정하므로 RF 캐비티의 위상은 적절히 설정될 필요가 있다. RF 캐비티의 위상이 크면 전기장의 진폭을 낮출 수 있으므로 비용을 절감할 수 있다. 하지만, 이 경우 빔의 분포가 균일해져 빔이 번치 컴프레서(150)에 의해 압축되지 않을 수 있다. 반대로 RF 캐비티의 위상이 작으면 높은 진폭의 전기장이 요구되고 첩이 강하게 나타나게 할 수 있다. 강한 첩은 높은 분산 효과를 야기할 수 있다. 따라서, RF 캐비티의 위상은 적절한 값으로 설정되어야 하며, 그 값은 대략 70°일 수 있다. 이 경우, 빔의 최대 에너지 분산은 대략 0.01일 수 있다.The linear accelerator 120 may accelerate an electron beam of a low energy level. For example, the linear accelerator 120 may accelerate electrons so that the kinetic energy of the electrons ranges from 15 MeV to 638 MeV. The chirp defined by the slope of the longitudinal phase space may be related to the performance of the linear accelerator 120, and the phase of the RF cavity included in the linear accelerator 120 determines the chirp, so the phase of the RF cavity can be properly set. There is a need. If the phase of the RF cavity is large, the amplitude of the electric field can be lowered, thereby reducing cost. However, in this case, since the distribution of the beam becomes uniform, the beam may not be compressed by the bunch compressor 150. Conversely, if the phase of the RF cavity is small, a high-amplitude electric field is required, and the chirp can appear strong. Strong chirps can cause high dispersion effects. Therefore, the phase of the RF cavity must be set to an appropriate value, and the value may be approximately 70°. In this case, the maximum energy dispersion of the beam may be approximately 0.01.

도 4는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing a simulation result.

도 4의 (a)는 선형가속기(120)의 레이아웃 및 그에 대응하는 Twiss 파라미터 변화(붉은색: 수평축, 검은색: 수직축)를 나타낸다. 도 4의 (b)는 덤프 섹션(130)의 레이아웃 및 그에 대응하는 Twiss 파라미터 변화(붉은색: 수평축, 검은색: 수직축)를 나타낸다. 도 4의 (c)는 합병부 압축기의 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류 프로파일을 나타낸다. 도 4의 (d)는 합병부 압축기의 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 위상공간을 나타낸다. 도 4의 (e)는 덤핑 섹션 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 전류 프로파일을 나타낸다. 도 4의 (f)는 덤핑 섹션 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 위상공간을 나타낸다.4A shows the layout of the linear accelerator 120 and the corresponding Twiss parameter change (red: horizontal axis, black: vertical axis). 4B shows the layout of the dump section 130 and the corresponding Twiss parameter change (red: horizontal axis, black: vertical axis). 4C shows the current profile of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the compressor of the merger unit. 4D shows the phase space in the longitudinal direction of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the compressor of the merging unit. 4E shows the current profile of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the dumping section. 4F shows the longitudinal phase space of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the dumping section.

도 4의 (d) 및 (f)를 참조하면, 선형가속기(120)에 의해 전자의 평균 운동 에너지는 630MeV까지 증가할 수 있으며, 선형가속기(120)의 끝에서

Figure pat00013
,
Figure pat00014
일 수 있다. 또한 도 4의 (c) 및 (e)를 참조하면 종방향으로 전류분포가 날카로워져서 전류의 피크 값이 대략 25A에서 대략 40A로 증가할 수 있다.4(d) and (f), the average kinetic energy of electrons by the linear accelerator 120 can be increased to 630 MeV, and at the end of the linear accelerator 120
Figure pat00013
,
Figure pat00014
Can be In addition, referring to FIGS. 4C and 4E, the current distribution is sharpened in the longitudinal direction, so that the peak value of the current may increase from about 25A to about 40A.

시뮬레이션에 따르면, 선형가속기(120) 안에서 방사형 RF 필드 방향으로 포커싱 필드가 존재할 수 있다. 낮은 에너지에서 선형가속기(120)의 고차 오더 효과가 커지기 때문에 선형 매칭은 어려울 수 있다. 또한, 선형가속기(120)의 사중극자 감속 전자 빔에 영향을 미쳐 최적화는 가능한 약하게 수행되어야 할 필요가 있다. 선형가속기(120)는 상술한 과정을 통해 안정된 종방향 분포를 가지는 빔을 제1 경로 변경부(140)에 전달할 수 있다.According to the simulation, a focusing field may exist in the radial RF field direction in the linear accelerator 120. Linear matching may be difficult because the high-order effect of the linear accelerator 120 increases at low energy. In addition, since it affects the quadrupole decelerating electron beam of the linear accelerator 120, the optimization needs to be performed as weakly as possible. The linear accelerator 120 may transmit a beam having a stable longitudinal distribution to the first path change unit 140 through the above-described process.

덤프 섹션(130)은 선형가속기(120)에서 방출된 전자 빔 중 저에너지의 전자 빔은 덤핑시키고 고에너지의 전자빔은 제1 경로 변경부(140)로 입사시킬 수 있다. 선형가속기(120)에는 이전 주기에 가속된 고에너지의 전자빔과 새롭게 입사된 저에너지의 전자빔이 입사될 수 있다. 고에너지의 전자빔과 저에너지의 전자빔은 서로 다른 위상을 가지고 선형가속기(120)에 입사될 수 있다. 선형가속기(120)는 고에너지(ex. 630MeV)의 전자들을 감속시킬 수 있다. 이 과정에서 선형가속기(120)는 전자의 운동에너지를 회수할 수 있다. 선형가속기(120)는 저에너지(ex. 15 MeV)의 전자들을 가속시킬 수 있다. 예를 들어 선형가속기(120)는 전자의 운동에너지를 15MeV로부터 630MeV까지 증가시킬 수 있다. The dump section 130 may dump an electron beam of low energy among electron beams emitted from the linear accelerator 120 and cause the electron beam of high energy to enter the first path change unit 140. The high energy electron beam accelerated in the previous period and the newly incident low energy electron beam may be incident on the linear accelerator 120. The high energy electron beam and the low energy electron beam have different phases and may be incident on the linear accelerator 120. The linear accelerator 120 can decelerate electrons of high energy (ex. 630 MeV). In this process, the linear accelerator 120 may recover the kinetic energy of electrons. The linear accelerator 120 can accelerate electrons of low energy (ex. 15 MeV). For example, the linear accelerator 120 may increase the kinetic energy of electrons from 15 MeV to 630 MeV.

덤프 섹션(130)은 아크로메트 섹션(achromat section) 및 매칭 섹션(matching section)을 포함할 수 있다. 아크로메트 섹션은 선형가속기(120)에서 감속된 전자를 큰 각도로 진행 경로를 벤딩시켜서 버리고, 선형가속기(120)에서 가속된 전자를 이미턴스의 증가 없이 제1 경로 변경부(140)에 전달할 수 있다. 아크로메트 섹션은 복수 개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다. 도 1에서는 아크레메트 섹션이 4개의 벤딩 마그넷을 포함하는 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 아크로메트 섹션에 포함된 첫 번째 벤딩 마그넷은 저에너지의 전자의 경로를 고에너지의 전자의 경로보다 더 크게 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 벤딩 마그넷은 15MeV의 운동에너지를 가지는 전자의 경로는 5°만큼 벤딩시키고, 630MeV의 전자의 경로는 0.1°만큼 벤딩시킬 수 있다. The dump section 130 may include an achromat section and a matching section. The acromet section can bend the electrons decelerated by the linear accelerator 120 at a large angle and discard them, and transfer the electrons accelerated by the linear accelerator 120 to the first path change unit 140 without increasing the emittance. have. The acromet section may include a plurality of bending magnets. In FIG. 1, the acremet section exemplarily shows a case including four bending magnets, but the embodiment is not limited thereto. The first bending magnet included in the acromet section can change the path of low-energy electrons to be larger than that of high-energy electrons. For example, the first bending magnet may bend a path of an electron having a kinetic energy of 15 MeV by 5°, and a path of an electron of 630 MeV by 0.1°.

도 1에서 나타낸 바와 같이, 아크로메트 섹션의 첫 번째 벤딩 마그넷을 제외한 나머지 3개의 벤딩 마그넷들은 S 모양으로 정렬될 수 있다. 벤딩 마그넷들 뒤에는 매칭 섹션이 배치될 수 있다. 매칭 섹션은 복수 개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다. 예를 들어, 매칭 섹션은 6개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있다. 매칭 섹션은 제1 경로 변경부(140)의 주기적 조건에 맞게 Twiss 파라미터를 조절할 수 있다. Twiss 파라미터는 입자 각각의 이미턴스와 연관된 파라미터일 수 있다.As shown in FIG. 1, the remaining three bending magnets except for the first bending magnet of the acromet section may be aligned in an S shape. A matching section may be disposed behind the bending magnets. The matching section may include a plurality of quadrupole magnets. For example, the matching section may include six quadrupole magnets. The matching section may adjust the Twiss parameter according to the periodic condition of the first path changing unit 140. The Twiss parameter may be a parameter associated with the emittance of each particle.

도 5는 벤딩 마그넷에서 전자의 에너지 차이로 인한 경로 변화를 나타낸 개념도이다.5 is a conceptual diagram showing a path change due to a difference in energy of electrons in a bending magnet.

도 5를 참조하면, 반경

Figure pat00015
와 벤딩 각도
Figure pat00016
를 가지는 벤딩 마그넷에서 전자들의 에너지 차이로 인해 전자들의 경로 차이가 발생할 수 있다. O는 벤딩 마그넷의 중심이고 전자 빔은 A에 수직으로 입사할 수 있다. 전자가 이상적인 에너지를 가지고 있을 경우, 전자는 원운동 후 B를 통과할 수 있다. 하지만 에너지 분산의 크기가
Figure pat00017
인 경우, 전자 경로의 반경은 자기 강성(magnetic rigidity)의 정의에 의해 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.5, radius
Figure pat00015
And bending angle
Figure pat00016
Path differences of electrons may occur due to energy differences between electrons in a bending magnet having a. O is the center of the bending magnet and the electron beam can enter A perpendicularly. If an electron has ideal energy, the electron can pass through B after circular motion. But the amount of energy dissipation
Figure pat00017
In the case of, the radius of the electron path may be expressed as Equation 1 by the definition of magnetic rigidity.

Figure pat00018
Figure pat00018

수학식 1에서

Figure pat00019
는 벤딩 마그넷의 반지름을 의미하고,
Figure pat00020
는 자기장을 의미하고
Figure pat00021
는 전자의 이상적인 모멘텀을 의미하며,
Figure pat00022
는 전자의 전하량을 의미한다. 도 5에서
Figure pat00023
Figure pat00024
에 수직으로 입사한 후 운동량
Figure pat00025
를 가지는 전자가 통과하는 지점이라 두면, 자기장 내부에서 전자는
Figure pat00026
을 중심으로 원형으로 움직이고 벤딩 각은
Figure pat00027
일 수 있다. 여기서,
Figure pat00028
에서 원호
Figure pat00029
의 접선과 가로축 사이의 접점이
Figure pat00030
이 될 수 있고,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
이 이루는 각도는 90도일 수 있다. 또한,
Figure pat00034
에서 원호
Figure pat00035
의 접선과 가로축 사이의 접점이
Figure pat00036
가 될 수 있고,
Figure pat00037
가 이루는 각도도 90도가 될 수 있다. 따라서, 엣지 각과
Figure pat00038
,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
로 정의되는 각도는 평행이동시 동일할 수 있다. 엣지 각은
Figure pat00041
일 수 있다. 삼각형
Figure pat00042
,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
에 대한 코사인 제2 법칙으로부터 엣지각은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다. In Equation 1
Figure pat00019
Means the radius of the bending magnet,
Figure pat00020
Means magnetic field and
Figure pat00021
Denotes the electron's ideal momentum,
Figure pat00022
Means the amount of charge of an electron. In Figure 5
Figure pat00023
of
Figure pat00024
Momentum after incident perpendicular to
Figure pat00025
Let's say that it is the point through which an electron with is passed, the electron inside the magnetic field
Figure pat00026
It moves in a circle around and the bending angle is
Figure pat00027
Can be here,
Figure pat00028
Arc from
Figure pat00029
The contact point between the tangent of and the horizontal axis
Figure pat00030
Can be,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
The angle formed by this may be 90 degrees. Also,
Figure pat00034
Arc from
Figure pat00035
The contact point between the tangent of and the horizontal axis
Figure pat00036
Can be,
Figure pat00037
The angle formed by may also be 90 degrees. Therefore, the edge angle and
Figure pat00038
,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
The angle defined as can be the same when moving in parallel. The edge angle is
Figure pat00041
Can be triangle
Figure pat00042
,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
From the second law of cosine for, the edge angle can be calculated as in Equation 2.

Figure pat00045
Figure pat00045

빔 에너지 차이를 고려하면, 엣지각은 0.1°일 수 있다. 아크로멧 섹션에서 에타 함수는

Figure pat00046
,
Figure pat00047
로 계산될 수 있다. 매칭 섹션에서 Twiss 파라미터는
Figure pat00048
,
Figure pat00049
로 계산될 수 있다. 수평, 수직 이미턴스와 rms 번치 길이 및 슬라이스 에너지 스프레드는 각각
Figure pat00050
일 수 있다.Considering the difference in beam energy, the edge angle may be 0.1°. In the Acrobat section, the eta function is
Figure pat00046
,
Figure pat00047
Can be calculated as In the matching section, the Twiss parameter is
Figure pat00048
,
Figure pat00049
Can be calculated as The horizontal and vertical emittance and rms bunch length and slice energy spread are respectively
Figure pat00050
Can be

도 6은 제1 경로 변경부(140)의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.6 is a conceptual diagram illustrating the configuration of the first path change unit 140 by way of example.

도 6을 참조하면, 제1 경로 변경부(140)는 두 개의 셀들을 포함하며, 제1 경로 변경부(140)의 전체적인 구조는 거울 대칭을 만족할 수 있다. 각각의 셀을 주기적이고, 전자 빔을 90도 벤딩시킬 수 있도록 설계될 수 있다. 각각의 셀은 TBA(Triple Bend Achromat) 부분과 TBA 양쪽에 배열된 두 쌍의 사중극자 마그넷 집합들을 포함할 수 있다. 예시적으로 TBA 양쪽에는 각각 두 개의 사중극자 마그넷들이 마련될 수 있다. 각 셀에서 TBA 양 옆에 마련된 사중극자 마그넷들은 대칭적일 수 있다. 예시적으로, 제1 경로 변경부(140)는 12개의 사중극자 마그넷과 6개의 벤딩 마그넷을 포함할 수 있다. 제1 경로 변경부(140)에 포함된 벤딩 마그넷 각각은 전자 빔의 경로를 30°만큼 벤딩시킬 수 있다. 도 6을 참조한 제1 경로 변경부(140)는 등시적(isochronously)으로 설계되었으므로 빔의 이미턴스 및 종방향 분포가 유지될 수 있다. 또한, 빔의 색수차가 발생하지 않을 수 있다.Referring to FIG. 6, the first path change unit 140 includes two cells, and the overall structure of the first path change unit 140 may satisfy mirror symmetry. Each cell is periodic and may be designed to bend an electron beam by 90 degrees. Each cell may include a Triple Bend Achromat (TBA) portion and two pairs of quadrupole magnet sets arranged on both sides of the TBA. For example, two quadrupole magnets may be provided on each side of the TBA. In each cell, the quadrupole magnets provided on either side of the TBA can be symmetrical. For example, the first path change unit 140 may include 12 quadrupole magnets and 6 bending magnets. Each of the bending magnets included in the first path changing unit 140 may bend the path of the electron beam by 30°. Since the first path changing unit 140 with reference to FIG. 6 is designed isochronously, the emittance and the longitudinal distribution of the beam can be maintained. Also, chromatic aberration of the beam may not occur.

격자의 거울 대칭성 때문에 수학식 3이 만족될 수 있다.Equation 3 can be satisfied because of the mirror symmetry of the grating.

Figure pat00051
Figure pat00051

Figure pat00052
는 격자의 대칭 축의 위치를 의미한다. 거울 대칭성 때문에, 수학식 4에서 나타낸 바와 같이
Figure pat00053
은 대칭축에서 0이 되어야 한다.
Figure pat00052
Means the position of the axis of symmetry of the grid. Because of the mirror symmetry, as shown in Equation 4
Figure pat00053
Should be zero on the axis of symmetry.

Figure pat00054
Figure pat00054

도 5에서 나타낸 벤딩 마그넷(B2)의 입구에서 에타 함수 및 기울기를

Figure pat00055
라 하면,
Figure pat00056
는 수학식 5를 만족할 수 있다.Eta function and slope at the entrance of the bending magnet B2 shown in FIG. 5
Figure pat00055
If you say,
Figure pat00056
May satisfy Equation 5.

Figure pat00057
Figure pat00057

수학식 4 및 수학식 5에서

Figure pat00058
는 벤딩 마그넷의 벤딩 반지름을 나타내고,
Figure pat00059
는 벤딩 마그넷의 벤딩 각도를 나타낸다. 제1 경로 변경부(140)에서
Figure pat00060
은 사중극자 마그넷(Q3)의 세기
Figure pat00061
, 벤딩 마그넷(B1)과 사중극자 마그넷(Q3) 사이의 거리
Figure pat00062
및 벤딩 마그넷(B2)과 사중극자 마그넷(Q3) 사이의 거리
Figure pat00063
에 의해 결정될 수 있다.In Equation 4 and Equation 5
Figure pat00058
Represents the bending radius of the bending magnet,
Figure pat00059
Represents the bending angle of the bending magnet. In the first route change unit 140
Figure pat00060
The strength of the silver quadrupole magnet (Q3)
Figure pat00061
, Distance between bending magnet (B1) and quadrupole magnet (Q3)
Figure pat00062
And the distance between the bending magnet (B2) and the quadrupole magnet (Q3)
Figure pat00063
Can be determined by

도 7은 제1 경로 변경부(140)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating a simulation result of the first path change unit 140.

도 7의 (a)에서 붉은색 라인은 수평 방향에 대한 Twiss 파라미터를 나타내고 검은색 라인은 수직 방향에 대한 Twiss 파라미터를 나타낸다. 도 7의 (b)는 제1 경로 변경부(140)의 입구에서 빔의 진행방향에 대한 전류 프로파일을 나타내고, 도 7의 (c)는 제1 경로 변경부(140)의 입구에서 빔의 진행방향에 대한 빔의 종방향 공간을 나타내며, 도 7의 (d)는 제1 경로 변경부(140)의 출구에서 빔의 진행방향에 대한 전류의 프로파일을 나타내고, 도 7의 (e)는 제1 경로 변경부(140)의 출구에서 빔의 진행방향에 대한 빔의 종방향 공간을 나타낸다.In (a) of FIG. 7, a red line indicates a Twiss parameter for a horizontal direction, and a black line indicates a Twiss parameter for a vertical direction. FIG. 7(b) shows a current profile with respect to the moving direction of the beam at the entrance of the first path changing unit 140, and FIG. 7(c) is the moving of the beam at the entrance of the first path changing unit 140 The longitudinal space of the beam with respect to the direction is shown, and (d) of FIG. 7 shows the profile of the current with respect to the traveling direction of the beam at the exit of the first path changing unit 140, and (e) of FIG. It represents the longitudinal space of the beam with respect to the traveling direction of the beam at the exit of the path changing unit 140.

시뮬레이션에서

Figure pat00064
,
Figure pat00065
,
Figure pat00066
의 크기는 수학식 5의 (1), (2) 식들에 의해 정해졌다. 시뮬레이션에서
Figure pat00067
,
Figure pat00068
,
Figure pat00069
로 설정되었다. 도 7의 (a)에서 나타낸 바와 같이 Twiss 파라미터가 계산되었으며, 제1 경로 변경부(140)의 끝에서
Figure pat00070
,
Figure pat00071
,
Figure pat00072
이고
Figure pat00073
일 수 있다. 도 7의 (b) 및 도 7 (d)에서 보는 바와 같이 전자 다발(bunch)의 길이는
Figure pat00074
로부터
Figure pat00075
로 약간의 변화가 있을 수 있다. 전류의 최대치는 고차 효과
Figure pat00076
때문에 40A에서 35A로 감소할 수 있다. 도 7의 (c) 및 (e)를 참조하면, 첩의 선형성(linearity)는 거의 같을 수 있다. 빔의 이미턴스는
Figure pat00077
,
Figure pat00078
으로 모두
Figure pat00079
보다 작을 수 있다. 따라서, 빔의 이미턴스가 유지됨으로서 빔의 성능이 유지될 수 있다.In simulation
Figure pat00064
,
Figure pat00065
,
Figure pat00066
The size of was determined by equations (1) and (2) in Equation 5. In simulation
Figure pat00067
,
Figure pat00068
,
Figure pat00069
Was set to As shown in (a) of FIG. 7, the Twiss parameter was calculated, and at the end of the first path change unit 140
Figure pat00070
,
Figure pat00071
,
Figure pat00072
ego
Figure pat00073
Can be As shown in Fig. 7 (b) and Fig. 7 (d), the length of the electron bundle is
Figure pat00074
from
Figure pat00075
There may be some changes. The maximum value of the current is a higher order effect
Figure pat00076
Therefore, it can be reduced from 40A to 35A. Referring to FIGS. 7C and 7E, the linearity of the chirp may be approximately the same. The emittance of the beam is
Figure pat00077
,
Figure pat00078
By all
Figure pat00079
Can be smaller than Thus, the beam's performance can be maintained by maintaining the beam's emittance.

제1 경로 변경부(140)에서 방출된 빔은 번치 컴프레서(150)에 입사될 수 있다. 번치 컴프레서(150)는 종방향 에너지 분포가 상수가 아니며 기울어져 있다는 것을 이용하여 종방향 전류의 분포를 날카롭게 또는 평탄하게 변경할 수 있다. The beam emitted from the first path change unit 140 may be incident on the bunch compressor 150. The bunch compressor 150 may sharply or flatly change the distribution of the longitudinal current by using that the longitudinal energy distribution is not constant and is inclined.

도 8은 번치 컴프레서(150)의 구성을 예시적으로 나타낸 개념도이다.8 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a bunch compressor 150 by way of example.

도 8을 참조하면, 번치 컴프레서(150)는 제1 다이폴 마그넷(152), 제2 다이폴 마그넷(154), 제3 다이폴 마그넷(156) 및 제4 다이폴 마그넷(158)을 포함할 수 있다. 다이폴 마그넷들(152, 154, 156, 158)은 S 모양으로 배열될 수 있다. 다이폴 마그넷의 길이 및 벤딩 각도가 결정되면, 전자들의 경로 길이(path length)는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 8, the bunch compressor 150 may include a first dipole magnet 152, a second dipole magnet 154, a third dipole magnet 156, and a fourth dipole magnet 158. The dipole magnets 152, 154, 156, 158 may be arranged in an S shape. When the length and the bending angle of the dipole magnet are determined, the path length of the electrons can be expressed as in Equation 6.

Figure pat00080
Figure pat00080

수학식 6에서

Figure pat00081
는 두 전자의 에너지 차(energy difference) 또는 운동량의 차(momentum difference)를 의미한다.In Equation 6
Figure pat00081
Denotes the energy difference or momentum difference between two electrons.

수학식 6으로부터

Figure pat00082
은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.From Equation 6
Figure pat00082
Can be expressed as in Equation 7.

Figure pat00083
Figure pat00083

수학식 7로부터 전자의 에너지 첩(chirp)은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.From Equation 7, the energy chirp of electrons can be expressed as Equation 8.

Figure pat00084
Figure pat00084

수학식 8에서 h는 전자의 에너지 첩을 의미한다.In Equation 8, h denotes an electron energy stack.

번치 컴프레서(150)에 의해 압축된 rms 번치 길이는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.The rms bunch length compressed by the bunch compressor 150 can be expressed as in Equation 9.

Figure pat00085
Figure pat00085

수학식 9에서

Figure pat00086
는 압축후 rms 번치 길이를 나타내고
Figure pat00087
는 압축전 rms 번치 길이를 나타내고
Figure pat00088
는 에너지 스프레드를 나타내고,
Figure pat00089
는 이상적 에너지에 대한 상대론적 팩터를 의미한다. 실제 전자 빔은 z 포지션에 따라 다른 에너지 스프레드를 갖는다. 즉, 실제 전자빔은 완벽한 가우시안 분포를 따르지 않을 수 있다. 번치 컴프레서(150)가 잘 작동하기 위해서는 드리프트 길이(
Figure pat00090
) 및 각도(
Figure pat00091
)를 잘 조절하는 것이 중요하다. 벤딩 각도(
Figure pat00092
)가 크면 자기장의 세기와 고차 효과 및 CSR과 같은 군집효과(collective effect)가 강해질 수 있다. 굽힘각도가 8.4°이고, 드리프트 길이(
Figure pat00093
)를 2.2m로 설정하는 경우,
Figure pat00094
일 수 있다.In Equation 9
Figure pat00086
Represents the rms bunch length after compression
Figure pat00087
Represents the rms bunch length before compression
Figure pat00088
Represents the energy spread,
Figure pat00089
Denotes a relativistic factor for ideal energy. The actual electron beam has a different energy spread depending on the z position. That is, the actual electron beam may not follow a perfect Gaussian distribution. In order for the bunch compressor 150 to work well, the drift length (
Figure pat00090
) And angle (
Figure pat00091
) Is important. Bending angle(
Figure pat00092
If) is large, the intensity of the magnetic field, higher-order effects, and collective effects such as CSR may become stronger. The bending angle is 8.4°, and the drift length (
Figure pat00093
) Is set to 2.2m,
Figure pat00094
Can be

도 9는 번치 컴프레서(150)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.9 is a view showing a simulation result for the bunch compressor 150.

도 9의 (a)는 번치 컴프레서(150) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 9의 (c)는 번치 컴프레서(150) 입구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 프로파일을 나타낸다. 도 9의 (b)는 번치 컴프레서(150) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 9의 (d)는 번치 컴프레서(150) 출구에서 빔의 진행방향에 따른 빔의 종방향 프로파일을 나타낸다.9A shows a current profile according to a traveling direction of a beam at an entrance of the bunch compressor 150. 9C shows the longitudinal profile of the beam according to the traveling direction of the beam at the entrance of the bunch compressor 150. 9B shows a current profile according to a traveling direction of a beam at an exit of the bunch compressor 150. 9D shows the longitudinal profile of the beam according to the traveling direction of the beam at the exit of the bunch compressor 150.

도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 번치 컴프레서(150)에 의해 빔의 전류분포가 종방향으로 압축될 수 있다. 따라서, 전류의 최대값이 35A에서 630A로 증가할 수 있다. 압축에 의해 대부분의 전자들이 전류가 최대인 좁은 영역에 모아질 수 있다. Referring to FIGS. 9A and 9B, the current distribution of the beam may be compressed in the longitudinal direction by the bunch compressor 150. Thus, the maximum value of the current can be increased from 35A to 630A. By compression, most of the electrons can be collected in a narrow area where the current is maximum.

컴프레서(150)를 통과한 빔은 언듈레이터(160)에 입사될 수 있다. 컴프레서(150)와 언듈레이터(160) 사이에는 Twiss 파라미터를 조절하기 위한 매칭 섹션이 더 있을 수 있다. 매칭 섹션은 6개의 사중극자 마그넷을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.The beam passing through the compressor 150 may be incident on the undulator 160. A matching section for adjusting the Twiss parameter may be further provided between the compressor 150 and the undulator 160. The matching section may include six quadrupole magnets, but embodiments are not limited thereto.

언듈레이터(160)는 자기장을 이용하여 입사된 전자를 좌우로 사행(巳行)운동을 시킴으로써, 전자기 방사선을 방출시킬 수 있다. 언듈레이터(160)는 극 자외선(extreme ultraviolet; EUV) 방사선 빔을 방출시킬 수 있다. 극 자외선 방사선 빔은 리소포토그래피 공정에 이용될 수 있다. 언듈레이터(160)에 포함된 자석의 주기 또는 자석 사이의 간격(gap)을 조절함으로써 극 자외선 보다 길거나 짧은 파장의 방사선을 생성할 수도 있다. The undulator 160 may emit electromagnetic radiation by performing a meandering motion of the incident electrons to the left and right using a magnetic field. The undulator 160 may emit an extreme ultraviolet (EUV) radiation beam. Ultraviolet radiation beams can be used in lithographic processes. By adjusting the period of the magnet included in the undulator 160 or the gap between the magnets, radiation having a wavelength longer or shorter than that of the extreme ultraviolet rays may be generated.

언듈레이터(160)의 전체 길이와 주기가 주어지면, 자기장의 세기에 의해 정의되는 언듈레이터 파라미터 K는 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.Given the total length and period of the undulator 160, the undulator parameter K defined by the strength of the magnetic field may be expressed as in Equation 10.

Figure pat00095
Figure pat00095

수학식 10에서

Figure pat00096
는 언듈레이터에서 방출되는 방사선 빔의 파장을 의미하고,
Figure pat00097
은 공진이 일어나 원하는 파장을 발생 시킬 때의 전자 빔의 에너지를 나타내며,
Figure pat00098
는 언듈레이터 주기(언듈레이터를 이루는 자석의 종방향 길이)를 의미한다. In Equation 10
Figure pat00096
Is the wavelength of the radiation beam emitted from the undulator,
Figure pat00097
Represents the energy of the electron beam when resonance occurs and generates a desired wavelength,
Figure pat00098
Means the undulator period (longitudinal length of the magnet forming the undulator).

시뮬레이션에서

Figure pat00099
값은 수학식 10에 따라 1.287로 설정되었다. 언듈레이터에 입사되는 전자 빔의 에너지와 언듈레이터 주기가 결정되면, 언듈레이터 내부에서의 전자빔의 베타 함수가 결정될 수 있다. 얇은 렌즈 근사법(thin lenses approximation)에 따르면 베타트론 함수의 최대값 및 최소값은 수학식 11 및 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.In simulation
Figure pat00099
The value was set to 1.287 according to Equation 10. When the energy of the electron beam incident on the undulator and the undulator period are determined, a beta function of the electron beam inside the undulator may be determined. According to the thin lenses approximation, the maximum and minimum values of the betatron function can be expressed as Equations 11 and 12.

Figure pat00100
Figure pat00100

Figure pat00101
Figure pat00101

수학식 11 및 12에서

Figure pat00102
는 위상 어드밴스(phase advance)를 의미하고,
Figure pat00103
f는 초점 거리로서
Figure pat00104
로 결정되며,
Figure pat00105
는 사중극자 마그넷의 세기이고,
Figure pat00106
은 마그넷의 길이를 의미한다. 시뮬레이션에서 위상 어드벤스는 35°로 설정되었고, 따라서,
Figure pat00107
,
Figure pat00108
일 수 있다. 이 값은 사중극자 마그넷의 세기에 의해서 조절이 가능하다. In Equations 11 and 12
Figure pat00102
Means phase advance,
Figure pat00103
f is the focal length
Figure pat00104
Is determined by
Figure pat00105
Is the strength of the quadrupole magnet,
Figure pat00106
Means the length of the magnet. In the simulation, the phase advance was set to 35°, so,
Figure pat00107
,
Figure pat00108
Can be This value can be adjusted by the strength of the quadrupole magnet.

언듈레이터(160)는 복수 개의 FODO 셀(cell)을 포함할 수 있다. 예시적으로 언듈레이터(160)는 5개의 FODO 셀을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. The undulator 160 may include a plurality of FODO cells. For example, the undulator 160 may include five FODO cells, but the embodiment is not limited thereto.

도 10은 언듈레이터에 포함된 FODO 셀의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 각각의 FODO 셀은 제1 반 사중극자(half quadrupole; 161), 제1 언듈레이팅부(163), 디포커싱 사중극자(165), 제2 언듈레이팅부(167) 및 제2 반 사중극자(169)를 포함할 수 있다. 제1 반 사중극자(161)와 제1 언듈레이팅부(163) 사이에는 제1 드리프트 구간(162)이 마련되어 있을 수 있다. 디포커싱 사중극자(165)와 제1 언듈레이팅부(163) 사이에는 제2 드리프트 구간(164)이 마련되어 있을 수 있다. 디포커싱 사중극자(165)와 제2 언듈레이팅부(167) 사이에는 제3 드리프트 구간(166)이 마련되어 있을 수 있다. 제2 언듈레이팅부(167)와 제2 반 사중극자(169) 사이에는 제4 드리프트 구간(168)이 마련되어 있을 수 있다. 도 10에서 나타낸 바와 같이 언듈레이터(160)의 각 구성의 크기는

Figure pat00109
(언듈레이터의 주기)의 배수에 해당할 수 있다.10 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a FODO cell included in an undulator. Referring to FIG. 10, each FODO cell includes a first half quadrupole 161, a first undulating unit 163, a defocusing quadrupole 165, a second undulating unit 167, and It may include two anti-quadpoles 169. A first drift section 162 may be provided between the first reflective quadrupole 161 and the first undulating unit 163. A second drift section 164 may be provided between the defocusing quadrupole 165 and the first undulating unit 163. A third drift section 166 may be provided between the defocusing quadrupole 165 and the second undulating unit 167. A fourth drift section 168 may be provided between the second undulating part 167 and the second reflective quadrupole 169. As shown in FIG. 10, the size of each component of the undulator 160 is
Figure pat00109
It may correspond to a multiple of (undulator cycle).

도 11은 언듈레이터(160)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 시뮬레이션은 서로 다른 랜덤 시드 넘버(random seed number)에 기초하여 수행되었으며 5회 수행되었다.11 is a diagram showing a simulation result for the undulator 160. The simulation was performed based on different random seed numbers and was performed 5 times.

도 11에서 회색 선들 각각은 서로 다른 랜덤 시드 넘버(random seed number)에 기초한 시뮬레이션 결과를 나타내고, 푸른색 선은 시뮬레이션 결과의 평균을 나타낸다. In FIG. 11, each of the gray lines represents a simulation result based on a different random seed number, and a blue line represents an average of the simulation results.

도 11의 (a)는 언듈레이터의 위치에 따른 펄스 파워를 나타낸다. 도 10의 (b)는 언듈레이터의 출구에서의 피크 파워를 나타낸다. 도 10의 (c) 도 10의 (b)에서 나타낸 펄스의 에너지 스펙트럼을 나타낸다. 도 10의 (d)는 언듈레이터에서 Twiss 파라미터를 나타낸다. 도 10의 (d)에서 붉은색 선은 수직 베타 함수를 나타내고, 검은색 선은 수평 베타 함수를 나타낸다.11A shows the pulse power according to the position of the undulator. 10B shows the peak power at the outlet of the undulator. Fig. 10(c) shows the energy spectrum of the pulse shown in Fig. 10(b). 10D shows the Twiss parameter in the undulator. In (d) of FIG. 10, the red line represents the vertical beta function, and the black line represents the horizontal beta function.

도 11의 (a)를 참조하면, 펄스 파워의 평균은 대략 20MW이지만, 실제 펄스 파워는 대략 27MW일 수 있다. 이는 시뮬레이션에서 고려된 것과는 달리 실제 전자빔은 전자빔으로부터의 방사선 도피(escape of radiation)을 보상하기 위한 1mm 길이의 더미 전류(dummy current)를 포함하기 때문일 수 있다. 인젝터(110)의 반복률이 1.3GHz이므로 모든 시간에 대한 평균 출력은 대략 37kW일 수 있다. 이는 포토리소그래피 공정에 대한 목표 출력 10kW보다 더 높은 것이다. 또한, 피크 파워는 약 0.5 GW이고, FWHM은 대략 3 μm일 수 있다. 도 11의 (c)에서 나타낸 에너지 스펙트럼을 보면, 에너지의 범위가 넓기 때문에 펄스의 파장 또한 넓게 분포될 수 있다. 도 11의 (c)에서 피크 값은 대략 91.74 eV이며 이는 파장이 13.51nm보다 길고 13.5nm로부터 0.1% 오차범위 내에 있음을 의미한다. 도 11의 (d)를 참조하면, 격자는 주기적이고 대칭성을 가지지만, Twiss 파라미터는 완벽하게 주기적이지 않을 수 있다.Referring to FIG. 11A, the average of the pulse power is about 20 MW, but the actual pulse power may be about 27 MW. This may be because, unlike what was considered in the simulation, the actual electron beam contains a dummy current of 1 mm length to compensate for the escape of radiation from the electron beam. Since the repetition rate of the injector 110 is 1.3 GHz, the average output over all times may be approximately 37 kW. This is higher than the target power of 10 kW for the photolithography process. Further, the peak power may be about 0.5 GW, and the FWHM may be about 3 μm. Looking at the energy spectrum shown in (c) of FIG. 11, since the energy range is wide, the wavelength of the pulse may also be widely distributed. In (c) of FIG. 11, the peak value is approximately 91.74 eV, which means that the wavelength is longer than 13.51 nm and is within a 0.1% error range from 13.5 nm. Referring to (d) of FIG. 11, the grating is periodic and symmetric, but the Twiss parameter may not be completely periodic.

언듈레이터(160)를 통과한 빔은 번치 디컴프레서(170)에 입사될 수 있다. 번치 디컴프레서(170)는 번치 컴프레서(150)와 동일한 구성을 포함할 수 있다. 예시적으로, 번치 디컴프레서(170)는 4개의 다이폴 마그넷을 포함할 수 있다. 번치 디컴프레서(170)는 전자 빔의 전류분포를 종방향으로 확장시킬 수 있다. 번치 디컴프레서(170)를 통과한 전자 빔은 제2 경로 변경부(180)에 입사될 수 있다. 제2 경로 변경부(180)는 제1 경로 변경부(140)와 동일한 구성을 포함할 수 있다. 제2 경로 변경부(180)는 전자 빔의 진행방향을 변경시킬 수 있다. 제2 경로 변경부(180)를 통과한 전자 빔은 선형가속기(120)에 입사될 수 있다. 선형가속기(120)는 제2 경로 변경부(180)를 통과한 전자 빔의 에너지를 회수할 수 있다.The beam passing through the undulator 160 may be incident on the bunch decompressor 170. The bunch decompressor 170 may have the same configuration as the bunch compressor 150. For example, the bunch decompressor 170 may include four dipole magnets. The bunch decompressor 170 may expand the current distribution of the electron beam in the longitudinal direction. The electron beam passing through the bunch decompressor 170 may be incident on the second path changing unit 180. The second path change unit 180 may include the same configuration as the first path change unit 140. The second path change unit 180 may change the traveling direction of the electron beam. The electron beam passing through the second path change unit 180 may be incident on the linear accelerator 120. The linear accelerator 120 may recover energy of an electron beam that has passed through the second path change unit 180.

도 12는 번치 디컴프레서를 통과하는 전자 빔에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.12 shows a simulation result for an electron beam passing through a bunch decompressor.

도 12의 (a)는 번치 디컴프레서의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (b)는 선형가속기의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (c)는 에너지 회수가 이루어진 후 빔의 진행방향에 따른 전류 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (d)는 번치 디컴프레서의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (e)는 선형가속기의 입구에서 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상 공간 프로파일을 나타낸다. 도 12의 (f)는 에너지 회수가 이루어진 후 빔의 진행방향에 따른 종방향 위상공간 프로파일을 나타낸다.12A shows a current profile according to a traveling direction of a beam at an entrance of a bunch decompressor. 12B shows a current profile according to a traveling direction of a beam at an entrance of a linear accelerator. 12C shows a current profile according to a traveling direction of a beam after energy recovery is performed. 12D shows a longitudinal phase space profile according to a traveling direction of a beam at an entrance of a bunch decompressor. 12(e) shows a longitudinal phase space profile according to the traveling direction of the beam at the entrance of the linear accelerator. 12(f) shows the longitudinal phase space profile according to the traveling direction of the beam after energy recovery is performed.

도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 번치 디컴프레서(170)에 의해 빔의 전류 분포가 종방향으로 확장될 수 있다. 전류의 최대값은 600A로부터 대략 30A까지 감소할 수 있다. 번치 디컴프레서(170)를 통과하는 동안 전류의 첩 방향이 역전될 수 있다. 또한, 도 12의 (f)를 참조하면, 선형가속기(120)의 감속 과정에서 전자 빔은 대략 가속 전의 에너지를 가지도록 감속될 수 있다. 감속 과정 후 전자의 평균 에너지는 대략 14.5MeV로 전자의 에너지가 가속 전으로 회복될 수 있다. Referring to FIGS. 12A and 12B, the current distribution of the beam may be expanded in the longitudinal direction by the bunch decompressor 170. The maximum value of the current can be reduced from 600A to approximately 30A. While passing through the bunch decompressor 170, the chirping direction of the current may be reversed. Further, referring to (f) of FIG. 12, in the deceleration process of the linear accelerator 120, the electron beam may be decelerated to have energy before acceleration. After the deceleration process, the average energy of the electron is about 14.5 MeV, and the energy of the electron can be recovered before acceleration.

도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 자유전자 레이저 발생장치(200)의 레이아웃을 나타낸 개념도이다.Fig. 13 is a conceptual diagram showing a layout of a free electron laser generating apparatus 200 according to another exemplary embodiment.

도 13을 참조하면, 자유전자 레이저 발생장치(200)는 인젝터(210), 제1 선형가속기(222), 제2 선형가속기(224), 제1 스프레더(230), 제1 선형가속기(222) 및 제2 선형가속기(224)의 제1 단(ex. 도 13의 우측)과 연결된 복수 개의 경로 변경부(242a, 244a, 246a, 248a, 249a), 언듈레이터(250), 제2 스프레더(260) 및 제1 선형가속기(222) 및 제2 선형가속기(224)의 제2 단(ex. 도 13의 좌측)과 복수 개의 경로 변경부(242b, 244b, 246b, 248b, 249b)를 포함할 수 있다.13, the free electron laser generator 200 includes an injector 210, a first linear accelerator 222, a second linear accelerator 224, a first spreader 230, and a first linear accelerator 222. And a plurality of path changing units 242a, 244a, 246a, 248a, 249a connected to the first end (ex. the right side of Fig. 13) of the second linear accelerator 224, the undulator 250, the second spreader 260 ) And a second stage (ex. the left side of FIG. 13) of the first linear accelerator 222 and the second linear accelerator 224, and a plurality of path changing units 242b, 244b, 246b, 248b, 249b. have.

도 13의 실시예에 따르면, 인젝터(210)에서 주사된 빔이 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)에 의해 적어도 두 번 이상 가속될 수 있다. 따라서, 도 1에서 나타낸 실시예보다 선형가속기의 길이를 작게 구현할 수 있다. 도 13의 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)의 길이는 도 1의 선형가속기(120)의 길이보다 작을 수 있다. 예를 들어, 도 13의 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)의 길이는 대략 9m인 반면, 도 1에서 나타낸 선형가속기(120)의 길이는 대략 45m일 수 있다. According to the embodiment of FIG. 13, the beam scanned by the injector 210 may be accelerated at least twice or more by the first and second linear accelerators 222 and 224. Therefore, the length of the linear accelerator can be reduced compared to the embodiment shown in FIG. 1. The lengths of the first and second linear accelerators 222 and 224 of FIG. 13 may be smaller than the length of the linear accelerator 120 of FIG. 1. For example, the length of the first and second linear accelerators 222 and 224 of FIG. 13 may be approximately 9 m, while the length of the linear accelerator 120 illustrated in FIG. 1 may be approximately 45 m.

인젝터(210)는 전자 빔을 주사할 수 있다. 인젝터(210)에서 주사된 전자는 대략 15MeV의 운동에너지를 가질 수 있다. 인젝터(210)에서 주사된 전자 빔은 제1 선형가속기(222)에 입사될 수 있다. 제1 선형가속기(222)는 인젝터(210)로부터 주사된 전자 빔을 가속시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제1 선형가속기(222)를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 다른 경로로 입사시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 스프레더(230)는 제1 에너지(ex. 대략 15MeV)를 가지는 전자 빔은 덤핑시켜 버릴 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제2 에너지(ex. 대략 140MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(242a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제3 에너지(ex. 대략 265MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(244a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제4 에너지(ex. 대략 390MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(246a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제5 에너지(ex. 대략 515MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(248a)에 입사시킬 수 있다. 제1 스프레더(230)는 제6 에너지(ex. 대략 640MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(249a)에 입사시킬 수 있다.The injector 210 may scan an electron beam. Electrons scanned by the injector 210 may have kinetic energy of approximately 15 MeV. The electron beam scanned by the injector 210 may be incident on the first linear accelerator 222. The first linear accelerator 222 may accelerate the electron beam scanned from the injector 210. The first spreader 230 may cause electrons included in the electron beam that has passed through the first linear accelerator 222 to be incident in different paths according to the energy level. For example, the first spreader 230 may dump an electron beam having a first energy (eg, approximately 15 MeV). The first spreader 230 may cause an electron beam having a second energy (eg, approximately 140 MeV) to be incident on the path change unit 242a. The first spreader 230 may cause an electron beam having a third energy (eg, approximately 265 MeV) to be incident on the path change unit 244a. The first spreader 230 may cause an electron beam having the fourth energy (eg, approximately 390 MeV) to be incident on the path change unit 246a. The first spreader 230 may cause an electron beam having the fifth energy (eg, approximately 515 MeV) to be incident on the path change unit 248a. The first spreader 230 may cause an electron beam having the sixth energy (eg, approximately 640 MeV) to be incident on the path change unit 249a.

경로 변경부들(242a, 244a, 246a, 248a)을 통과한 전자 빔은 제2 선형가속기(224)에 입사될 수 있다. 제2 선형가속기(224)에 의해 전자 빔은 다시 가속될 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제2 선형가속기(224)를 통과한 전자 빔을 에너지 크기에 따라 다른 경로 변경부로 입사시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 스프레더(260)는 제2 에너지(ex. 대략 140MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(242b)에 입사시킬 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제3 에너지(ex. 대략 265MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(244b)에 입사시킬 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제4 에너지(ex. 대략 390MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(246b)에 입사시킬 수 있다. 제2 스프레더(260)는 제5 에너지(ex. 대략 515MeV)를 가지는 전자 빔은 경로 변경부(248b)에 입사시킬 수 있다. The electron beam passing through the path changing units 242a, 244a, 246a, and 248a may be incident on the second linear accelerator 224. The electron beam may be accelerated again by the second linear accelerator 224. The second spreader 260 may cause the electron beam that has passed through the second linear accelerator 224 to be incident to a different path change unit according to an energy level. For example, the second spreader 260 may cause an electron beam having a second energy (eg, approximately 140 MeV) to be incident on the path change unit 242b. The second spreader 260 may cause an electron beam having a third energy (eg, approximately 265 MeV) to be incident on the path change unit 244b. The second spreader 260 may cause an electron beam having the fourth energy (eg, approximately 390 MeV) to be incident on the path change unit 246b. The second spreader 260 may cause an electron beam having the fifth energy (eg, approximately 515 MeV) to be incident on the path change unit 248b.

전자 빔은 소정의 에너지(ex. 640MeV)를 가질 때까지 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)에 의해 복수 번 가속될 수 있다. 경로 변경부(249a)를 통과한 전자 빔은 언듈레이터(250)에 입사될 수 있다. 언듈레이터(250)는 자기장을 이용하여 입사된 전자를 좌우로 사행운동 시킴으로써, 전자기 방사선을 방출시킬 수 있다. The electron beam may be accelerated multiple times by the first and second linear accelerators 222 and 224 until it has a predetermined energy (eg, 640 MeV). The electron beam passing through the path change unit 249a may be incident on the undulator 250. The undulator 250 may emit electromagnetic radiation by meandering the incident electrons to the left and right using a magnetic field.

언듈레이터(250)를 통과한 전자 빔은 경로 변경부(249b)에 입사될 수 있다. 경로 변경부(249b)를 통과한 전자 빔은 제1 선형가속기(222)에 입사될 수 있다. 경로 변경부(249b)를 통과한 전자는 대략 640MeV의 운동 에너지를 가질 수 있으며, 제1 선형가속기(222)에 의해 감속될 수 있다. 상술한 실시예에 따르면, 인젝터(210)로부터 주사된 전자빔이 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)를 복수 회 통과하면서 가속될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 선형가속기(222, 224)의 길이를 단축시킬 수 있다.The electron beam passing through the undulator 250 may be incident on the path changing unit 249b. The electron beam passing through the path changing unit 249b may be incident on the first linear accelerator 222. The electrons passing through the path change unit 249b may have kinetic energy of approximately 640 MeV, and may be decelerated by the first linear accelerator 222. According to the above-described embodiment, the electron beam scanned from the injector 210 may be accelerated while passing through the first and second linear accelerators 222 and 224 a plurality of times. Accordingly, the lengths of the first and second linear accelerators 222 and 224 can be shortened.

이상 도 1 내지 도 13을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 자유 전자 레이저 발생 장치에 관하여 설명하였다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 고출력의 극자외선 자유전자 레이저를 발생시킬 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 가속된 전자 빔의 에너지를 회수한 후, 다른 전자의 가속에 사용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 자유전자 레이저를 발생시키는 과정에서 전자빔의 경로, 이미턴스, 첩, 종방향 전류 프로파일 등의 물리량을 효과적으로 제어할 수 있다.The apparatus for generating a free electron laser according to exemplary embodiments has been described above with reference to FIGS. 1 to 13. According to at least one embodiment, it is possible to generate a high-power extreme ultraviolet free electron laser. According to at least one embodiment, energy efficiency may be improved by recovering energy of an accelerated electron beam and then using it to accelerate other electrons. According to at least one embodiment, in the process of generating the free electron laser, it is possible to effectively control physical quantities such as an electron beam path, an emittance, a chirp, and a longitudinal current profile.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 사람이라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.In the above, the present invention has been described by specific matters such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, Anyone with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can make various modifications and variations from this description.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 본 개시서에 첨부된 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Therefore, the spirit of the present invention is limited to the above-described embodiments and should not be defined, and all modifications equivalent or equivalent to the claims as well as the claims appended to the present disclosure are the spirit of the present invention. It will be said to belong to the category of. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그와 같이 균등하게 또는 등가적으로 변형된 것에는, 예컨대 본 발명에 따른 방법을 실시한 것과 동일한 결과를 낼 수 있는, 논리적으로 동치(logically equivalent)인 방법이 포함될 것인 바, 본 발명의 진의 및 범위는 전술한 예시들에 의하여 제한되어서는 아니되며, 법률에 의하여 허용 가능한 가장 넓은 의미로 이해되어야 한다.Such equivalently or equivalently modified ones will include, for example, logically equivalent methods capable of producing the same results as those of carrying out the method according to the present invention. The scope should not be limited by the examples described above, but should be understood in the broadest possible sense by law.

Claims (19)

자유 전자 레이저 발생장치에 있어서,
전자 빔을 주사하는 인젝터;
상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 선형가속기;
상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 제1 경로 변경부;
상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발(electron bunch)을 종방향(Longitudinal direction)으로 압축하는 번치 컴프레서(Bunch compressor);
전자기장과 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자 빔의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터(Undulator); 및
상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 제2 경로 변경부를 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
In the free electron laser generator,
An injector that scans an electron beam;
A linear accelerator to which an electron beam passing through the injector is incident, and accelerating or decelerating electrons using an electromagnetic field;
A first path changing unit for changing a traveling path of the electron beam passing through the linear accelerator;
A bunch compressor for compressing electron bunches included in the electron beam passing through the first path change unit in a longitudinal direction;
An undulator for generating a free electron laser by the interaction of an electromagnetic field and an electron beam passing through the bunch compressor; And
A free electron laser generator comprising a second path changing unit for changing a traveling path of the electron beam passing through the undulator and entering the linear accelerator.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 것으로 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 번치 디컴프레서(Bunch decompressor)를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 1,
A free electron laser generating apparatus further comprising a bunch decompressor provided between the second path changing unit and the undulator and extending the bundle of electrons included in the electron beam passing through the undulator in the longitudinal direction .
제 1 항에 있어서,
상기 선형가속기 및 상기 제1 경로 변경부 사이에 마련되는 것으로 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 덤프 섹션을 더 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 1,
Further comprising a dump section provided between the linear accelerator and the first path changing unit, for allowing a high-energy electron beam of electron beams passing through the linear accelerator to enter the first path changing unit and dumping the low energy electron beam. Free electron laser generator.
제 3 항에 있어서,
상기 덤프 섹션은 복수개의 벤딩 마그넷을 포함하며, 상기 복수개의 벤딩 마그넷 중 적어도 하나는 상기 고에너지 전자 빔과 상기 저에너지 전자 빔을 서로 다른 각도로 벤딩시키는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 3,
The dump section includes a plurality of bending magnets, and at least one of the plurality of bending magnets bends the high energy electron beam and the low energy electron beam at different angles.
제 1 항에 있어서,
상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 합병부를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 1,
A free electron laser generator further comprising a merging unit for changing the path of the electron beam scanned by the injector to be incident on the linear accelerator.
제 5 항에 있어서,
상기 합병부는 복수 개의 사중극자 마그넷 및 복수 개의 벤딩 마그넷을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 5,
The merging unit free electron laser generator comprising a plurality of quadrupole magnets and a plurality of bending magnets.
제 1 항에 있어서,
상기 선형가속기는 상기 인젝터로부터 주사된 저에너지 전자 빔은 가속시키고, 상기 제2 경로 변경부를 통과한 고에너지 전자 빔은 감속시킴으로써 운동에너지를 회수하는 레이저 발생장치.
The method of claim 1,
The linear accelerator accelerates the low-energy electron beam scanned from the injector and decelerates the high-energy electron beam that has passed through the second path changing unit to recover kinetic energy.
제 7 항에 있어서,
상기 선형가속기는 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지를 변경함으로써, 상기 선형가속기를 통과하는 전자 빔의 에너지 값을 증가시키거나 감소시키는 레이저 발생장치.
The method of claim 7,
The linear accelerator increases or decreases the energy value of the electron beam passing through the linear accelerator by changing the energy of the electron beam passing through the linear accelerator.
제 8 항에 있어서,
상기 선형가속기는 동일한 구조를 가진 복수개의 모듈들을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 8,
The linear accelerator is a free electron laser generator comprising a plurality of modules having the same structure.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 경로 변경부 및 상기 제2 경로 변경부 각각은 복수개의 셀들을 포함하며, 거울 대칭 구조를 가지는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 1,
Each of the first path changing unit and the second path changing unit includes a plurality of cells, and has a mirror-symmetric structure.
제 10 항에 있어서,
상기 복수개의 셀들 각각은 복수개의 벤딩 마그넷 및 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 TBA(Triple Bend Achromat) 부분 및 상기 TBA 부분 양 옆에 대칭적으로 배열된 복수개의 사중극자 마그넷을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 10,
Each of the plurality of cells generates a free electron laser including a TBA (Triple Bend Achromat) portion including a plurality of bending magnets and a plurality of quadrupole magnets, and a plurality of quadrupole magnets symmetrically arranged on both sides of the TBA portion Device.
제 1 항에 있어서,
상기 번치 컴프레서는 복수개의 다이폴 마그넷을 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 1,
The bunch compressor is a free electron laser generator comprising a plurality of dipole magnets.
자유 전자 레이저 발생방법에 있어서,
인젝터를 이용하여 전자 빔을 주사하는 단계;
선형가속기를 이용하여 상기 인젝터로부터 주사된 전자 빔을 가속시키는 단계;
제1 경로 변경부를 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하는 단계;
번치 컴프레서를 이용하여 상기 제1 경로 변경부를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 압축하는 단계;
언듈레이터를 이용하여 상기 번치 컴프레서를 통과한 전자빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 단계;
제2 경로 변경부를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 진행 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사시키는 단계를 포함하는 자유전자 레이저 발생방법.
In the free electron laser generation method,
Scanning an electron beam using an injector;
Accelerating the electron beam scanned from the injector using a linear accelerator;
Changing a traveling path of the electron beam passing through the linear accelerator using a first path changing unit;
Compressing the electron bundle included in the electron beam passing through the first path changing unit in the longitudinal direction using a bunch compressor;
Generating a free electron laser by an interaction between an electron beam passing through the bunch compressor and an electromagnetic field using an undulator;
And changing a traveling path of the electron beam passing through the undulator using a second path changing unit and causing the electron beam to enter the linear accelerator.
제 13 항에 있어서,
상기 제2 경로 변경부와 상기 언듈레이터 사이에 마련되는 번치 디컴프레서를 이용하여 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔에 포함된 전자 다발을 종방향으로 확장하는 단계를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생방법.
The method of claim 13,
The method of generating a free electron laser further comprising expanding the electron bundle included in the electron beam passing through the undulator in a longitudinal direction using a bunch decompressor provided between the second path changing unit and the undulator.
제 13 항에 있어서,
상기 선형가속기 및 상기 제1 경로 변경부 사이에 마련되는 덤프 섹션을 이용하여 상기 선형가속기를 통과한 전자 빔 중 고에너지 전자 빔은 상기 제1 경로 변경부로 입사시키고, 저에너지 전자 빔은 덤핑시키는 단계를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생방법.
The method of claim 13,
Using a dump section provided between the linear accelerator and the first path changing unit, among electron beams passing through the linear accelerator, a high energy electron beam is incident to the first path changing unit, and a low energy electron beam is dumped. Free electron laser generating method further comprising.
제 13 항에 있어서,
상기 선형가속기와 상기 인젝터 사이에 마련된 합병부를 이용하여 상기 인젝터에서 주사된 전자 빔의 경로를 변경하여 상기 선형가속기에 입사되도록 하는 단계를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생방법.
The method of claim 13,
The method of generating a free electron laser further comprising the step of changing a path of an electron beam scanned by the injector using a merger provided between the linear accelerator and the injector to enter the linear accelerator.
자유 전자 레이저 발생장치에 있어서,
전자 빔을 주사하는 인젝터;
상기 인젝터를 통과한 전자 빔이 입사되며, 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 제1 선형가속기;
상기 제1 선형가속기를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 서로 다른 경로 변경부로 입사되도록 하는 제1 스프레더;
상기 제1 스프레더를 통과한 전자들의 진행 경로를 변경하는 것으로, 상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부;
상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부 중 적어도 하나를 통과한 전자 빔이 입사되는 것으로 전자기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 감속시키는 제2 선형가속기; 및
상기 제1 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부 중 어느 하나를 통과한 전자 빔과 전자기장의 상호작용에 의해 자유전자 레이저를 발생시키는 언듈레이터를 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
In the free electron laser generator,
An injector that scans an electron beam;
A first linear accelerator to which the electron beam passing through the injector is incident, and accelerating or decelerating electrons using an electromagnetic field;
A first spreader for causing electrons included in the electron beam passing through the first linear accelerator to be incident to different path changing units according to energy levels;
A plurality of path changing units connected to the first spreader for changing a path of electrons passing through the first spreader;
A second linear accelerator for accelerating or decelerating electrons by using an electromagnetic field to which an electron beam passing through at least one of a plurality of path changing units connected to the first spreader is incident; And
A free electron laser generator comprising an undulator configured to generate a free electron laser by an interaction between an electron beam passing through any one of a plurality of path changing units connected to the first spreader and an electromagnetic field.
제 17 항에 있어서,
상기 제2 선형가속기를 통과한 전자 빔에 포함된 전자들을 에너지 크기에 따라 서로 다른 경로 변경부로 입사되도록 하는 제2 스프레더; 및
상기 제2 스프레더와 연결된 복수 개의 경로 변경부를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 17,
A second spreader for causing electrons included in the electron beam passing through the second linear accelerator to be incident to different path changing units according to energy levels; And
A free electron laser generator further comprising a plurality of path changing units connected to the second spreader.
제 18 항에 있어서,
상기 언듈레이터와 연결되어, 상기 언듈레이터를 통과한 전자 빔의 경로를 변경하는 경로 변경부를 더 포함하는 자유전자 레이저 발생장치.
The method of claim 18,
The free electron laser generating apparatus further comprises a path changing unit connected to the undulator and changing a path of the electron beam passing through the undulator.
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