WO2017150324A1 - 双方向自由電子レーザー装置 - Google Patents

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WO2017150324A1
WO2017150324A1 PCT/JP2017/006777 JP2017006777W WO2017150324A1 WO 2017150324 A1 WO2017150324 A1 WO 2017150324A1 JP 2017006777 W JP2017006777 W JP 2017006777W WO 2017150324 A1 WO2017150324 A1 WO 2017150324A1
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undulator
electron beam
electron
superconducting
magnet
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PCT/JP2017/006777
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English (en)
French (fr)
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石川　哲也
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RIKEN
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/30—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00—Linear accelerators

Definitions

  • the present invention relates to a bidirectional free electron laser device.
  • Patent Documents 1, 2 and 3 disclose a free electron laser device (hereinafter sometimes referred to as FEL) having an optical resonator for laser light, but the optical resonator is configured at 13.5 nm. Since there is no high-efficiency reflecting mirror that can be used, it is difficult to use an FEL that uses an optical resonator as an extreme ultraviolet light source because sufficient intensity of radiated light cannot be obtained.
  • FEL free electron laser device
  • a self-amplified spontaneous emission (Self-Amplified Spontaneous Emission) type free electron laser device with a long undulator is used.
  • driving using a superconducting linac as in Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 is desirable.
  • an inversion arc portion (loop electron path) for inversion is essential. This can be an increase factor of the device installation area and a decrease factor of the area use efficiency of the facility.
  • the inverted arc portion (loop electron) Since the radius of the (road) is considerably increased, the area utilization efficiency of the facility is considerably deteriorated. Needless to say, an increase in the installation area of the apparatus and a decrease in the area utilization efficiency of the facility are not desirable.
  • the present invention provides a bidirectional free electron laser apparatus capable of emitting high-intensity laser radiation (especially, laser radiation having a short wavelength in the extreme ultraviolet region) with high energy efficiency while contributing to improvement in area utilization efficiency.
  • the purpose is to provide.
  • a bidirectional free electron laser device is a bidirectional free electron laser device that obtains laser radiation in both directions using an undulator having a self-amplifying spontaneous emission function, on both sides of the undulator.
  • Two superconducting linacs are arranged one by one, each of which receives an electron beam to the undulator, and acceleration and energy are applied to the electron beam incident from one end of the undulator and emitted from the other end. The deceleration for recovery is performed by the two superconducting linacs.
  • a bi-directional free electron laser apparatus includes an undulator having a self-amplifying and spontaneous emission function, and two undulators disposed between the undulator, each having acceleration and deceleration functions for an electron beam.
  • the bidirectional free electron laser apparatus which can radiate
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a bidirectional free electron laser apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • A) And (b) is explanatory drawing of the path
  • A), (b), (c) is the 1st side view, 2nd side view, and arrangement
  • a self-amplified spontaneous emission (Self-Amplified Spontaneous Emission) mechanism using free electrons as a medium is called an undulator, and an electron linear accelerator is abbreviated as a linac.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a bidirectional free electron laser apparatus (hereinafter referred to as a bidirectional FEL) 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the outline of each component device when the component devices of the bidirectional FEL 100 are viewed from above.
  • the bidirectional FEL 100 includes an undulator 1, deflecting magnets 2A and 2B, superconducting linacs 3A and 3B, sorting magnets 4A and 4B, electron guns 5A and 5B, beam dumps 6A and 6B, and optical beam lines 7A and 7B. And comprising.
  • the deflection magnets 2A and 2B may have the same configuration.
  • Superconducting linacs 3A and 3B may have the same configuration.
  • the sorting magnets 4A and 4B may have the same configuration.
  • the electron guns 5A and 5B may have the same configuration.
  • the beam dumpers 6A and 6B may have the same configuration.
  • the light beam lines 7A and 7B may have the same configuration.
  • FIG. 2A shows an electron beam path 8A that is a path of the first electron beam emitted from the electron gun 5A.
  • the electron beam path 8A passes from the electron gun 5A to the beam dump 6B via the sorting magnet 4A, the superconducting linac 3A, the deflecting magnet 2A, the undulator 1, the deflecting magnet 2B, the superconducting linac 3B, and the sorting magnet 4B in this order. It is a passage.
  • FIG. 2B shows an electron beam path 8B that is a path of the second electron beam emitted from the electron gun 5B.
  • the electron beam path 8B reaches the beam dump 6A from the electron gun 5B via the sorting magnet 4B, the superconducting linac 3B, the deflecting magnet 2B, the undulator 1, the deflecting magnet 2A, the superconducting linac 3A, and the sorting magnet 4A in this order. It is a passage.
  • an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are defined in the real space where the bidirectional FEL 100 is installed. It is assumed that the X axis and the Y axis are parallel to the horizontal plane, and the Z axis is parallel to the vertical plane.
  • the length direction of the undulator 1, that is, the traveling direction of the electron beam traveling in the undulator 1 is parallel to the X axis.
  • the origin of the X axis is set at the center of the undulator 1, the deflection magnet 2A, the superconducting linac 3A, the sorting magnet 4A, the electron gun 5A, the beam dump 6A and the light beam line 7A are installed on the negative side of the X axis, and It is assumed that the deflection magnet 2B, the superconducting linac 3B, the sorting magnet 4B, the electron gun 5B, the beam dump 6B, and the light beam line 7B are installed on the positive side of the X axis. Also, the direction from the center of the undulator 1 toward the positive side of the X axis is defined as right, and the direction from the center of the undulator 1 toward the negative side of the X axis is defined as left.
  • Symbols 1a and 1b respectively represent one end and the other end of the undulator 1 in the length direction.
  • the direction from the end 1 a to the end 1 b is parallel to the X axis and coincides with the direction from the negative side to the positive side of the X axis.
  • Symbols 3Aa and 3Ab represent one end and the other end of the superconducting linac 3A.
  • Symbols 3Ba and 3Bb represent one end and the other end of the superconducting linac 3B. Similar to the undulator 1, in each of the superconducting linacs 3A and 3B, the length direction coincides with the traveling direction of the electron beam.
  • the direction from the end 3Aa to the end 3Ab is inclined from the X axis, but has a component from the negative side of the X axis to the positive side.
  • the direction from the end 3Ba to the end 3Bb is inclined from the X axis, but has a component from the positive side to the negative side of the X axis.
  • superconducting linacs 3A and 3B are arranged on both sides of the undulator 1 so as to sandwich the long and common undulator 1 and accelerated by them.
  • the emitted electron beam is guided to the common undulator 1 from opposite directions by changing the trajectory by the deflecting magnets 2A and 2B, thereby generating laser radiation light (that is, laser light based on the radiation light) by the self-amplifying spontaneous emission mechanism. Is.
  • the laser radiation generated in the bidirectional FEL 100 may be a short wavelength free electron laser light.
  • the short wavelength here refers to, for example, a wavelength from a wavelength belonging to the extreme ultraviolet region to a wavelength belonging to the X-ray region, for example, a wavelength within a range from 1 nm to several tens of nm.
  • the electron beams generated by the electron guns 5A and 5B are bent by the distribution magnets 4A and 4B and guided to the superconducting linacs 3A and 3B, and the electron beams accelerated by the superconducting linacs 3A and 3B are deflected by the deflecting magnet 2A. After the trajectory is bent again at 2B, it is thrown into the undulator 1 (that is, incident).
  • the electrons emitted from the undulator 1 based on the electron beam from the electron gun 5A are guided to the superconducting linac 3B through the deflecting magnet 2B, and are reverse to the electrons accelerated by the superconducting linac 3B in the superconducting linac 3B.
  • the track is bent again by the sorting magnet 4B and guided to the beam dump 6B.
  • the electrons emitted from the undulator 1 based on the electron beam from the electron gun 5B are guided to the superconducting linac 3A through the deflecting magnet 2A, and are reverse to the electrons accelerated by the superconducting linac 3A in the superconducting linac 3A.
  • the track is bent again by the sorting magnet 4A and guided to the beam dump 6A.
  • the energy recovered during the deceleration of electrons can be used as energy for accelerating electrons traveling in the positive direction in each superconducting linac. Further, since the electron beam is sufficiently decelerated while traveling in each superconducting linac in the negative direction, the radiation problem in the beam dumpers 6A and 6B can be avoided. That is, the intensity of radiation that can be generated in each beam dump can be kept low, and the radiation shielding level can be kept low.
  • the direction in which electrons are accelerated is referred to as a positive direction, and the opposite direction is referred to as a negative direction.
  • the direction from end 3Aa to end 3Ab is the positive direction
  • the direction from end 3Ba to end 3Bb is the positive direction.
  • the bidirectional FEL 100 is basically a combination of two short-wavelength free electron laser devices that use a self-amplifying spontaneous emission mechanism as an undulator function and a common long undulator. is there.
  • acceleration and deceleration of bidirectional electrons are performed in parallel using a pair of superconducting linacs having no heat loss and high repetition.
  • This linear multi-cavity resonator is made of a superconducting material and operates in a state of being immersed in an ultra-low temperature liquid from a refrigerator, so that the loss due to electric resistance is substantially zero.
  • the two superconducting linacs 3A and 3B used in the present invention each require two electron beam paths therein, but there is no special technical restriction in this respect, and the already known technology. (In each superconducting linac, the path for the electron beam traveling in the positive direction and the path for the electron beam traveling in the negative direction are separated from each other in a single rectilinear multi-cavity resonator. And secure it).
  • Laser radiation is obtained by a self-amplifying spontaneous emission mechanism when accelerated electrons travel through the undulator 1 in synchrotron, but the wavelength of the radiation is basically proportional to the magnetic field period in the electron beam path in the undulator 1. .
  • the magnetic field period is about 20 mm (millimeters).
  • the length of the undulator 1 is mainly dependent on the energy of the introduced electrons.
  • the electron energy when entering the undulator 1 is about 280 MeV.
  • a length in the range of 10 to 20 m is sufficient for the undulator 1.
  • the wavelength ⁇ L of the emitted light in the FEL is accurately determined by the following formula (1) as described in Non-Patent Document 1, for example.
  • ⁇ L ⁇ u / 2 ⁇ 2 ⁇ (1 + K / 2)
  • ⁇ u represents the magnetic field period in the electron beam path in the undulator
  • ⁇ represents the electron energy of the electron beam incident on the undulator
  • K represents a coefficient determined by the magnetic field strength and the magnetic field period in the undulator.
  • the electron energy of 280 MeV as exemplified above, and about 20 mm is required, and the value of the coefficient K in that case is about 1.5.
  • the undulator 1 also requires a bi-directional path for the electron beam.
  • the undulator 1 that is commonly used for the first electron beam incident from the superconducting linac 3A and the second electron beam incident from the superconducting linac 3B has a common periodic magnetic field path space for the first and second electron beams.
  • Such a single undulator is not necessarily meant to include a configuration in which the periodic magnetic field passage spaces for the first and second electron beams are separated, but the arrangement spaces thereof are made common.
  • a single superconducting linac is provided by providing a looped electron reversal arc portion (corresponding to the component 5 in FIG. 1 in Patent Document 3).
  • the used electron beams are accelerated and decelerated, and the used electron beam is decelerated by changing the phase, thereby taking measures against radiation associated with disposal.
  • the used electron beam is decelerated using the reverse deceleration electric field of the superconducting linac on the opposite side, and the energy recovered during the deceleration is accelerated by the positive electron beam.
  • the bidirectional FEL 100 is configured based on a new idea that two independent superconducting linacs 3A and 3B are used for acceleration and deceleration instead of the reversing arc portion, the entire apparatus The installation area can be reduced and the area utilization efficiency can be greatly improved.
  • decelerating the used electron beam as described above it is possible to reduce radiation shielding measures against used high-energy electrons.
  • the bidirectional FEL 100 has a total length of 50 m. ⁇ 10m square, that is, those that fit into the factory building of 500m 2. This size is less than 1/5 in area ratio compared to conventional facilities that require an inverted arc portion (loop electron path) of the electron beam as disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 3, It can be said that it is extremely realistic as equipment. In addition, since two radiation beam lines can be obtained simultaneously, the area utilization efficiency of the facility is further doubled.
  • the bidirectional FEL 100 in obtaining short-wavelength radiation with a desired intensity, the area utilization efficiency can be achieved 10 times as a whole as compared with the conventional FEL such as Patent Document 1, and the cost is remarkably high. It can be cheaper.
  • the present invention is considered to contribute to high-definition exposure technology and to improve manufacturing efficiency, particularly in the field of semiconductor devices.
  • the configuration and operation of the bidirectional FEL 100 described above will be referred to as a basic configuration example for convenience.
  • a more detailed configuration, application technology, modification technology, and the like of the bidirectional FEL 100 will be described.
  • all the above-described matters described for the basic configuration examples apply to each embodiment described later, and in each embodiment, items that contradict the basic configuration example are described in each embodiment.
  • the matters described in any of the plurality of embodiments described below can be applied to any other embodiment (that is, any two or more of the plurality of embodiments). It is also possible to combine these embodiments).
  • the bidirectional FEL 100 includes a left system (first acceleration system) composed of a device group disposed on the left side of the undulator 1 and a right system composed of a device group disposed on the right side of the undulator 1.
  • the system (2nd acceleration system) and the undulator 1 which should also be called the common undulator shared by the left system and the right system are comprised.
  • the left electron gun 5A generates and emits a first electron beam.
  • the first electron stream generated by the electron gun 5A is launched from the electron gun 5A as a first electron beam intermittent at a repetition frequency of about 1 GHz (gigahertz).
  • the first electron beam emitted from the electron gun 5A is given a predetermined initial velocity at a first stage acceleration (not shown) and then enters the sorting magnet 4A.
  • the sorting magnet 4A guides the first electron beam to the end 3Aa of the superconducting linac 3A by bending the trajectory of the first electron beam from the electron gun 5A, whereby the first electron beam enters the superconducting linac 3A (ie, incident).
  • the superconducting linac 3A accelerates the first electron beam incident from the electron gun 5A via the sorting magnet 4A, and emits the accelerated first electron beam from the end 3Ab of the superconducting linac 3A.
  • the first electron beam is accelerated until it has energy of about 280 MeV while traveling in the superconducting linac 3A.
  • the distribution magnet 2A guides the first electron beam to the end 1a of the undulator by bending the orbit of the first electron beam emitted from the other end 3Ab of the superconducting linac 3A, and is thereby accelerated by the superconducting linac 3A.
  • the first electron beam is introduced (that is, incident) into the undulator 1 from the end 1a.
  • the first electron beam injected into the undulator 1 travels in the right direction (that is, the positive direction of the X axis) while being contributed to synchrotron radiation by the periodic magnetic field formed by the undulator 1, and is emitted from the end 1b.
  • Synchrotron radiation based on the first electron beam is emitted to the light beam line 7B as the first laser light (in other words, the first laser radiation), and is used as it is or through a necessary optical amplifier (not shown). Is done.
  • the first electron beam emitted from the end 1b of the undulator 1 is guided to the end 3Bb of the superconducting linac 3B after the trajectory is bent by the deflecting magnet 2B.
  • the first electron beam after traveling in the undulator 1 is input (that is, incident) into the superconducting linac 3B and travels in the superconducting linac 3B from the end 3Bb toward the end 3Ba. Via, it is thrown away into the beam dump 6B.
  • the superconducting linac 3B there is an electric field for accelerating the second electron beam traveling in the positive direction (that is, the direction from the end 3Ba toward the end 3Bb), and the electric field travels in the negative direction. Since the reverse action is exerted on the electron beam, the first electron beam is sufficiently decelerated while traveling in the superconducting linac 3B.
  • the superconducting linac 3B collects energy for the deceleration of the first electron beam, and reuses the collected energy as energy for accelerating the second electric beam traveling in the positive direction.
  • a known method can be used as a method for recovering and reusing such energy.
  • the right-system electron gun 5B generates and emits a second electron beam.
  • the second electron stream generated by the electron gun 5B is launched from the electron gun 5B as a second electron beam that is intermittent at a repetition frequency of about 1 GHz (gigahertz).
  • the second electron beam emitted from the electron gun 5B is given a predetermined initial velocity at a first stage acceleration (not shown) and then enters the sorting magnet 4B.
  • the sorting magnet 4B bends the trajectory of the second electron beam from the electron gun 5B to guide the second electron beam to the end portion 3Ba of the superconducting linac 3B, whereby the second electron beam is input to the superconducting linac 3B (ie, incident).
  • the superconducting linac 3B accelerates the second electron beam incident from the electron gun 5B via the sorting magnet 4B, and emits the accelerated second electron beam from the end 3Bb of the superconducting linac 3B.
  • the second electron beam is accelerated until it has energy of about 280 MeV while traveling in the superconducting linac 3B.
  • the sorting magnet 2B guides the second electron beam to the end 1b of the undulator by bending the trajectory of the second electron beam emitted from the other end 3Bb of the superconducting linac 3B, and is thereby accelerated by the superconducting linac 3B.
  • the second electron beam is introduced (that is, incident) into the undulator 1 from the end 1b.
  • the second electron beam injected into the undulator 1 travels in the left direction (that is, the negative direction of the X axis) while being contributed to synchrotron radiation by the periodic magnetic field formed by the undulator 1, and is emitted from the end 1a.
  • the synchrotron radiation based on the second electron beam is emitted to the optical beam line 7A as the second laser light (in other words, the second laser radiation) and used as it is or through a necessary optical amplifier (not shown). Is done.
  • the second electron beam emitted from the end 1a of the undulator 1 is guided to the end 3Ab of the superconducting linac 3A after the trajectory is bent by the deflecting magnet 2A.
  • the second electron beam after traveling in the undulator 1 is input (that is, incident) into the superconducting linac 3A and travels in the superconducting linac 3A from the end 3Ab toward the end 3Aa. Via, it is thrown away into the beam dump 6A.
  • the superconducting linac 3A there is an electric field for accelerating the first electron beam traveling in the positive direction (that is, the direction from the end 3Aa toward the end 3Ab), and the electric field is the second traveling in the negative direction. Since the opposite effect is exerted on the electron beam, the second electron beam is sufficiently decelerated while traveling in the superconducting linac 3A.
  • the superconducting linac 3A collects the energy of the deceleration of the second electron beam and reuses the collected energy as energy for accelerating the first electric beam traveling in the positive direction.
  • a known method can be used as a method for recovering and reusing such energy.
  • Each laser beam derived to the optical beam lines 7B and 7A includes harmonics.
  • the fifth harmonics thereof are included.
  • the wave will have a wavelength of 13.5 nm. Therefore, when performing high-definition exposure using 13.5 nm laser light, the fifth harmonic of each laser light derived to the light beam lines 7B and 7A is selected and used.
  • the undulator 1 has a self-amplifying spontaneous emission function.
  • the self-radiation function that generates radiant light based on the electron beam incident on itself without applying external power, and the intensity of the generated radiant light without using an optical resonator.
  • Self-amplifying function that is, when considering the first electron beam, the undulator 1 generates light by the synchrotron radiation based on the periodic magnetic field in the undulator 1 and the first electron beam (spontaneous emission), and uses the generated light. Then, density modulation is performed on the electrons constituting the first electron beam at the wavelength interval of the light, and the light intensity is amplified by aligning the phases of the light emitted from many electrons (self-amplification). The same applies to the second electron beam.
  • the superconducting linac 3A has an acceleration function for accelerating the first electron beam and a decelerating function for decelerating the second electron beam
  • the superconducting linac 3B has an acceleration function for accelerating the second electron beam.
  • the decelerating function for decelerating the first electron beam is provided, and the energy for decelerating is recovered in the superconducting linacs 3A and 3B. That is, two superconducting linacs 3A perform acceleration and deceleration for energy recovery on an electron beam incident from one end (1a or 1b) of the undulator 1 and emitted from the other end (1b or 1a). And 3B.
  • FIG. 3 shows a side view of an undulator 10 that can be used as the undulator 1.
  • the undulator 10 includes magnet rows M1 and M2 arranged in parallel with a gap so as to face each other.
  • FIG. 3 is a side view of the magnet arrays M1 and M2 constituting the undulator 10 when viewed along a direction parallel to the Y axis.
  • the magnet row M1 is arranged on the upper side with respect to the magnet row M2.
  • Each of the magnet row M1 and the magnet row M2 is formed by a plurality of magnets MG arranged in a straight line.
  • Each magnet MG is formed of a permanent magnet such as a neodymium magnet.
  • the arrows marked in each magnet MG indicate the magnetization direction of each magnet MG (the direction from the S pole to the N pole) (the same applies to FIGS. 4A and 4B described later). ).
  • the magnetization direction of the plurality of magnets MG included in the magnet array M1 and the magnetization direction of the plurality of magnets MG included in the magnet array M2 periodically change along the X-axis direction, and based on the periodic change, the magnet array A periodic magnetic field B is formed between M1 and M2.
  • the periodic magnetic field B the direction and magnitude of the magnetic field component perpendicular to the X axis change periodically, and the period corresponds to the above-described magnetic field period ⁇ u.
  • the interval between the magnet arrays M1 and M2 is referred to as the magnetic pole interval. If this magnetic pole interval is set appropriately, two paths PS1 and PS2 separated from each other can be secured in the space between the magnet arrays M1 and M2.
  • the path PS1 is a path of the first electron beam in the undulator 10 that is a part of the electron beam path 8A shown in FIG.
  • the path PS2 is a path of the second electron beam in the undulator 10 that is a part of the electron beam path 8B shown in FIG.
  • the passages PS1 and PS2 are separated along the Z-axis direction. However, as long as the passages PS1 and PS2 are separated from each other, their positional relationship is arbitrary. For example, the passages PS1 and PS2 May be separated along the Y-axis direction.
  • the magnet array M1 since the magnet array M1 is arranged on the upper side with respect to the magnet array M2, in the periodic magnetic field B, the direction and magnitude of the Z-axis component of the magnetic field periodically change.
  • the positional relationship between the magnet array M1 and the magnet array M2 is arbitrary as long as the direction and magnitude of the magnetic field component perpendicular to the X axis changes periodically.
  • the magnetic pole spacing between the magnet arrays M1 and M2 The magnet arrays M1 and M2 may be arranged side by side so that the direction of is parallel to the Y axis.
  • Halbach type magnet arrays in which four magnets MG are arranged in one cycle are illustrated as the magnet arrays M1 and M2, but any type of magnet array that can constitute the periodic magnetic field B is illustrated. It may be used as the magnet arrays M1 and M2 (the same applies to the second embodiment described later).
  • FIG. 4A and 4B are side views of the undulator portions 20A and 20B according to the second embodiment. It can be used as the undulator 20 (see FIG. 4C) including the undulator portions 20 ⁇ / b> A and 20 ⁇ / b> B.
  • Each of the undulator portions 20A and 20B includes magnet arrays M1 and M2 arranged at intervals so as to face each other, and has a self-amplifying spontaneous emission function, like the undulator 10 of FIG.
  • FIG. 4A shows a side view of the magnet arrays M1 and M2 constituting the undulator unit 20A when viewed along a direction parallel to the Y axis.
  • FIG. 4B shows a side view of the magnet arrays M1 and M2 constituting the undulator unit 20B when viewed along a direction parallel to the Y axis.
  • the undulator portions 20A and 20B are arranged side by side in the Y-axis direction.
  • each of the undulator portions 20A and 20B the configuration of the magnet arrays M1 and M2 is the same as that described in the first embodiment. Therefore, in each of the undulator portions 20A and 20B, the magnetization directions of the plurality of magnets MG included in the magnet array M1 and the magnetization directions of the plurality of magnets MG included in the magnet array M2 change periodically along the X-axis direction. Based on the periodic change, a periodic magnetic field is formed between the magnet arrays M1 and M2. In each periodic magnetic field, the direction and magnitude of the magnetic field component perpendicular to the X axis change periodically, and the period corresponds to the above-described magnetic field period ⁇ u.
  • the space between the magnet rows M1 and M2 in which the periodic magnetic field of the undulator unit 20A is formed is referred to as a path space PSa
  • the space in which the periodic magnetic field of the undulator unit 20B is formed is called a path space PSb.
  • the path spaces PSa and PSb are two spaces separated from each other.
  • the path space PSa serves as a path for the first electron beam that travels in the positive direction of the X axis in the undulator portion 20A, and the path space PSb travels in the negative direction of the X axis in the undulator portion 20B. It becomes a path for two electron beams. That is, when the undulator 20 is used as the undulator 1, the path space PSa functions as an electron beam path in the undulator 1 that is a part of the electron beam path 8A shown in FIG. 2B functions as an electron beam path in the undulator 1, which is a part of the electron beam path 8B shown in FIG.
  • the first electron beam travels in the right direction (that is, the positive direction of the X axis) in the path space PSa, and the second electron beam travels in the left direction (that is, in the negative direction of the X axis) in the path space PSb.
  • the path space PSa has a taper that expands in the traveling direction of the first electron beam (that is, in the right direction), and the path space PSb extends in the traveling direction of the second electron beam.
  • it has a taper that spreads out (ie, toward the left).
  • the magnetic pole spacing between the magnet arrays M1 and M2 increases as it goes to the right, that is, the cross-sectional area of the path space PSa increases as it goes to the right.
  • the magnet rows M1 and M2 of the undulator section 20A are arranged so as to be inclined with respect to the magnet rows M1 and M2 of the undulator 10.
  • the magnet arrays M1 and M2 are arranged in a plane parallel to the Z axis and the X axis so that the magnetic pole spacing, which is the distance in the Z axis direction, increases toward the right. It is arranged at an angle.
  • the undulator 10 of FIG. 3 is configured such that the magnetic pole spacing between the magnet arrays M1 and M2 increases toward the left, that is, the cross-sectional area of the path space PSb increases toward the left.
  • the magnet rows M1 and M2 of the undulator section 20B are arranged so as to be inclined with respect to the magnet rows M1 and M2.
  • the magnet arrays M1 and M2 are arranged in a plane parallel to the Z axis and the X axis so that the magnetic pole interval, which is the interval in the Z axis direction, increases toward the left. It is arranged at an angle.
  • the cross-sectional area refers to an area in a cross section orthogonal to the X axis (that is, a cross section orthogonal to the traveling direction of the electron beam).
  • the taper As described above, a stronger interaction appears between the light generated by the synchrotron radiation generated by the meandering traveling of the first electron beam and the first electron beam in the undulator portion 20A, and self-amplification occurs. Increasing and stronger laser radiation is obtained.
  • the undulator unit 20A and the undulator unit 20B may have the same configuration except that the taper spreading direction is different.
  • the undulator portions 20A and 20B are arranged side by side in the Y-axis direction. Therefore, for example, the Z-axis coordinate value of the traveling axis of the first electron beam and the second electron beam Both the Z-axis coordinate values of the traveling axes may be zero, but the Z-axis coordinate values may be slightly different from each other (that is, the traveling axes of the first and second electron beams are viewed from the side. Sometimes, the travel axes may be completely overlapped or may be slightly deviated from each other).
  • column M1 is arrange
  • the direction and magnitude of the Z-axis component of the magnetic field periodically change.
  • the direction and magnitude of the magnetic field component perpendicular to the X-axis change periodically.
  • the positional relationship between the magnet array M1 and the magnet array M2 is arbitrary.
  • the magnet arrays M1 and M2 may be arranged side by side so that the direction of the magnetic pole spacing of the magnet arrays M1 and M2 is parallel to the Y axis.
  • the positional relationship between the undulator units 20A and 20B is arbitrary, and the undulator 20 It is sufficient that the undulator portions 20A and 20B are arranged in parallel in two stages.
  • the undulator portions 20A and 20B may be arranged in two upper and lower stages.
  • the undulator 20 is a device that separates the path spaces of the periodic magnetic fields for the first and second electron beams, but shares the arrangement space of the entire undulator device including those path spaces.
  • the undulator unit 20A and 20B may be supported and integrated by a common mount (not shown).
  • a left system composed of a device group disposed on the left side of the undulator 1
  • a right system composed of a device group disposed on the right side of the undulator 1.
  • the arrangement positions of the deflection magnet 2A, the superconducting linac 3A, the distribution magnet 4A, the electron gun 5A, and the beam dump 6A are the arrangement positions of the deflection magnet 2B, the superconducting linac 3B, the distribution magnet 4B, the electron gun 5B, and the beam dump 6B, respectively.
  • the left system and the right system described above may be arranged in a rotationally symmetric relationship with respect to the center of the undulator 1. That is, the arrangement positions of the deflection magnet 2A, the superconducting linac 3A, the distribution magnet 4A, the electron gun 5A, and the beam dump 6A are the arrangement positions of the deflection magnet 2B, the superconducting linac 3B, the distribution magnet 4B, the electron gun 5B, and the beam dump 6B, respectively.
  • the arrangement relationship may be changed from that shown in FIG. 1 so as to have a point-symmetric relationship about the center of the undulator 1.
  • an FEL system including a plurality of bidirectional FELs 100 may be constructed.
  • a plurality of bidirectional FELs 100 are arranged side by side along the Y-axis direction.
  • the laser beam directed to the right is derived from the light beam line 7B
  • the laser beam directed to the left is derived from the light beam line 7A. Therefore, for example, if three bidirectional FELs 100 are arranged, a total of six light beam lines can be obtained.
  • the FEL system is suitable for mass production exposure.

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Abstract

自己増幅自発放射機能を持つアンジュレータ（１）の両側に２台の超電導リニアック（３Ａ、３Ｂ）を１台ずつ配置する。２台の超電導リニアック（３Ａ、３Ｂ）は、夫々において加速した電子ビームをアンジュレータ（１）に対して互いに逆方向から入射し（８Ａ、８Ｂ）、これによってアンジュレータ１の両側からレーザー放射光を得る（７Ｂ、７Ａ）。一方の超電導リニアック（３Ｂ、３Ａ）は、他方の超電導リニアック（３Ａ、３Ｂ）から入射されてアンジュレータ（１）から出射された電子ビームに対しエネルギー回収のための減速を行う。

Description

双方向自由電子レーザー装置
　本発明は、双方向自由電子レーザー装置に関する。
　極端紫外線領域からＸ線領域に至る短波長放射光の利用が注目されている。特に半導体デバイスの分野においては、集積回路の高密度化が露光技術に依存しており、１０ｎｍ（ナノメートル）以下の線幅を実現するには、１３．５ｎｍの波長を有する極端紫外光が必須と言われている。しかしながら、このような短波長の極端紫外光を大量生産露光に必要な強度を持って照射できる現実的な光源はこれまでになく、高繰り返しの自由電子レーザー装置に可能性が委ねられている。
特許第２７２６９２０号公報 特開平９－２４６６７４号公報 特許第４４５７２０７号公報
　特許文献１、２及び３には、レーザー光に対する光共振器を有する構成の自由電子レーザー装置（以下、ＦＥＬと称することがある）が開示されているが、１３．５ｎｍでは光共振器を構成しうる高効率反射鏡は存在しないため、十分な放射光の強度が得られず、光共振器を使うＦＥＬを極端紫外光源として利用することは困難である。この短波長領域で大量生産露光に必要とされる１ｋＷ（キロワット）レベルの光強度を得るためには、長いアンジュレータを用いた自己増幅自発放射（Self-Amplified Spontaneous Emission）型の自由電子レーザー装置であって且つ高繰り返しのものが必須であり、そのためには例えば、特許文献３及び非特許文献１と同様に超電導リニアックを利用した駆動が望ましい。
　一方で、エネルギー効率等を考慮すれば、利用済電子ビームが持つエネルギーを回収することも肝要である。しかしながら、特許文献３及び非特許文献１に記されたようなエネルギーを回収するために電子ビームを反転させる方式においては、反転を担うための反転アーク部（ループ電子路）が必須となる。これは、装置設置面積の増大要因及び施設の面積利用効率の低下要因となりえる。特に例えば、１３．５ｎｍのレーザー光を生成する程度に電子ビームエネルギーが高い場合においては、レーザー光を生成する部分を自己増幅自発放射型で構成した場合であっても、反転アーク部（ループ電子路）の半径が相当に大きくなるため、施設の面積利用効率が相当に悪くなる。装置設置面積の増大、施設の面積利用効率の低下が望ましくないことは言うまでも無い。
　尚、説明の具体化のため、１３．５ｎｍの波長を有する極端紫外光に注目して従来のＦＥＬの構成等を説明したが、１３．５ｎｍ以外の波長を有するレーザー光を得ようとした場合にも同様のことが言える。
　そこで本発明は、面積利用効率の向上等に寄与しつつ高いエネルギー効率で高強度のレーザー放射光（特に例えば極端紫外線領域の短波長のレーザー放射光）を出射し得る双方向自由電子レーザー装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る一側面に係る双方向自由電子レーザー装置は、自己増幅自発放射機能を持つアンジュレータを用いて双方向にレーザー放射光を得る双方向自由電子レーザー装置であって、前記アンジュレータの両側に１台ずつ配置され、各々に前記アンジュレータに対し電子ビームを入射する２台の超電導リニアックを備え、前記アンジュレータの一方の端部から入射し他方の端部から出射する電子ビームに対し、加速とエネルギー回収のための減速とを前記２台の超電導リニアックで分担して行うことを特徴とする。
　本発明に係る他の側面に係る双方向自由電子レーザー装置は、自己増幅自発放射機能を持つアンジュレータと、前記アンジュレータを挟んで配置され、各々に電子ビームに対する加速と減速の機能を有する２台の超電導リニアックと、前記２台の超電導リニアックに対し電子ビームを供給する２台の電子銃と、を備え、各電子銃から一方の超電導リニアックと前記アンジュレータと他方の超電導リニアックとを通る電子ビーム通路を構成することで、電子ビームの走行方向が互いに逆の２本の電子ビーム通路を構成するとともに前記アンジュレータの両側からレーザー放射光を得ることを特徴とする。
　本発明によれば、面積利用効率の向上等に寄与しつつ高いエネルギー効率で高強度のレーザー放射光（特に例えば極端紫外線領域の短波長のレーザー放射光）を出射し得る双方向自由電子レーザー装置を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る双方向自由電子レーザー装置の概略構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、夫々、図１の双方向自由電子レーザー装置に係る、第１電子ビームの通路の説明図及び第２電子ビームの通路の説明図である。 本発明の第１実施例に係るアンジュレータの側面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、夫々、本発明の第２実施例に係る２つのアンジュレータ部の第１の側面図、第２の側面図、配置関係図である。 本発明の第４実施例に係るＦＥＬシステムの構成図である。
　以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。
　本発明においては、自由電子を媒体とした自己増幅自発放射（Self-Amplified Spontaneous Emission）機構をアンジュレータと呼び、電子の線形加速器をリニアック(Linac)と略称する。
［基本構成の説明］
　図１は、本発明の実施形態に係る双方向自由電子レーザー装置（以下、双方向ＦＥＬと称する）１００の概略構成図である。図１では、双方向ＦＥＬ１００の各構成装置を上方から見たときの、各構成装置の概略外形が示されている。
　双方向ＦＥＬ１００は、アンジュレータ１と、偏向磁石２Ａ及び２Ｂと、超電導リニアック３Ａ及び３Ｂと、振り分け磁石４Ａ及び４Ｂと、電子銃５Ａ及び５Ｂと、ビームダンプ６Ａ及び６Ｂと、光ビームライン７Ａ及び７Ｂと、を備えて構成される。偏向磁石２Ａ及び２Ｂは互いに同じ構成を有していて良い。超電導リニアック３Ａ及び３Ｂは互いに同じ構成を有していて良い。振り分け磁石４Ａ及び４Ｂは互いに同じ構成を有していて良い。電子銃５Ａ及び５Ｂは互いに同じ構成を有していて良い。ビームダンプ６Ａ及び６Ｂは互いに同じ構成を有していて良い。光ビームライン７Ａ及び７Ｂは互いに同じ構成を有していて良い。
　図２（ａ）に、電子銃５Ａから出射された第１電子ビームの通路である電子ビーム通路８Ａを示す。電子ビーム通路８Ａは、電子銃５Ａから、振り分け磁石４Ａ、超電導リニアック３Ａ、偏向磁石２Ａ、アンジュレータ１、偏向磁石２Ｂ、超電導リニアック３Ｂ、振り分け磁石４Ｂを、この順番で経由してビームダンプ６Ｂに至る通路である。
　図２（ｂ）に、電子銃５Ｂから出射された第２電子ビームの通路である電子ビーム通路８Ｂを示す。電子ビーム通路８Ｂは、電子銃５Ｂから、振り分け磁石４Ｂ、超電導リニアック３Ｂ、偏向磁石２Ｂ、アンジュレータ１、偏向磁石２Ａ、超電導リニアック３Ａ、振り分け磁石４Ａを、この順番で経由してビームダンプ６Ａに至る通路である。
　以下では、説明の具体化及び明確化のため、双方向ＦＥＬ１００が設置される実空間内に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。Ｘ軸及びＹ軸は水平面に平行であって、Ｚ軸は鉛直面に平行であるとする。アンジュレータ１の長さ方向、即ち、アンジュレータ１内を走行する電子ビームの走行方向はＸ軸に平行である。更に、アンジュレータ１の中心にＸ軸の原点をとり、偏向磁石２Ａ、超電導リニアック３Ａ、振り分け磁石４Ａ、電子銃５Ａ、ビームダンプ６Ａ及び光ビームライン７ＡがＸ軸の負側に設置され、且つ、偏向磁石２Ｂ、超電導リニアック３Ｂ、振り分け磁石４Ｂ、電子銃５Ｂ、ビームダンプ６Ｂ及び光ビームライン７ＢがＸ軸の正側に設置されているものとする。また、アンジュレータ１の中心からＸ軸の正側に向かう向きを右と定義し、アンジュレータ１の中心からＸ軸の負側に向かう向きを左と定義する。
　記号１ａ、１ｂは、夫々、アンジュレータ１の長さ方向における一方の端部、他方の端部を表す。アンジュレータ１において、端部１ａから端部１ｂに向かう方向は、Ｘ軸に並行であってＸ軸の負側から正側に向かう方向と一致する。記号３Ａａ、３Ａｂは、超電導リニアック３Ａにおける一方の端部、他方の端部を表す。記号３Ｂａ、３Ｂｂは、超電導リニアック３Ｂにおける一方の端部、他方の端部を表す。アンジュレータ１と同様、超電導リニアック３Ａ及び３Ｂの夫々において、長さ方向は、電子ビームの走行方向と一致する。超電導リニアック３Ａにおいて、端部３Ａａから端部３Ａｂに向かう方向は、Ｘ軸から傾いているが、Ｘ軸の負側から正側に向かう成分を有する。超電導リニアック３Ｂにおいて、端部３Ｂａから端部３Ｂｂに向かう方向は、Ｘ軸から傾いているが、Ｘ軸の正側から負側に向かう成分を有する。
　図１及び図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、双方向ＦＥＬ１００では、長尺且つ共通のアンジュレータ１を挟むようにアンジュレータ１の両側に超電導リニアック３Ａ、３Ｂを配置し、それらで加速された電子ビームを偏向磁石２Ａ、２Ｂで軌道を変えて共通のアンジュレータ１に互いに逆方向から導くことで、自己増幅自発放射機構によるレーザー放射光（即ち、放射光に基づくレザー光）を発生させるものである。超電導リニアック３Ａで加速された電子ビームに基づくレーザー放射光は光ビームライン７Ｂに導かれ、超電導リニアック３Ｂで加速された電子ビームに基づくレーザー放射光は光ビームライン７Ａに導かれる。双方向ＦＥＬ１００にて発生するレーザー放射光は、短波長の自由電子レーザー光であって良い。ここにおける短波長とは、例えば、極端紫外線領域に属する波長からＸ線領域に属する波長までの波長を指し、例えば、１ｎｍから数１０ｎｍまでの範囲内の波長を指す。
　電子銃５Ａ、５Ｂで生成された電子ビームは、振り分け磁石４Ａ、４Ｂで軌道を曲げられて超電導リニアック３Ａ、３Ｂに導かれ、超電導リニアック３Ａ、３Ｂにて加速された電子ビームは、偏向磁石２Ａ、２Ｂにて軌道を再度曲げられてからアンジュレータ１に投入（即ち入射）される。
　電子銃５Ａからの電子ビームに基づきアンジュレータ１にてレーザー光を放出した電子は、偏向磁石２Ｂを通じて超電導リニアック３Ｂに導かれ、超電導リニアック３Ｂの中を超電導リニアック３Ｂで加速される電子とは逆方向に走行することで減速された後、再び振り分け磁石４Ｂで軌道を曲げられてビームダンプ６Ｂに導かれる。
　電子銃５Ｂからの電子ビームに基づきアンジュレータ１にてレーザー光を放出した電子は、偏向磁石２Ａを通じて超電導リニアック３Ａに導かれ、超電導リニアック３Ａの中を超電導リニアック３Ａで加速される電子とは逆方向に走行することで減速された後、再び振り分け磁石４Ａで軌道を曲げられてビームダンプ６Ａに導かれる。
　電子の減速時に回収されたエネルギーを、各超電導リニアックにおいて、正方向に走行する電子の加速用エネルギーとして利用することができる。また、各超電導リニアックを負方向に走行する間に電子ビームは十分に減速されるので、ビームダンプ６Ａ、６Ｂでの放射線的問題を回避することができる。即ち、各ビームダンプで発生しうる放射線の強度を低く抑えることができ、放射線の遮蔽対策レベルを低く抑えることができる。尚、超電導リニアック３Ａ、３Ｂの夫々において、電子が加速される方向を正方向と称し、その逆方向を負方向と称する。超電導リニアック３Ａにおいては、端部３Ａａから端部３Ａｂに向かう方向が正方向であり、超電導リニアック３Ｂにおいては、端部３Ｂａから端部３Ｂｂに向かう方向が正方向である。
［動作原理の説明］
　本実施形態に係る双方向ＦＥＬ１００は、基本的には、アンジュレータ機能としての自己増幅自発放射機構を利用する短波長自由電子レーザー装置を二基組み合わせた上で、長尺アンジュレータを共通にしたものである。また、大出力を得るために、熱損失が無く繰り返しの高い超電導リニアック１対を用いて双方向電子の加速と減速を並行して行うものである。
　短波長自由電子レーザー光を発生させるためには、高エネルギー電子加速が必要となる。半導体分野の高細密露光に必要な１３．５ｎｍの極端紫外線を実用可能な強度で発生させる場合、電子を約２８０ＭｅＶ（メガエレクトロンボルト）程度まで加速する必要がある。このような電子の加速を最小のエネルギー損失で実現するために用いる超電導リニアック３Ａ、３Ｂとして、例えば１ｍ（メートル）当たり２０ＭｅＶの割合で加速が行われるよう、１．３ＧＨz（ギガヘルツ）で励振する全長１５ｍほどの直進型多空洞共振器を用いると良い。この直進型多空洞共振器は超電導材料で構成され、冷凍機からの超低温液に浸漬された状態で動作するので、電気抵抗による損失は略ゼロとなる。尚、本発明において使用する２台の超電導リニアック３Ａ、３Ｂでは、夫々にその中に２本の電子ビーム通路を必要とするが、この点に特別の技術的制約はなく、既に知られた技術で構成することができる（各超電導リニアックにおいて、単一の直進型多空洞共振器内に、正方向に走行する電子ビーム用の通路と負方向に走行する電子ビーム用の通路とを、互いに分離して確保すれば足る）。
　レーザー放射光は、アンジュレータ１の中を加速電子がシンクロトロン走行する際の自己増幅自発放射機構により得られるが、放射光の波長は基本的にアンジュレータ１内の電子ビーム通路における磁界周期に比例する。例えば、１３．５ｎｍの極端紫外線を放射光として得ようとした場合、その磁界周期は２０ｍｍ（ミリメートル）程度となる。また、アンジュレータ１の長さは、主として導入される電子のエネルギーに依存するものとされており、極端紫外線領域の放射光を得る場合、アンジュレータ１に入るときの電子エネルギーが前述の２８０ＭｅＶ程度であれば、アンジュレータ１の長さは１０～２０ｍの範囲内の長さで十分である。
　ここで、一般に、ＦＥＬにおける放射光の波長λLは、例えば非特許文献１にも記載されているように、正確には以下の数式（１）で定まる。
　　　　　　λL=λｕ／２γ2 ・（１＋Ｋ／２)      …（１）
　λｕはアンジュレータ内の電子ビーム通路における磁界周期を表し、γはアンジュレータに入射される電子ビームの電子エネルギーを表し、Ｋはアンジュレータでの磁界強度や磁界周期で定まる係数を表す。
　故に、本実施形態に係る双方向ＦＥＬ１００により、波長１３．５ｎｍで１ｋＷレベルの強度を持った極端紫外線の放射光を得るためには、先に例示したような２８０ＭｅＶの電子エネルギーと、２０ｍｍ程の磁界周期を有する長さ２０ｍ程度のアンジュレータ１が必要となり、その場合の係数Ｋの値は１．５程度になる。
　また、アンジュレータ１の中にも電子ビームの双方向通路を必要とするが、この点に関しては、例えば、周期磁場を形成する磁極間隔を若干広げるだけで２本の通路を容易に確保することができる。従って、このアンジュレータ１自体も公知の技術を利用して組み立てることができ、その構成自体に特別の工夫は必要としない。
　但し、後述するように、アンジュレータ１内での電子と放射光との相互作用による自己増幅機能がより高まるよう、電子ビームの走行空間にテーパを設ける場合には、双方向の電子通路を互いに分離する必要がある。従って、超電導リニアック３Ａから入射する第１電子ビームと超電導リニアック３Ｂから入射する第２電子ビームに対して共通に利用されるアンジュレータ１は、第１及び第２電子ビームに対する周期磁場通路空間を共通とした１基のアンジュレータを必ずしも意味しておらず、第１及び第２電子ビームに対する周期磁場通路空間を分離しつつも、それらの配置スペースを共通化した構成も当然含むものである。
　ところで一般に大出力のＦＥＬにおいては、レーザー光放出後に大量の高エネルギー電子を処理する必要が生ずる。先に説明したように特許文献３等の従来のエネルギー回収型リニアックでは、ループ状の電子の反転アーク部（特許文献３では図１の構成要素５に相当）を設けることによって単一の超電導リニアックで加速と減速を行い、利用済電子ビームは位相を異ならせて減速させることにより廃棄に伴う放射線対策としている。しかしながら、実際の産業分野で利用可能な装置構成の面からは、必要強度のレーザー光を得ようとすると、相応に高いエネルギーの電子が必須となるため、必然的に反転アーク部も大きくなり、装置全体の設置面積が大きくなると共に施設の面積利用効率が低下する（ループ状の反転アーク部の内側が無駄なスペースとなる）。
　この点、本実施形態に係る双方向ＦＥＬ１００においては、対向する側の超電導リニアックの逆方向減速電界を利用して利用済電子ビームを減速し、減速時に回収されるエネルギーを正方向電子ビームの加速に用いることによって、エネルギー効率を高めている。即ち、本実施形態では、反転アーク部ではなく、独立した二基の超電導リニアック３Ａ、３Ｂを互いに加速、減速に用いると言う新しい発想に基づいて、双方向ＦＥＬ１００を構成しているので、装置全体の設置面積を小さくすることができると共に、面積利用効率を大幅に向上させることができる。また、上記の如く利用済電子ビームを減速することで、利用済の高エネルギー電子に対する放射線遮蔽対策を軽減することができる。
　因みに、先に述べたように例えばアンジュレータ１の長さを２０ｍとすると共に、超電導リニアック３Ａ、３Ｂを中心とした加速系の長さをそれぞれ１５ｍとすれば、双方向ＦＥＬ１００は、全体として、５０ｍ×１０ｍ四方、即ち５００ｍ2の工場建屋に収まるものとなる。この大きさは、特許文献１や特許文献３に開示されたような電子ビームの反転アーク部（ループ電子路）を必要とする従来施設に比べ、面積比で１/５以下のものとなり、工場設備として極めて現実的なものと言うことができる。その上、放射光のビームラインが２本同時に得られるので、施設の面積利用効率は更に２倍に高まることになる。つまり、本発明に係る双方向ＦＥＬ１００によれば、所望強度の短波長放射光を得るに当たり、特許文献１等の従来ＦＥＬと比べ、全体として１０倍の面積利用効率を達成でき、コストも格段に低廉化できる。本発明は、特に半導体デバイスの分野において、露光技術の高細密化に寄与し且つ製造効率の向上に寄与すると考えられる。
　上述した双方向ＦＥＬ１００の構成及び動作等を、便宜上、基本構成例と称する。以下、複数の実施例の中で、双方向ＦＥＬ１００のより詳細な構成や、応用技術、変形技術等を説明する。特に記述無き限り且つ矛盾無き限り、基本構成例について説明した上述の全ての事項が後述の各実施例に適用され、各実施例において基本構成例と矛盾する事項については、各実施例での記載が優先される。また矛盾無き限り、以下に述べる複数の実施例の内、任意の実施例に記載した事項を、他の任意の実施例に適用することもできる（即ち複数の実施例の内の任意の２以上の実施例を組み合わせることも可能である）。
［第１実施例］
　第１実施例を説明する。第１実施例において、双方向ＦＥＬ１００の構成及び動作の詳細な一例を説明する。既に述べた事項から明らかであるが、双方向ＦＥＬ１００は、アンジュレータ１の左側に配置された装置群から成る左系統（第１加速系統）と、アンジュレータ１の右側に配置された装置群から成る右系統（第２加速系統）と、左系統と右系統に共用される共通アンジュレータとも称されるべきアンジュレータ１と、を備えて構成される。
　左系統の電子銃５Ａは、第１電子ビームを生成して出射する。例えば、電子銃５Ａで生成された第１電子流は、繰り返し周波数１ＧＨｚ（ギガヘルツ）程度で断続する第１電子ビームとして電子銃５Ａから打ち出される。電子銃５Ａから出射された第１電子ビームは、図示しない初段加速度で所定の初速度を与えられた後、振り分け磁石４Ａに入射する。
　振り分け磁石４Ａは、電子銃５Ａからの第１電子ビームの軌道を曲げることで第１電子ビームを超電導リニアック３Ａの端部３Ａａに導き、これによって第１電子ビームが超電導リニアック３Ａに投入（即ち入射）される。
　超電導リニアック３Ａは、電子銃５Ａから振り分け磁石４Ａを経由して入射された第１電子ビームを加速して、加速された第１電子ビームを超電導リニアック３Ａの端部３Ａｂから出射する。第１電子ビームは、超電導リニアック３Ａ内を走行する間に２８０ＭｅＶ程度のエネルギーを持つまで加速される。
　振り分け磁石２Ａは、超電導リニアック３Ａの他端３Ａｂから出射された第１電子ビームの軌道を曲げることで第１電子ビームをアンジュレータの端部１ａに導き、これによって、超電導リニアック３Ａにて加速された第１電子ビームが端部１ａからアンジュレータ１に投入（即ち入射）される。
　アンジュレータ１に投入された第１電子ビームは、アンジュレータ１が形成する周期磁場によってシンクロトロン放射に寄与しながら右方向（即ちＸ軸の正の方向）に走行して端部１ｂから出射される。第１電子ビームに基づくシンクロトロン放射による放射光は第１レーザー光（換言すれば第１レーザー放射光）として光ビームライン７Ｂに導出され、そのまま又は必要な光増幅器（不図示）を通じて利用に供される。
　アンジュレータ１の端部１ｂから出射された第１電子ビームは、偏向磁石２Ｂによって軌道を曲げられて超電導リニアック３Ｂの端部３Ｂｂに導かれる。これによってアンジュレータ１内を走行後の第１電子ビームは、超電導リニアック３Ｂに投入（即ち入射）されて超電導リニアック３Ｂ内を端部３Ｂｂから端部３Ｂａに向けて走行し、その後、振り分け磁石４Ｂを経由してビームダンプ６Ｂに捨てられる。
　超電導リニアック３Ｂ内には、正方向（即ち端部３Ｂａから端部３Ｂｂに向かう方向）に走行する第２電子ビームを加速させるための電界が存在し、その電界は、負方向に走行する第１電子ビームに対しては逆の作用を及ぼすため、第１電子ビームは、超電導リニアック３Ｂ内を走行する間に十分に減速せしめられる。超電導リニアック３Ｂは、第１電子ビームの減速分のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを、正方向に走行する第２電ビームを加速させるためのエネルギーとして再利用する。このようなエネルギーの回収方法及び再利用方法として公知の方法を用いることができる。
　右系統の電子銃５Ｂは、第２電子ビームを生成して出射する。例えば、電子銃５Ｂで生成された第２電子流は、繰り返し周波数１ＧＨｚ（ギガヘルツ）程度で断続する第２電子ビームとして電子銃５Ｂから打ち出される。電子銃５Ｂから出射された第２電子ビームは、図示しない初段加速度で所定の初速度を与えられた後、振り分け磁石４Ｂに入射する。
　振り分け磁石４Ｂは、電子銃５Ｂからの第２電子ビームの軌道を曲げることで第２電子ビームを超電導リニアック３Ｂの端部３Ｂａに導き、これによって第２電子ビームが超電導リニアック３Ｂに投入（即ち入射）される。
　超電導リニアック３Ｂは、電子銃５Ｂから振り分け磁石４Ｂを経由して入射された第２電子ビームを加速して、加速された第２電子ビームを超電導リニアック３Ｂの端部３Ｂｂから出射する。第２電子ビームは、超電導リニアック３Ｂ内を走行する間に２８０ＭｅＶ程度のエネルギーを持つまで加速される。
　振り分け磁石２Ｂは、超電導リニアック３Ｂの他端３Ｂｂから出射された第２電子ビームの軌道を曲げることで第２電子ビームをアンジュレータの端部１ｂに導き、これによって、超電導リニアック３Ｂにて加速された第２電子ビームが端部１ｂからアンジュレータ１に投入（即ち入射）される。
　アンジュレータ１に投入された第２電子ビームは、アンジュレータ１が形成する周期磁場によってシンクロトロン放射に寄与しながら左方向（即ちＸ軸の負の方向）に走行して端部１ａから出射される。第２電子ビームに基づくシンクロトロン放射による放射光は第２レーザー光（換言すれば第２レーザー放射光）として光ビームライン７Ａに導出され、そのまま又は必要な光増幅器（不図示）を通じて利用に供される。
　アンジュレータ１の端部１ａから出射された第２電子ビームは、偏向磁石２Ａによって軌道を曲げられて超電導リニアック３Ａの端部３Ａｂに導かれる。これによってアンジュレータ１内を走行後の第２電子ビームは、超電導リニアック３Ａに投入（即ち入射）されて超電導リニアック３Ａ内を端部３Ａｂから端部３Ａａに向けて走行し、その後、振り分け磁石４Ａを経由してビームダンプ６Ａに捨てられる。
　超電導リニアック３Ａ内には、正方向（即ち端部３Ａａから端部３Ａｂに向かう方向）に走行する第１電子ビームを加速させるための電界が存在し、その電界は、負方向に走行する第２電子ビームに対しては逆の作用を及ぼすため、第２電子ビームは、超電導リニアック３Ａ内を走行する間に十分に減速せしめられる。超電導リニアック３Ａは、第２電子ビームの減速分のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを、正方向に走行する第１電ビームを加速させるためのエネルギーとして再利用する。このようなエネルギーの回収方法及び再利用方法として公知の方法を用いることができる。
　光ビームライン７Ｂ及び７Ａに導出される各レーザー光は、高調波を含んでおり、基本構成例の説明文中で示した数値例にて双方向ＦＥＬ１００を構成した場合においては、それらの第５高調波が１３．５ｎｍの波長を有することとなる。従って、１３．５ｎｍのレーザー光を利用して高精細露光を行う場合には、光ビームライン７Ｂ及び７Ａに導出される各レーザー光の第５高調波を選択して利用することになる。
　アンジュレータ１は、上述したように、自己増幅自発放射機能を有する。即ち、特に外部から電力を加えることなく、自身に入射された電子ビームに基づき放射光を自ら発生させる自発放射機能と、光共振器を利用することなく、発生させた放射光の強度を自ら増幅する自己増幅機能と、を有している。即ち、第１電子ビームに注目して考えた場合、アンジュレータ１は、アンジュレータ１内の周期磁場と第１電子ビームに基づくシンクロトロン放射により光を発生させ（自発放射）、その発生させた光で、第１電子ビームを構成する電子に光の波長間隔での密度変調をかけ、多数の電子から出る光の位相を揃えることで光の強度を増幅する（自己増幅）。第２電子ビームに対しても同様である。
　このように、超電導リニアック３Ａは、第１電子ビームを加速する加速機能を備えると共に第２電子ビームを減速する減速機能を有する一方で、超電導リニアック３Ｂは、第２電子ビームを加速する加速機能を備えると共に第１電子ビームを減速する減速機能を有し、超電導リニアック３Ａ及び３Ｂにおいて減速分のエネルギーは回収される。つまり、アンジュレータ１の一方の端部（１ａ又は１ｂ）から入射し他方の端部（１ｂ又は１ａ）から出射する電子ビームに対し、加速とエネルギー回収のための減速とを２台の超電導リニアック３Ａ及び３Ｂで分担して行うことになる。
　図３に、アンジュレータ１として用いることが可能なアンジュレータ１０の側面図を示す。アンジュレータ１０は、互いに対向するように間隔をあけて平行に配置された磁石列Ｍ１及びＭ２を備えている。図３は、アンジュレータ１０を構成する磁石列Ｍ１及びＭ２を、Ｙ軸に平行な方向に沿ってみたときの、それらの側面図を表している。図３では、磁石列Ｍ１が磁石列Ｍ２に対して上側に配置されている。磁石列Ｍ１及び磁石列Ｍ２の夫々は、直線状に配列された複数の磁石ＭＧにて形成される。各磁石ＭＧはネオジム磁石等の永久磁石で形成される。図３において、各磁石ＭＧ内に記された矢印は、各磁石ＭＧの磁化方向（Ｓ極からＮ極に向かう方向）を表している（後述の図４（ａ）及び（ｂ）においても同様）。
　磁石列Ｍ１に含まれる複数の磁石ＭＧの磁化方向及び磁石列Ｍ２に含まれる複数の磁石ＭＧの磁化方向はＸ軸方向に沿って周期的に変化し、その周期的な変化に基づき、磁石列Ｍ１及びＭ２間には周期磁場Ｂが形成される。周期磁場Ｂでは、Ｘ軸に垂直な磁場成分の向き及び大きさが周期的に変化し、その周期が上述の磁界周期λｕに相当する。
　磁石列Ｍ１及びＭ２間の間隔は磁極間隔と称される。この磁極間隔を適切に設定すれば、磁石列Ｍ１及びＭ２間の空間に、互いに分離した２本の通路ＰＳ１及びＰＳ２を確保することができる。通路ＰＳ１は、図２（ａ）に示す電子ビーム通路８Ａの一部である、アンジュレータ１０内の第１電子ビームの通路である。通路ＰＳ２は、図２（ｂ）に示す電子ビーム通路８Ｂの一部である、アンジュレータ１０内の第２電子ビームの通路である。尚、図３では、通路ＰＳ１及びＰＳ２がＺ軸方向に沿って分離しているが、通路ＰＳ１及びＰＳ２が互いに分離している限り、それらの位置関係は任意であり、例えば、通路ＰＳ１及びＰＳ２がＹ軸方向に沿って分離していても良い。
　尚、図３では、磁石列Ｍ１が磁石列Ｍ２に対して上側に配置されているため、周期磁場Ｂにおいては、磁場のＺ軸成分の向き及び大きさが周期的に変化しているが、周期磁場Ｂにおいて、Ｘ軸に垂直な磁場成分の向き及び大きさが周期的に変化する限り、磁石列Ｍ１と磁石列Ｍ２の位置関係は任意であり、例えば、磁石列Ｍ１及びＭ２の磁極間隔の方向がＹ軸と平行となるように磁石列Ｍ１及びＭ２を横に並べても良い。
　また、図３では、磁石列Ｍ１及びＭ２として、１周期内に４個の磁石ＭＧを配列するＨａｌｂａｃｈ型磁石列が例示されているが、周期磁場Ｂを構成し得る任意の型の磁石列を磁石列Ｍ１及びＭ２として用いて良い（後述の第２実施例についても同様）。
［第２実施例］
　第２実施例を説明する。図４（ａ）及び（ｂ）に、第２実施例に係るアンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂの側面図を示す。アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂから成るアンジュレータ２０（図４（ｃ）参照）、アンジュレータ１として用いることができる。
　アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂの夫々は、互いに対向するように間隔をあけて配置された磁石列Ｍ１及びＭ２を備えていて、図３のアンジュレータ１０と同じく、自己増幅自発放射機能を有している。図４（ａ）は、アンジュレータ部２０Ａを構成する磁石列Ｍ１及びＭ２を、Ｙ軸に平行な方向に沿ってみたときの、それらの側面図を表している。図４（ｂ）は、アンジュレータ部２０Ｂを構成する磁石列Ｍ１及びＭ２を、Ｙ軸に平行な方向に沿ってみたときの、それらの側面図を表している。図４（ｃ）に示す如く、アンジュレータ部２０Ａ及び２０ＢはＹ軸方向に並べて配置される。
　アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂの夫々において、磁石列Ｍ１及びＭ２の構成自体は、第１実施例で述べたものと同様である。従って、アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂの夫々において、磁石列Ｍ１に含まれる複数の磁石ＭＧの磁化方向及び磁石列Ｍ２に含まれる複数の磁石ＭＧの磁化方向はＸ軸方向に沿って周期的に変化し、その周期的な変化に基づき磁石列Ｍ１及びＭ２間には周期磁場が形成される。各周期磁場では、Ｘ軸に垂直な磁場成分の向き及び大きさが周期的に変化し、その周期が上述の磁界周期λｕに相当する。
　アンジュレータ部２０Ａにおいて、磁石列Ｍ１及びＭ２間の空間であってアンジュレータ部２０Ａの周期磁場が形成されている空間をパス空間ＰＳａと呼び、アンジュレータ部２０Ｂにおいて、磁石列Ｍ１及びＭ２間の空間であってアンジュレータ部２０Ｂの周期磁場が形成されている空間をパス空間ＰＳｂと呼ぶ。アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂが互いに横方向に並べて配置されていることからも理解されるように、パス空間ＰＳａ及びＰＳｂは互いに分離された２つの空間である。
　第２実施例においては、パス空間ＰＳａがアンジュレータ部２０Ａ内をＸ軸の正方向に走行する第１電子ビームの通路となり、パス空間ＰＳｂがアンジュレータ部２０Ｂ内をＸ軸の負方向に走行する第２電子ビームの通路となる。つまり、アンジュレータ２０をアンジュレータ１として用いる場合、パス空間ＰＳａが、図２（ａ）に示す電子ビーム通路８Ａの一部である、アンジュレータ１内の電子ビーム通路として機能し、且つ、パス空間ＰＳｂが、図２（ｂ）に示す電子ビーム通路８Ｂの一部である、アンジュレータ１内の電子ビーム通路として機能する。
　第１電子ビームはパス空間ＰＳａ内を右方向（即ちＸ軸の正の方向）に走行し、第２電子ビームはパス空間ＰＳｂ内を左方向（即ちＸ軸の負の方向）に走行することとなるが、パス空間ＰＳａは、第１電子ビームの走行方向に対して（即ち右方向に向けて）広がりを持つテーパを有し、且つ、パス空間ＰＳｂは、第２電子ビームの走行方向に対して（即ち左方向に向けて）広がりを持つテーパを有する。
　より具体的には、アンジュレータ部２０Ａにおいて、磁石列Ｍ１及びＭ２間の磁極間隔が右に向かうにつれて大きくなるように、即ち、パス空間ＰＳａの断面積が右に向かうにつれて大きくなるように、図３のアンジュレータ１０の磁石列Ｍ１及びＭ２を基準として、アンジュレータ部２０Ａの磁石列Ｍ１及びＭ２が互いに傾けて配置される。図４（ａ）のアンジュレータ部２０Ａの例では、Ｚ軸方向の間隔である磁極間隔が右に向かうにつれて大きくなるように、Ｚ軸及びＸ軸に平行な面内で磁石列Ｍ１及びＭ２が互いに傾けて配置されている。
　同様に、アンジュレータ部２０Ｂにおいて、磁石列Ｍ１及びＭ２間の磁極間隔が左に向かうにつれて大きくなるように、即ち、パス空間ＰＳｂの断面積が左に向かうにつれて大きくなるように、図３のアンジュレータ１０の磁石列Ｍ１及びＭ２を基準として、アンジュレータ部２０Ｂの磁石列Ｍ１及びＭ２が互いに傾けて配置される。図４（ｂ）のアンジュレータ部２０Ｂの例では、Ｚ軸方向の間隔である磁極間隔が左に向かうにつれて大きくなるように、Ｚ軸及びＸ軸に平行な面内で磁石列Ｍ１及びＭ２が互いに傾けて配置されている。
　尚、パス空間ＰＳａ、ＰＳｂにおいて、断面積とは、Ｘ軸に直交する断面（即ち電子ビームの走行方向に直交する断面）での面積を指す。
　上述のようなテーパを設けることで、アンジュレータ部２０Ａ内において、第１電子ビームの蛇行走行で発生するシンクロトロン放射による光と第１電子ビームとの間でより強い相互作用が現れて自己増幅が高まり、より強いレーザー放射光が得られる。アンジュレータ部２０Ｂについても同様である。尚、テーパの広がり方向が相違する点を除き、アンジュレータ部２０Ａとアンジュレータ部２０Ｂは同様の構成を有していて良い。
　上述したように、図４（ｃ）に示す例では、アンジュレータ部２０Ａ及び２０ＢがＹ軸方向に並べて配置され、従って例えば、第１電子ビームの走行軸のＺ軸座標値と第２電子ビームの走行軸のＺ軸座標値は共にゼロであって良いが、それらのＺ軸座標値は互いに多少相違していても構わない（即ち、第１及び第２電子ビームの走行軸を真横から見たとき、それらの走行軸は完全に重なっていても良いし、互いに多少ずれていても構わない）。
　尚、図４（ａ）、（ｂ）に示す例では、磁石列Ｍ１が磁石列Ｍ２に対して上側に配置されている。このため、アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂにおいて、磁場のＺ軸成分の向き及び大きさが周期的に変化することになるが、Ｘ軸に垂直な磁場成分の向き及び大きさが周期的に変化する限り、磁石列Ｍ１と磁石列Ｍ２の位置関係は任意であり、例えば、磁石列Ｍ１及びＭ２の磁極間隔の方向がＹ軸と平行となるように磁石列Ｍ１及びＭ２を横に並べても良い。
　更に、アンジュレータ部２０Ａ内を第１電子ビームが右方向に走行し且つアンジュレータ部２０Ｂ内を第２電子ビームが左方向に走行する限り、アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂの位置関係は任意であり、アンジュレータ２０内で、アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂが二段に並行して配置されていれば足る。例えば、アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂは上下二段に重ねて配置されても良い。
　アンジュレータ２０は、第１及び第２電子ビームに対する周期磁場のパス空間を分離しつつも、それらのパス空間を包含するアンジュレータ装置全体の配置スペースを共通化したものであり、例えば、アンジュレータ部２０Ａ及び２０Ｂは共通の架台（不図示）に支持されて一体化されたものであっても良い。
［第３実施例］
　第３実施例を説明する。図１に示す双方向ＦＥＬ１００では、アンジュレータ１の左側に配置された装置群から成る左系統（第１加速系統）と、アンジュレータ１の右側に配置された装置群から成る右系統（第２加速系統）が、アンジュレータ１の中心に対し互いに左右鏡面対称の関係で配置されている。即ち、偏向磁石２Ａ、超電導リニアック３Ａ、振り分け磁石４Ａ、電子銃５Ａ、ビームダンプ６Ａの配置位置は、夫々、偏向磁石２Ｂ、超電導リニアック３Ｂ、振り分け磁石４Ｂ、電子銃５Ｂ、ビームダンプ６Ｂの配置位置と、アンジュレータ１の中心を通り且つＹ軸に平行な軸に関して、対称である。
　しかしながら、上述の左系統と右系統は、アンジュレータ１の中心に対し互いに回転対称の関係で配置されていても良い。即ち、偏向磁石２Ａ、超電導リニアック３Ａ、振り分け磁石４Ａ、電子銃５Ａ、ビームダンプ６Ａの配置位置が、夫々、偏向磁石２Ｂ、超電導リニアック３Ｂ、振り分け磁石４Ｂ、電子銃５Ｂ、ビームダンプ６Ｂの配置位置と、アンジュレータ１の中心を中心として点対称の関係を持つように、それらの配置関係を図１に示すものから変更しても良い。
［第４実施例］
　第４実施例を説明する。図５に示す如く、複数の双方向ＦＥＬ１００から成るＦＥＬシステムを構築しても良い。当該ＦＥＬシステムでは、複数の双方向ＦＥＬ１００がＹ軸方向に沿って並べて配置される。このため、ＦＥＬシステムを構成する各双方向ＦＥＬ１００では、右向きのレーザー光が光ビームライン７Ｂにて導出されると共に左向きのレーザー光が光ビームライン７Ａにて導出される。故に例えば、双方向ＦＥＬ１００を３つ並べたならば計６本の光ビームラインが得られることとなる。ＦＥＬシステムは大量生産露光に好適である。
［その他の変形等］
　本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本発明の実施形態の例であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。
　上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。即ち例えば、上述の実施形態においては、双方向ＦＥＬ１００から１３．５ｎｍの波長を有するレーザー光を得ることを主として考えたが、上記数式（１）の右辺の各パラメータを適宜調整することで、１３．５ｎｍと異なる任意の波長を有するレーザー光を双方向ＦＥＬ１００から得るようにしても良い。
　１　アンジュレータ
　２Ａ、２Ｂ　偏向磁石
　３Ａ、３Ｂ　超電導リニアック
　４Ａ、４Ｂ　振り分け磁石
　５Ａ、５Ｂ　電子銃
　６Ａ、６Ｂ　ビームダンプ
　７Ａ、７Ｂ　光ビームライン
　８Ａ、８Ｂ　電子ビーム通路
　１０、２０　アンジュレータ
　１００　双方向ＦＥＬ（双方向自由電子レーザー装置）
　ＰＳａ、ＰＳｂ　パス空間

Claims (5)

  1. 　自己増幅自発放射機能を持つアンジュレータを用いて双方向にレーザー放射光を得る双方向自由電子レーザー装置であって、前記アンジュレータの両側に１台ずつ配置され、各々に前記アンジュレータに対し電子ビームを入射する２台の超電導リニアックを備え、
    　前記アンジュレータの一方の端部から入射し他方の端部から出射する電子ビームに対し、加速とエネルギー回収のための減速とを前記２台の超電導リニアックで分担して行う
    ことを特徴とする双方向自由電子レーザー装置。
  2. 　自己増幅自発放射機能を持つアンジュレータと、
    　前記アンジュレータを挟んで配置され、各々に電子ビームに対する加速と減速の機能を有する２台の超電導リニアックと、
    　前記２台の超電導リニアックに対し電子ビームを供給する２台の電子銃と、を備え、
    　各電子銃から一方の超電導リニアックと前記アンジュレータと他方の超電導リニアックとを通る電子ビーム通路を構成することで、電子ビームの走行方向が互いに逆の２本の電子ビーム通路を構成するとともに前記アンジュレータの両側からレーザー放射光を得る
    ことを特徴とする双方向自由電子レーザー装置。
  3. 　前記２台の超電導リニアックは、夫々において加速した電子ビームを前記アンジュレータに対して互いに逆方向から入射し、これによって前記アンジュレータの両側から前記レーザー放射光が得られ、
    　前記２台の超電導リニアックを構成する一方の超電導リニアックは、他方の超電導リニアックから入射されて前記アンジュレータから出射された電子ビームに対し前記エネルギー回収のための減速を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の双方向自由電子レーザー装置。
  4. 　前記アンジュレータは、前記２台の超電導リニアックから入射されて互いに逆方向に走行する２つの電子ビームに対し、互いに分離された２つのパス空間を有する
    ことを特徴とする請求項３に記載の双方向自由電子レーザー装置。
  5. 　各パス空間は、対応する電子ビームの走行方向に対しテーパを有する
    ことを特徴とする請求項４に記載の双方向自由電子レーザー装置。
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