穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源

穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源唐傳祥鄧秀杰Articlesyoumaybeinterested基于3.5MeV射頻四極質(zhì)子加速器硼中子俘獲治療裝置的束流整形體設(shè)計(jì)SESRI300MeV同步加速器注入線的傳輸效率與接受效率物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源*唐傳祥?鄧秀杰穩(wěn)態(tài)微聚束(steady-statemicro-bunching,SSMB)原理采用激光操控儲(chǔ)存環(huán)中的電子,可形成具有精微縱向/時(shí)間結(jié)構(gòu)的電子束團(tuán),即微聚束.通過有機(jī)結(jié)合微聚束輻射的強(qiáng)相干特性以及儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)電子束的高回旋頻率特性,SSMB光源可提供高平均功率、窄帶寬的相干輻射,波段可覆蓋從太赫茲到軟X射線,具有巨大的科學(xué)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景.本文在對(duì)現(xiàn)有加速器光源—同步輻射光源和自由電子激光簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上,對(duì)SSMB的概念及潛力、原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)展、核心物理及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)、清華SSMB-EUV光源方案及其對(duì)科學(xué)研究和芯片光刻潛在的變革性影響進(jìn)行總結(jié)論述.所綜述的工作是在我國自己創(chuàng)新性工作基礎(chǔ)上進(jìn)行的,對(duì)于國內(nèi)讀者了解該領(lǐng)域的工作及發(fā)展具有一定的幫助.速度接近光速的帶電粒子在電磁場(chǎng)中做偏轉(zhuǎn)被發(fā)現(xiàn),因此被稱為同步輻射(synchrotronradia-一個(gè)SR光源裝置包括電子產(chǎn)生及加速的電子注入器、儲(chǔ)存電子束的電子儲(chǔ)存環(huán)、以及將產(chǎn)生的研究的光束線站.至今,SR光源在追求更高的亮度和更好的相干性的發(fā)展中,已歷經(jīng)四代.在中國大陸,北京同步輻射裝置(Beijingsynchrotronradiationfacility,BSRF)[6]屬于第一代,合肥光于第四代.SR光源的亮度定義為單位時(shí)間、單位面積、用以描述光源在六維相空間中的光子密度,(1)式中各參數(shù)含義詳見文獻(xiàn)[4].光源的相干性是指為了產(chǎn)生顯著的干涉現(xiàn)象,光源所需具備的性質(zhì),具體可分為橫向相干性和縱向相干性,又稱空間相干性和時(shí)間相干性.同步輻射的空間(橫向)相干性與光源的尺寸相關(guān),尺寸越小,相干性越強(qiáng);時(shí)間(縱向)相干性與光源的帶寬相關(guān),帶寬越窄也即單色性越好,相干性越強(qiáng).因此要提高SR光源的亮度及相干性,需要增大電子束團(tuán)輻射的光子數(shù)、減在位置-動(dòng)量相空間中所占的面積),從而降低輻射光源的尺寸及散角.?2022中國物理學(xué)會(huì)ChinesePhysicalSociety物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901業(yè)于清華大學(xué)物理系獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位,同時(shí)在清華大學(xué)電子工程系獲得工年曾任清華大學(xué)工程物理系系主任.現(xiàn)程與核技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任,國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科評(píng)議組秘書長,國際未來加速器委員會(huì)(ICFA)先進(jìn)新型加速器組(ANA)主席等.主要從事粒子加速器物理及應(yīng)用等方面的科研及教主要研究方向包括小型電子直線加速器及其應(yīng)用、逆康普頓散射X/g光源、低發(fā)射度光陰極微波電子槍、穩(wěn)態(tài)微聚束新概念加速器光源等.相關(guān)科研成果曾獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步(創(chuàng)新團(tuán)隊(duì))獎(jiǎng)人曾獲得“國家杰出青年基金”、“北京市優(yōu)秀教師”、“北京市教育創(chuàng)新標(biāo)兵”、教育部“新世紀(jì)人才”等.SR光源的發(fā)展即沿著上述方向推進(jìn),特別是的橫向相干性.在縱向相干性方面,通過采用優(yōu)化的波蕩器(undulator,極性交替變換的偏轉(zhuǎn)磁鐵陣列)作為輻射光的產(chǎn)生元件,輻射光的單色性相比偏轉(zhuǎn)磁鐵輻射顯著提高.但是由于同步輻射光源中的電子束團(tuán)長度通常在毫米到厘米量級(jí)(十皮秒量而言縱向相干性很弱,或幾乎沒有縱向相干性.縱向相干性弱的一個(gè)結(jié)果是電子束團(tuán)的輻射功率較低,因?yàn)椴煌娮拥妮椛湎辔粵]有關(guān)聯(lián),輻射電場(chǎng)是非相干疊加.為了實(shí)現(xiàn)更高的峰值亮度和真正的短波長相干光源,自由電子激光(free-electronlaser,FEL)并于1977年與合作者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[11].一個(gè)基于自放SASE)原理的FEL裝置的典型示意圖如圖1所示,其基本工作原理是[12–15]:速度接近光速的電子束經(jīng)過波蕩器時(shí)會(huì)產(chǎn)生SR,該輻射與電子束在波蕩器中相互作用進(jìn)而改變電子束的縱向密度分布,形成以輻射波長為周期的密度集中,也即微聚束,而微聚束又進(jìn)一步產(chǎn)生相干輻射,該過程形成正反饋,導(dǎo)致輻射強(qiáng)度沿波蕩器長度以指數(shù)形式增長直至飽和.相比同步輻射光源,FEL的峰值亮度有8—10個(gè)數(shù)量級(jí)的提升,而且輻射相干性更好.另外,FEL的輻射脈沖長度比同步輻射光源短3個(gè)數(shù)量級(jí),達(dá)到數(shù)十飛秒甚至更短,可用于研究超快過程.區(qū)別于傳統(tǒng)激光器,FEL的輻射光來自于在波蕩器中做扭擺運(yùn)動(dòng)的自由電子,而不是束縛電子,其輻射波長可通過改變電子束能量及波蕩器參數(shù)靈1+K2/2λr=2γ2λu,(2)其中,λu是波蕩器的周期長度,K=0.934·B[T]·λu[cm]是由波蕩器磁場(chǎng)強(qiáng)度及周期決定的波蕩器參數(shù),γ=Ee/(mec2)為電子束的洛倫茲因子.目前,在X1+K2/2FEL按工作模式可分為低增益和高增益兩種.早期的發(fā)展主要集中在低增益模式,輻射波長相對(duì)較長,如紅外及可見光波段,輻射在共振腔中被多次逐步放大.目前世界范圍內(nèi)大力發(fā)展的主要是如圖1所示的FEL,即電子束單次通過波蕩器即完成從發(fā)光、指數(shù)放大直到飽和的高增益短波長FEL,特別是X射線自由電子激光(XFEL)[16–18].高增益短波長FEL的發(fā)光過程,對(duì)電子束流的品質(zhì)有著較高的要求[14,15],具體來說需要束流橫向發(fā)射度足夠小(ε⊥<λr/(4π))、能散足UndulatorgunElectronLinacgunElectronLinacLinacradiationBunchcompressor圖1自由電子激光裝置示意圖物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901~10mm~m~Electricdistribution散,ρ=1/3是與電子束流強(qiáng)Ie的~10mm~m~Electricdistribution1/3次方成正比的自由電子激光參數(shù),也叫皮爾斯參數(shù).由于高增益模式對(duì)電子束的品質(zhì)要求高(高加速器(Linac)產(chǎn)生,因此輻射光的重復(fù)頻率與儲(chǔ)存環(huán)同步輻射光源相比較低.為了提高重頻,基于的高重頻FEL目前也在發(fā)展中,如正在上海建設(shè)中的硬X射線自由電子激光裝置(Shanghaihigh加速器光源已經(jīng)成為人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性的最前沿工具之一.基于電子儲(chǔ)存環(huán)的同步輻射光源和基于電子直線加速器的自由電子激光,可分別提供高重復(fù)頻率和高峰值亮度的輻射光,是目前加速器光源的兩種主要類型.這兩種加速器光源大科學(xué)設(shè)施作為尖端的科研平臺(tái),催生了一系列突破性的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果,在先進(jìn)制造和產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)方面的作用也難以估量[5].目前,全世界有超過50個(gè)運(yùn)行或在建的同步輻射光源,超過7個(gè)運(yùn)行或在建的X射線自由電子激光大設(shè)施.可以說,最先進(jìn)的加速器光源因其無可比擬的光束力和競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn).加速器光源的發(fā)展和用戶日益增長的需求彼此促進(jìn),相互推動(dòng).除了同步輻射和自由電子激光,科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界也期待著有能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高峰值功率和高重頻—從而實(shí)現(xiàn)高平均功率—的光源出現(xiàn).為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),一種基于電子儲(chǔ)存環(huán)的光源原理穩(wěn)態(tài)微聚束(steady-statemicro-首次提出.其核心想法是將儲(chǔ)存環(huán)中的聚束系統(tǒng),即微波射頻腔,用激光調(diào)制系統(tǒng)取代.由于激光是橫波,其電場(chǎng)與傳播方向垂直,無法與平行傳播的電子束進(jìn)行有效的能量交換,需采用扭擺磁鐵使電子束產(chǎn)生橫向振蕩,讓激光對(duì)電子束產(chǎn)生與射頻腔中的微波類似的能量調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)射頻腔對(duì)電子束的縱向聚焦(聚束)功能.SSMB儲(chǔ)存環(huán)與(a)RFcavityE從(t)Electronbunchesofmili-meterslengthandmeterseparation(b)Lasermodulator(b)LaserBg(t)LaserE①(t)BuBuElectronmicro-bunchesofnano-meterslengthandmicro-meterseparation~mm圖2SSMB儲(chǔ)存環(huán)(b)與傳統(tǒng)儲(chǔ)存ElectronlongitudinallaseroflaserfieldlaseroflaserxmodulatorDensityλElectronDensityλenergy0x0Electron0energyxxExitoflasermodulatorAfterthewholeringMicro-bunching圖3微聚束的原理示意圖在SSMB儲(chǔ)存環(huán)中,由于激光波長(微米量精心設(shè)計(jì)的磁聚焦結(jié)構(gòu)(lattice),其聚束產(chǎn)生的電子束團(tuán)長度將遠(yuǎn)小于現(xiàn)有同步輻射光源上常見的毫米級(jí)束團(tuán),達(dá)到亞微米至納米量級(jí),即形成了微聚束;同時(shí)束團(tuán)間隔也從微波波長縮短到激光波量級(jí).如圖4所示,微聚束相比于傳統(tǒng)束團(tuán)的主要區(qū)別在于束團(tuán)內(nèi)電子縱向分布長度比輻射波長短,物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901不同電子的輻射場(chǎng)相位一致,形成相干疊加,輻射功率與縱向相干長度內(nèi)的電子數(shù)平方成正比,遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)的與電子數(shù)目線性正比的非相干輻射功率.Bunch(a)BunchIncoherentradiation:PcNe(b)Microbunch(b)Coherentradiation:PcN圖4(a)普通束團(tuán)非相干輻射及(b)微聚束相干輻射示意圖更定量地,含有Ne個(gè)電子的束團(tuán)與單電子的輻射功率關(guān)系如下[20–22]:PNe(ω)=P1e(ω)[Ne+Ne(Ne?1)|bz(ω)|2],(3)等式右邊括號(hào)中第一項(xiàng)描述的是與電子數(shù)Ne線性正比的非相干輻射的貢獻(xiàn),第二項(xiàng)是與Ne平方正比(Ne?1)的相干輻射的貢獻(xiàn).(3)式中bz(ω)=ρ(z)e長λ=2π)的相干輻射能力的聚束因子,由電子束縱向歸一化密度ρ(z)的傅里葉變換決定,其中β=v/c為粒子相對(duì)光速的歸一化速度.加速器光源中電子束通常為相對(duì)論性的,也即β≈1.對(duì)于高斯束團(tuán)來說,bz(ω)=exp[2],其中σz顯著高于非相干輻射,也即Neb(ω)?1,需要電子束整體長度或其中的微結(jié)構(gòu)尺寸與輻射波長可比擬或更小,這種具有精微縱向結(jié)構(gòu)從而可以產(chǎn)生短EUV)輻射,需要使電子束團(tuán)長度或其中的微結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到納米量級(jí).微聚束也是高增益FEL能夠產(chǎn)生高峰值亮度輻射的主要原因.但如前文所述,高增益FEL中的微聚束源自于電子束與其自身輻射在波蕩器中持續(xù)的正反饋?zhàn)饔?是一種集體不穩(wěn)定性過程[12,13],激光調(diào)制系統(tǒng)的主動(dòng)縱向聚焦,輻射是微聚束形成后的一種相干同步輻射,且輻射段相對(duì)高增益FEL中的波蕩器較短,束流品質(zhì)在輻射后沒有被中的微聚束在儲(chǔ)存環(huán)中能逐圈重復(fù)利用達(dá)到穩(wěn)態(tài),實(shí)現(xiàn)高重頻發(fā)光.“穩(wěn)態(tài)”是SSMB概念的核心,也是SSMB物理研究的關(guān)鍵.通過有機(jī)結(jié)合微聚束輻射的強(qiáng)相干特性以及儲(chǔ)存環(huán)的高重頻特性,段可覆蓋從太赫茲(THz)到軟X射線.大的[19,23–42].從加速器物理發(fā)展的角度看,同步輻射光源近十年的研究熱點(diǎn)是降低束團(tuán)的橫向發(fā)射,通過提高輻射光的橫向相干性來提高光源的亮度,重點(diǎn)在于挖掘束團(tuán)橫向的潛力;而SSMB輻射光可實(shí)現(xiàn)很好的縱向相干性.讓納米長度的電子束團(tuán)穩(wěn)定地儲(chǔ)存在環(huán)中,為加速器物理的研究提有潛力滿足EUV光刻(EUVlithography,EUVL)對(duì)千瓦級(jí)大功率EUV光源的迫切需求的光源方案以極大地促進(jìn)角分辨光電子能譜學(xué)在凝聚態(tài)物理等研究中的應(yīng)用[46,47];高功率的深紫外和紅外光源是原子分子物理潛在的研究工具;高峰值功率和高平均功率的THz源可以用來激發(fā)和研究材料新的非線性效應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性[48,49].除了高功率,SSMB也可以用來產(chǎn)生相位鎖定的超短(亞飛秒到阿秒)輻射脈沖串,用于阿秒科學(xué)的研究[50].實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是至關(guān)重要的一步.清華大學(xué)從2017年開始推動(dòng)SSMB的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究[26,27],與德國亥姆霍茲柏林中心(Helmholtz-ZentrumBerlin,HZB)及德國聯(lián)邦技術(shù)物理研究院(Physikalisch-物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901Photodetectoroutputvoltage/mVLaser-e-interactionQuasi-isochronousringDetectorFilterLensλLSNFocusinglensStorede-bunchNSSSNλLNPhotodetectoroutputvoltage/mVLaser-e-interactionQuasi-isochronousringDetectorFilterLensλLSNFocusinglensStorede-bunchNSSSNλLNNarrowband-passfilterλL/2NNSPhase-correlated實(shí)驗(yàn)示意圖如圖5所示.實(shí)驗(yàn)中,儲(chǔ)存在準(zhǔn)等時(shí)環(huán)(quasi-isochronousring,不同能量旋周期差異極小)中的電子束團(tuán),在波蕩器中被波長1064nm的激光進(jìn)行能量調(diào)制;被調(diào)制后的電子束經(jīng)過儲(chǔ)存環(huán)一整圈后,不同能量的電子其縱向相對(duì)位置發(fā)生小于激光波長的細(xì)微改變,從而將能量調(diào)制轉(zhuǎn)化成密度調(diào)制,在縱向上形成周期為激光波長的密度集中,也即形成了微聚束;微聚束在經(jīng)過同一波蕩器時(shí),會(huì)在調(diào)制激光波長及其高次諧波上產(chǎn)生窄帶寬的強(qiáng)相干輻射,實(shí)驗(yàn)中通過探測(cè)該相干輻射,驗(yàn)證微聚束的形成.圖6給出的是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果.具體來說,在儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)均勻填充間隔為2ns(500MHz微波周高全寬),可調(diào)制中部約5個(gè)電子束,從而與未被調(diào)看出,被激光調(diào)制后的電子束,經(jīng)過儲(chǔ)存環(huán)一整圈之后的輻射信號(hào)得到了放大,預(yù)示微聚束的形成.為進(jìn)一步證明該放大信號(hào)是來自于微聚束的相干輻射,對(duì)微聚束相干輻射的窄帶寬特性進(jìn)行了驗(yàn)證.通過在探測(cè)器前面安裝窄帶濾波片,發(fā)現(xiàn)放大部分的信號(hào)幾乎不受影響順利通過濾波片,而普通的非相干寬能譜波蕩器輻射則被阻擋.進(jìn)一步,定量研究了該相干輻射信號(hào)強(qiáng)度與電子束流強(qiáng)度的DichroicDichroicmirrorPhotodetectorSPhotodetectorLaserModulatorandradiatorLaserturnlaterMicrobunchingoneturnlater圖5SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖(圖片來源文獻(xiàn)[28])TwoTwoconsecutiveindividuallasershotsAveragingof40consecutivelasershots (a) UnfilledbunchesHomogeneous (b)bunchtrain (c) (d) (e) (f)-30-20-1001020-30-20-10010203060Oneturnbefore40lasershot0-2060Oneturn40afterlasershot0-2080after60lasershot40+narrow0filterband-passOneturn-20Time/ns圖6SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果(均勻填充的束團(tuán)串產(chǎn)生的波蕩器輻射信號(hào)波形,圖片來源文獻(xiàn)[28])物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901依賴關(guān)系,得到了相干輻射最重要的P∝N關(guān)系,賴關(guān)系以及輻射的窄帶寬特性,有力地證明了微聚束的形成.近期,我們進(jìn)一步成功地將微聚束在儲(chǔ)Photodetectoroutputvoltage/mV86420ExperimentdataFitto(charge)2Single-bunchcharge/fC微聚束的形成及多圈維持,證明電子的縱向位置(決定電子感受到的光學(xué)相位),能以短于激光波長的精度在儲(chǔ)存環(huán)中逐圈關(guān)聯(lián),使得電子可被穩(wěn)態(tài)地束縛在激光形成的光學(xué)勢(shì)阱中,驗(yàn)證了SSMB的工作機(jī)理.該實(shí)驗(yàn)是SSMB光源發(fā)展的第一個(gè)里程碑.值得強(qiáng)調(diào)的是,該原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與以往在直線加速器上或儲(chǔ)存環(huán)的直線節(jié)上開展的微聚束實(shí)驗(yàn)—如高增益高次諧波產(chǎn)生(high-gainhar-monicgeneration,HGHG)[53,54]以及相干諧波產(chǎn)—有著本質(zhì)的區(qū)別.這一區(qū)別可由兩個(gè)關(guān)鍵詞來概括:該實(shí)驗(yàn)中,微聚束是被激光調(diào)制過的電子束繞儲(chǔ)存環(huán)一整圈之后形成的,這里的一整圈,重在展示粒子動(dòng)力學(xué)中one-turnmap的概念;其次,這一微聚bunch)為基礎(chǔ),而電子束被調(diào)制前的穩(wěn)態(tài)參數(shù)如給定的.這兩個(gè)要素的結(jié)合,形成一個(gè)閉環(huán),使得SSMB在儲(chǔ)存環(huán)中的實(shí)現(xiàn),將只是已經(jīng)實(shí)驗(yàn)展示迭代.換言之,在SSMB原理驗(yàn)證方面,該實(shí)驗(yàn)展示的是從0到1,也即驗(yàn)證機(jī)理;而后續(xù)工作是從而設(shè)計(jì),該原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的成功,證明了SSMB理即使在遠(yuǎn)非理想的情況下依然表現(xiàn)出極佳的魯棒性(robustness).這也激勵(lì)著我們?cè)O(shè)計(jì)建造能夠4SSMB儲(chǔ)存環(huán)的核心物理問題及SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的成功,證明了SSMB步奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),需要深入研究其核心物理并解物理和技術(shù)向更高更深層次發(fā)展帶來了新的機(jī)遇.為用于量化粒子回旋周期對(duì)能量依賴度的滑相因子,由儲(chǔ)存環(huán)的lattice決定[56].這里E0及T0分別為參考粒子的能量及回旋周期.根據(jù)該定標(biāo)律,可以通過降低儲(chǔ)存環(huán)的滑相因子來實(shí)現(xiàn)短束團(tuán).然而我們的研究顯示,單純實(shí)現(xiàn)超低的全局滑相因子并不能自然保證超短電子束團(tuán)的出現(xiàn),原因是該定標(biāo)律沒有考慮局部滑相因子對(duì)縱向CS(Courant-Snyder)參數(shù)[57]從而對(duì)縱向發(fā)射度的影用縱向CS理論并加以拓展,推導(dǎo)了適用于超短束團(tuán)的束長、能散和發(fā)射度公式,提出了同時(shí)優(yōu)化全局和局部滑相因子操控儲(chǔ)存環(huán)縱向CS參數(shù)的新方法,可以實(shí)現(xiàn)SSMB所需的超短束長和超低縱向發(fā)射度,這是全新的lattice設(shè)計(jì)理念[36,37,39–41].下面對(duì)該分析做簡(jiǎn)要介紹.在電子儲(chǔ)存環(huán)中,束團(tuán)的穩(wěn)態(tài)發(fā)射度是由量子激發(fā)和輻射阻尼的平衡狀態(tài)決定的.具體來說,對(duì)于一個(gè)平面型無耦合儲(chǔ)存環(huán),束團(tuán)的縱向發(fā)射度εz物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901sinΦz(mì),βz為βz(sjsinΦz(mì),βz為βz(sj)=M12(sj)sinΦz(mì)=?ηC0+F(sRF+,sj)F(sj,sRF?)h(5)εz=?(z?Dx?Dxx′)2+[α?Dx?Dxx′)+βzδ]2?=ds,(4)其中z和δ=?E/E0分別為電子相對(duì)參考粒子的縱向位置及能量偏差;x及x′為粒子的水平位置及散角;αz,βz,γz為儲(chǔ)存環(huán)的縱向CS參數(shù)[57];Dx及D為色散及色散導(dǎo)數(shù)[56],?·?表示對(duì)束團(tuán)內(nèi)各電子取平均;αL為縱向阻尼常數(shù);αF=1/137為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù);λe=λe/(2π)=386fm為約化康普頓波重點(diǎn)在于控制全環(huán)尤其是偏轉(zhuǎn)磁鐵處的βz,也即縱向β函數(shù).為得到環(huán)中某處sj的βz,需要對(duì)sj處的縱向one-turnmapM(sj)做CS分析[57].以常見的單個(gè)RF腔放在環(huán)中的無色散處的情況為例,sj處的其中Φz(mì)=2πνs,νs=fs/frev為同步振蕩頻率,sRF+/?表示RF腔的前/后;(6)F(s1,s2)=?2ds=?(s1,s2)C0(6)為從s1到s2的局部R56,(s1,s2)為s1到s2的局部滑相因子,而F(sj,sRF?)+F(sRF+,sj)=?ηC0為全環(huán)總的R56=?ηC0,C0為環(huán)的周長.h=eVRFkRFcos?s/E0用于量化RF腔的加速梯度,其中e為基本電荷,VRF為RF的電壓,kRF=2π/λRF為RF的波數(shù),?s為同步相位.與橫向?qū)?yīng),對(duì)于線性動(dòng)力學(xué)而言,RF腔或激光調(diào)制器相當(dāng)于縱向四級(jí)鐵,而色散單元(R56)相當(dāng)于縱向漂移節(jié),不同的是真實(shí)的漂移節(jié)長度總是為正的,而R56則可正可負(fù).在環(huán)中二極鐵偏轉(zhuǎn)半徑保持不變的情況下,經(jīng)典的縱向動(dòng)力學(xué)分析認(rèn)為二極鐵各處的量子激發(fā)對(duì)束流的縱向發(fā)射度有相同的貢獻(xiàn),這本質(zhì)上相當(dāng)于認(rèn)為全環(huán)各處的βz是一樣的,也就是只考慮了(5)式分子中的第一項(xiàng),而忽略了第二項(xiàng)也即局部滑相因子對(duì)βz的貢獻(xiàn).這種近似在第二項(xiàng)遠(yuǎn)小于第一項(xiàng)時(shí)是合理的,這也是一般現(xiàn)有儲(chǔ)存環(huán)的工作區(qū)間.但是當(dāng)全局滑相因子極小,而局部滑相因子得顯著甚至占主導(dǎo)從而不能忽略.將分子中的兩項(xiàng)同時(shí)考慮后,可以得到更為準(zhǔn)確的縱向發(fā)射度的計(jì)εz=εzS(1+,(7)其中,εzS為不考慮局部滑相因子影響的經(jīng)典縱向發(fā)射度[56],?P?表示參數(shù)P沿著全環(huán)的輻射平均?P?=ds)·ds)?1,也即平均實(shí)際只發(fā)生在偏轉(zhuǎn)半徑非零的區(qū)域.在得到束團(tuán)的縱向發(fā)射度εz和sj處的縱向CS參數(shù)之后,sj處的σz(sj)=√εzβz(sj),σδ(sj)=√εzγz(sj).(8)考慮上文分析的局部滑相因子效應(yīng)后,對(duì)于一給定的儲(chǔ)存環(huán)lattice,在縱向弱聚焦的情形下(νs?1),會(huì)存在一個(gè)電子束長的理論極限值,當(dāng)將束長降低到接近該理論極限值時(shí),束流的能散會(huì)顯著增大.由(7)式可知,為了降低縱向發(fā)射度以及束長理論極限,需要同時(shí)降低全局及局部滑相因子,也即使儲(chǔ)存環(huán)的每一個(gè)局部都盡可能接近是等時(shí)的(isochronous),從而使環(huán)中每塊二極鐵處的βz都盡可能小.經(jīng)過分析可得,縱向束長及發(fā)射度的理論極限與束流能量及單塊二極鐵的偏轉(zhuǎn)半徑ρ及角度θ有如下關(guān)系[40]:σz,min≈σδS√?F2???F?2=√√ργθ3∝√ργθ3,εz,min≈2σS√?F2???F?2(9)=2γ2θ3∝γ2θ3,(9)其中σδS為不考慮局部滑相因子影響的經(jīng)典束流能,Cq==3.8319×10?13m,Js為縱向阻尼配分系數(shù),對(duì)于一般的儲(chǔ)存環(huán),Js≈2.(9)式中縱向發(fā)射度理論極限值的定標(biāo)律εz,min∝γ2θ3與大家熟知的橫向發(fā)射度理論極限值的定標(biāo)律[43]是一致的.本質(zhì)上,束團(tuán)橫向和縱向發(fā)射度的來源均物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901是量子激發(fā).縱向發(fā)射度,需要二極鐵的偏轉(zhuǎn)角度足夠小.舉例來說,為了在電子束能量Ee=400MeV,二極鐵偏轉(zhuǎn)半徑ρ=1m(B=1.34T)的情況下實(shí)現(xiàn)長度而保證在束長達(dá)到10nm時(shí)束流能散不致過大.(對(duì)應(yīng)σz;min=7.7nm,εz;min=5.3pm),也即全環(huán)并包含一塊二極鐵,則該儲(chǔ)存環(huán)的弧區(qū)長度約為60m.為了進(jìn)一步降低縱向發(fā)射度,可以采用橫向及縱向梯度磁鐵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[40].關(guān)于縱向發(fā)射的是νs?1的縱向弱聚焦儲(chǔ)存環(huán),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)束長的進(jìn)一步壓縮,可以應(yīng)用縱向強(qiáng)聚焦原理實(shí)現(xiàn)對(duì)βz的強(qiáng)有力的操控.強(qiáng)聚焦原理[59]的發(fā)現(xiàn)是所有現(xiàn)代高能加速器的基礎(chǔ),但一般所說的強(qiáng)聚焦指的是橫向強(qiáng)聚焦,現(xiàn)有儲(chǔ)存環(huán)在縱向方面均工作在弱聚焦模式.為了使SSMB儲(chǔ)存環(huán)工作在縱向強(qiáng)聚聚焦動(dòng)力學(xué)有系統(tǒng)深入的研究.圖8所示為采用兩個(gè)RF或激光調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)縱向強(qiáng)聚焦的原理示意圖,注意電子束團(tuán)沿著全環(huán)在縱向相空間中的演化.束團(tuán)長度沿儲(chǔ)存環(huán)可發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致通常的絕熱近似失效,這對(duì)單粒子動(dòng)力學(xué)和集體效應(yīng)的研究都會(huì)造成顯著影響.對(duì)于線性動(dòng)力學(xué)來說,需要采用縱向CS理論或SLIM方法[58]進(jìn)行分析.對(duì)于非線性動(dòng)力學(xué),由于正弦調(diào)制的非線性,該動(dòng)力系統(tǒng)是混沌的.對(duì)于縱向強(qiáng)聚焦儲(chǔ)存環(huán)這一強(qiáng)混沌系統(tǒng),與橫向動(dòng)力學(xué)孔徑的優(yōu)化類似,縱向相空間中的穩(wěn)定區(qū)(縱向動(dòng)力學(xué)孔徑)優(yōu)化的解析分析較為困難,需要結(jié)合數(shù)值方法,如遺傳算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等進(jìn)行優(yōu)化.集體效應(yīng)方面,常用的求解束團(tuán)穩(wěn)態(tài)分布的方法以及某些不穩(wěn)定性的分析如相干同步輻射導(dǎo)致的微波不穩(wěn)定性等需做進(jìn)一步發(fā)展.橫縱向耦合動(dòng)力學(xué):(8)式中的束長表達(dá)式僅考慮了縱向發(fā)射度εz的貢獻(xiàn),如果考慮橫向發(fā)射度σz(sj)=√εzβz(sj)+εxHx(sj),(10)εx=?(x?Dxδ)2+[αx(xxδ)+βx(x′?Dδ)]2?,Hx=,αx,βx,γx為儲(chǔ)存環(huán)水平方向的CS參數(shù).傳統(tǒng)儲(chǔ)存環(huán)中束團(tuán)的縱向長度大于其橫向尺寸,橫向動(dòng)力學(xué)耦合到縱向的影響相對(duì)較小;而SSMB儲(chǔ)存環(huán)中電子束的橫向尺寸遠(yuǎn)大于縱向長度,橫縱向耦合將極易破壞縱向的精微結(jié)構(gòu),因此需要得到好的控制.另一方面,如圖9所示,這一束長拉伸效應(yīng)也導(dǎo)致SSMB儲(chǔ)存環(huán)中的微束團(tuán)串在有色散的地方(Hx0)峰值流強(qiáng)得到降低,這將有助于抑制可能導(dǎo)致束流不穩(wěn)定性的相干同步輻射.(1)56δTiltedModulator2Radiator(1)56圖8縱向強(qiáng)聚焦SSMB原理示意圖IntensityIntensity8642N8642N=0N10x/λL橫縱向耦合導(dǎo)致的束團(tuán)拉伸對(duì)SSMB中的電流分布造成的影響,圖中λL為調(diào)制激光波長placeswithdifferentHx.Bunch為一平面型的無耦合環(huán),此時(shí)束團(tuán)長度的被動(dòng)拉伸本質(zhì)上來自于二極鐵對(duì)電子束的偏轉(zhuǎn).實(shí)際上,橫縱向耦合并不意味著束團(tuán)長度總是被動(dòng)拉伸,而是物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901甚至可以主動(dòng)應(yīng)用在束團(tuán)壓縮上[38].基于平面型儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)電子束團(tuán)的垂直方向發(fā)射度極小的特點(diǎn),并巧妙利用橫縱向耦合,便可以在較低的調(diào)制激光功率的情況下實(shí)現(xiàn)超短的束團(tuán).如可以把相ADM)[61]等種子型FEL中的原理用于SSMB中,來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束團(tuán)的壓縮[38].我們把這種壓縮方的束流動(dòng)力學(xué)限于縱向一維的縱向強(qiáng)聚焦.值得強(qiáng)調(diào)的是,與電子束團(tuán)單次通過的高增保證超短束團(tuán)在輻射段能一圈接一圈地重復(fù)出現(xiàn),也即超短束團(tuán)在輻射段出現(xiàn)的狀態(tài)是束團(tuán)在該儲(chǔ)存環(huán)中的本征態(tài).如何逐圈利用橫縱向耦合,在較低的調(diào)制激光功率下實(shí)現(xiàn)束團(tuán)壓縮,對(duì)儲(chǔ)存環(huán)的lattice設(shè)計(jì)來說也是新穎而有趣的研究課題.非線性動(dòng)力學(xué):由于對(duì)束團(tuán)的操控要求精微,非線性動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在SSMB儲(chǔ)存環(huán)中也需進(jìn)行仔細(xì)的優(yōu)化.非線性滑相因子、非線性橫縱向耦合[38]等都可能對(duì)束團(tuán)的動(dòng)力學(xué),如六維動(dòng)力學(xué)孔徑、束流在六維相空間中的分布造成影響.傳統(tǒng)儲(chǔ)存環(huán)的非線性動(dòng)力學(xué)優(yōu)化主要指的是橫向動(dòng)力學(xué)孔徑的向和縱向,也即六維相空間,需要發(fā)展相關(guān)的理論,集體效應(yīng):SSMB儲(chǔ)存環(huán)中束團(tuán)極短,束流的峰值流強(qiáng)和平均流強(qiáng)都相對(duì)較高,相干同步輻射、場(chǎng)等都可能會(huì)對(duì)微束團(tuán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)及穩(wěn)定存儲(chǔ)造成影響,從而限制束流能量和強(qiáng)度[24].另外,SSMB儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)的束流分布模式如束團(tuán)間隔與傳統(tǒng)儲(chǔ)存環(huán)迥異,微束團(tuán)的輻射可以追上其前方的一個(gè)或多個(gè)微束團(tuán),使得通常認(rèn)為是短程的相干同步縱向耦合導(dǎo)致的束團(tuán)長度變化對(duì)相干同步輻射的影響及相干同步輻射的三維效應(yīng)在SSMB中也需要進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估;三維任意耦合以及縱向強(qiáng)聚焦lattice中的IBS研究也不能直接應(yīng)用基于平面型無耦合環(huán)推導(dǎo)的經(jīng)典IBS公式,而需要基于SLIM的方法[58]或束團(tuán)包絡(luò)方法(beamenvelopeme-有微米量級(jí),而通常的阻抗壁尾場(chǎng)公式的適用范圍是比該距離更遠(yuǎn)的區(qū)域,因此在SSMB中需要采用更為精細(xì)的尾場(chǎng)模型;此外,上文提到的絕熱近似失效也會(huì)對(duì)集體效應(yīng)的研究造成影響.這些課題都會(huì)促進(jìn)束流集體效應(yīng)研究的進(jìn)一步深入.中的顯著性,也使對(duì)各類誤差和噪聲的容忍度分析變得極其重要.噪聲對(duì)于電子束團(tuán)的影響按頻率可分為兩部分,其中高頻噪聲導(dǎo)致束團(tuán)在相空間的擴(kuò)散從而引起發(fā)射度的增長,而低頻噪聲會(huì)導(dǎo)致束團(tuán)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng),其中粒子的縱向或橫向振蕩頻率是區(qū)分對(duì)應(yīng)噪聲頻率高低的比較標(biāo)準(zhǔn).對(duì)于高頻噪聲,需要保證其對(duì)束流穩(wěn)態(tài)發(fā)射度的貢獻(xiàn)在可接受的范圍內(nèi)以保證超短電子束團(tuán)的形成;而對(duì)于低頻噪聲,需要保證其對(duì)束流的影響滿足絕熱條件,這樣電子束團(tuán)才能在質(zhì)心受噪聲影響從而發(fā)生移動(dòng)的情況下保證發(fā)射度不變.如果噪聲對(duì)電子束的影響超過了我們的接受范圍,需要使用相應(yīng)的反饋系統(tǒng)或其他的阻尼機(jī)制來降低噪聲的影響.值得指出的縱耦合,不同于一般儲(chǔ)存環(huán),其噪聲和誤差容忍度中采用的正則微擾論[63],在縱向強(qiáng)聚焦儲(chǔ)存環(huán)中就無法直接應(yīng)用,因?yàn)樵搫?dòng)力系統(tǒng)是不可積的(混沌的).另一方面,借助于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力,可對(duì)噪聲的影響進(jìn)行直接的數(shù)值模擬研究.除了以上簡(jiǎn)述的物理研究方面的貢獻(xiàn),SSMB究過程中積累的專業(yè)知識(shí),為未來對(duì)電子束團(tuán)六維相空間進(jìn)行精密操控的特殊光源設(shè)計(jì)提供了新的方法學(xué).在儲(chǔ)存環(huán)中形成穩(wěn)態(tài)微聚束之后,接下來需要研究SSMB的輻射特性.SSMB儲(chǔ)存環(huán)中電子束團(tuán)具有極低的縱向發(fā)射度,輻射在縱向上是相干的.此外,SSMB的束團(tuán)分布模式與同步輻射光源及FEL均有不同.定量地研究電子束團(tuán)的六維相,從而指導(dǎo)SSMB儲(chǔ)存環(huán)特別是輻射段的設(shè)計(jì)優(yōu)化,以及為后續(xù)的光束線設(shè)計(jì)提供輸入,物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901是有價(jià)值的研究課題.針對(duì)這一需求,我們進(jìn)行了程序.圖10所示為SSMB-EUV輻射的一個(gè)算例,研究顯示在束流平均強(qiáng)度1A,微束團(tuán)長度3nm的情況下,SSMB可較為直接地實(shí)現(xiàn)平均功率大Power/(kWper1%b.w.)3.02.52.03.02.52.00.50σx=3nm,σu=5mmσx=3nm,σu=10mmσx=3nm,σu=20mmWavelength/nm圖10SSMB-EUV光源輻射能譜樣例.對(duì)應(yīng)σ?=5,10,20μm,輻射總功率分別為39,7,1.7kW.陰影區(qū)對(duì)應(yīng)輻射波長(13.5±13.5/100)nm.計(jì)算所用參數(shù):電子束能量E0=400MeV,平均流強(qiáng)Iavg=1A,調(diào)制激光波長L=1064nm,輻射波長r=L/79=13.5nm,輻射波蕩器周期長度u=1cm,輻射波蕩器參數(shù)K=1.14,輻射波蕩器周期數(shù)Nu=79pondingtoσ?=5,10,20μm,respectively.Theshadedareacorrespondstowavelengthof(13.5±13.5/100)nm.Parametersusedforthecalculation:E0=400MeV,Iavg=1A,L=1064nm,r=L/79=13.5nm,u=1cm,K=1.14,Nu=79,andb.w.meansbandwidth.的橫向尺寸對(duì)于壓制偏軸紅移部分的相干輻射是極為有效的,因此SSMB相干輻射的窄帶寬特性跟束團(tuán)橫向尺寸有顯著關(guān)系.隨著橫向尺寸的增大,總的輻射功率會(huì)下降,而且輻射的單色性變好,輻射更集中于電子束前進(jìn)方向,也即輻射的張角更小.這背后的物理原因是,電子的橫向位置會(huì)影響偏軸輻射時(shí)不同電子輻射的相對(duì)相位,從而影響相干輻射.具體來說,針對(duì)波蕩器輻射,我們推導(dǎo)了比文化束團(tuán)橫向尺寸對(duì)相干波蕩器輻射功率的影響[40]:FF⊥(H,σ⊥,ω)=exp[?4NuπS(H?ω/ω0)]×tan?1+Sln()],(11)其中H為波蕩器輻射諧波次數(shù),S=u是與束團(tuán)橫向尺寸σ⊥、波蕩器長度Lu以及輻射頻率ω相關(guān)的衍射參數(shù),ω0為波蕩器的在軸基頻共振頻率.衍射極限對(duì)應(yīng)S?1,此時(shí)FF⊥≈1,即輻射橫向全相干;對(duì)于一般情況,FF⊥<1,即輻射在功率,除了要考慮通常的由縱向電流分布決定的聚束因子bz(ω),還需要考慮橫向形狀因子FF⊥(ω):PNe(ω)=P1e(ω)[Ne+Ne(Ne?1)|bz(ω)|2FF⊥(針對(duì)下文將要具體介紹的EUV光刻應(yīng)用需求,需要優(yōu)化束團(tuán)的橫向尺寸,保證我們感興趣的2%帶寬內(nèi)的EUV輻射功率盡可能高.除了研究輻射的平均期望值,對(duì)輻射的漲落特性分析也是一個(gè)重要的課題.電子束團(tuán)輻射的漲落(不同束團(tuán)之間,或同一束團(tuán)不同圈數(shù)之間)有狀(point-like)特性.針對(duì)SSMB中相干輻射占主導(dǎo)的情形,推導(dǎo)了電子束團(tuán)在特定角度及頻率相干輻射功率漲落的公式[40]:Var[P(θ,φ,ω)]?P(θ,φ,ω)?2=1?Nph(θ,φ,ω)?+?2)+O,(13)其中Var代表方差,?·?代表期望值.等式右邊第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于漲落來源1),即使在只有單個(gè)電子時(shí)也存在;第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)于漲落來源2),是來自于由電子間相對(duì)位置決定的多個(gè)電子輻射間干涉的漲落.舉高斯束團(tuán),1A平均流強(qiáng),調(diào)制激光波長1064nm,可知在軸的13.5nm相干波蕩器輻射功率的漲落約為2%.對(duì)輻射特性包括其漲落的深入研究,有助于用戶更好地利用SSMB輻射光.此外,特性的分析和測(cè)量也可以作為束流診斷的有力工具,如通過測(cè)量相干輻射的漲落反推超短電子束的長度,這一診斷方法在未來的先進(jìn)光源中有著極佳的應(yīng)用前景,因?yàn)椴捎贸Ｒ?guī)方法測(cè)量SSMB中的超短電子束長是較為困難的.物理問題解決后,能否真正實(shí)現(xiàn)SSMB光源物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901storagering(。。。。。。Electrongun400MeVlinacStrecherringstoragering(。。。。。。Electrongun400MeVlinacStrecherring關(guān)鍵就是技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性.這里給出SSMB光源相關(guān)的幾項(xiàng)核心技術(shù).1)激光調(diào)制器:從前文SSMB的概念介紹中可以看出,激光調(diào)制器與微波射頻腔的對(duì)應(yīng),是SSMB與傳統(tǒng)儲(chǔ)存環(huán)相比最重要的區(qū)別.為了實(shí)現(xiàn)SSMB,需要調(diào)制激光功率高、相位鎖定;而為了實(shí)現(xiàn)高的束流占空比,從而提升SSMB輻射光的平均功率,需要采用連續(xù)波或高占空比的調(diào)制激光.要同時(shí)滿足這些需求,SSMB的激光調(diào)制系統(tǒng)擬采用光學(xué)增益腔[65,66].2)長脈沖注入系統(tǒng):為了實(shí)現(xiàn)高的輻射功率,(百納秒量級(jí))注入束流的實(shí)現(xiàn)需要專門的設(shè)計(jì).為能工作在流強(qiáng)基本恒定不變的top-up模式.同時(shí),top-up工作模式也可降低對(duì)單次注入束流強(qiáng)度的要求.3)直線感應(yīng)加速器:為了提高SSMB儲(chǔ)存環(huán)的束流占空比,除了需要采用連續(xù)激光,對(duì)長脈沖電子束的能量補(bǔ)充也提出了不同于傳統(tǒng)儲(chǔ)存環(huán)的要求.MHz重頻的直線感應(yīng)加速器是實(shí)現(xiàn)SSMB束流能量補(bǔ)充的可行選擇之一.需要在現(xiàn)有的同步輻射光源的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展.需要指出的是,本節(jié)論述的SSMB光源可能存在的技術(shù)挑戰(zhàn)主要是針對(duì)短波長波段,如EUV或軟X射線,如果目標(biāo)波長為太赫茲或紅外,那么對(duì)應(yīng)光源研究團(tuán)隊(duì),針對(duì)EUV光刻對(duì)大功率EUV光源的需求,研究基于SSMB原理的EUV光源的物理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、SSMB的束流動(dòng)力學(xué)、SSMB-EUV光源物理設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面均取得重要進(jìn)展[26–41,65,66],給大功率EUV光源的突破提供了新的選項(xiàng).SSMB的束流動(dòng)力學(xué)方面,我們對(duì)SSMB涉及的單粒子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究[34–41],解決了超低縱向發(fā)射度及超短束團(tuán)實(shí)現(xiàn)需要解決的核心物理問題;束流集體效應(yīng)的研究,如相干同步輻射、束內(nèi)散射、阻抗壁尾場(chǎng),也在有序開展;lattice設(shè)計(jì)方面,完成了能穩(wěn)定儲(chǔ)存長度數(shù)十納米電子束的儲(chǔ)存環(huán)lattice設(shè)計(jì)[32,39],環(huán)的動(dòng)力學(xué)孔徑及束流壽命已基本滿足工程需求;縱向強(qiáng)聚焦方案的插入段—也即束團(tuán)最終壓縮及輻射產(chǎn)生單元—的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成[41],但所需調(diào)制激光功率相對(duì)較高,為了進(jìn)一步降低對(duì)調(diào)制激光功率的需求從而實(shí)現(xiàn)CW發(fā)光模式,目前正進(jìn)行橫縱向耦合束團(tuán)壓縮方案[38]插入段的非線性動(dòng)力學(xué)優(yōu)化;束流注入系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)模擬也已完成;SSMB輻射特性研究方面,如前文所述,我們進(jìn)行了SSMB輻射理論的解析推導(dǎo),并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值程序,研究顯示在束流平均強(qiáng)度1A,微束團(tuán)均功率大于1kW的EUV光輸出[40,41].SSMB關(guān)鍵技術(shù)方面,清華團(tuán)隊(duì)已經(jīng)搭建了光學(xué)增益腔研究平臺(tái),研制了光學(xué)增益腔原理樣機(jī)[65,66],并與合作單位研制了MHz重頻感應(yīng)加速單元.另外,清華團(tuán)隊(duì)在高穩(wěn)定性激光同步定時(shí)系統(tǒng)以及高分辨率束流測(cè)量等研究方面均有很好的基礎(chǔ).這些研究成果,為SSMB-EUV光源的建設(shè)打下了很好的基礎(chǔ).除了具體的物理和技術(shù)研究,清華SSMB團(tuán)隊(duì)也完成了SSMB-EUV光源的整體初步物理設(shè)計(jì),光源方案示意圖如圖11所示,總體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列.該光源方案具體可簡(jiǎn)述為:首先利用高重頻微波電子槍產(chǎn)生一串電子束,長度百納秒量級(jí);產(chǎn)生的電子束將在一段直線加速腔中被加速到LongitudinalfocusEUVradiationSSMBinsertionandEUVradiationSSMBMHzinductionlinac物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901束團(tuán)注入到展束環(huán)中對(duì)束團(tuán)進(jìn)行縱向的拉伸,使電流分布由梳狀得到展平,得到在縱向上均勻分布的準(zhǔn)連續(xù)束團(tuán);之后將該束團(tuán)從展束環(huán)引出,注入到SSMB主環(huán)中進(jìn)行儲(chǔ)存,在主環(huán)中,電子束由于激光調(diào)制器的聚束作用并在量子激發(fā)和輻射阻尼平衡下保持微聚束狀態(tài),束長在數(shù)十納米量級(jí);該微聚束在輻射段被進(jìn)一步壓縮到3nm左右,實(shí)現(xiàn)波長13.5nm的強(qiáng)相干輻射,從而輸出千瓦量級(jí)的EUV光;電子束發(fā)光損失的能量將由高重頻直線感應(yīng)加速腔補(bǔ)充.mMeV>400A>1kW>113.5nmEUV峰值/phs/s/mm2/mrad2/>1023下面簡(jiǎn)要介紹各分系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方式.1)直線注入器:S波段直線加速器產(chǎn)生能量納庫量級(jí)(平均流強(qiáng)1A)、間隔為微波周期(約2)展束環(huán):多脈沖束團(tuán)注入到展束環(huán)中,優(yōu)化設(shè)計(jì)微脈沖束團(tuán)的能散和展束環(huán)的滑相因子,使微分布首尾相連相互重疊,形成近似均勻流強(qiáng)的長度百納秒量級(jí)的準(zhǔn)直流電子束,然后注入到SSMB儲(chǔ)存環(huán)中.3)SSMB主環(huán):注入的束流被調(diào)制激光的勢(shì)阱俘獲(光學(xué)micro-bucket),經(jīng)過輻射阻尼及量子激發(fā)到達(dá)平衡,形成間隔為激光波長(約1μm)的微束團(tuán).SSMB主環(huán)經(jīng)過精心設(shè)計(jì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極小的全局及局部滑相因子,從而控制全環(huán)縱向β函數(shù),可以使電子束實(shí)現(xiàn)極低的穩(wěn)態(tài)縱向發(fā)射度和束團(tuán)長度(十納米到數(shù)十納米).儲(chǔ)存環(huán)的非線性動(dòng)力學(xué)經(jīng)過仔細(xì)優(yōu)化,能實(shí)現(xiàn)足夠大的六維動(dòng)力學(xué)孔4)束團(tuán)壓縮及輻射單元:對(duì)SSMB主環(huán)中的束團(tuán)進(jìn)一步壓縮,在輻射段實(shí)現(xiàn)長度3nm左右的微束團(tuán),從而產(chǎn)生13.5nm的強(qiáng)相干EUV光.具縱向強(qiáng)聚焦)等.輻射元件擬采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的波蕩器,可產(chǎn)生大功率窄帶寬的EUV光.5)調(diào)制激光系統(tǒng):采用窄線寬種子激光和高精細(xì)度光學(xué)增益腔,實(shí)現(xiàn)約1MW的平均存儲(chǔ)功6)能量補(bǔ)充系統(tǒng):采用MHz重頻的直線感應(yīng)瓦到十千瓦的輻射損失.集成電路產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè).光刻是集成電路芯片制造中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟.光刻機(jī)是光刻技制等系統(tǒng)組成.光刻技術(shù)曝光分辨率的不斷提高,R=k,(14)其中k為工藝因子,λ為光刻光源波長,NA為投值孔徑來著手.其中綜合來看,提升光刻曝光分辨率的主要研究方向?yàn)闇p小光源的波長.半個(gè)多世紀(jì)以來,光刻機(jī)光源的波長從最初的可見光逐步演化強(qiáng)烈吸收,其光學(xué)系統(tǒng)需要在真空環(huán)境中采用多層膜的反射鏡組成,每片反射鏡反射率最高約70%.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)EUV光的收集、傳輸、整形等,現(xiàn)有EUV光刻機(jī)有一套復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),EUV光從光源到晶圓共經(jīng)歷11次反射(0.711=0.02).為了使到達(dá)晶圓上的EUV光功率滿足芯片大規(guī)模量產(chǎn)的要求,需要EUV光源的功率足夠高.而且隨著芯物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901片工藝節(jié)點(diǎn)的縮小,對(duì)EUV光功率的需求會(huì)進(jìn)一步提升,業(yè)界估計(jì)在3nm及以下節(jié)點(diǎn),EUV光刻光功率將達(dá)到千瓦量級(jí).因此大功率EUV光源的突破是EUV光刻技術(shù)用于大規(guī)模制造的核心與關(guān)鍵.的ASML公司,其采用的是激光等離子體(laser-producedplasma,LPP)EU過一臺(tái)功率大于20kW的CO2氣體激光器轟擊液態(tài)錫形成等離子體,從而產(chǎn)生13.5nm的EUV光.通過不斷優(yōu)化驅(qū)動(dòng)激光功率、EUV光轉(zhuǎn)化效率、收集效率以及控制系統(tǒng),LPP-EUV光源目前能夠在中間焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)350W左右的EUV光功率,該功率水平剛達(dá)到工業(yè)量產(chǎn)的門檻指標(biāo).產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為LPP光源未來可以達(dá)到的EUV功率最高下工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn),LPP-EUV光源的功率將遇到瓶頸.光源逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界的視野,如基于超導(dǎo)直線加速自由電子激光(SRF-FEL)及穩(wěn)態(tài)微聚束(SSMB)的EUV光源的主要特點(diǎn).可以看出,有望用于EUV光刻的EUV光源為LPP,SRF-FEL,以及其功率進(jìn)一步提升有限,很難滿足EUV光刻長期發(fā)展的需要.SRF-FEL可實(shí)現(xiàn)1—10kW量級(jí)的EUV光,但其造價(jià)相對(duì)高昂,規(guī)模較大.而且,要達(dá)到商業(yè)化所需能量利用效率,必須對(duì)其發(fā)光的電子束進(jìn)行能量回收,也即要采用能量回收型直線加高品質(zhì)電子源等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步突破.SSMB也可以實(shí)現(xiàn)大于1kW的EUV光功率,且造價(jià)和規(guī)模適中.作為一種新型光源原理,SSMB原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)實(shí)現(xiàn),需要建設(shè)運(yùn)行在EUV波段的SSMB加速器光源研究裝置,培養(yǎng)科學(xué)及產(chǎn)業(yè)用戶,并提高其技術(shù)成熟度.另外,基于加速器的光源還具有易向更短波長拓展的優(yōu)點(diǎn),有望成為下一代采用波長6.xnm的Blue-X光刻技術(shù)[67]的主流光源.總結(jié)來說,SSMB-EUV光源用于EUV光刻具有以下特點(diǎn)及潛在優(yōu)勢(shì).1)高平均功率:SSMB儲(chǔ)存環(huán)支持安裝多條EUV光束線,可同時(shí)作為光刻大功率照明光源及掩模、光學(xué)器件的檢測(cè)光源,還可以為EUV光刻2)窄帶寬與高準(zhǔn)直性:SSMB光源容易實(shí)現(xiàn)EUV光刻所需的小于2%的窄帶寬要求,并且波蕩器輻射集中于?0.1mrad的角度范圍內(nèi).窄帶寬以及高準(zhǔn)直的特性可為基于SSMB的EUV光3)高穩(wěn)定性的連續(xù)波輸出:SSMB輸出的是連續(xù)波或準(zhǔn)連續(xù)波輻射,可以避免輻射功率大幅漲落而引起的對(duì)芯片的損傷.儲(chǔ)存環(huán)光源的穩(wěn)定性好,采用top-up運(yùn)行模式的SSMB儲(chǔ)存環(huán),可使4)輻射清潔:與LPP-EUV光源相比,波蕩器輻射的高真空環(huán)境對(duì)光刻的光學(xué)系統(tǒng)反射鏡不會(huì)5)可拓展性:SSMB原理上容易往更短波長術(shù)留有可能.LPP技術(shù)成熟,成本較低,但EUV光功率達(dá)不到EUV光刻大規(guī)模量產(chǎn)需求SRF-FELEUV光功率可達(dá)1—10kW量級(jí),造價(jià)相對(duì)高昂(數(shù)十億),規(guī)模較大(數(shù)百米),商業(yè)化必須做能量回收(ERL),實(shí)現(xiàn)大功率EUV輸出,還需許多技術(shù)突破EUV光功率可大于1kW,造價(jià)(數(shù)億到十億)及規(guī)模(周長100—150m)適中,作為一種全新的光源原理,原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)實(shí)現(xiàn),需要建設(shè)運(yùn)行在EUV波段的物理學(xué)報(bào)ActaPhys.Sin.Vol.71,No.15(2022)152901因此,SSMB-EUV光源的實(shí)現(xiàn)有望幫助我國源可以提供高平均功率、窄線寬的太赫茲到軟X射線波段的相干輻射,且時(shí)間結(jié)構(gòu)大范圍可調(diào),應(yīng)用基礎(chǔ)研究,可以提供前所未有的工具和手