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電磁波発生装置およびその発生方法
説明

電磁波発生装置およびその発生方法

【課題】比較的簡単な構成でかつ安価に、収束性及びコヒーレンスが高い電磁波を発生することができる電磁波発生装置及びその発生方法を提供すること。
【解決手段】 電子ビーム(e)をターゲット(T)に入射して電磁波(W)を発生させる電磁波発生装置であって、
電子ビーム(e)の電子エネルギーが、相対性理論が適用される1Mev以上であり、
ターゲット(T)の形状が線状部材または薄膜状部材であり、
ターゲット(T)に磁場を印加して、電磁波を発生させるターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することによって、収束性及びコヒーレンスが高い電磁波(W)を発生する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁波発生装置及びその発生方法に関し、特に、ターゲットに相対論的電子を衝突させて、レーザーのようにコヒーレンスの高い電磁波を発生することができる電磁波発生装置およびその発生方法に関する。
【背景技術】
【0002】
古典的レーザーは、媒質を励起して自発放射を発生させ、その放射光を種光として他の媒質に入射して誘導放射を起こさせる。自発放射光はコヒーレント光では無いために、光と媒質を繰り返し相互作用させることによりコヒーレンスを高める。
【0003】
自由電子レーザーは、電子を磁場(アンジュレーター;周期磁場)で曲げて光の放射を発生させるが、種光は自発放射である。自発放射光と電子ビームを相互作用させて電子ビームをバンチングさせることによりコヒーレンスを高める。
【0004】
一方、EUV光やX線を発生する方法として、高エネルギーの電子が誘電率の異なる物質の境界を通過するときに発生する遷移放射を用いたX線発生装置が知られている。例えば、下記特許文献1、2には、遷移放射を用いて、高い指向性の可変エネルギーのX線を出力可能なX線発生装置が開示されている。即ち、図4に示したように、高エネルギーの電子ビームが、薄膜を多層に配列又は異種材料薄膜を交互に積層したターゲットを通過するときに、電子ビームの進行方向に円錐状にX線が放射されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平10−170699号公報
【特許文献2】特開2001−203096号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
古典的レーザーでは、レーザー媒質が無いために、EUV光やX線を発生させることができなかった。
【0007】
自由電子レーザーではEUVやX線領域の光を生成するには数GeVという電子エネルギーが必要であり、それを制御する大がかりな装置が必要となり、必然的に数百億円という高価な装置になる。例えば、大型放射光施設Spring8で開発中の施設は、レーザー発振するまでに100m近いアンジュレーターと1GeV以上の電子ビームを必要とし、大掛かりな施設であり、莫大な費用がかかる。また、十分な光量を得ることも難しい。
【0008】
上記特許文献1、2に開示された方法で発生するX線は、円錐状に放射されるので指向性が低い問題があり、レーザーを発生させることもできない。
【0009】
従って、本発明の目的は、比較的簡単な構成でかつ安価に、レーザーのような収束性及びコヒーレンスが高い電磁波を発生することができる電磁波発生装置及びその発生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る第1の電磁波発生装置は、電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
前記電子ビームの電子エネルギーが、相対性理論が適用される1Mev以上であり、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁波を発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴としている。
【0011】
本発明に係る第2の電磁波発生装置は、上記の第1の電磁波発生装置において、
前記電子ビームに垂直方向の磁場が前記ターゲットに印加され、
前記ターゲットが、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置された線状部材、または、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの平面が直交するように配置された薄膜部材であることを特徴としている。
【0012】
本発明に係る第3の電磁波発生装置は、上記の第1又は第2の電磁波発生装置において、
前記ターゲットが、太さ10μm以下の線状部材であり、
前記ターゲットが、前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置されることを特徴としている。
【0013】
本発明に係る第4の電磁波発生装置は、上記の第1〜第3の電磁波発生装置の何れかにおいて、
前記ターゲットが、カーボンナノチューブであることを特徴としている。
【0014】
本発明に係る第5の電磁波発生装置は、上記の第1〜第4の電磁波発生装置の何れかにおいて、
複数の前記ターゲットが直線上に配置され、
前記電子ビームが、順に複数の前記ターゲットに入射し、
隣接する前記ターゲットの間隔が、前記ターゲットから放射される電磁波の波長の自然数倍であり、
前記ターゲットから放射される電磁波を干渉させて単色化及び強度を増強させるように、前記電子ビームが、前記ターゲット間で前記直線から外れることを特徴としている。
【0015】
本発明に係る電磁波発生方法は、
電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生方法であって、
電子エネルギーが、相対性理論が適用される1Mev以上の前記電子ビームを前記ターゲットに入射し、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁波を発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴としている。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、レーザーのような収束性及びコヒーレンスが高い電磁波を発生することができる。例えば、10MeV程度の電子ビームでEUV領域のレーザーを発生することができる。
【0017】
従来の古典的レーザーや自由電子レーザーでは、いずれも自発放射から増幅を始めるが、本発明では、増幅プロセスが不要であり、従って飽和も起きず、それぞれのターゲットから出た光を干渉させるだけで、またターゲットの数を増やすだけで、用途に応じて幾らでも強度を高めることができる。
【0018】
また、本発明では比較的簡単な構成で、かつ比較的安価に、収束性及びコヒーレンスが高いEUV光を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施の形態に係る電磁波発生装置の概略構成を示す平面図である。
【図2】図1のターゲット付近を拡大して示す斜視図である。
【図3】ターゲットを直線上に複数配置する場合の例を示す平面図である。
【図4】従来の遷移放射によるX線発生装置におけるターゲット付近の構成を示す斜視図である。
【図5】磁場中のカーボンナノチューブを用いて発生させた指向性の高い放射を実測した図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る電磁波発生装置の概略構成を示す平面図である。本電磁波発生装置は、電子周回装置リング部1と、外部から電子を電子周回装置リング部1の内部に取り込む入力ポート2と、ターゲットTと、発生した電磁波Wを電子周回装置リング部1の外部に取り出す出力ポート3とを備えて構成されている。図1において、電子周回装置を構成するために必要な機器、例えば、電子の周回軌道を制御するために電子周回装置リング部1に装備される磁石(電磁石、永久磁石)、電磁石の電流の時間変化を制御する制御装置、及び、電子を発生させて電子周回装置リング部1に導く入射器などは省略されている。また、電子ビームeがターゲットの所定表面に照射されるように、ターゲットTを配置する機構も省略している。真空状態になっている電子周回装置リング部1の内部には、鉛直上向き(Z軸方向)の磁場Bが形成され、電子周回装置リング部1の中心Oを中心とする半径rのほぼ円軌道に沿って電子を周回させて電子ビームeを形成する。
【0021】
ターゲットTは、線状又は薄膜状の部材である。なお、本明細書において、線状とは、1本の線状の部材に限らず、細い繊維状の部材を編んで糸状にした部材をも含む。
【0022】
ターゲットTの形状及びその配置の一例を図2に示す。図2では、ターゲットTは線状部材であって、線状部材の長さ方向が磁場Bの方向にほぼ平行になるように、電子ビームeの軌道上に配置されている。ターゲットTは例えばカーボンで形成されており、具体的にはカーボンナノチューブやダイヤモンドライクカーボンを使用することができる。線状部材部材の太さ、カーボンナノチューブの太さは、発生した放射が自己吸収されない厚さであり、例えば1〜10μmであればよい。
【0023】
放射のメカニズムは、相対論的電子が薄膜に侵入すると薄膜内の多数の自由電子が入射電子のつくる電場により一斉に力を受けて脈動を起こし、この脈動する電子から放射が発生するためである。この様なメカニズムは遷移放射という名前で知られている。図2のように配置された、カーボンナノチューブのように細い線状部材のターゲットTに電子ビームeが入射する場合、磁場が無くても指向性の高い放射が発生する。ターゲットT内の自由電子の振動方向が、ターゲットTの形状によってターゲットTの長さ方向のみに振動するため、放射の位相と方向がそろい、指向性の高い放射が発生する。このときの電磁波の放射角度θは、遷移放射理論で予測される1/γ(rad)よりも非常に小さい値になる。
【0024】
磁場Bが存在する場合には、電子は、磁力線の方向にしか移動しないために、薄膜や、カーボンナノチューブよりも太い線状部材を使用しても、位相と放射の方向がそろった指向性の高い放射を発生させることができる。線状部材の場合、図2と同様に、磁場B及び電子ビームeに対して配置すればよい。薄膜の場合、薄膜の平面が、磁場Bに平行であり、かつ電子の入射方向に垂直になるように、電子ビームe上に配置すればよい。薄膜の厚さは、発生した放射が自己吸収されない厚さであり、例えば1〜10μmであればよい。
【0025】
磁場Bの強度は0.4T(tesla)以上であることが望ましい。磁場強度を大きくすれば、放射角度θを小さくすることができる。電子ビームの電子エネルギーは、相対性理論が適用される約1Mev以上であればよい。用途に応じて、電子ビームの電子エネルギー、磁場強度などの条件を適切に設定することができる。例えば、EUV光を発生させるためには、電子エネルギーが10MeV以上であればよい。
【0026】
このように、ターゲットの形状及びターゲットに印加する磁場Bの少なくとも一方によって、電磁波の放射を生じさせるターゲット中の自由電子の運動方向を一方向に制限すれば、放射の位相と方向がそろい、指向性の高い電磁波を発生させることができる。
【0027】
発生する電磁波の強度を強くするには、電子がターゲットに繰り返し衝突する機構が必要であり、卓上型放射光装置や電子周回装置を用いるのが望ましい。
【0028】
実際に卓上型放射光の電子軌道上に、ターゲットとして太さ6μmのカーボンナノチューブを設置し、放射の角分布を計測した結果、極めて高い指向性が観測された。図5にその結果を示す。図5は、磁場方向をY軸とし、ターゲットへの電子ビームの入射方向(電磁波の放射方向)をZ軸とし、それらに直交する方向をX軸として、放射される電磁波の強度を観測した結果を示している。観測位置は、ターゲットから1mの位置である。右上のグラフは、左上のグラフのY軸上での強度分布であり、左下のグラフは、左上のグラフのX軸上での強度分布である。各軸の単位はmradである。図5から、ターゲットからの放射光は、図2に示したように非常に指向性が高いことが分かる。
【0029】
以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず、種々の変更を加えて実施することができ、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。
【0030】
例えば、ターゲットに磁場を印加できればよく、円形電子周回装置の代わりに直線部を有する電子周回装置や線型加速器を使用してもよい。直線部を有する加速器を使用する場合には、電子ビームの直線軌道上にターゲットを配置し、磁石によって、ターゲットを含む領域に磁場を形成すればよい。
【0031】
また、複数のターゲットを、電子ビームに沿って所定間隔で配置すれば、用途に応じた十分なパワーを得ることができる。例えば、図3に示すように、紙面に垂直方向の磁場B中にターゲットTを直線上に配置し、電子ビームeの軌道を蛇行させてもよい。図3において、ターゲットTは間隔Lで配置されている。各間隔Lは一定でなくてもよいが、発生する電磁波の波長λとしてL/γ=nλ(nは自然数)であることが望ましい。複数の磁石Mは、1つのターゲットを通過した電子ビームeを蛇行させて、ターゲットが配置された直線上から逸らし、その後再び直線上に戻るように蛇行させ、電子ビームeを次のターゲットに垂直に入射させる。
【0032】
また、ターゲットの材質は、上記したカーボンに限定されず、電子の入射によって遷移放射が発生する材質であればよく、ベリリウム、アルミニウム、ゲルマニューム、金、白金、鉛など、誘電率が比較的大きい誘電分極を生じ得る物質であるのが良い。誘電率が大きいほど短波長の光を発生できる。
【符号の説明】
【0033】
1 電子周回装置リング部
2 入力ポート
3 出力ポート
T ターゲット
M 磁石
B 磁場
W 電磁波
e 電子ビーム

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
前記電子ビームの電子エネルギーが、相対性理論が適用される1Mev以上であり、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁波を発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項2】
前記電子ビームに垂直方向の磁場が前記ターゲットに印加され、
前記ターゲットが、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置された線状部材、または、
前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの平面が直交するように配置された薄膜部材であることを特徴とする請求項1に記載の電磁波発生装置。
【請求項3】
前記ターゲットが、太さ10μm以下の線状部材であり、
前記ターゲットが、前記電子ビーム上の電子が前記ターゲットに入射する方向に対して、前記ターゲットの長さ方向が直交するように配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁波発生装置。
【請求項4】
前記ターゲットが、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電磁波発生装置。
【請求項5】
複数の前記ターゲットが直線上に配置され、
前記電子ビームが、順に複数の前記ターゲットに入射し、
隣接する前記ターゲットの間隔が、前記ターゲットから放射される電磁波の波長の自然数倍であり、
前記ターゲットから放射される電磁波を干渉させて単色化及び強度を増強させるように、前記電子ビームが、前記ターゲット間で前記直線から外れることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の電磁波発生装置。
【請求項6】
電子ビームをターゲットに入射して電磁波を発生させる電磁波発生方法であって、
電子エネルギーが、相対性理論が適用される1Mev以上の前記電子ビームを前記ターゲットに入射し、
前記ターゲットの形状及び前記ターゲットに印加する磁場の少なくとも一方によって、前記電磁を波発生させる前記ターゲト内の自由電子の運動方向を一方向に制限することを特徴とする電磁波発生方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2011−96613(P2011−96613A)
【公開日】平成23年5月12日(2011.5.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−252408(P2009−252408)
【出願日】平成21年11月2日(2009.11.2)
【出願人】(593006630)学校法人立命館 (359)
【出願人】(501038001)株式会社光子発生技術研究所 (13)
【Fターム(参考)】