具体实施方式

本发明的一个实施例包括一种装置，其需要超冷电子源(UCES)与电子加速器和高功率激光器以逆康普顿散射(ICS)设置组合。强激光束与从超冷电子源提取的以接近光速的速度行进的反向传播的电子束正面碰撞。由于相对论多普勒效应，从电子反射的激光光子被转换为(软)X射线光子，构成以与电子的相同方向行进的窄(软)X射线束。UCES作为用于ICS的源的实现将导致前所未有的软X射线相干性和亮度。通过超冷原子气体的两步式光致电离过程产生电子脉冲，这使得能够在三个维度中精确地定制初始电子密度分布。可以通过使用光的驻波激励原子来调节初始纵向密度分布。

逆康普顿散射X射线源

在逆康普顿散射(ICS)过程中，来自强激光束的光从相对论电子束反射，通过相对论多普勒效应将其转换为明亮的X射线束，如图1中示意性地示出的。

如果相对于电子束电子102以角度θ₀进入的具有波长λ₀的高功率激光100被散射到角度θ_x，则散射光104的波长由下式给出：

λ_X＝λ₀(1–βcosθ_X)/(1+βcosθ₀) (1)

其中β＝ν/c是标准化为光速的电子的速度。对于正面碰撞，即，θ₀＝0，其中电子以接近光速的速度移动，即β≈1，等式(1)可以近似为

λ_X≈λ₀(1+(γθ_X)²)/4γ² (2)

其中γ＝(1–β²)^–1/2，相对论电子束的洛伦兹因子。例如，对于激光波长λ₀＝500nm和具有U_kin＝2MeV的动能的适度相对论电子束，即β＝0.98和γ＝5，将以短至λ_x＝5nm的波长产生软X射线。将以电子束的方向为中心具有约γ^–1的半角的圆锥形发射X射线，其中在向前方向(θ_x＝0)中产生最短波长，并且随着θ_x增加波长逐渐变长。基于ICS的源的本质窄带性质，结合其高度方向性以及可以通过简单地改变电子束能量连续调谐X射线波长的直接方式，使其成为生成X射线的非常有吸引力的方法。可以认为它是产生X射线的最干净，最纯净，最受控制的方式。

然而，遗憾的是，ICS过程的效率非常低。假设电子束腰部比激光束腰部要小得多，当N_e电子聚束与N₀光子的激光脉冲碰撞时产生的X射线光子N_x的数量由下式给出

N_X＝N_eN₀σ_T/2πw₀ ², (3)

其中σ_τ＝6.65×10^–29m²是汤姆森散射横截面，并且w₀是激光束的腰部。例如，如果在激光束腰部w₀＝10μm以1kHz的重复速率使500nm、100mJ激光脉冲与100pC电子聚束，则将产生X射线通量Φ_X≈2×10¹⁰光子/s。这是一种乐观估计，假设最先进的脉冲电子和激光束技术，但它仍然比高级成像应用所需的磁通量低2-3个数量级。此外，因为在所有角度散射的光子被用在估计中，带宽将很大，并且由于与100pC聚束的有限发射相关联的电子束的不可避免的大角度扩散，所产生的软X射线束的空间相干性将非常小，<10^-2空间相干性。

空间相干康普顿散射

为了通过具有完整的空间相干性的ICS产生软X射线束，首先是需要具有非常高的横向质量的电子束。横向射束质量通常在射束的几何发射率∈或聚焦性能方面表示，以单位[m rad]表示，其等于射束尺寸和不相关的角展度的乘积。如果发射率∈<λ_X/4π，电子束只能产生衍射限制的、即完全空间相干的X射线束。由于几何发射率取决于射束能量，因此可以方便地定义标准化发射率∈_n＝γβ∈，这是射束质量的洛伦兹不变度量。在标准化发射率方面，相干条件变为：

∈_n<γβλ_X/4π. (4)

通过将等式(1)与θ₀＝θ_X＝0结合并且将等式(4)与等号结合，我们可以计算空间相干ICS所需的最小条件，导致图2所示的图表。

图2示出了对于给定激光波长λ₀和标准化发射率∈_n可以由空间相干的ICS产生的EUV波长λ_X。所需的电子束能量由白色虚线表示。例如，对于λ₀＝500nm，∈_n＝0.4nm rad和1MeV射束能量，产生具有λ_X＝15nm的空间相干的EUV辐射。从图2中立即清楚的是，为了通过ICS生成相干EUV辐射，需要标准化发射率优选地低于1nm rad的高质量电子束。这种射束质量通常与电子显微镜源相关联，其不允许产生具有大量电荷的聚束。

超冷电子源

UCES基于超冷原子气体(通常为铷蒸气)，超冷原子气体在磁光阱(MagnetoOptica Trap)(MOT)中被冷却和捕获，并且然后通过使用两步式光致电离计划被光致电离，如图3A、图3B、图3C中所示。超冷原子是被保持在接近0开尔文(绝对零)的温度下的原子，通常是几百微开尔文(μk)。

图3A示出了使用垂直激光束302、304和线圈306、308激光冷却并捕获在MOT中的铷原子300。随后，在关闭冷却激光器后，通过使用两步式光致电离计划，采用780nm激励激光束314和480nm电离激光束312的组合使激光冷却的铷原子300光致电离以生产铷离子310，如图3B所示。在两个激光束312、314重叠的体积中产生的离子310和电子320彼此分离并用DC电场板316、318提取。虽然出于说明的目的仅示出了一对，但是生产了许多这种离子和相关联的电子。780nm激励激光束314被调谐以激励原子的5P_3/2状态，并且可以调节电离激光束312的波长以精确地控制电子的过量能量，如图3D的能量水平图中所示。通过改变480nm激光波长，可以精确地控制电子的过量能量，并且从而可以精确地控制源的电子温度。

该UCES的特征在于电子温度低至10k，比常规光电发射源低2-3个数量级，如首先通过纳秒光致电离[2,3]并随后也通过飞秒光致电离[4,5]证明的。由于源的标准化发射率可以被写成

∈_n＝σ_s(kT_e/mc²)^1/2, (5)

其中σ_s是均方根(rms)横向源尺寸并且T_e是源电子温度，清楚的是UCES允许比常规光电发射源可能的小得多的标准化发射率。例如，对于RMS横向尺寸σ_s＝25μm并且电子温度T_e＝10k，标准化发射率∈_n＝1nm rad，该值是利用UCES常规实现的值[4,5,6]。在Rb MOT中，捕获的气体云的尺寸以及因此电离体积的纵向尺寸通常为1mm，密度可以高达几个10¹⁸m^-3，这意味着N_e≈10⁶-10⁷电子可以产生为具有∈_n＝1nm rad。聚束电荷和光束质量的这种组合应该实现例如单发蛋白质晶体学[3,6,7]，这是MCES的开发的主要驱动力之一。注意，为了实现从传统光电阴极的类似的标准化发射率，将需要源大小σ_s≤1μm。为了从这种小点中提取具有10⁶个电子的聚束，需要不切实际的GV/m电场强度。然而，UCES允许甚至更小的发射率：通过将激励激光和电离激光之间的重叠的尺寸(图3B)减小至σ_s＝2.5μm，可以产生含有Ne≈10⁴-10⁵电子其中∈_n＝0.1nm rad的聚束。因此(参见图2)，通过使用UCES作为ICS源的电子注射器，可以在整个EUV光谱范围产生完全空间相干的辐射。这是UCES的独特的性质，并且本身就有足够的理由来追求这种新方法。然而，用这种聚束产生的EUV光子的量将非常适度(见等式(3))。幸运的是，UCES的特殊特征允许另一个技巧，这将大大提高光子产量，并且也注意时间相干性。

微聚束和超辐射

采用调谐到中间原子水平的激励激光和将原子从中间状态激励到连续态的电离激光的谐振两步式光致电离过程，允许非常精确地控制电离气体的初始密度分布：由于原子仅在两个激光束重叠的区域中电离，因此可以通过调制两个激光的射束轮廓准确地定制初始电子聚束分布。这由墨尔本大学的Scholten小组完美地证明，他们使用空间光调制器(SLM)来使激励激光束成形并且由此产生具有复杂、几乎任意电荷分布的电子束，其中最小尺寸结构仅由激光的衍射限制[8]。结果，源的低温对于保持这些复杂的结构是必要的，由于在较高的源温度下的电子的随机热运动，这些复杂的结构立即被模糊。

本发明的实施例使用有效的方法以极其有益于提高ICS产量的方法使初始电荷分布成形。如图4所示，激励激光束400包括两个相干反向传播激光束(在R_b的情况下，780nm)，其沿着设备的电子束轴产生驻波图案。例如，单个射束可以分成两个，其中一个射束从后侧发送并且另一个从前侧发送，一起形成驻波图案。被加速的电子束可以从入射的激光束磁偏转。替代地，可以将来自后侧的激光束回复反射到放置在电子束的路径中上游的镜子上。镜子中的小孔将传输电子束，同时最小地影响驻波图案。还应注意，产生驻波图案的两个反向传播激光束不需要是完全反向传播；它们可以以小角度相交，只要它们的重叠足以沿着MOT中的射束轴的足够长度产生驻波图案。

通过使用780nm驻波来激励5²P_3/2状态，MOT中的被激励的R_b原子402将以λ_mod＝390nm的周期被空间调制。驻波400外部的原子404保持在其激光冷却基态。被激励的原子402的周期性空间调制随后由垂直于激励激光束对准的飞秒电离激光电离(在Rb的情况下，480nm)，由此几乎立即产生以等于激励激光波长的一半的周期进行空间调制的电子聚束，即λ_mod＝390nm。

为了通过ICS产生EUV辐射，电子聚束被加速到0.5-2MeV。这使用射频(RF)加速器结构。在所谓的“X波段”中以12GHz操作的非常紧凑的加速器结构被用来代替更传统的3GHz“S波段”加速结构。由于X波段加速器中的高加速场(通常>50MV/m)，只有3个X波段单元，因此不到10cm的加速器结构足以覆盖整个EUV光谱范围。然而，仅仅加速是不够的。为了提高ICS产量，需要实质上相干放大。这可以通过以这样的方式压缩聚束来实现，即在被加速的聚束与激光脉冲碰撞的点，将空间调制的周期减少到产生的EUV辐射的波长。例如，通过将具有标准化发射率∈_n＝0.4nm rad的聚束加速到1MeV的能量并将其与500nm激光脉冲碰撞，在15nm的波长处产生空间相干EUV辐射(见图2)。在启动期间，以等于激励激光波长的一半(即，390nm)的周期空间调制聚束，因此在加速期间，必须以因子26压缩聚束。结果，由单个微聚束发射的辐射场将同相累加，从而相干放大与聚束电荷平方成正比的EUV光子产量。严格来说，相干“受激”发射被添加到非相干“自发”发射中，如等式(2)所述：

N_x＝(1+FN_e)N_eN₀σ_T/2πw₀ ². (6)

这里0≤F≤1是与电子聚束分布相关的形状因子：在没有任何密度调制的情况下F＝0，而对于具有完美周期性纵向密度分布的聚束F＝1。这里完美意味着纵向密度分布的傅立叶变换仅包含与要生成的EUV波长相关联的空间频率分量。对于0.1pC的聚束电荷，即N_e＝6.2×10⁵电子，在w₀＝10μm腰部以1kHz的重复频率与100mJ、512nm激光脉冲碰撞，非相干ICS光子通量(例如(2))是Φ_X＝1.7×10⁷ph/s。假设完美的密度调制，相干光子通量为Φ_X＝1.0×10¹³ph/s，用于记录完整图像绰绰有余。通过非相干ICS获得相同的光子通量，需要将亚ps、几个MeV、60nC的电子束聚焦到小于10μm的点，这是不可能的。

通过这种所谓的超辐射机制对基于脉冲电子束的辐射源进行相干放大是众所周知的，并且以前已经应用过多次。在纳米级EUV辐射的情况下，挑战始终是如何实现所需的纵向密度调制。早在1996年Carlsten等人已经提出首先在横向方向施加密度调制，这可以用掩模非常直接地完成，并且然后使用磁性减速弯将其转移到纵向方向[9]。麻省理工学院/亚利桑那州立大学的Graves小组最近设计了这种方法的一种特别智能的变体，以实际实现纳米调制电子束，由此使用超辐射来相干放大ICS设置中的软X射线光子产量[10]。此处使用的基于UCES的方法有两个主要优点：第一，两步式光致电离方法允许极精确地使初始纵向聚束密度分布成形(见图4)；其次，基于UCES的方法提供了完整的空间相干性。

EUV康普顿FEL

通过电子聚束的微聚束的发射的超辐射放大和完全空间相干发射的组合构成了在EUV波长下操作的自由电子激光(即EUV康普顿FEL)的实现。基于UCES的EUV康普顿FEL的占地面积仅为几平方米，与当今的FEL设施形成鲜明对比。显然，这将是一个非常重要的发展，允许EUV FEL在学术和工业实验室，甚至可能在半导体工厂中广泛传播。

虽然原则上UCES提供了实现全空间相干和超辐射发射所需的要素，但实际实现EUV康普顿FEL仍然面对主要障碍。这些障碍可以总结为一个单一的重大挑战：空间电荷力的控制。为了获得大的光子通量，尽可能多的电子应该完美一致地辐射，同时限制在非常小的体积内，横向聚焦到几μm，纵向压缩到几十μm(时间压缩到～100fs)。与这些高电荷密度相关联的空间电荷力可能导致聚束的相空间分布变形，这可能导致不可逆的发射率增长，从而失去空间相干性。此外，空间电荷力可能会妨碍聚束压缩，导致相互作用点处的不完美的聚束密度调制，并且由此降低超辐射。

通过速度聚束进行RF压缩

在图5中与基于UCES的ICS设备的部件相关联地显示了传播的电子聚束的不同纵向相空间分布。设备包括与中心电子束传播轴同轴对齐的一系列元件。在电离步骤500中，在基于光栅MOT的UCES内部产生具有纵向周期性密度调制的电子聚束522，并用DC板514、516提取电子聚束522，DC板514、516将聚束加速到几十keV。因为在聚束后侧产生的电子在较远的距离上被加速，它们获得了较大的动能，因此获得了比聚束前侧的电子更高的速度。在步骤502中，在离开DC加速器之后，聚束524已经获得负能量啁啾，导致速度聚束。在自压缩步骤504中，聚束继续传播通过漂移空间，直到聚束526到达自压缩点，其中聚束的后侧中的电子超过前侧中的电子。在拉伸步骤506中，传播聚束经历拉伸以产生具有正能量啁啾的聚束528。完成其漂移空间传播，在压缩步骤508中，聚束530进入并通过TM₀₁₀模式的3GHz谐振RF压缩腔518，反转啁啾，再次获得强负啁啾，通过RF腔后面的漂移空间中的速度聚束导致聚束压缩。在加速步骤510中，聚束532然后进入并通过12GHz x波段加速器520，将平均聚束能量提高到期望能量。离开X波段加速器后，聚束在传播时压缩。就在最大压缩之前，恰好在密度调制再次正确排列的点上，聚束到达相互作用点。在相互作用步骤512中，被加速的聚束534在相互作用点处与反向传播的高功率激光束536碰撞以产生软x射线538。

初始纵向密度调制的进一步开发

在其他实施例中，MOT中的周期性空间调制可以在基态气体中通过使用两个反向传播的激光束的驻波中的偶极力来实现，两个反向传播的激光束的波长相对于向中间态的跃迁远失谐至蓝色。事实上，这可能是一种更好的方法，因为它需要在激励之前压缩原子，由此导致更高的初始聚束密度。

有趣的是，通过将激励激光的驻波和“偶极力”激光的驻波结合，将产生多周期调制，这将包括两个波长差异范围内的结构，可能远小于光学波长的衍射极限。在考虑使用UCES实现硬X射线相干放大的可能性时，这可以是有用的。此外，这将开启同时在两个波长上进行相干放大的可能性，由此在EUV波长下进行双色操作。为了实现这一点，双重调制聚束将与不同波长的两个激光脉冲碰撞。标准化的发射率、射束能量和激光波长可以从图2中读出。举个例子：通过适当的双重调制电子束，其标准化发射率为0.4nm rad并加速到0.8MeV，与500nm激光脉冲和300nm激光脉冲碰撞，将产生22nm和13nm的完全相干和相干放大的EUV辐射。显然，两步式光致电离方法和偶极力的使用，可能地与空间光调制器(SLM)相结合，允许用于非常精确和灵活地定制密度分布的复杂的方法，从而带来了新的应用。

设置

在图6中，示出了基于UCES的ICS设置的实施例的3D渲染。主要部件是基于光栅MOT的UCES 600、RF压缩腔602和X波段加速器部分606。用磁线圈608将电子聚束聚焦在相互作用点610中，在相互作用点610处电子束与激光束碰撞，产生软X射线束。设备还可以包括射束收集器612。

基于光栅MOT的UCES

在一个实施例中，使用所谓的“光栅磁光阱”产生铷原子的激光冷却和捕获的云，该技术[15]允许非常紧凑的设计和交钥匙操作，其具有捕获激光和冷却激光的最小对准以及激励激光束和电离激光束的最大通路。图7示出了内部具有基于光栅MOT的UCES的真空腔室[16]。铷气体被捕获在两个扁平电极之间，包括一个静电加速器，静电加速器在电离后提取电子并将电子加速到～10keV。

对于ICS设置，使用专用的基于光栅MOT的UCES，特别地设计用于在MOT中实现高原子密度。光学参量放大器(OPA)由放大的钛蓝宝石激光馈送，提供可调谐的飞秒480nm电离激光脉冲。可以通过带宽和电力激光脉冲的时间波形的适当选择获得过低的电子源温度。

RF压缩腔

电子聚束通过速度聚束被压缩，采用TM₀₁₀模式的3GHz谐振RF腔，类似于用于单发100fs超快电子衍射[11-13]的那些。图8示出了腔的设计图，该腔为了低功耗进行了优化，需要小于100W的RF功率，因此只需要适度的固态RF放大器。

RF压缩腔非常稳健可靠，在过去几年中，已经由AccTec BV将其出售给全球许多团体。压缩电子聚束与ICS相互作用激光脉冲的同步是通过RF相位与激光脉冲的同步来完成的[17]。

X波段加速部分

优选实施例使用在12GHz操作的非常紧凑的X波段加速器结构。由于X波段加速器中的高加速场，通常>50MV/m、只有几个X波段单元和～10cm的加速器结构足以达到1-2MeV电子束能量以通过ICS产生EUV辐射。通过在适当的RF相位注入聚束，加速可以与通过X波段结构中的速度聚束的压缩相结合。但是，我们选择将压缩和加速分开，因为RF聚束压缩方法是经过验证的技术，允许独立控制和优化聚束压缩。

EUV辐射的产生

为了最大化EUV光子通量，优选地使用强大的工业脉冲亚ps激光器来产生与相互作用点中的电子聚束碰撞的激光束。目前，最强大的交钥匙(turn-key)系统是玻璃激光器，提供200mJ、1024nm、1kHz重复率的亚ps脉冲[18]。这些昂贵的激光器对于实现可靠的高EUV光子产量是理想的。优选2次谐波(512nm)，它可以以至少50％的效率生成。如图2中可见，相互作用激光波长的选择是在光子通量(更长的波长下更多的EUV光子)和所需的发射率(更长的波长需要更小的发射率)之间的权衡。

生成的EUV射束可以在EUV波长、带宽、角扩展、光子通量、相干性和亮度方面进行表征和优化。

以下是操作设备的方法的概述。

步骤1

使用产生驻波的两个反向传播的780nm激光束在z方向(处于5²P_3/2状态)调制被激励的铷气体。被激励的气体将以λ_mod＝390nm的周期进行空间调制。

步骤2

使用具有调谐到接近电离阈值的光学波长的超快电离激光器(<1皮秒)将被激励的铷子束电离，例如蓝色超快电离激光器。通过这种方式，我们产生了微聚束电子束，其调制周期由驻波λ_mod＝390nm确定。附加地，由于近阈值光致电离，电子具有超低的动量扩散，导致射束发射率小于1nm rad。这产生完全横向的相干X射线脉冲。

为了通过ICS产生完全横向的相干x射线辐射，使用高质量电子束，其标准化发射率优选低于1nm rad。超冷电子源用于递送这种质量的高电荷电子聚束。

步骤3

铷原子在静电加速场中被电离，该场将UCES内部产生的电子加速到几十keV的能量。由于在远离阳极中的孔的位置被电离的电子被加速到比最初靠近阳极的电子更高的动能，电子脉冲在离开DC加速场后获得负速度啁啾。结果，在提取后电子脉冲将自压缩。在自压缩点之后，脉冲将自动获得正速度啁啾，并且因此再次拉伸。随后，使用在TM₀₁₀模式下操作的RF腔，电子脉冲的前侧被减速而后侧被加速，导致电子脉冲再次具有负速度啁啾。

步骤4

负啁啾皮秒电子脉冲被RF加速到几MeV，并在相互作用点处被同时压缩两个数量级。这是由于获得了负啁啾。压缩和加速发生的顺序无关紧要。压缩和加速也可以在单个RF加速器中同时实现。

结果，初始调制周期λ_mod＝390nm缩小了相同的两个数量级。电子束的调制周期λ_mod＝390nm现在等于在相互作用点中产生的软x射线脉冲的波长λ_x。

结果，生成的软X射线束将是完全纵向相干的。此外，单个微聚束产生的辐射将相干相加，使得强度将提高与聚束中的电子的数量成正比的量。这将强度提高到与SLS和XFEL相当的强度。

同时，超低电子发射率确保在相互作用点的电子束发散度小于衍射受限的软X射线束的发散度；这保证了产生完全空间相干的软X射线束。

本发明的实施例提供了一种可产生完全相干且具有超辐射强度的窄带(软)X射线束的最先进方法，实现桌面康普顿软X射线自由电子激光器。整个设置可以被构造为占地面积小于3米。

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