DE69518141T2

DE69518141T2 - Kohärentes Teilchenbündel

Info

Publication number: DE69518141T2
Application number: DE69518141T
Authority: DE
Inventors: Hidetsugu Ikegami
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: DE69518141D1; EP0720178A1; RU2120678C1; EP0720178B1; JPH08186000A; US5686802A; JP3213186B2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zur Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls, der Kohärenz bei gleichförmiger Energie zeigt.
Konventionelle Techniken zur Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls stehen und fallen mit dem Vereinheitlichen der Energie zum Kühlen der Teilchen im Teilchenstrahl auf der Grundlage des Konzepts der Bose-Einstein Kondensation. Das hat zur Folge, daß die Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls nicht universell möglich ist, da sie auf Elektronenstrahlen von ultrahochauflösender Leistung limitiert ist, bei denen die Beschleunigungsenergie in der Größenordnung 300 keV (Kiloelektronenvolt) liegt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein VerFahren und einen Apparat bereitzustellen, der leicht einen kohärenten Teilchenstrahl erzeugt, der bezüglich jedes anderen Teilchenstrahls eine hohe zeitliche Kohärenz aufweist, die durch gleichzeitiges Energieangleichen und Pulsen erreicht wird, also durch ein Prinzip, das vollkommen unterschiedlich zur Technik ist, einen kohärenten Teilchenstrahl durch die Ultraenergieangleichung, die auf der Grundlage des Konzepts der räumlichen Kohärenz eines Bose-Einstein Kondensats nach dem Stand der Technik entwickelt wurde, zu erzeugen.
Ikegami H "Coherent Microwave Cooling (CMC) of Electrons and Ions", in Borser J: "Proceedings of the Workshop on Beam Cooling and Related Topics", Montreaux, 4- 8.10.93, CERN Publication 94-03, 26.04.94 legt das Prinzip der kohärenten Mikrowellenkühlung offen.
Die vorliegende Erfindung schafft zum einen ein Verfahren zum Erzeugen eines kohärenten Teilchenstrahls, das aus den folgenden Schritten besteht: Erzeugen des Teilchenstrahls; Durchleiten des Teilchenstrahls durch das Magnetfeld einer Spule mit magnetischer Achse parallel zum Teilchenstrahl; Erzeugen einer Achsendrehung des Teilchenstrahls im Magnetfeld der Spule; und Beeinflussen des achsendrehenden Teilchenstrahls im Magnetfeld der Spule durch ein elektrisches Feld mit der gleichen Frequenz, wie die Achsendrehung des Teilchenstrahls, das innerhalb der Magnetspule entlang der magnetischen Achse ausgerichtet ist und eine Amplitude hat, die geeignet ist, die Teilchen im Teilchenstrahl zu bündeln und den Teilchenstrahl zeitkohärent zu machen.
Zweitens sieht die vorliegende Erfindung einen Apparat zum Erzeugen eines kohärenten Teilchenstrahls vor, der die folgenden Teile enthält: eine Einrichtung zur Erzeugung eines Teilchenstrahls; eine Magnetspule zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen magnetische Achse parallel zum Teilchenstrahl liegt; eine Ablenkvorrichtung, die den Teilchenstrahl beim Eintritt ins Magnetfeld ablenkt, um eine Achsendrehung des Teilchenstrahls innerhalb des Magnetfelds hervorzurufen; einen Resonanzhohlraum innerhalb der Magnetspule und in der Spur des drehenden Teilchenstrahls; und eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes im Resonanzhohlraum mit der gleichen Frequenz wie der Frequenz der Achsendrehung des Teilchenstrahls und mit einer Amplitude, bei der die Teilchen im Teilchenstrahl gebündelt werden und der Teilchenstrahl zeitkohärent gemacht wird.
Andere Aspekte der Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt.

Die Erfindung vermittelt also:

(A) Ein Verfahren zum Erzeugen eines kohärenten Teilchenstrahls mit den folgenden Schritten: Einführen der zeitlichen Kohärenz korrespondierend zur räumlichen Kohärenz der Bose-Einstein Kondensation durch Pulsen und Energieangleichen des Teilchenstrahls; und Erzeugen von Kohärenz bei beschleunigten geladenen Teilchen, die einen generischen Term der geladenen Elektronen und Ionen repräsentieren. Mit anderen Worten wird im Verfahren der Erzeugung eines kohärenten geladenen Teilchenstrahls durch geschicktes Pulsen eines Teilchenstrahls eine Abmilderung der strengen Bedingungen der Energieangleichung erreicht.
(B) Ein Verfahren zum Erzeugen eines kohärenten Teilchenstrahls mit folgenden Schritten: Einbringen einer Zyklotron-Achsendrehung der geladenen Teilchen in einem Apparat für geladene Teilchenstrahlen, wie z. B. einem Teilchenmikroskop oder dem Beschleuniger eines Speicherrings; Anwenden eines hochfrequenten elektrischen Feldes in der TE-Mode von auf das magnetische Feld angepaßter Frequenz und Stärke, und gleichzeitiges Energieangleichen des Teilchenstrahls mit CMC (Zyklotron-Maser-Kühlung) und Phasenbündeln durch Achsendrehung, wodurch ein kohärenter geladener Teilchenstrahl erzeugt wird.
(C) In dem nach (A) oder (B) beschriebenen Verfahren der Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls wird das Magnetfeld einer Spule zur Korrektur der Phase der Achsendrehung verwendet, um ein wiederholtes Erreichen der Kohärenz im Apparat des geladenen Teilchenstrahls zu ermöglichen.
(D) In dem in (A), (B) oder (C) oben beschriebenen Verfahren der Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls wird ein magnetisches/elektrisches Feld zur Beugung des Teilchenstrahls eingeführt, ein beträchtlicher Teil der Teilchenstrahlenergie in Achsendrehungsenergie konvertiert und gleichzeitig ein Angleichen und Pulsen der gesamten Teilchenstrahlenergie vorgenommen.
(E) Einen Apparat zur Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls, ausgestattet mit dem gleichförmigen Magnetfeld einer Spule und einem Resonanzhohlraum zur Erzeugung einer TE-Mode eines hochfrequenten elektrischen Feldes mit einer Frequenz und Stärke, die an das Magnetfeld der Spule angepaßt ist, wobei durch gleichzeitiges Energieangleichen und Pulsen des Teilchenstrahls ein hochkohärenter Teilchenstrahl erzeugt wird.
(F) Einen Apparat zur Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls, falls nötig ausgestattet mit einer phasenkorrigierenden Spule, um die Kohärenz der geladenen Teilchen sicherzustellen.
Eine Gruppe von Teilchen zeigt generell Welleneigenschaften, nämlich den Quanteneffekt, auf einer makroskopischen Skala unter einer kritischen Temperatur Tc. Von der Gesamtzahl der Teilchen wird die folgende Anzahl kohärent gemacht:
[1 - (T / Tc)3/2] · 100%... (1)
Diese Teilchen besitzen also mit anderen Worten Kohärenz. Wenn sie Bose-Teilchen sind, wird dieses Phänomen Bose-Einstein Kondensation genannt. Wenn man den Spin- Faktor vernachlässigt, kann Tc wie folgt beschrieben werden:
kTc = pth² / 2m&sub0;... (2)
Der durchschnittliche Impuls pth der thermischen Anregung ist in Einklang mit der Heisenberg'schen Unschärferelation gegeben durch:
Pth · n-1/3 h, ... (3)
dabei ist k die Boltzmann-Konstante, n die Teilchenzahidichte im Ruhesystem der Teilchen, die sich entlang der Magnetfeldachse bewegen, und h die Planck'sche Konstante. Die Teilchenzahldichte ist allgemein für den Fall eines beschleunigten Teilchenstrahls niedrig und hat für praktische Anwendungen ein oberes Limit von n = 10¹&sup6; m&supmin;³. Wie für Tc, das beide Gleichungen (2) und (3) erfüllt, ist eine sehr niedrige Temperatur von weniger als 10&supmin;³ K notwendig, sogar für Elektronen. Dies technisch zu realisieren ist nahezu unmöglich und komplett unmöglich für schwere Teilchenstrahlen mit anderen Teilchen als Elektronen.
Das oben beschriebene konventionelle Verfahren verwendet die aus der Bose-Einstein Kondensation folgende räumliche Kohärenz eines Teilchenstrahls als solchen und erzeugt einen kohärenten Teilchenstrahl durch Erniedrigung der Temperatur des Teilchenstrahls. Mit dem Verfahren dieser Erfindung, das auf zeitlicher Kohärenz beruht, können jedoch die strengen Bedingungen bezüglich der Gleichförmigkeit der Teilchenstrahlenergie zum Erniedrigen der Temperatur des Teilchenstrahls gelockert werden. Das macht den Weg frei für kohärente Teilchenstrahlen, die nicht nur Elektronen sondern auch schwere Teilchen enthalten können.
Ein gepulster Teilchenstrahl, der auf einer Länge der Zeit tp gebündelt ist, zeigt Quanteneffekte auf einer makroskopischen Skala, und die kritische Temperatur Tc zur Erreichung eines kohärenten Teilchenstrahls ist durch folgende mit Gleichung (3) in Einklang stehende Relation gegeben:
kTc · tp h... (4)
Nach Gleichung (4) wird für einen Teilchenstrahl, der über eine gewisse Zeitspanne, sagen wir t, < 10&supmin;¹² s, gepulst ist, eine Gruppe von Teilchen innerhalb eines Pulses zu einem Anteil von [1 - (T/Tc)] · 100% bei einer Temperatur unter Tc = 1 K ein kohärenter Teilchenstrahl. Die Bedingungen sind damit um drei Größenordnungen leichter als für die Kühlungstemperatur zur Kondensation nach den Gleichungen (2) und (3).
Die einfachste Methode, eine zeitliche Kohärenz nach der vorliegenden Erfindung zu erreichen, besteht in der Energieselektion eines gepulsten Teilchenstrahls. In einem solchen Verfahren entsteht jedoch zuviel Verlust durch das Aussortieren von wichtigen Teilchenstrahlen hoher Luminanz. Ferner sind sehr kurze Pulse von hoher Auflösung und Energie prinzipiell nicht vereinbar mit der optischen Teilchentheorie.
Nach vorliegender Erfindung kann ein kohärenter Teilchenstrahl, der zeitliche Kohärenz zeigt, leicht und ohne Verlust von Teilchen erzeugt werden, wie unten beschrieben werden wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines holographischen Zeitkohärenz-Elektronenstrahlapparats nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer CMC-Einheit, die in dem holographischen Zeitkohärenz-Elektronenstrahlapparat nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung installiert ist.
Eine Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines holographischen Zeitkohärenz-Elektronenstrahlapparats für einen Fall, in dem die vorliegende Erfindung zur Elektronenstrahlholographie verwendet wird.
Man findet in Fig. 1 ein Elektronenquellen/Beschleunigungs-linsensystem 1, wie es in einem Elektronenmikroskop verwendet wird, eine CMC (Zyklotron-Maser-Kühlung)- Einheit 2, in der ein Elektronenstrahl zum kohärenten Elektronenstrahl mit zeitlicher Kohärenz gemacht wird, ein Elektronenstrahl-Divergenzelement 3, eine Probe 4, ein Fokussierungselement 5, ein Signalelektronenstrahl 6, der durch die Probe 4 geschickt wird, ein Referenzelektronenstrahl 7 und ein Elektronendetektor 8 zum Beobachten der Kohärenz.
Fig. 2 veranschaulicht die Konstruktion der CMC-Einheit nach der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Es sollte erwähnt werden, daß die in dieser Figur gezeigte zusätzliche Spule und der darin angeordnete Hochfrequenz-Resonanzhohlraum für die Vorrichtung vom Einzeldurchführungstyp nach dieser Ausführung nicht unbedingt notwendig sind.
In Fig. 2 sieht man mehrere Elektronenstrahl-Ablenkeinheiten 11, eine langgestreckte Spule 12, eine zusätzliche Spule 13, Resonanzhohlräume für eine hochfrequente TE-Mode 14, 15 und einen oder mehrere Elektronenstrahl-Ablenkelemente 16. Das Ablenkelement 11 kann ein Magnet oder eine ablenkende Elektrodenplatte sein. Hier wird ein beträchtlicher Teil der kinetischen Energie des Elektronenstrahls in Achsendrehungsenergie umgewandelt, wobei das Magnetfeld der Spule eine magnetische Flußdichte B&sub0; besitzt. Die Achsendrehungsfrequenz ist zu dieser Zeit (ωc / γ ), und die Zyklotronfrequenz ωc und der relativistische Energiefaktor γ der Achsendrehung können durch die unten beschriebenen Gleichungen (5) bzw. (6) ausgedrückt werden.
ωc = e&sub0; B&sub0; / m&sub0; ... (5)
g = (1 - b ²)-1/2 ... (6)
Dabei ist e&sub0; die elektrische Ladung und m&sub0; die Ruhemasse des Elektrons, β die Geschwindigkeit der Achsendrehung, c die Lichtgeschwindigkeit und das Zeichen für transversal.
Hier wird das CMC-Verfahren (Zyklotron-Maser-Kühlung), das in der Offenlegungsschrift der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2-223200 "Method of Cooling Charged Particle Beam" von diesem Erfinder vorgeschlagen wurde, verwendet, die Resonanzfrequenz ωrf des hochfrequenten Resonanzhohlraums 14 ist eingestellt auf
ωrf = ωc / γ ...(7)
und die Amplitude E&sub0; des hochfrequenten elektrischen Feldes E&sub0; ist auf
Anschließend findet Achsendrehungs-Bündelung bei gleichzeitiger Angleichung der Achsendrehungsenergie γ · m&sub0;c² der Teilchen statt, und die Breite der Phasenverteilung verschmälert sich von 2π auf Δφ&sub1; In Gleichung (8) steht τ&sub0; für die Verweilzeit eines Teilchens im Resonanzhohlraum, definiert im längs der Magnetfeldachse bewegten Ruhesystems des Teilchens in der gleichen Weise wie die Bündelungszeitdauer tp und andere physikalische Größen. In der momentanen Praxis wird die Stärke des hochfrequenten magnetischen Feldes an der Peripherie der Gleichung (8) verändert. Die Bündelungsbreite Δφ&sub1; der Achsendrehungsphase ist gegeben durch
Δφ&sub1; = [(2ωc/γ /τ&sub0; / (1+a²)] · [(2-γ )/γ ] · (Δγ /γ )... (9)
a = (2ωc/γ ) · τ&sub0;/(1 - γ&supmin;¹)... (10)
Daher ist die Pulsbreite tp des Teilchenstrahls, dessen Phase in dem Resonanzhohlraum gebündelt wurde, gegeben durch:
tp = (γ / ωc) · Δφ&sub1; =
= [2τ&sub0; /(1+a²)] · [(2-γ / γ ] · (Δγ / γ ) ... (11)
Dabei symbolisiert Δγ die Fluktuation von γ .
In einem typischen Beispiel für CMC, einem Fall, in dem ein Teil der kinetischen Energie des Elektronenstrahls von (γ - 1) m&sub0; c² = 150 keV in die Achsendrehungsenergie (γ -1) m&sub0;c² = 50 keV durch die CMC-Einheit 2 umgewandelt wird, beträgt die Länge des Resonanzhohlraums L = 0,5 m, die Resonanzfrequenz ωrf = ωc/γ = 2 · 10¹&sup0; s&supmin;¹, τ&sub0; 3 x 10&supmin;&sup9; s und a² = 120, und wir erhalten tp = 2 · 10&supmin;¹¹ · (Δγ / γ ). Bei einer Energieauflösung von (Δγ /γ < 10&supmin;&sup4; ist tp schätzungsweise kleiner als 10&supmin;&sup4; s. Auch wenn der Wert von tp wegen Störungen des elektromagnetischen Feldes in Wirklichkeit etwas größer ist, ist dieser Wert ausreichend kleiner als die in der vorhergehenden Beschreibung der Erfindung bestimmte notwendige Zeitspanne. Außerdem ist, wie von diesem Erfinder ausführlich in der Offenlegungsschrift des japanischen Patents Nr. 2-223200 beschrieben, die Energie des Elektronenstrahls vereinheitlicht zu Δγ /γ < 10&supmin;&sup4;. Folglich muß T < 1 K erreicht werden, um den Elektronenstrahl 17 zeitkohärent zu machen.
Die zusätzliche Spule 13 kann zur Korrektur der Achsendrehungsphase eingeführt werden. Alternativ kann, für den Fall eines Apparats mit zirkulierendem Teilchenstrahl, wie z. B. einem Teilchenspeicherring, die Symmetrie des ganzen Apparats verbessert werden, indem die zusätzliche Spule 13 vom gleichen Typ wie die Spule 12 gewählt wird, die Zusatzspule 13 einzig in die Richtung des magnetischen Feldes gedreht wird und ein hochfrequenter Resonanzhohlraum 15 mit dazu passender Phase eingebaut Wird.
Da viele offensichtlich stark unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung denkbar sind, ohne deren Idee und Erfindungsschutz zu verlassen, muß die Erfindung als nicht limitiert auf ihre spezifischen Ausführungen verstanden werden, es sei denn, es ist in den angefügten Ansprüchen so angegeben.
In Einklang mit der vorliegenden Erfindung, die oben im Detail beschrieben wurde, können die folgenden Effekte beobachtet werden:
(1) 1925 legte Albert Einstein theoretisch die Möglichkeit einer Bose-Einstein Kondensation dar. Es ist jedoch extrem schwierig, die räumliche Kohärenz, wie sie in einem Bose-Einstein Kondensat existiert, in einem beschleunigten Teilchenstrahl mit einer Dichte, die viel kleiner ist als die von Teilchen in Materie, zu realisieren. Dagegen eröffnet das Vereinheitlichen der Energie eines gepulsten Teilchenstrahls in der Art dieser Erfindung den Weg für eine leichte Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls mit zeitlicher Kohärenz.
(2) CMC (Zyklotron-Maser-Kühlung) wird eingeführt. Dies bewirkt zusammen mit dem Induzieren einer Achsendrehung im Teilchenstrahl, ein Pulsen des Teilchenstrahls durch Phasenbündelung und gleichzeitig ein Vereinheitlichen der Teilchenstrahlenergie. Das Ergebnis ist die Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls mit Zeitkohärenz bei maximaler Effizienz.
(3) Die Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls mit zeitlicher Kohärenz für CMC-Benutzung ist möglich in Vorrichtungen vom Einfach-Leitungstyp wie Elektronenmikroskopen und in Apparaten vom Zirkulationstyp wie Teilchenspeichernngen. Eine Besonderheit dieser Erfindung liegt darin, daß absolut keine Beschränkung hinsichtlich der Energieart des Teilchenstrahls besteht.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls, wobei ein Teilchenstrahl erzeugt wird;

der Teilchenstrahl durch das Magnetfeld einer Spule mit einer zum Teilchenstrahl parallelen Magnetfeldachse durchgeleitet wird;

eine Achsendrehung des Teilchenstrahls innerhalb des Magnetfelds erzeugt wird;

und

der drehende Teilchenstrahl im Magnetfeld einem elektrischen Feld unterworfen wird, dessen Frequenz mit der Frequenz der Achsendrehung des Teilchenstrahls im Magnetfeld übereinstimmt und dessen Amplitude so gewählt ist, daß die Teilchen im Teilchenstrahl gebündelt werden und der Teilchenstrahl zeitkohärent gemacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Amplitude E&sub0; des elektrischen Feldes im Ruhesystem des drehenden Teilchens gegeben ist durch die Formel:

dabei ist γ ein relativistischer Energiefaktor der Achsendrehung, m&sub0; die Ruhemasse der Teilchen, c die Lichtgeschwindigkeit, ωc die Zyklotronfrequenz, τ&sub0; die Verweilzeit der Teilchen im elektrischen Feld und e&sub0; die elektrische Ladung der Teilchen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dadurch, daß der Teilchenstrahl einem elektrischen Feld unterworfen wird, auch eine Zyklotronmaserkühlung des Teilchenstrahls hervorgerufen wird.

4. Apparat zur Erzeugung eines kohärenten Teilchenstrahls, mit:

einer Einrichtung zur Erzeugung eines Teilchenstrahls;

einer Magnetspule zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen magnetische Achse parallel zum Teilchenstrahl liegt;

einer Ablenkvorrichtung, die den Teilchenstrahl beim Eintritt ins Magnetfeld ablenkt, um eine Achsendrehung des Teilchenstrahls innerhalb des Magnetfelds hervorzurufen;

einem Resonanzhohlraum innerhalb der Magnetspule und in der Spur des drehenden Teilchenstrahls; und

einer Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes im Resonanzhohlraum mit der gleichen Frequenz wie der Frequenz der Achsendrehung des Teilchenstrahls und mit einer Amplitude, bei der die Teilchen im Teilchenstrahl gebündelt werden und der Teilchenstrahl zeitkohärent gemacht wird.

5. Apparat nach Anspruch 4, wobei die Amplitude E&sub0; des elektrischen Feldes im Ruhesystem des drehenden Teilchens gegeben ist durch die Formel:

dabei ist γ ein relativistischer Energiefaktor der Achsendrehung, m&sub0; die Ruhemasse der Teilchen, c die Lichtgeschwindigkeit, ωc die Zyklotronfrequenz, t&sub0; die Verweilzeit der Teilchen im elektrischen Feld und e&sub0; die elektrische Ladung der Teilchen.