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摘要

稳态微聚束(steady-state micro-bunching, SSMB)原理采用激光操控储存环中的电子, 可形成具有精微纵向/时间结构的电子束团, 即微聚束. 通过有机结合微聚束辐射的强相干特性以及储存环内电子束的高回旋频率特性, SSMB光源可提供高平均功率、窄带宽的相干辐射, 波段可覆盖从太赫兹到软X射线, 具有巨大的科学及产业应用前景. 本文在对现有加速器光源—同步辐射光源和自由电子激光简要介绍的基础上, 对SSMB的概念及潜力、原理验证实验进展、核心物理及关键技术挑战、清华SSMB-EUV光源方案及其对科学研究和芯片光刻潜在的变革性影响进行总结论述. 所综述的工作是在我国自己创新性工作基础上进行的, 对于国内读者了解该领域的工作及发展具有一定的帮助.

关键词:

Abstract

Based on the laser manipulation of electron beam, the steady-state micro-bunching (SSMB) mechanism promises an electron bunch length six orders of magnitude smaller than that in a conventional storage ring. With the combination of the strong coherent characteristic of the radiation from micro-bunching and the high repetition rate of a storage ring, high-average-power, narrow-band coherent radiation with wavelengths ranging from THz to soft X-ray can be expected from an SSMB ring. Such a novel light source can provide unprecedented opportunities for accelerator photon science and industry applications like extreme ultraviolet (EUV) lithography. In this paper, the SSMB concept and its potential, the progress of SSMB proof-of-principle experiment, the key physics issues and technical challenges of an SSMB ring, the Tsinghua SSMB-EUV light source and its potential revolutionary influence on scientific research and EUV lithography are all reviewed. Some important results of the SSMB research achieved by us are also presented.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:唐传祥,tang.xuh@tsinghua.edu.cn

作者简介:

唐传祥, 清华大学教授. 1992年毕业于清华大学物理系获得理学学士学位, 同时在清华大学电子工程系获得工学学士(第二学位); 1996年清华大学工程物理系获工学博士学位. 2006—2012年曾任清华大学工程物理系系主任. 现任中国核学会常务理事、粒子加速器分会副理事长、辐射物理分会副理事长, 教育部高等学校核工程与核技术专业教学指导委员会副主任, 国务院学位委员会核科学与技术学科评议组秘书长, 国际未来加速器委员会(ICFA)先进新型加速器组(ANA)主席等.　　主要从事粒子加速器物理及应用等方面的科研及教学. 主要研究方向包括小型电子直线加速器及其应用、逆康普顿散射X/γ光源、低发射度光阴极微波电子枪、稳态微聚束新概念加速器光源等. 相关科研成果曾获国家科学技术进步一等奖、国家科学技术进步(创新团队)奖、国家自然科学二等奖、北京市科技进步一等奖、中国专利金奖等. 个人曾获得“国家杰出青年基金”、 “北京市优秀教师”、“北京市教育创新标兵”、教育部“新世纪人才”等

基金项目:清华大学自主科研专项(批准号: 20191081195)和国家自然科学基金(批准号: 12035010)资助的课题

Authors and contacts

Corresponding author:Tang Chuan-Xiang,tang.xuh@tsinghua.edu.cn

Funds:Project supported by the Tsinghua University Initiative Scientific Research Program, China (Grant No. 20191081195) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12035010)

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施引文献

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技术参数	单位	设计指标
储存环周长	m	100—150
电子束能量	MeV	$\geqslant 400$
束流强度	A	$\geqslant 1$
辐射波长	nm	5—100
13.5 nm EUV功率 (2%带宽内)	kW	$\geqslant 1$
13.5 nm EUV峰值/ 平均亮度	phs/s/mm²/mrad²/ 0.1%b.w.	$> 10^{23}$

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光源原理	主要特点
LPP	技术成熟, 已商业化, EUV光功率最高500 W左右, 难以支撑下一代光刻技术的进一步发展
SR	技术成熟, 成本较低, 但EUV光功率达不到EUV光刻大规模量产需求
SRF-FEL	EUV光功率可达1—10 kW量级, 造价相对高昂(数十亿), 规模较大(数百米),
SRF-FEL	商业化必须做能量回收(ERL), 实现大功率EUV输出, 还需许多技术突破
SSMB	EUV光功率可大于1 kW, 造价(数亿到十亿)及规模(周长$100—150$ m)适中,
	作为一种全新的光源原理, 原理实验验证已经实现, 需要建设运行在EUV波段的
	SSMB加速器光源研究装置, 培养科学及产业用户, 并提高其技术成熟度

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