Työskentelin aiemmin hiukkaskiihdyttimien suprajohtavien radiotaajuisten onteloiden parissa ja harkitsin vahvasti jatko-opintoja niin sanotuissa "koherenteissa valonlähteissä" eli röntgenlasereissa. Näin ne toimivat, ja ne ovat sirutuotannon tulevaisuus. se on erittäin siistiä.

Ensinnäkin, miksi röntgenlaserit? Valolla näkyvien asioiden koko tai kuviot, joita voit tehdä sillä (kuten sirulitografiassa), riippuvat aallonpituudesta. Tätä kutsutaan diffraktiorajaksi ja se rajoittaa esimerkiksi mikroskooppien ja teleskooppien resoluutiota

Mutta mikroskoopit ja teleskoopit tarkastelevat epäkoherenttia valoa, mikä tarkoittaa, että eri vaiheiden aallonpituudet ovat kaikki sekoittuneet yhteen. Jos asetat aaltojen huiput riviin, saat koherenttia valoa, jonka avulla voit nähdä asioita, jotka ovat jopa pienempiä kuin käytetty aallonpituus.

Kun kaksi koherenttia valonsädettä häiritsevät, pienet erot aaltohuippujen sijainnissa tuottavat interferenssikuvion, jonka etäisyys on pienempi kuin itse aallonpituus. Mekaaninen analogia on käyttää Vernier-asteikkoa mittaamaan paljon pienempiä etäisyyksiä kuin punkit

Nykyinen EUV-sirulitografia käyttää CO2-laseria, jonka aallonpituus on ~1e-6m ja joka osuu tinapisaraan. Tina kuumennetaan plasmaksi, jossa tonneittain elektroneja työnnetään virittyneisiin tiloihin. Kun ne putoavat takaisin alas, ne vapauttavat valoa suhteessa energiaeroon

Tina on "ihanteellinen materiaali" tähän, koska 13.5 nm:n aallonpituuden ympärille ryhmittyvien elektronitilojen tiheys on suuri "Todellinen" laser virittää yleensä vain yhden kohdetilan saadakseen kapean "viivanleveyden" tai yhden aallonpituuden, mutta tämä voi leveneä törmäyksillä jne

Sirun pienimpiä piirteitä rajoittavat nämä asiat - valon aallonpituus, kuinka kapea tai laaja emissiospektri on jne. Joten miksi emme vain etsisi korkeamman energian atomisiirtymiä saadaksemme vielä pienempiä aallonpituuksia ja tekisi röntgenlaseria?

Ongelmana on, että siirtymään liittyvä energia riippuu siitä, kuinka tiukasti elektroni on sidottu ytimeen, joten korkeaenergiset siirtymät tarkoittavat ydintä, jossa on tonneittain protoneja, ja elektroni on "syvällä" kiertoradan pinossa. Tätä on vaikea pumpata optisesti ja ylläpitää vakaata populaation käännöstä. Se tarkoittaa valtavien määrien elektronipilven poistamista "syvälle kaivamiseksi", mikä tarkoittaa pohjimmiltaan plasman muodostamista. Juuri tätä laser-tinapisarablaatio tekee - muodostaa lyhytikäisen plasman, joka pääsee käsiksi syviin elektronisiirtymiin saadakseen korkeaenergistä valoa ulos.

joten miten teemme röntgenlaserin? Sanomme - unohda sähköiset siirtymät kokonaan. Aiomme työskennellä itse elektronien kanssa, kiihdyttää niitä hiukkassäteellä ja sitten ravistella niitä rajusti magneettikentillä. Tässä se viileää

Elektronisäteiden kiihdyttäminen tarkoittaa erittäin voimakkaiden sähkökenttien tuottamista, jotta ne saavat paljon energiaa. Jos kyseessä on jatkuva kenttä, saat sähköpurkauksia, hiukkaspäästöjä - se rikkoutuu ajan myötä. Jos se on vuorotteleva kenttä, aikakeskiarvokenttä on nolla. Mutta vuorottelevat sähkökentät luovat muuttuvia magneettikenttiä, jotka indusoivat ohimeneviä virtoja

Ohimenevät virrat menettäisivät normaalisti paljon energiaa ympäröivällä johtimen pinnalla, minkä vuoksi nykyaikaiset hiukkaskiihdytinontelot on valmistettu suprajohtavasta materiaalista nimeltä niobium. Suprajohtavat radiotaajuiset ontelot ovat erittäin kypsä tekniikka - CERNissä jne

Ongelma on kuitenkin se, että koska sähkökenttä on vaihtovirtaa, puolet ajasta se osoittaa vastakkaiseen suuntaan. Joten niputat hiukkaset niin, että ne "ohittavat" hidastuvan kentän ja näkevät vain kiihtyvän kentän

Mielenkiintoinen sivuseikka on, että elektronin massa on vain 511 keV/c^2, mikä tarkoittaa, että jos kiihdytät sitä 1 megavoltin kentällä, puolet sen kokonaisenergiasta on kineettistä, toinen on massa (E=mc^2). Tämä tarkoittaa, että se on jo 94 % valon nopeudesta. Tämä on tärkeää...

Koska se tarkoittaa, että voit pinota pitkiä osia SRF-onteloista päällekkäin, jotka toimivat synkronisesti. SRF:n ontelot voivat nousta 30 megavolttiin/metri, ja röntgenlaitteet asettavat ne maileittain riviin Stanfordin LCLS-2:ssa on elektroneja 4 GeV:n jännitteellä

Näillä relativistisilla nopeuksilla voit lisätä hiukkasnipun energiaa 1000-kertaiseksi ja muuttaa sen todellista nopeutta vain >1 % - kyllä, suhteellisuusteoria on outoa. Miksi tämä on tärkeää, on se, miten röntgensäteet todella syntyvät, kun elektronit heiluvat magneettien välillä

Kun elektroni kulkee magneettikentän läpi, se tuntee Lorentzin voiman ja muuttaa suuntaa - tämä kiihtyvyys saa sen sylkemään fotoneja ulos. "Vapaaelektronilaserissa" johdat elektroneja pitkän sarjan vuorottelevien magneettien läpi, jotta ne heiluttavat fotoneja

Koska elektronien nopeus on ~1c, ne kulkevat samalla nopeudella kuin lähettämänsä fotonit. Näiden fotonien sähkökenttä on sitten vuorovaikutuksessa elektronien kanssa vetääkseen elektronikimppuja lähemmäs toisiaan - mm:stä nm:ään

Näin vapaaelektronilaserit "itsevahvistuvat" - kun elektronien fotonikenttä niputtaa elektronit lähemmäs toisiaan, uudet säteilevät fotonit pinoutuvat lähemmäs ja lähemmäs

FEL:n lopussa ohjaat elektronikimput pois ja jäljelle jää suuritehoinen, erittäin pieni aallonpituuslaser, joka voi kuvata yksittäisiä atomeja/molekyylejä. Tai tuota historian pienimmät siruominaisuudet!

Sivuhuomautus: uudempi lähestymistapa, joka kilpailee kilometrin pituisten SRF-ontelosäteiden kanssa, on käyttää plasmaa kiihdytysaineena, joka voi saavuttaa 1000 kertaa suurempia sähkökenttiä kuin SRF-ontelo (joita rikkoutuminen ja muut vaikutukset rajoittavat). Huono puoli on pienempi elektronisäteen kirkkaus, mutta voit "pinota" useita herätyskentän plasmakiihdyttimiä yhteen saadaksesi yhä enemmän elektronikimppuja heiluttelijaasi.