CN105448629A - 超快脉冲x射线源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超短脉冲X射线源系统，包括电子枪、电子光学系统、金属阳极、窗口以及真空管壁；电子枪是发射源，电子光学系统设在电子枪的出射光路上，电子光学系统包括依次设置的电子加速系统、聚焦系统，高速扫描系统；金属阳极与聚焦系统之间加电压形成电场；电子枪、电子光学系统、金属阳极均设在真空管壁内，窗口设在真空管壁的一侧壁上。本发明是稳定可靠的时间分辨达到皮秒量级的X射线脉冲源系统，通过真空环境中高速扫描电子束，轰击金属细丝，产生超短脉冲X射线装置；采用高速扫描的电子束轰击金属细丝，可以实现极快皮秒量级的X射线脉冲发射。

Description

超快脉冲X射线源系统

技术领域

本发明涉及一种超短脉冲X射线源系统；该系统通过真空环境中高速扫描电子束，轰击金属细丝，产生超短脉冲X射线装置。

背景技术

传统的X射线源，通过调制栅极电压，脉冲很难到微秒水平。无法满足纳秒甚至皮秒的超快探测需要。

发达国家较早开展了目前超短ps脉冲X射线源，采用飞秒激光轰击真空条件下的金属尖端实现皮秒量级的超快X射线脉冲发射。该方法目前较为成熟，很多的研究机构采用此方法获得超快X射线源进行超快现象的研究。由于必须高峰值功率飞秒激光光源作为光源，成本高昂，稳定性和可靠性不高，难以形成能够市场应用的超短脉冲X光源。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供一种稳定可靠的时间分辨达到皮秒量级的X射线脉冲源系统，通过真空环境中高速扫描电子束，轰击金属细丝，产生超短脉冲X射线装置；采用高速扫描的电子束轰击金属细丝，可以实现极快皮秒量级的X射线脉冲发射。

本发明的技术解决方案是：超短脉冲X射线源系统，其特征在于：包括电子枪、电子光学系统、金属阳极、窗口以及真空管壁；所述电子枪是发射源，电子光学系统设在电子枪的出射光路上，电子光学系统包括依次设置的电子加速系统、聚焦系统，高速扫描系统；所述金属阳极与聚焦系统之间加电压形成电场；所述电子枪、电子光学系统、金属阳极均设在真空管壁内，窗口设在真空管壁的一侧壁上。

上述电子光学系统包括依次设置的聚焦加速电极板以及偏转电极板。

在偏转电极加高速扫描电场实现对电子束的高速扫描，压缩电子轰击金属阳极的时间，实现超短脉冲X射线发射。

上述金属阳极是金丝或采用在透过X射线的衬底上镀金膜并光刻的方法获得；所述金属丝是微米到毫米级金属细丝，材料为金、钼、钨、铜。

上述金丝接地，防止工作中电荷堆积。

上述聚焦加速电极板是孔状电极板或桶装电极。

真空管壁采用金属材料，屏蔽并吸收多余X射线，防止泄漏。

上述窗口材料为透X射线的材料。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

1)本发明真空环境中高速扫描电子束，扫过金属细丝时，产生超短脉冲X射线；

2)本发明采用高速扫描电场实现对电子束的高速扫描，压缩电子轰击金属阳极的时间，可以达到皮秒量级的超短脉冲X射线发射；

3)本发明采用极细的金属阳极，例如金阳极，大大减少了电子轰击阳极的时间；

4)本发明金属阳极可以采用在透过X射线的衬底上镀金膜，并光刻的方法得到；

5)本发明可以产生连续X射线脉冲，并且占空比可控；在连续脉冲工作时，可以采用金属网或者光刻金属图形，经扫描电子轰击产生高速超短X脉冲序列；

6)系统可以通过调节扫描速度，可以调节发射X射线的脉冲宽度；

7)系统中可以具有电子聚焦系统，采用电场或磁场形式聚焦电子束，有利于缩短X射线脉冲时间宽度；

8)通过调节扫描电压的扫描周期调节发射X射线的重复频率；

9)可以通过调节电子枪和加速电极的电场强度，调节发射X射线的能量和强度。

10)本发明具有可靠性高、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明系统的电子光学系统示意图；

其中：1—电子枪；2—聚焦加速电极板；3—偏转电极板；4—金丝；5—窗口；6—真空管壁；

具体实施方式

参见图1、图2，本发明提供的测试装置包括：高速扫描电子光学系统，超短脉冲X射线发射系统；

其原理主要是：真空环境中，电子枪1发射电子束，经电子光学系统进行加速和聚焦，并进入双板电极间在高速扫描电压下进行高速扫描，阳极为微米量级宽度的金属细丝，材料可选金等具有良好X射线发射能力的材料，电子束轰击到金阳极产生X射线脉冲，电子轰击到金阳极的时间由扫描速度控制，通常与阳极的宽度成正比与扫描的速度成反比。所以通过减小阳极宽度和提高扫描速度使电子轰击金阳极的时间在皮秒量级，产生的X射线可以达到皮秒的高速脉冲，经过光窗输出。可以将X射线源应用于各种环境。

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的说明。

当电子枪1作为阳极发射电子，通过控制阳极电压控制电子发射的速度，通过优选电子枪，调整电子发射的电子密度。

电子在加速电压下加速飞向阳极，期间经过电子光学聚焦，将电子束斑压缩，控制在微米量级，可以提高电子轰击阳极的能量密度，减小轰击阳极的时间。中间设置双板电极，对经过的电子束进行高速扫描。可以调制扫描电子轰击阳极细丝的时间宽度，电子轰击金属时，使金属材料内层电子脱离原子形成空位，外层电子发生跃迁至内层空位，放出X射线，形成超短脉冲X发射。

目前扫描电路可实现周期为纳秒以下的高速扫描，扫描的行程在厘米范围量级，金丝的加工直径可以达到20微米以下。例如采用扫描行程20毫米，金丝直径20微米，扫描单程时间1纳秒，这样聚焦电子与金丝的作用时间：

20um/20mm×1ns＝1ns/1000＝1ps

这样电子短时间轰击金丝产生的X射线的脉冲宽度可以控制在ps水平。由于电子轰击金材料相互作用的时间很短，脉冲展宽效应很短，可以忽略。进一步提高扫描速度可以大大提高脉冲速度。

参见图1，本发明优选实施的装置包括电子枪1，聚焦加速电极板2，偏转电极板3，金丝4，窗口5，真空管壁6。

电子枪1作为电子发射源。可以采用热电子发射的电子枪，或者光电阴极。用以产生稳定的电子源。

电子光学系统包括电子加速系统、聚焦系统，高速扫描系统。扫描速度可达纳秒以下水平，聚焦电子束斑到微米水平；用以加速和聚焦电子，同时对电子束进行高速的扫描；

加速系统即是加速电极形成电场对电子进行加速，提高电子能量提高X射线的产生几率；

聚焦系统采用加压电极或称磁场形成电场或磁场透镜，对电子进行聚焦，压缩电子与金丝的作用时间。

高速扫描系统，是侧向电场电极高速变化电场强度，实现对电子束的偏转角度的高速调制，实现电子束与金丝的短时间相互作用。

加速系统、聚焦系统，高速扫描系统采用聚焦加速电极板2以及偏转电极板3；

金属阳极采用金丝4，金属阳极与聚焦电极之间加电压形成电场，确保电子向阳极的运动。

金属阳极细丝，例如采用金、钼、钨、铜等X射线发射率较高的材料，具有良好的延展性，可拉制成微米级的细丝，或者在透过X射线的衬底上镀金膜，并光刻的方法得到；同时X射线发射能力较好；在连续脉冲工作时，可以采用金属网或者光刻金属图形，经扫描电子轰击产生高速超短X脉冲序列；

整个装置为真空系统，各个部件均设在真空管壁6内，电子的产生、扫描、轰击产生X射线，过程在真空中进行，产生的X射线经过光窗从真空系统中发射出来，进入应用环境。

实际使用时，电子枪1采用独立供电的模块，孔状电极板可以形成透镜状的电场对电子进行聚焦，也可以采用桶装等电极形成磁场对电子进行磁聚焦，压缩焦斑尺寸；在电子枪1和孔状电极之间加电场，对电子进行加速，提高电子的能量，可以提高X射线的产生效率。

扫描的双板电极根据需要优化设计，在双板电极之间加高速扫描电压，由扫描电压模块提供电信号。金属细丝需要接地，防止工作中电荷堆积。

管壁采用金属材料如不锈钢等，可以屏蔽并吸收多余X射线；防止泄漏；

窗口5材料为石英等透X射线的材料。

系统可以通过调节扫描速度，可以调节发射X射线的脉冲宽度；

可以通过调节电子枪和加速电极的电场强度，调节发射X射线的能量和强度。

Claims (8)

1.超短脉冲X射线源系统，其特征在于：包括电子枪、电子光学系统、金属阳极、窗口以及真空管壁；所述电子枪是发射源，电子光学系统设在电子枪的出射光路上，电子光学系统包括依次设置的电子加速系统、聚焦系统，高速扫描系统；所述金属阳极与聚焦系统之间加电压形成电场；所述电子枪、电子光学系统、金属阳极均设在真空管壁内，窗口设在真空管壁的一侧壁上。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲X射线源系统，其特征在于：所述电子光学系统包括依次设置的聚焦加速电极板以及偏转电极板。

3.根据权利要求2所述的超短脉冲X射线源系统，其特征在于：在偏转电极加高速扫描电场实现对电子束的高速扫描，压缩电子轰击金属阳极的时间，实现超短脉冲X射线发射。

4.根据权利要求3所述的超短脉冲X射线源系统，其特征在于：所述金属阳极是金丝或采用在透过X射线的衬底上镀金膜并光刻的方法获得；所述金属丝是微米到毫米级金属细丝，材料为金、钼、钨、铜。

5.根据权利要求4所述的超短脉冲X射线源系统，其特征在于：所述金丝接地，防止工作中电荷堆积。

6.根据权利要求5所述的超短脉冲X射线源系统，其特征在于：所述聚焦加速电极板是孔状电极板或桶装电极。

7.根据权利要求6所述的超短脉冲X射线源系统，其特征在于：真空管壁采用金属材料，屏蔽并吸收多余X射线，防止泄漏。

8.根据权利要求7所述的超短脉冲X射线源系统，其特征在于：所述窗口材料为透X射线的材料。