CN109041393B

CN109041393B - 一种超快硬x射线源的产生装置及方法

Info

Publication number: CN109041393B
Application number: CN201810666848.6A
Authority: CN
Inventors: 朱常青; 王进光; 冯杰; 李毅飞; 李大章; 何雨航; 谭军豪; 张保龙; 陈黎明
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2038-06-26
Also published as: CN109041393A

Abstract

本发明涉及一种超快硬X射线源产生装置，包括：气体输运系统单元，用于喷溅出高Z气体；激光系统单元，用于产生飞秒激光，所述飞秒激光与所述高Z气体相互作用产生电子束；等离子体镜单元，用于返回并聚焦没有与所述高Z气体相互作用的剩余飞秒激光，所述剩余飞秒激光与所述电子束发生对撞并产生超快硬X射线源。

Description

一种超快硬X射线源的产生装置及方法

技术领域

本发明涉及X射线技术领域，特别涉及一种超快硬X射线源的产生装置及方法。

背景技术

随着科技的发展，人们对X射线的认识不断深入，同时也在不断拓展X射线的新研究领域，超快硬X射线就是其中之一。硬X射线的波长范围在0.01nm～0.1nm之间，因具有较高的能量和穿透能力，被广泛应用于医学、生物学和材料学等众多领域，例如，用于探伤，或者放射性疗法等。

传统的硬X射线产生方式有同步辐射法、轫致辐射法和原子核裂变法等，由于这些产生硬X射线的发生装置一般尺寸比较大，价格较贵，，不易被推广使用。基于新型的激光等离子体加速器产生的超快硬X射线源具有源尺寸小、通量高和飞秒超快等特性而被人们所青睐。目前产生超快硬X射线的装置大都采用了基于逆康普顿散射原理的散射方式，具体包括以下两种类型，一种是采用两束激光，其中一束驱动激光用于产生尾波场并加速电子，另一束对撞激光用于与高能电子对撞产生高能射线源，这种方式由于电子和激光很难在时间和空间上重合，实施起来困难较大；另一种是采用一束激光和等离子体镜相结合的方式，将激光的一部分能量用来加速电子，剩下一部分能量被等离子体镜反射回来并再聚焦，与电子对撞产生高能射线源，这种方式在时间和空间上是自同步地，控制方式相对简单，但由于一束激光的能量有限，而限制了硬X射线能量和产额的提升空间。

因此，需要一种通量高且稳定性强的超快硬X射线源产生装置及方法。

发明内容

本发明提供一种超快硬X射线源产生装置，包括：

气体输运系统单元，用于喷溅出高Z气体；

激光系统单元，用于产生飞秒激光；所述飞秒激光与所述高Z气体相互作用产生电子束；

等离子体镜单元，用于返回并聚焦没有与所述高Z气体相互作用的剩余飞秒激光；所述剩余飞秒激光与所述电子束发生对撞并产生超快硬X射线源。

优选的，所述气体输运系统单元包括超音速气体喷嘴、电磁阀、电磁阀控制器以及输气管道，所述等离子体镜单元设置在所述超音速气体喷嘴后沿200～400微米处。

优选的，该产生装置还包括：

光学监测系统单元，用于监测并调整所述激光系统单元产生的所述飞秒激光的传播方向和聚焦状况；

时间同步系统单元，用于保证所述激光系统单元与所述气体输运系统单元在启动时间上保持同步。

其中，所述激光系统单元产生的所述飞秒激光在所述焦点位置与所述高Z气体相互作用。

优选的，所述光学监测系统单元包括摄像头和若干个可调整姿态的高反射率镜片。

优选的，所述产生装置还包括用于导出和优化所述电子束的电子束出束单元，和用于导出所述硬X射线源的硬X射线出束单元。

优选的，所述产生装置还包括光学诊断系统单元，所述光学诊断系统单元包括用于诊断所述电子束的产生过程及品质的俯视测量系统、用于记录所述飞秒激光在等离子体中演化过程的阴影测量系统、以及用于测量所述等离子体密度的干涉条纹测量系统。

优选的，所述产生装置还包括能谱测量系统单元，所述能谱测量提供单元包括用于测量所述电子束参数的电子能谱测量系统和用于测量所述硬X射线源参数的硬X射线能谱测量系统。

优选的，所述电子能谱测量系统包括磁铁、磷荧光屏和光学电荷耦合元件；所述硬X射线能谱测量系统包括滤光片组和成像板。

根据本发明的另一个方面，还提供一种超快硬X射线源的产生方法，包括以下步骤：

1)将飞秒激光与高Z气体相互作用，产生高能电子束；

2)将没有与高Z气体相互作用的剩余飞秒激光返回经再聚焦与所述高能电子束发生对撞并产生超快硬X射线源。

优选的，所述步骤1)进一步包括：

监测并调整激光状态，使所述飞秒激光在焦点处于所述高Z气体相互作用。

优选的，上述产生方法还包括以下步骤：

3)测量所述飞秒激光在等离子体中的演化及所述等离子体的密度；

4)导出并测量所述高能电子束的参数以及所述超快硬X射线源的参数。

相对于现有技术，本发明取得了如下有益技术效果：本发明提供的超快硬X射线源产生装置及方法，采用了高重频太瓦级的飞秒激光器，在短时间内累积足够多的光子数进行快速成像；采用低背压的高Z气体与飞秒激光相互作用产生高能电子束，提高了激光能量的透过率；再利用设置在气体喷嘴后沿处的等离子体镜返回并再聚焦剩余的飞秒激光与高能电子束对撞产生超快硬X射线，进一步提高了剩余飞秒激光的强度，增加了X射线的光子产额；同时，在保证高能电子束的品质的前提下将飞秒激光聚焦的位置尽量靠近气体喷嘴后沿，防止了剩余飞秒激光到达喷嘴后沿时发散，提高了剩余飞秒激光与电子束对撞时的散射截面。

附图说明

图1是本发明提供的超快硬X射线源产生装置结构示意图。

图2是本发明优选实施例提供的光学诊断系统单元结构示意图。

图3是本发明优选实施例提供的能谱测量系统单元结构示意图。

图4是本发明优选实施例提供的超快硬X射线源产生方法的光路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

发明人通过研究发现，传统的基于Betatron振荡和轫致辐射的超快硬X射线产生装置，由于Betatron振荡产生的X射线能量较低，轫致辐射的连续谱中的在硬X射线能段的光子数较少，导致无法产生高通量且稳定性强的超快硬X射线源；而直接利用基于逆康普顿散射原理来提升硬X射线源的产额又十分困难，这是因为，一方面，目前的逆康普顿散射装置采用的都是高背压、低透过率的氦气或氦氮混合气体，导致无法提高返回光的强度；另一方面，由于激光容易发生散焦，导致用于与电子产生对撞的再聚焦部分功率密度有限。

为了克服上述技术障碍，获得稳定的高通量超快硬X射线源，发明人经大量实验，提出了一种基于高重频太瓦级飞秒激光器的硬X射线产生装置，下面将结合附图和实施例对其进行详细说明。

图1是本发明提供的超快硬X射线源产生装置结构示意图，如图1所示，该产生装置包括用于控制整个产生装置的总控制系统单元4，以及分别与该总控制系统单元4连接的并受该总控制系统单元控制的以下单元，具体有：用于为整体产生装置提供电源的电源系统单元1，用于保证产生装置中各单元时间同步的时间同步系统单元2，用于监测激光状态的光学监测系统单元3以及运行在真空环境下的用于产生硬X射线和电子束的真空系统单元12；另外，该产生装置还包括与上述真空系统单元12相连并用于测量该产生装置运行过程中各项光学参数的光学诊断系统单元9，以及同样与上述真空系统单元12相连并用于能谱测量的能谱测量系统单元11。

上述真空系统单元12包括与总控制系统单元4连接的激光系统单元5和气体输运系统单元6，与激光系统单元5连接的等离子体镜单元7，分别与激光系统单元5和气体输运系统单元6连接的电子束出束单元8，以及连接于等离子体镜单元7和电子束出束单元8的硬X射线出束单元10，其中，电子束出束单元8还连接于上述光学诊断系统单元9，电子束出束单元8和硬X射线出束单元10还分别连接于能谱测量系统单元11。

总控制系统单元4控制上述产生装置启动时，电源系统单元1为整个系统供电，时间同步系统单元2使激光系统单元5的触发信号与光学监测系统单元3在时间上保持同步，从而在光学监测系统3的监测下，使激光系统单元5产生的飞秒激光能够在焦点处与气体输运系统单元6喷溅出来的低背压高Z气体(即透光率超过90％的气体)发生相互作用，产生高能电子束，高能电子束经电子束出束单元8导出并与等离子体镜单元7返回再聚焦的剩余激光脉冲发生对撞，从而产生高能硬X射线源，并经由硬X射线出束单元10导出。

在本发明的一个实施例中，上述激光系统5可以采用高重频太瓦级飞秒激光器来提供飞秒激光脉冲，上述光学监测系统3可包括摄像头和若干个可调整姿态(例如利用电机进行调整)的高反射率镜片；产生装置运行时，激光系统5发出的激光脉冲，通过高反射率镜片在真空环境中传播，利用上述摄像头可以对飞秒激光的状态进行监控，进而通过调整镜片姿态，使飞秒激光能够在焦点附近与高Z气体发生作用。

在本发明的一个实施例中，上述气体输运系统6包括超音速气体喷嘴、超快螺线圈电磁阀以及输气管道；高Z气体由气体储存钢瓶导出后，通过上述输气管道，接入电磁阀，经超音速气体喷嘴喷溅而出；另外，上述时间同步系统单元2可外接在电磁阀处，以便确保与光学监测系统单元3的同步触发。

在本发明的一个实施例中，上述电子束出束单元8还用于对电子束进行准直，从而优化导出的电子束的品质。

在本发明的一个实施例中，可以通过修改上述激光系统单元5的相关设定，例如，激光能量、脉冲宽度、对比度等参数，调整导出的电子束的参数，从而实现对一束激光能量的合理分配，使一束激光基于激光尾波场电子加速原理获得稳定的超快硬X射线源。

图2是本发明的一个优选实施例的光学诊断系统单元结构示意图，如图2所示，该光学诊断系统单元9包括俯视测量系统13、阴影测量系统14和干涉条纹测量系统15；其中，俯视测量系统13用于诊断电子束的产生过程及其品质，阴影测量系统14用于记录飞秒激光在等离子体中的演化，干涉条纹测量系统15用于测量等离子体的密度。

图3是本发明的一个优选实施例的能谱测量系统单元结构示意图，如图3所示，该能谱测量系统单元11包括电子能谱测量系统16和硬X射线能谱测量系统17；其中，电子能谱测量系统16由磁铁、磷荧光屏和光学电荷耦合元件(CCD)组成，用于对产生的高能电子束进行参数测量，可以得到电子束的品质如发散角、指向稳定性、能谱和电量等信息；硬X射线能谱测量系统17由多种不同种类和厚度的金属对构成的滤光片组和IP(Imaging Plate)成像板组成，用于对产生的高能硬X射线源进行参数测量，可以得到硬X射线源的品质如发散角、能谱和光子产额等信息。

根据本发明的另一个方面，还提供一种硬X射线源的产生方法，该方法通过将飞秒激光聚焦作用在低背压、高透过率的高Z气体上产生高能电子束，再将剩余激光反射回与电子束发生对撞，从而获得高通量高稳定的超快硬X射线源，下面以具体实施例对该方法进行详细说明。

图4是本发明优选实施例提供的硬X射线源产生方法的光路示意图，如图4所示，该方法具体包括以下步骤：

S10产生电子束

在真空环境下，飞秒激光器将脉宽为25fs，波长为800nm的飞秒激光主光束经一个f/12.5的离轴抛物面镜(图4中未示出)汇聚成一个仅有10微米(束腰半径)大小的激光焦斑与高Z气体(例如，纯氮气或纯氧气)相互作用产生高能电子束；其中，高Z气体经电磁阀(图4中未示出)从1.2×4mm的矩形气体喷嘴喷溅而出；电磁阀外接有DG535数字延时发生器，用以确保在激光信号的触发时刻与超音速气体的喷溅时刻相同；同时，可以利用与离轴抛物面镜相连的电机对其调整姿态，以便保证激光在焦点附近与高Z气体发生相互作用。

S20产生硬X射线源

在真空环境下，上述主光束在输出电子束后，剩余部分经厚度为100μm的石英玻璃(即等离子体镜)返回再聚焦，并与电子束发生对撞，产生高能硬X射线源，其中，上述石英玻璃可放置在气体喷嘴后沿的200～400μm处，一方面，不会因为距离激光的焦点过近破坏镜表面的光学特性，影响返回光的再聚焦；另一方面，也不会因距离太远导致激光提前发散，降低光子产额。

在本发明的一个实施例中，可以通过改变等离子体镜的位置调整返回光的时间和空间特性。

S30导出与测量

将0.9T的磁谱仪设置在气体喷嘴后(例如60CM处)，使利用上述步骤获得的电子束发生偏转，再利用荧光屏(DRZ)和16位光学电荷耦合元件(CCD)、来对电子束的品质进行监测，例如发散角、指向稳定性、能谱和电量等。

将上述步骤S20获得超快硬X射线源经由多种不同种类和厚度的金属对构成的滤光片组，根据光激励发光(PSL)记录使其成像在成像板(IP)上，从而对硬X射线源的品质进行监测，例如，发散角、能谱和光子产额等。

在本发明的一个实施例中，上述硬X射线产生方法还包括利用探测光对电子束和硬X射线源的产生过程进行监测，具体包括：

利用第一透镜组和商用数字单反相机(SLR)对90度汤姆逊散射的俯视图像进行拍摄，从而监测电子束的产生过程和品质；

利用Nomarski干涉仪，其包括第二透镜组、沃拉斯顿棱镜、偏振片和可视相机，基于干涉条纹测量法，测量等离子体的密度。

在上述步骤中如果将Nomarski干涉仪中的沃拉斯顿棱镜和偏振片去掉，可以对等离子体通道的阴影进行成像，从而记录激光在等离子体中的演化；

通过测量电子束与硬X射线源的品质，以及对产生过程的监控，可以实时调整上述产生过程，使获得的电子束与硬X射线源满足需求标准。

尽管在上述实施例中，采用了特定参数的装置为例来说明本发明提供的硬X射线源的产生方法，但本领域普通技术人员应理解，在其它实施例中，还可以根据需求选择其它具有相同功能的仪器执行本发明提供的产生方法来产生超快硬X射线源。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims

1.一种超快硬X射线源的产生装置，包括：

气体输运系统单元，通过喷溅出低背压高Z气体，产生透光率超过90%的气体；

等离子体镜单元，用于返回并聚焦没有与所述高Z气体相互作用的剩余飞秒激光；所述剩余飞秒激光与所述电子束发生对撞并产生硬X射线源；

其中，所述气体输运系统单元包括超音速气体喷嘴、电磁阀以及输气管道，所述等离子体镜单元设置在所述超音速气体喷嘴后沿200~400微米处；

还包括：

时间同步系统单元，用于保证所述激光系统单元与所述气体输运系统单元在启动时间上保持同步；

其中，所述激光系统单元产生的所述飞秒激光的焦点位置靠近所述超音速气体喷嘴后沿，所述飞秒激光在焦点处与所述高Z气体相互作用。

2.根据权利要求1所述的超快硬X射线源的产生装置，其特征在于，所述光学监测系统单元包括摄像头和若干个可调整姿态的高反射率镜片。

3.根据权利要求1所述的超快硬X射线源的产生装置，其特征在于，所述产生装置还包括用于导出和优化所述电子束的电子束出束单元，和用于导出所述硬X射线源的硬X射线出束单元。

4.根据权利要求1所述的超快硬X射线源的产生装置，其特征在于，所述产生装置还包括光学诊断系统单元，所述光学诊断系统单元包括用于诊断所述电子束的产生过程及品质的俯视测量系统、用于记录所述飞秒激光在等离子体中演化过程的阴影测量系统、以及用于测量所述等离子体密度的干涉条纹测量系统。

5.根据权利要求1所述的超快硬X射线源的产生装置，其特征在于，所述产生装置还包括能谱测量系统单元，所述能谱测量系统单元包括用于测量所述电子束参数的电子能谱测量系统和用于测量所述硬X射线源参数的硬X射线能谱测量系统。

6.根据权利要求5所述的超快硬X射线源的产生装置，其特征在于，所述电子能谱测量系统包括磁铁、磷荧光屏和光学电荷耦合元件；所述硬X射线能谱测量系统包括金属滤片组和成像板。

7.一种超快硬X射线源的产生方法，包括以下步骤：

1）由超音速气体喷嘴喷溅出低背压高Z气体，产生透光率超过90%的气体；将飞秒激光与所述透光率超过90%的气体相互作用，产生高能电子束,

监测并调整激光状态，使所述飞秒激光在焦点处与所述高Z气体相互作用，其中

所述飞秒激光的焦点位置靠近所述超音速气体喷嘴后沿；

2）将没有与高Z气体相互作用的剩余飞秒激光返回经再聚焦与所述高能电子束发生对撞并产生硬X射线源。

8.根据权利要求7所述的超快硬X射线源的产生方法，其特征在于，还包括以下步骤：

3）测量所述飞秒激光在等离子体中的演化及所述等离子体的密度；

4）导出并测量所述高能电子束的参数以及所述超快硬X射线源的参数。