CN109243949A - 一种脉冲功率驱动的高亮度x射线源 - Google Patents

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李正红
马弘舸
吴洋
邓德荣
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Abstract

本发明涉及一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，属于X射线源技术领域，包括强流脉冲功率源、由超导磁体组成的真空室和脉冲激光器，所述强流脉冲功率源产生强流电子束从真空室一端射入，所述脉冲激光器发出的强激光从真空室的另一端射入，所述强流电子束在超导磁体产生的引导磁场引导下以很小束斑同脉冲激光器发出的强激光相互作用，在此作用过程中，电子受到激光电场作用，而使电子垂直其运动方向上下摆动，由此产生高亮度X射线，本发明不仅装置成本低、建造周期短、结构紧凑和运行维护容易，而且装置提供的X射线波长在较大的范围可调、有较好的方向性、光斑较小(R＜1mm)、光子数多(～109)、脉冲宽度～ns，运行频率可以达到100Hz的X射线光源。

Description

一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源
技术领域
本发明属于X射线源技术领域，具体地说涉及一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源。
背景技术
目前产生强X射线的主要方法有：第四代光源XFEL、COMPTON散射、储存环的同步辐射、用ICF的强激光来产生X射线、Z-pinch等，其中第四代光源XFEL的优点是X射线的亮度高、脉冲快(～100fs)，同时其缺点也很明显，成本高(需要电子能量达到10GeV的高能高亮度电子束)、技术难度大、研制周期长等，技术难度主要体现在电子束品质，无论是DESY的欧洲XFEL，还是SLAC的LCLS，为了使电子束品质满足XFEL的严格要求，都采用了特殊的措施来提高电子束品质：1)rf photoinjetor提供～1nC/10ps(峰值流强～100A)，归一化发射度～1um的电子束；2)通过两个Chicane将电子束脉冲宽度压缩到～200fs，使电子束流强提高到～5kA的水平，然而尽管SLAC的LCLS采取了很多措施克服电子束在传输、加速、和Chicane压缩过程中很多因素对电子束品质的影响，实现了XFEL出光，但是这些影响因素客观存在：1)提高装置成本；2)也为其他装置的XFEK出光带来不确定性；3)影响XFEL向更短波长的发展。
基于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，其具有成本低、研制周期短、结构紧凑、维护容易的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，包括强流脉冲功率源、由超导磁体组成的真空室和脉冲激光器，所述强流脉冲功率源产生强流电子束从真空室一端射入，所述脉冲激光器发出的强激光从真空室的另一端射入，所述强流电子束在超导磁体产生的引导磁场引导下以很小束斑同脉冲激光器发出的强激光相互作用，在此作用过程中，电子受到激光电场作用，而使电子垂直其运动方向上下摆动，由此产生高亮度X射线。
进一步，所述强流脉冲功率源的场发射阴极设置在真空室内。
进一步，所述强流脉冲功率源的场发射阴极产生电子能量1—3MeV，流强～10kA，脉冲宽度～50ns的强流电子束。
进一步，所述超导磁体的磁感应强度为5T。
进一步，所述高亮度X射线的波长λ＝4-70nm，光斑R<1mm，发散角Δθ＜1.0mrad，光子数为N～1010。
本发明的工作原理如下：
场放射阴极在脉冲高压作用下，电子从场放射阴极发射，该电子束(电子束流强～10kA)在强引导磁场作用下向前运动，同时在运动中电子还同激光光场相互作用，这种作用使电子垂直其运动方向上下或左右摆动，由此电子辐射出X射线，该X射线的光子能量为：
hv＝4γ2hv0 (1)
式中hv为X射线光子的光子能量，hv0摆动激光的光子能量，(这里选YAG脉冲激光为摆动激光，因此摆动激光波长λ0＝1064nm，光子能量hv0＝1.165eV)，γ＝1+E/m0c2为电子相对论因子。当电子能量E＝3.0MeV时，γ＝7，则X射线的光子能量为hv～228keV，相应波长也为：λ＝5.4nm。
在摆动激光光场作用下，电子垂直其运动方向上下或左右摆动的运动为：
其中E0为作用区激光光场，k0＝2π/λ0，βz为作用区电子纵向运动速度与光速之比(βz接近1)，由此可以给出X射线的光子为：
式中Ne为互作用的电子数，N0使电子摆动的摆动激光光子数，σe＝0.665×10-28m2为电子与光子之间的散射面积，S为互作用区电子束与激光光场互作用横截面面积。然而由于电子同光子之间作用截面(σe＝0.665×10-28m2)很小，通常情况下COMPTON散射产生的光子数也很小。在本发明中采用很强的电子束和激光以很小的束斑相互作用来有效提高X射线的光子数。
本发明的有益效果是：
本发明采用强流脉冲功率源产生的强流电子束，在引导磁场引导下以很小束斑同强激光相互作用来产生高亮度的X射线，该技术路线同XFEL第四代光源相比，成本低、研制周期短、结构紧凑、维护容易，对于很多对X射线品质要求不高的实验，这种强流脉冲功率源的COMPTON散射光源是一个较为理想的X射线光源。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的工作流程图。
附图中：1-强流脉冲功率源，2-真空室，3-脉冲激光器，4-场发射阴极，5-强流电子束，6-引导磁场，7-X射线，8-电子束收集装置。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
如图1和图2所示，一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，包括强流脉冲功率源1、由超导磁体组成的真空室2和脉冲激光器3，所述强流脉冲功率源1的场发射阴极4设置在真空室2内，所述强流脉冲功率源1产生强流电子束5从真空室2一端射入，本实施例中，所述强流脉冲功率源1的场发射阴极4产生电子能量1—3MeV，流强～10kA，脉冲宽度～50ns的强流电子束，所述脉冲激光器3发出的强激光从真空室2的另一端射入，所述超导磁体的磁感应强度为5T。
所述高亮度X射线源采用强流脉冲功率源1产生的强流电子束5，在引导磁场6引导下以很小束斑同强激光相互作用来高亮度的X射线，在此作用过程中，电子受到脉冲激光器3的激光电场作用(激光电场同电子运动方向垂直)，而使电子垂直其运动方向上下摆动(在这里脉冲激光器3也称为使电子产生横向摆动的摆动激光)，由此产生高亮度X射线7，然后通过输出结构输出，其余电子束由电子束收集装置8进行收集，产生的高亮度X射线7的波长λ＝4-70nm，光斑R<1mm，发散角Δθ＜1.0mrad，光子数为N～1010。
该技术路线同XFEL第四代光源相比，成本低、研制周期短、结构紧凑、维护容易，对于很多对X射线品质要求不高的实验，这种强流脉冲功率源的COMPTON散射光源是一个较为理想的X射线光源。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (5)

1.一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，其特征在于，包括强流脉冲功率源、由超导磁体组成的真空室和脉冲激光器，所述强流脉冲功率源产生强流电子束从真空室一端射入，所述脉冲激光器发出的强激光从真空室的另一端射入，所述强流电子束在超导磁体产生的引导磁场引导下以很小束斑同脉冲激光器发出的强激光相互作用，在此作用过程中，电子受到激光电场作用，而使电子垂直其运动方向上下摆动，由此产生高亮度X射线。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，其特征在于，所述强流脉冲功率源的场发射阴极设置在真空室内。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，其特征在于，所述强流脉冲功率源的场发射阴极产生电子能量1—3MeV，流强～10kA，脉冲宽度～50ns的强流电子束。
4.根据权利要求3所述的一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，其特征在于，所述超导磁体的磁感应强度为5T。
5.根据权利要求4所述的一种脉冲功率驱动的高亮度X射线源，其特征在于，所述高亮度X射线的波长为：λ＝4-70nm，光斑R<1mm，发散角Δθ＜1.0mrad，光子数为：N～1010。
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