CN114845460B - 一种基于密度激波结构的硬x射线源的增强系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，包括直线型气体喷嘴、刀片模块、刀片固定底座、支撑架、五维移动平台，本发明能够有效产生多级密度激波结构来增强betatron硬X射线源的辐射，具有操作简单、结构紧凑、产生多级密度激波分布、稳定性好的优点。本发明涉及超短超强激光等离子体相互作用领域，特别是激光尾波场电子加速驱动的高亮度硬X射线的过程，可用于产生多级密度激波结构，实现电子在密度下降沿过程中的多次注入，同时在密度激波结构中驱动激光与电子束的不同轴传播，可加剧电子横向振荡来增强硬X射线辐射。
Description
技术领域
本发明涉及激光尾场电子加速器和台式化的高亮度X射线辐射源，特别是一种基于密度激波结构的硬X射线辐射源的增强系统。本发明采用直线型气体喷嘴喷射气流并与刀片模块切割产生密度激波结构，使得电子在密度下降沿过程中的多次注入，同时在密度激波结构中驱动激光与电子束的不同轴传播，可加剧电子横向振荡来增强硬X射线辐射。
背景技术
随着激光驱动尾波场加速电子束产生超高峰值亮度超短脉冲X射线源的发展，betatron辐射具有高峰值亮度、飞秒量级超短脉宽和微米量级的辐射源尺寸等优点，适用于材料内部、生物结构、物理和化学超快过程的泵浦探测，但目前产生的108-109个/发次的单发辐射产额还远远无法满足单发测量的要求，迫切需要发展新的技术手段来增强betatron辐射源的亮度。
betatron辐射的平均光子数为 N0是电子束进行Betatron振荡的周期数，Ne是参与横向振荡的电子数，betatron辐射的强度参数K可由公式/>表征，其中rβ是betatron振荡的振幅，γ是电子的相对论因子，ne是等离子密度。因此通过增强电子束电量、电子束能量、电子横向振荡幅度和振荡频率可以显著增强betatron辐射源的亮度。利用激波注入的方法，可以产生尺度小但密度变化极陡的密度激波结构，这种结构可以实现电子在密度下降沿中自注入，并且激光从低密度区进入激波的高密度区时会发生折射，但加速的电子束沿着初始传播方向，激光与电子束之间的不同轴传播可加剧电子横向振荡。已有的密度激波结构大多是在喷嘴出口放置单一的刀片来产生激波，刀片方向与激光平行，激光脱离刀片在上方传播，激光的抖动或偏离会严重影响电子的注入时刻、电量以及在激波区域的横向振荡，从而影响电子betatron辐射的X射线谱；实验上可以利用双级喷嘴相对喷气的方式来产生单个的密度凸起结构，但是实验方案复杂，需要分别对两个喷嘴的相对空间位置进行精细调节以获得所需要的密度分布，并且电子通过单个激波后的横向振荡幅度会因为空泡的横向聚焦场作用而逐渐减小，经过单一激波的横向振荡增强效果不明显。
以往的方案虽然也能增强betatron硬X射线源的辐射，但是都只能提供单级密度激波结构，电子的注入和横向振荡程度有限，因此需要一种可产生多级密度激波结构，来实现电子的多次注入，并且增强电子束的横向振幅的硬X射线源的增强系统，进一步提升X射线源的光产额以满足应用需求。
发明内容
为进一步增强betatron辐射源的亮度，提升X射线源的光产额以满足应用需求，本发明提供一种基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，直线型气体喷嘴喷出的气流具有尺度小、流速慢、密度高的特点，激光与其作用更容易产生电子注入；带有圆形和方形通光孔的金属刀片可以确定激光传播方向以保证激光长距离的自聚焦演化，以及为尾波场的演化提供更多的距离；产生多级密度激波结构更有利于电子在密度下降沿过程中的多次注入，同时在密度激波结构中驱动激光与电子束的不同轴传播，可加剧电子横向振荡来增强硬X射线辐射。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特点在于，包括：直线型气体喷嘴、刀片模块、刀片固定底座、两个支撑架和五维移动平台；
所述的刀片模块包括至少三片刀片，每个刀片的刀锋部均设有通光孔，且其中二片刀片的通光孔为圆形，其余均为方形；
所述的刀片固定底座为长方体，中部设有刀片槽，该刀片槽内呈凹凸结构分布，供所述的刀片插入固定，使激光依次经圆形通光孔、N个方形通光孔，最后经圆形通光孔传播，N≥1；
所述的支撑架为长方体，两个支撑架并列分开固定，一端水平固定于所述的五维移动平台上，另一端延伸出五维移动平移台且与刀片固定底座相固定；所述的直线型气体喷嘴位于所述的刀片槽的上方，且该直线型气体喷嘴的下边缘与所述的刀片的刀锋位置相距不大于1cm。
所述刀片模块的刀片厚度为0.5mm，所述圆形通光孔的直径为0.4-0.6mm，用于激光校准，以便有效地将激光和激波固定在同一个轴向；所述的方孔通光孔的边长为4-8mm，用于激光和气流通过，以保证长距离的激光自聚焦和尾波场的演化。
所述刀片模块由金属材料制成，采用金属材料耐久性好，不易受到激光损伤。根据所需气体密度分布和激波个数可调节中间刀片的个数，每个刀片两侧皆为中空，以避免气体堆积。
所述刀片固定底座长35mm，宽6.5mm，中部设有10个刀片槽，总长为10.5mm，宽为6.02mm。所述刀片槽呈凹凸结构分布，凸起部分宽度为0.48mm，凸起部分长度为0.5mm，用于将刀片的下半部分10mm固定在刀片固定底座中部，以确保刀片可完全固定在刀片固定底座上，减小刀片抖动，同时又避免阻挡气流，有助于产生稳定的密度激波。
所述刀片模块与所述刀片固定底座相连时，根据所需气体密度分布和激波个数可调节中间刀片的个数，所有刀片两侧皆为中空，以避免气体堆积影响激波形成。
所述两个支撑架长为8cm，宽为1cm，距离支撑架两端1cm位置处有两个内径为6mm的带螺纹圆孔。两个支撑架并列分开放置，其内边缘相距2cm，支撑架一端有4cm长度通过平头的内六螺丝固定于五维移动平台上，支撑架另一端有4cm长度延伸出五维移动平台的外部，通过平头的内六螺丝与刀片固定底座相固定，以避免直线型气体喷嘴喷出气流被五维移动平台所阻挡而形成气体堆积。
所述的一种基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特征是所述五维移动平台细调精度达到0.1μm，粗调精度达到10μm，其作用是电控调节刀片模块的空间位置和以合适的角度确保激光精确依次通过前刀片、中间刀片以及后刀片产生的激波。
与现有技术相比，本发明具有如下显著特点：
1.激光从具有圆形通光孔的前后刀片穿过，可以实现激光高度和平行方向的准直，减少激光抖动或偏移对电子的影响。
2.中间刀片具有大孔径的方形通光孔，用于激光和气流通行，从而保证激光长距离的自聚焦演化，以及为尾波场的演化提供更多的距离。
3.通过支撑架将刀片固定底座和五维移动平台错位固定，以避免直线型气体喷嘴喷出气流被五维移动平台所阻挡而形成气体堆积，具有操作简单，气体密度分布稳定的优点。
4.气体喷嘴产生的气体经刀片模块可以产生多个激波，有利于电子的多次注入以提高电子束的电量和能量，电子的横向振荡幅度经过多个密度激波结构会持续被增大。
5.刀片模块与直线型气体喷嘴间距和相对位置持续可调，有利于更方便独立的调节激波，从而调节电子束的各方面品质，便于实验操作。
附图说明
图1是本发明基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统的结构示意图
图2是基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统的刀片模块(以10个刀片为例)和固定刀片底座的三视图
具体实施方案
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1和图2，图1为本发明基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统的结构示意图，图2为基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统的刀片模块和固定刀片底座的三视图，其中刀片个数以10个为例。如图所示，一种基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，包括：所述直线型气体喷嘴1位于刀片模块2的上方；所述刀片模块2包括至少三个具有通光孔的刀片，所述刀片模块2通过刀片槽沿垂直激光传播方向固定在所述刀片固定底座3上；所述刀片固定底座3两端设有带螺纹圆孔，供两个平头的内六螺丝旋入与下端两个支撑架4相连；所述两个支撑架4并列分开固定，两端设有带螺纹圆孔，供两个平头的内六螺丝旋入，一端固定于具有前后左右高低移动和俯仰左右旋转的五维移动平台5上，另一端延伸出五维移动平移台5与刀片固定底座3相固定。
本发明可应用于基于密度激波结构的硬X射线源的辐射增强，由于所用激光光束的功率特别高，为了避免光束将空气击穿发生成丝等各种非线性效应，需要将其置于真空腔内，操作过程如下：
确保直线型气体喷嘴1的喷气方向与地面垂直；将刀片模块2中刀片下半部分插入刀片固定底座3中部的刀片槽中，根据所需密度分布和激波个数，调整刀片模块2的中间刀片个数和前后刀片的位置，刀片固定底座3两端设有带螺纹圆孔，供两个平头的内六螺丝旋入与下端两个支撑架4相连；两个支撑架4并列分开放置，支撑架4一端通过平头的内六螺丝固定于五维移动平台5上，支撑架4另一端延伸出五维移动平台5的外部，通过平头的内六螺丝与刀片固定底座3相固定，以避免直线型气体喷嘴1喷出气流被五维移动平台5所阻挡而形成气体堆积。通过电控调节五维移动平台5的高低左右前后和俯仰左右偏转，使得刀片模块2位于直线型气体喷嘴1下方，确保前后刀片圆孔中心与光轴共轴。
一束中心波长为800nm、脉宽25-35fs、功率为100-120TW的激光通过真空腔的入射孔后，聚焦通过刀片模块2中刀片的通光孔，直线型气体喷嘴1喷出气流打到刀锋的位置，会在与刀锋相交位置形成激波，利用刀片模块产生多级密度激波结构，电子在一系列密度下降沿过程中的多次注入；当激光传输到激波位置时会因为折射而偏离原本的传输方向，而已经注入的电子则沿着原本的方向传输，电场和光场分离会让电子感受到更大的横向聚焦力，从而加剧了其横向振荡。
基于尾波场加速电子的betatron辐射是一种硬X射线源，betatron辐射的强度参数K可由公式表征，其中rβ是betatron振荡的振幅，γ是电子的相对论因子，ne是等离子密度。电子束在扭摆器中辐射的平均光子数为 N0是电子束进行Betatron振荡的周期数，Ne是参与扭摆运动的电子数。因而本发明基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统能产生多级密度激波结构，来实现电子的多次注入，并且增强电子束的横向振幅，从而进一步提升X射线源的光子能量和辐射产额来满足应用需求。
Claims (6)
1.一种基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特征在于，包括：直线型气体喷嘴（1）、刀片模块（2）、刀片固定底座（3）、两个支撑架（4）和五维移动平台（5）；
所述的刀片模块（2）包括至少三片刀片，每个刀片的刀锋部均设有通光孔，且其中二片刀片的通光孔为圆形，其余均为方形；
所述的刀片固定底座（3）为长方体，中部设有刀片槽，该刀片槽内呈凹凸结构分布，供所述的刀片插入固定，使激光依次经圆形通光孔、N个方形通光孔，最后经圆形通光孔传播，N≥1；
所述的支撑架（4）为长方体，两个支撑架（4）并列分开固定，一端水平固定于所述的五维移动平台（5）上，另一端延伸出五维移动平台（5）且与刀片固定底座（3）相固定；
所述的直线型气体喷嘴（1）位于所述的刀片槽的上方，且该直线型气体喷嘴（1）的下边缘与所述的刀片的刀锋位置相距不大于1cm；
所述两个支撑架（4）长8cm，宽为1cm，距离支撑架(4)两端1cm位置处有两个内径为6mm的带螺纹圆孔；所述两个支撑架（4）并列分开放置，其内边缘相距2cm，支撑架（4）一端有4cm长度通过平头的内六螺丝固定于五维移动平台（5）上，支撑架(4)另一端有4cm长度延伸出五维移动平台（5）的外部，通过平头的内六螺丝与刀片固定底座（3）相固定，以避免直线型气体喷嘴（1）喷出气流被五维移动平台（5）所阻挡而形成气体堆积。
2.根据权利要求1所述的基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特征在于，所述的刀片固定底座（3）的两端设有带螺纹圆孔，供两个平头的内六螺丝旋入与下端两个支撑架（4）相连。
3.根据权利要求1所述的基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特征在于，所述的圆形通光孔的直径为0.4-0.6mm，所述的方形通光孔的边长为4-8mm。
4.根据权利要求1所述的基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特征在于，所述的刀片厚度为0.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特征在于，所述直线型气体喷嘴（1）内径为10mm，外径为20mm，深度为67mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于密度激波结构的硬X射线源的增强系统，其特征在于，所述刀片固定底座（3）的长35mm，宽6.5mm，中部设有10个刀片槽，总长为10.5mm，宽为6.02mm；所述刀片槽呈凹凸结构分布，凸起部分宽度为0.48mm，凸起部分长度为0.5mm，用于将刀片的下半部分10mm固定在刀片固定底座（3）中部。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011005668A1 (en) * | 2009-07-08 | 2011-01-13 | Accuray, Inc. | Interleaving multi-energy x-ray energy operation of a standing wave linear accelerator using electronic switches |
| WO2013030804A2 (es) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | Universidad Industrial De Santander | Fuente compacta autoresonante de rayos x |
| CN103841744A (zh) * | 2014-03-18 | 2014-06-04 | 上海交通大学 | 激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法 |
| CN104159390A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 高精度可控喷嘴气池 |
| CN109449071A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-08 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种脉冲功率驱动的高亮度x射线源 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011005668A1 (en) * | 2009-07-08 | 2011-01-13 | Accuray, Inc. | Interleaving multi-energy x-ray energy operation of a standing wave linear accelerator using electronic switches |
| WO2013030804A2 (es) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | Universidad Industrial De Santander | Fuente compacta autoresonante de rayos x |
| CN103841744A (zh) * | 2014-03-18 | 2014-06-04 | 上海交通大学 | 激光尾波场加速器及产生高亮度阿秒光脉冲的方法 |
| CN104159390A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 高精度可控喷嘴气池 |
| CN109449071A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-08 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种脉冲功率驱动的高亮度x射线源 |
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