CN220208558U - 一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，包括激光装置、真空室、具有激光传输和聚焦功能的光学系统、气体靶、气体靶室、用于产生偏转磁场的磁铁、电子束聚束装置、储存环和光束基站；所述激光装置和光学系统设置在真空室内；所述储存环内依次设有强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁；所述激光装置产生飞秒激光，飞秒激光通过真空室内的光学系统聚焦后与气体靶室内的气体靶作用，产生高能高品质电子束，所述电子束经过偏转磁场后滤掉剩余激光脉冲后通过电子束聚束装置进行聚束，注入到储存环，经过储存环内的强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁后输出同步辐射光，经光束基站输出后用于进行科学实验。
Description
技术领域
本实用新型涉及新型辐射源技术领域，特别地，涉及一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置。
背景技术
高能带电粒子和辐射源是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。带电粒子在运动过程中必然伴随着电磁波辐射，这种辐射称为“光源”。早期人们在同步加速器中发现电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波，因是在电子同步加速器上首次观察到，人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射，由于电子在图形轨道上运行时能量损失，故发出能量是连续分布的同步辐射光，且这种辐射覆盖从红外线、紫外线、软X射线到硬X射线波段。同步辐射较之常规光源有许多优点，如强度高、频谱宽、准直性好，分辨率高和偏振性等，正因为有以上各种优点，它在科学、技术、医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题，做出了重大贡献，世界各国特别是发达国家对此都十分重视，纷纷建立了自己的同步辐射实验中心。
同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置，它是一种利用相对论性电子(或正电子)在磁场中偏转时产生同步辐射的高性能新型强光源。电子同步加速器的出现，特别是电子储存环的发展，推动了同步辐射的广泛应用。
传统同步辐射光源依靠传统电子加速器，主要包括电子枪、直线加速器和同步加速器，能够将电子加速到很高能量。然而，传统电子加速器受限于射频材料的电离击穿效应，所能承载的电压受到限制，导致其加速梯度低于100MV/m，这使得传统光源体积较大，且造价高昂。同时，传统电子加速器加速的电子源，较难实现飞秒的脉冲宽度和千安的电流强度。
实用新型内容
为解决上述现有技术中传统同步辐射光源存在的技术问题，本实用新型提供一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，将激光尾波场电子加速器和同步辐射光源技术结合，可以大幅缩小同步辐射光源的体积，并且大幅压缩同步辐射光源的造价，极大地推动同步辐射光源技术的发展和应用。该同步辐射装置具有加速梯度大、体积小、造价成本低等特点，利用激光尾波场加速器加速的电子进而产生同步辐射。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，所述装置包括用于产生超强紧聚焦飞秒激光的激光装置、真空室、具有激光传输和聚焦功能的光学系统、气体靶、气体靶室、用于产生偏转磁场的磁铁、电子束聚束装置、用于产生同步辐射光的储存环以及光束基站；
所述激光装置和光学系统设置在真空室内；所述气体靶设置在气体靶室内；
所述储存环内依次设有强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁；
所述激光装置产生超强紧聚焦的飞秒激光，所述飞秒激光通过真空室内的光学系统将飞秒激光聚焦，聚焦后的飞秒激光与气体靶室内的气体靶相互作用，产生飞秒尺度的高能高品质电子束，所述电子束经过偏转磁场后滤掉剩余激光脉冲，过滤后的电子束通过电子束聚束装置进行聚束，注入到所述储存环，经过储存环内的强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁后输出同步辐射光，所述同步辐射光经光束基站输出后用于进行科学实验。
进一步的，所述装置还包括设置在气体靶室内用于产生气体靶的气体喷嘴。
进一步的，所述气体喷嘴为亚音速气体喷嘴或超音速气体喷嘴。
进一步的，所述气体靶采用的气体为氢气、氦气、氮气、氧气、氩气和二氧化碳中的任意一种。
进一步的，所述气体靶的电子密度分布为高斯分布。
进一步的，所述激光装置产生的飞秒激光的波长为0.8微米或者1微米，输出频率为Hz-kHz。
进一步的，所述激光装置为钛宝石激光装置。
进一步的，所述插入元件为波荡器或者扭摆器。
进一步的，所述强聚焦系统为四极磁铁或六极磁铁。
本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型提供了一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，所述装置包括用于产生超强紧聚焦飞秒激光的激光装置、真空室、具有激光传输和聚焦功能的光学系统、气体靶、气体靶室、用于产生偏转磁场的磁铁、电子束聚束装置、用于产生同步辐射光的储存环和光束基站；所述激光装置和光学系统设置在真空室内；所述气体靶设置在气体靶室内；所述储存环内依次设有强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁；所述激光装置产生超强紧聚焦的飞秒激光，所述飞秒激光通过真空室内的光学系统将飞秒激光聚焦，聚焦后的飞秒激光与气体靶室内的气体靶相互作用，产生飞秒尺度的高能高品质电子束，所述电子束经过偏转磁场后滤掉剩余激光脉冲，过滤后的电子束通过电子束聚束装置进行聚束，注入到所述储存环，经过储存环内的强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁后输出同步辐射光，所述同步辐射光经光束基站输出后用于进行科学实验。本实用新型提供的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，是基于激光尾波场电子加速器输入的电子束产生同步辐射光源，超强激光与气体靶作用在厘米尺度就能获得GeV的能量增益，光源占地面积将大为减小。该装置在激光尾波场加速中，通过调控激光和气体参数，获得电子束的能量、能散和电荷量等特性均能有效地控制；同时激光尾波场加速的电子束的尺度在飞秒量级，更加紧凑，且电流强度在kA以上，产生的同步辐射的亮度更高。
2、本实用新型提供一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，基于超强飞秒激光的电子加速器具有成为下一代台面型粒子加速器的潜力，利用激光与气体靶作用的尾波场加速机制，易于将电子束加速到几百兆电子伏甚至是几电子伏。本实用新型将超强激光与气体靶作用加速的电子束注入到储存环中，即将现有的同步辐射装置注入器部分的大体积直线加速器和同步加速器替换成激光尾波场电子加速器，实现紧凑同步辐射源，这样的光源装置在实验上具有装置体积小、造价成本低、辐射亮度高等优势，是紧凑型光源的可选方案之一。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是本实用新型基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置的结构示意图；
其中，11、激光装置，12、真空室，13、光学系统，14、飞秒激光，15、气体靶室，16、气体喷嘴，17、气体靶，18、加速电子束，19、磁铁，20、电子束聚束装置，21、储存环，22、强聚焦系统，23、高频系统，24、插入元件，25、弯转磁铁，26是光束基站；
图2是本实用新型优选实施例在特定参数下加速电子束的示意图；其中，图2中(a)为激光脉冲传输距离为450μm的氮电子密度、激光电场分布和背景电子密度，图2中(b)为激光脉冲传输距离为810μm的氮电子密度、激光电场分布和背景电子密度；其中，图中右侧条文状部分为激光电场分布，图中心被加速的电子为氮电子密度，其余为背景电子密度(包含等离子体空泡结构)；
图3是本实用新型优选实施例在特定参数下获得的电子束能谱图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
如图1所示，本实用新型提供了一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，所述装置包括用于产生超强紧聚焦飞秒激光的激光装置11、真空室12、具有激光传输和聚焦功能的光学系统13、气体靶17、气体靶室15、用于产生偏转磁场的磁铁19、电子束聚束装置20、用于产生同步辐射光的储存环21和光束基站26；所述激光装置11和光学系统13设置在真空室12内；所述气体靶17设置在气体靶室15内；所述储存环21内依次设有强聚焦系统22、高频系统23，插入元件24和弯转磁铁25。其中，所述插入元件24为扭摆器或者波荡器，所述强聚焦系统22为四极磁铁或六极磁铁；所述高频系统23为高频加速腔。所述光学系统13为现有技术中常用的光学元件，在此不再赘述。
所述激光装置11产生超强紧聚焦飞秒激光14，所述飞秒激光14通过真空室12内的具有激光传输和聚焦功能的光学系统13将飞秒激光14聚焦，聚焦后的飞秒激光14沿所述气体靶17的轴线射入所述气体靶室15内，飞秒激光14与所述气体靶17相互作用，利用激光尾波场加速机制得到飞秒尺度的高能高品质的加速电子束18，所述加速电子束18经过磁铁19产生的偏转磁场后滤掉剩余激光脉冲，最后将过滤后的飞秒电子束通过电子束聚束装置20进行聚束，注入到储存环21，再经过储存环21内的强聚焦系统22、高频系统23，插入元件24和弯转磁铁25输出同步辐射光，所述同步辐射光经光束基站26输出后用于进行科学实验。
激光尾波场电子加速器是一种新型加速器，具有加速梯度高、加速距离短、体积小的优点，本实用新型把激光尾波场电子加速器和同步辐射光源技术结合，可以大幅缩小同步辐射光源的体积，并且大幅压缩同步辐射光源的造价，极大地推动同步辐射光源技术的发展和应用。
在一个具体实施方式中，所述气体靶17通过设置在真空室12的气体喷嘴16产生；所述气体喷嘴16为亚声速或超声速喷嘴，能产生几百微米至几厘米长、分布为高斯分布或近高斯型的气体。所述激光装置11优选为钛宝石激光装置，激光波长为0.8或者1微米，输出频率为Hz-kHz。所述气体靶17采用的气体为氢气、氦气、氮气、氧气、氩气或二氧化碳其中的一种或几种的混合气体。虽然发生电子注入的理论机制不同，但均可作为电子加速器的载体。利用飞秒激光器与不同单一气体或混合气体作用，利用电子自注入、密度梯度注入、光脉冲注入和高阶电离注入等机制，能够获得能量、能散和电荷量可调控的电子束。气体靶17具体的气体长度和密度可通过气体喷嘴16中的气压进行调控，最终获得所需高能高品质电子束。将由气体靶室15内加速的高能电子束偏转聚焦后注入储存环21，作为同步辐射的辐射粒子。所述强聚焦系统22为四极磁铁或六极磁铁，用于对电子束进行聚束，降低电子束横向尺寸。所述高频系统23为高频加速腔，用于补充电子束流同步辐射能量损失。所述插入元件24为波荡器或者扭摆器，用于在不提高储存环21的能量和束流强度的条件下能得到更短波长和更高亮度的同步辐射光，增强辐射强度。所述弯转磁铁25用于改变电子束的传输方向，产生同步辐射，通过所述光束基站26输出同步辐射光，进一步进行科学研究和生产活动。具体工作原理为：激光装置11产生超强紧聚焦飞秒激光14，超强紧聚焦飞秒激光14将气体靶17中的气体分子电离成等离子体，然后超强紧聚焦飞秒激光14与等离子体作用。超强紧聚焦飞秒激光14在等离子体中传输时，激光束的纵向有质动力首先推动等离子体中电子向前加速，由于离子质量较大，可以认为离子是静止的。这样就造成了正负电荷分离形成电子的空间震荡，激发等离子体波，由于此波位于激光脉冲尾部，因此成为激光尾波。激光尾波场是纵向电场，当电子被这个等离子体波俘获后在较短的距离内便能加速到很高的能量。随后，激光尾波场加速的电子束经过偏转磁场过滤剩余激光脉冲，然后利用聚焦磁铁对电子束聚束后注入到储存环21中，在储存环21中经过带有四极磁铁或六极磁铁的强聚焦系统22聚束，降低电子束横向尺寸，同时，电子束经过高频系统23，补充电子束流同步辐射能量损失，之后经过插入元件24，其作用是在不提高储存环21的能量和束流强度的条件下能得到更短波长和更高通量的同步辐射光，再经过弯转磁铁25改变运动方向，产生同步辐射，最后从光束站26引出进行科学研究和生产实践等活动。
在一个具体实施方式中，利用粒子模拟程序模拟了一种高品质电子束的产生过程，仅为说明产生高能高品质电子束。具体参数如下：激光波长为0.8μm，归一化强度为1.8，焦斑半径为15μm，脉冲宽度为10μm。模拟使用的是氢气和氮气的混合气体，发生电子注入的机制是高阶电离注入，气体靶形状为双平台密度分布，首先是50μm上升到高密度平台，密度为2.83×1018cm-3，450μm后下降到低密度平台，下降沿长度为100μm，低密度平台密度为2.26×1018cm-3。图2中(a)为激光脉冲传输距离为450μm的氮电子密度、激光电场分布和背景电子密度，图2中(b)为激光脉冲传输距离为810μm的氮电子密度、激光电场分布和背景电子密度，右侧色标表示电子密度大小，颜色越深，电子密度越大；其中，图中右侧条文状部分为激光电场分布，图中心被加速的电子为氮电子密度，其余为背景电子密度(包含等离子体空泡结构)。超强紧聚焦激光进入混合气体后，首先电离氢和氮的外壳层电子形成等离子体，并激发等离子体波，在激光脉冲峰值处将电离氮原子内壳层电子，并发生电离注入。利用密度下降增大标势最小值，导致电离注入条件被破坏，无法发生电离注入。另一方面，注入电子束形状由于密度突变也发生变化。最终的电子注入距离仅为几百微米，传输4mm后的电子束能谱分布如图3所示，获得电子的中心能量为191MeV，电子束能散为2％。利用其它优化方案仍可进一步提高电子束能量，降低电子束能散。通过此种方式加速产生的高能高品质电子束注入到电子储存环中，经过储存环的强聚焦系统进行聚焦，高频系统补充电子束流同步辐射能量损失，插入元件来增强辐射强度，即可辐射出高亮度的同步辐射光，进行科学实验。
本实用新型提供一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，利用超强飞秒激光与等离子体相互作用，在等离子体中激发起一个大振幅等离子体波，该等离子体波可以跟随激光以接近光速向前传播，由于该等离子体波一直在激光尾部，所以被称为“尾波”。等离子体中的背景电子有一部分可以进入等离子体中的加速相位，这些电子如果满足捕获条件就可以被持续加速直到失相。由于等离子体不存在加速阈值，因此可以实现比传统加速器高3-4个量级的加速，目前已经可以实现在20厘米的长度上把电子加速到7.8GeV，为利用激光电子加速器实现高能同步辐射源提供了支撑。该装置将利用激光尾波场加速的电子束输入到储存环中即可获得体积小、造价低的同步辐射光源，既可以大幅缩小同步辐射光源的体积，并且大幅压缩同步辐射光源的造价，极大地推动同步辐射光源技术的发展和应用。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述装置包括激光装置、真空室、具有激光传输和聚焦功能的光学系统、气体靶、气体靶室、用于产生偏转磁场的磁铁、电子束聚束装置、用于产生同步辐射光的储存环以及光束基站；
所述激光装置和光学系统设置在真空室内；所述气体靶设置在气体靶室内；
所述储存环内依次设有强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁；
所述激光装置产生超强紧聚焦的飞秒激光，所述飞秒激光通过真空室内的光学系统将飞秒激光聚焦，聚焦后的飞秒激光与气体靶室内的气体靶相互作用产生高能高品质电子束，所述电子束经过偏转磁场后滤掉剩余激光脉冲，过滤后的电子束通过电子束聚束装置进行聚束，注入到所述储存环，经过储存环内的强聚焦系统、高频系统、插入元件和弯转磁铁后输出同步辐射光，所述同步辐射光经光束基站输出后用于进行科学实验。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述装置还包括设置在气体靶室内用于产生气体靶的气体喷嘴。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述气体喷嘴为亚音速气体喷嘴或超音速气体喷嘴。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述气体靶采用的气体为氢气、氦气、氮气、氧气、氩气和二氧化碳中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述气体靶的电子密度分布为高斯分布。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述激光装置产生的飞秒激光的波长为0.8微米或者1微米，输出频率为Hz-kHz。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述激光装置为钛宝石激光装置。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述插入元件为波荡器或者扭摆器。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场电子加速器的同步辐射装置，其特征在于，所述强聚焦系统为四极磁铁或六极磁铁。
Priority Applications (1)
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