FR2783127A1

FR2783127A1 - X-ray generator using very fast electrons has regular grid set at fine angle to stream of electrons, equal to inverse of Lorentz factor for incident electrons

Info

Publication number: FR2783127A1
Application number: FR9811134A
Authority: FR
Inventors: Fabrice David
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2000-03-10

Abstract

A beam of relativistic electrons, produced by an accelerator, impinges at a grazing angle (alpha) onto a target grid which may consist of an array of fine wires lying side-by-side on a flat support plate. Alternatively a regular array of triangular or sawtooth ridges and grooves may be formed on an otherwise flat plate. Bundles of relativistic electrons produce bundles of X-rays which reinforce each other at each wire or ridge. The bundles of X-rays are transition radiation, produced as the electrons enter and leave the solid material. The dimensions of the target grid and the angle of incidence of the beam of the electrons are carefully chosen, such that the angle of the beam is equal to or nearly equal to the inverse of the Lorentz factor.

Description

L'invention est relative a une nouvelle source de rayonnement X. Etat deThe invention relates to a new source of X-ray radiation.

la technique Dans le domaine des rayons X, on dispose de peu de sources de lumière puissantes et cohérentes, a l'exception des remarquables installations utilisant le rayonnement synchrotron. En faisant traverser au faisceau d'électrons des dispositifs tels que les "onduleurs" ou les "wiglers", on obtient des faisceaux de lumière cohérente accordable en énergie. Du fait de leur taille et de leur coût, ces "anneaux de stockage" ne sont présents qu'a quelques exemplaires the technique In the field of X-rays, there are few powerful and coherent light sources, with the exception of remarkable installations using synchrotron radiation. By passing through the electron beam devices such as "inverters" or "wiglers", we obtain coherent beams of energy tunable coherent light. Due to their size and cost, these "storage rings" are only present in a few copies

à travers le monde.worldwide.

On peut aussi mettre a contribution les rayonnements de canalisation obtenu en faisant passer des particules a l'intérieur d'un réseau cristallin convenable. Cette méthode nécessite aussi des accélérateurs One can also make use of the channeling radiation obtained by passing particles inside a suitable crystal lattice. This method also requires accelerators

de particules de grande taille.large particles.

Des machines de tailles plus raisonnable seraient d'une grande utilité dans de nombreux domaines de la recherche et de la technologie, notamment en radiocristallographie des protéines et des molécules biologiques. Lorsqu'un électron rapide pénètre dans un corps solide, il transforme son énergie cinétique en rayonnement de différentes façons: Emission de rayonnement de freinage, excitation de fluorescence X, émission de rayonnement Cerenkov et émission de rayonnement de transition au passage de l'interface entre le vide et le corps solide. (Nous ne parlerons pas du rayonnement de canalisation ni de rayonnement paramétrique) Le rayonnement Cerenkov se situe dans le spectre visible, et le Machines of more reasonable sizes would be of great use in many fields of research and technology, notably in radiocrystallography of proteins and biological molecules. When a fast electron enters a solid body, it transforms its kinetic energy into radiation in different ways: Emission of braking radiation, excitation of X-ray fluorescence, emission of Cerenkov radiation and emission of transition radiation at the passage of the interface between the void and the solid body. (We will not talk about channel radiation or parametric radiation) The Cerenkov radiation is located in the visible spectrum, and the

rayonnement de freinage est caractérisé par sa faible directivité. braking radiation is characterized by its low directivity.

De même que le rayonnement de fluorescence x, le rayonnement de freinage est assez fortement absorbé par la matière qui est le siège de son émission, ce qui rend impossible toute émission cohérente, sauf a Like the x-ray fluorescence, the braking radiation is quite strongly absorbed by the material which is the seat of its emission, which makes any coherent emission impossible, except a

utiliser des densités d'énergies prohibitives. use prohibitive energy densities.

Le rayonnement de transition X est émis par les électrons à l'entrée et à la sortie d'un corps solide, et ce rayonnement est d'autant Transition X radiation is emitted by electrons at the entrance and exit of a solid body, and this radiation is all the more

plus intense que la permittivité de ce corps diffère de celle du vide. more intense than the permittivity of this body differs from that of the void.

Le rayonnement de transition X a des propriétés de directivité très intéressantes: Il est émis selon un cône creux d'ouverture alpha= 1 /gamma (gamma étant le facteur de Lorentz de l'électron, c'est à dire l'énergie de cette particule divisée par sa masse au repos) L'intensité est maximum pour l'angle alpha, et nulle sur l'axe. (figure 1) On a songé à multiplier le nombre d'interfaces traversées par les The X-ray transition has very interesting directivity properties: It is emitted according to a hollow cone with opening alpha = 1 / gamma (gamma being the Lorentz factor of the electron, ie the energy of this particle divided by its mass at rest) The intensity is maximum for the angle alpha, and zero on the axis. (Figure 1) We thought of multiplying the number of interfaces crossed by the

électrons de façon à augmenter l'intensité du rayonnement émis. electrons so as to increase the intensity of the radiation emitted.

On a ainsi utilisé des empilements de feuilles minces de métal, de carbone ou de matière plastique. L'idéal serait de diminuer fortement leur épaisseur, puisque l'émission X se fait au voisinage de l'interface, Stacks of thin sheets of metal, carbon or plastic were thus used. The ideal would be to greatly reduce their thickness, since the X emission takes place in the vicinity of the interface,

et que la matière en surplus n'a plus qu'un rôle nuisible d'absorbant. and that the surplus material has only a harmful role of absorbent.

Il faut cependant que les feuilles minces utilisées gardent un certaine résistance mécanique, d'autant qu'elles sont placées dans un faisceau However, the thin sheets used must maintain a certain mechanical resistance, especially since they are placed in a bundle

de particules intense.of intense particles.

De plus, le faisceau d'électrons est absorbé au fur et a mesure de la traversée des feuilles successives, et son énergie varie. Des équipes ont cependant observé une augmentation de la cohérence du faisceau de In addition, the electron beam is absorbed as the successive sheets pass through, and its energy varies. However, teams have observed an increase in the coherence of the beam of

rayons X suivant le nombre de feuilles. X-rays according to the number of leaves.

Description de l'inventionDescription of the invention

Principe: L'invention est caractérisée par un dispositif permettant l'interaction d'un faisceau d'électrons rapides avec une cible formée d'un réseau de traits de forme convenable gravés sur un support solide, l'angle d'incidence du faisceau par rapport au plan du réseau étant Principle: The invention is characterized by a device allowing the interaction of a fast electron beam with a target formed by a network of lines of suitable shape etched on a solid support, the angle of incidence of the beam by relation to the network plan being

égal à l'inverse du facteur de Lorentz ou voisin de cet angle. equal to the inverse of the Lorentz factor or close to this angle.

On peut avec profit utiliser un réseau de diffraction conçu pour le domaine optique, bien que le phénomène utilisé n'ait rien à voir avec la diffraction. Remarquons que le caractère strictement parodique des traits n'a qu'une importance secondaire, ce qui simplifie la gravure des réseaux en vue de la réalisation de l'invention. Le réseau peut être périodique ou semni-périodique. On réalisera les réseaux sur une plaque métallique ou de matière plastique, ou d'une matière quelconque estampée au contact d'un réseau matrice et recouverte de métal ou d'un composé de permittivité convenable par dépot chimique, dépot en phase vapeur, galvanoplastie, pulvérisation sous vide. (Le dépôt en phase vapeur étant plus particulièrement adapté au dépôt de carbone One can profitably use a diffraction grating designed for the optical domain, although the phenomenon used has nothing to do with diffraction. Note that the strictly parodic character of the lines is only of secondary importance, which simplifies the etching of the networks for the realization of the invention. The network can be periodic or semi-periodic. The networks will be produced on a metal or plastic plate, or of any material stamped in contact with a matrix network and covered with metal or a compound of suitable permittivity by chemical deposition, vapor deposition, electroplating, vacuum spraying. (Vapor deposition being more particularly suited to carbon deposition

sous forme tétraèdrique) On peut aussi graver le réseau sur un semi- In tetrahedral form) We can also burn the network on a semi

conducteur. Les réseaux utilisés devront être parfaitement plans. On peut aussi graver les réseau à l'aide de lasers ou de faisceaux de driver. The networks used must be perfectly planed. We can also burn the networks using lasers or beams

particules.particles.

On peut aussi utiliser comme réseau un sillon hélicoïdal gravé sur un support de taille quelquonque, tel un disque, un cône ou un cylindre. (figure 4) Les génératrices de tels volumes devront être One can also use as a network a helical groove engraved on a support of any size, such as a disc, a cone or a cylinder. (figure 4) The generators of such volumes must be

parfaitement linéaires.perfectly linear.

On peut aussi utiliser pour la réalisation de l'invention un enroulement de fils ou de fibres métalliques ou de matériaux convenables, attaqués sous incidence rasante par le faisceau d'électrons, ou bien des fils ou de fibres métalliques tissés, cette disposition permettant l'application dusdit tissu sur un support de forme appropriée, cylindrique ou conique. (Figure 3) On peut aussi utiliser le réseau formé par la tranche d'une liasse de feuilles métalliques ou de feuilles de matériau convenable déformée pour laisser apparaitre l'extrémité des feuilles selon un One can also use for the realization of the invention a winding of wires or metallic fibers or suitable materials, attacked under grazing incidence by the electron beam, or else wires or woven metallic fibers, this arrangement allowing the application of said fabric on a support of suitable shape, cylindrical or conical. (Figure 3) One can also use the network formed by the edge of a bundle of metal sheets or sheets of suitable deformed material to reveal the end of the sheets according to a

gradin formant le réseau recherché. bleacher forming the desired network.

On peut aussi utiliser la tranche de blocs de fibres minérales naturelles ou artificielles, ou des dépôts de sphérules de verre, de métal ou de plastique, de taille précise et fortement homogène, fixées sur un support plan. (Figure 3) Conmme on peut le voir sur la figure 2, les électrons qui frappent les parois des traits du réseau provoquent l'émission de photons de rayonnement de transition dont le maximum d'émission est situé sur un cône creux. Si l'angle d'incidence du faisceau d'électron est égal à alpha, une génératrice de ce cône est tangente au plan du réseau, et le It is also possible to use the slice of blocks of natural or artificial mineral fibers, or deposits of glass, metal or plastic spherules, of precise size and highly homogeneous, fixed on a flat support. (Figure 3) As can be seen in Figure 2, the electrons that strike the walls of the lattice lines cause the emission of transition radiation photons, the maximum emission of which is located on a hollow cone. If the angle of incidence of the electron beam is equal to alpha, a generatrix of this cone is tangent to the plane of the network, and the

rayonnement de transition est maximum selon cette génératrice. transition radiation is maximum according to this generator.

L'addition se fait de manière incohérente, mais dans certaine conditions d'intensité du faisceau d'électrons, une émission cohérente The addition is done inconsistently, but under certain conditions of intensity of the electron beam, a coherent emission

peut apparaitre.may appear.

En effet, les centre émetteurs de rayonnement de transition sont les atomes perturbés par le passage d'un électron relativiste à la frontière entre la matière et le vide. Ces centres émetteurs ne préexistent pas, ni à la surface, ni à fortiori dans le matériau massif. On se trouve donc In fact, the emitting centers of transition radiation are the atoms disturbed by the passage of a relativistic electron at the border between matter and vacuum. These emitting centers do not exist, neither on the surface, nor a fortiori in the massive material. So we are

dans les conditions d'une inversion de population. under the conditions of a population inversion.

L'émission du rayonnement de transition se fait selon un spectre d'énergie continu. Une ou plusieurs fréquences sont sélectionnées en fonction des paramètres suivants: La transmission à travers la matière du réseau doit être correcte d'une part (donc une longueur d'onde courte est sélectionnée) et on doit se trouver au voisinnage du The transition radiation is emitted according to a continuous energy spectrum. One or more frequencies are selected according to the following parameters: The transmission through the material of the network must be correct on the one hand (therefore a short wavelength is selected) and one must be in the vicinity of the

maximum du spectre d'émission.maximum of the emission spectrum.

Bien sur, il subsiste une absorption forte par la matière: l'émission cohérente peut avoir lieu dans les limites spatiales définies ci- dessous: Le maximum d'émission est situé entre les point a et le point b, c'est a dire dans la partie de la paroi qui est éclairée directement par le faisceau. (figure 2) Les échelons du réseau étant très fins, un partie non négligeable du faisceau traverse plusieurs échelons avant d'être absorbée, et l'émission de rayonnement à lieu aussi plus profondément Of course, there remains a strong absorption by the matter: the coherent emission can take place within the spatial limits defined below: The maximum of emission is located between the points a and the point b, ie in the part of the wall which is directly lit by the beam. (figure 2) The rungs of the network being very fine, a non-negligible part of the beam crosses several rungs before being absorbed, and the emission of radiation also takes place more deeply

dans les sillons du réseau.in the train paths.

On a intérêt à focaliser les électrons selon un ligne étroite, de façon à augmenter l'intensité surfacique du faisceau. (figure 5) Cela provoque un échauffement important: il faut procéder en mode It is advantageous to focus the electrons along a narrow line, so as to increase the surface intensity of the beam. (figure 5) This causes significant overheating: you must proceed in

pulsé de façon à éviter de détruire le réseau. pulsed so as to avoid destroying the network.

Il faut remarquer que les accélérateurs de particules fournissant un faisceau d'électron de l'énergie requise travaillent habituellement en mode pulsé. Le type d'accélérateur le plus pratique pour l'application considérée est le bétatron. Il en existe des modèles remarquablement It should be noted that particle accelerators providing an electron beam of the required energy usually work in pulsed mode. The most practical type of accelerator for the application considered is betatron. There are remarkable models

compacts et relativement simples à établir. compact and relatively simple to set up.

Un système d'extraction de faisceau et de focalisation sera adjoint, A beam extraction and focusing system will be added,

selon la technologie existante.according to existing technology.

On peut aussi utiliser d'autres modèles d'accélérateurs, notamment des accélérateurs ou l'émission d'électrons est commandée par une photocathode ou une cathode à avalanche. Dans ce cas, la focalisation selon une ligne pose encore moins de problèmes techniques. On peut faire avancer le réseau à chaque tir, de façon à utiliser à chaque tir une partie nouvelle de celui-ci. Ainsi, on peut augmenter l'intensité et aller jusqu'à la vaporisation d'une ligne perpendiculaire aux traits du réseau. (figure 5) On peut aussi utiliser, (figures 6 et 7) un réseau rotatif portant des traits sur la partie plane (d), constitué d'un disque, d'un cône ou d'un It is also possible to use other models of accelerators, in particular accelerators where the emission of electrons is controlled by a photocathode or an avalanche cathode. In this case, focusing along a line poses even fewer technical problems. The network can be advanced with each shot, so as to use a new part of it on each shot. Thus, one can increase the intensity and go to the vaporization of a line perpendicular to the lines of the network. (Figure 5) One can also use, (Figures 6 and 7) a rotary network carrying lines on the flat part (d), consisting of a disc, a cone or a

cylindre mobile autour d'un axe (c) sous l'action d'un moteur (g). cylinder movable around an axis (c) under the action of a motor (g).

Comme détaillé sur la figure 7, la chaleur due à l'impact du faisceau d'électrons (a) est ainsi répartie sur une large surface, et peut s'éliminer par rayonnement infrarouge absorbé par l'enceinte sous vide (i). La chaleur étant éliminée par une méthode de refroidissement appropriée tels que des tubes parcourus par de l'eau froide soudés (f) sur l'enceinte sous vide. On peut aussi utiliser un réseau rotatif, constitué d'un disque, d'un cône ou d'un cylindre mobile autour d'un axe et rempli d'un liquide tel que de l'eau ou du sodium liquide (h). La force centrifuge adjointe au changement de densité du fluide sous l'effet de l'échauffement est mise à contribution pour produire une circulation du fluide à travers l'ensemble mobile, augmentant la surface de rayonnement infrarouge. Le faisceau de rayons x (e) As detailed in FIG. 7, the heat due to the impact of the electron beam (a) is thus distributed over a large surface, and can be eliminated by infrared radiation absorbed by the vacuum enclosure (i). The heat is removed by an appropriate cooling method such as tubes traversed by cold water welded (f) on the vacuum enclosure. One can also use a rotary network, consisting of a disc, a cone or a cylinder movable around an axis and filled with a liquid such as water or liquid sodium (h). The centrifugal force added to the change in density of the fluid under the effect of heating is used to produce a circulation of the fluid through the mobile assembly, increasing the area of infrared radiation. The x-ray beam (e)

s'échappe selon la direction du plan du réseau. escapes in the direction of the network plan.

L'enceinte sous vide sera bien entendu noircie intérieurement. Focalisation Pour certaines applications, il peut être utile de disposer de The vacuum chamber will of course be darkened internally. Focus For some applications, it may be useful to have

rayons X convergeant en un point selon un faisceau focalisé. X-rays converging at a point in a focused beam.

On peut générer un tel faisceau en utilisant un réseau gravé ou déposé sur la face interne d'un cylindre tronqué, l'angle d'ouverture de ce cylindre étant égal à 2 c. (figure 4) L'angle alpha étant très faible (de l'ordre de quelques degrés), le dispositif réel aura plutôt la forme d'une sorte de couronne cylindrique, le foyer étant situé au sommet du cône ou au voisinage du sommet. Le réseau conique sera avantageusement attaqué par un faisceau d'électrons creux. (figure 8) Le foyer distal constitue un avantage, en permettant de multiplier les sources de ce modèle, de façon à obtenir un champ de rayonnement convergeant autour d'une cible selon une géométrie sphérique. Dans ce domaine d'expériences, le rayonnement X mous comporte de nombreux avantages sur les faisceaux d'électrons, d'ions lourds et de lumière, en admettant qu'on soit capable d'usiner et de positionner les réseaux et leur faisceaux d'excitation avec la précision One can generate such a beam using an etched or deposited network on the internal face of a truncated cylinder, the opening angle of this cylinder being equal to 2 c. (Figure 4) The alpha angle being very small (of the order of a few degrees), the real device will rather have the shape of a sort of cylindrical crown, the focus being located at the top of the cone or in the vicinity of the top. The conical network will advantageously be attacked by a hollow electron beam. (Figure 8) The distal focus is an advantage, by making it possible to multiply the sources of this model, so as to obtain a radiation field converging around a target according to a spherical geometry. In this field of experiments, soft X-rays have many advantages over electron, heavy ion and light beams, assuming that we are able to machine and position arrays and their beams. excitement with precision

exigée par la taille des cibles.required by the size of the targets.

Il est théoriquement possible de faire interagir des électrons de très haute énergie avec les photons X convergeant au foyer, pour générer des photons de très haute énergie par conversion Compton inverse, It is theoretically possible to make electrons of very high energy interact with the photons X converging at the focus, to generate photons of very high energy by inverse Compton conversion,

dans des conditions plus favorables que pour les photons optiques. under more favorable conditions than for optical photons.

Les applications principales des rayons X obtenus par les dispositifs décrits ci-dessus sont la radiocristallographie, la gravure des circuits électroniques ou les études concernant la physique des milieux condensés. The main applications of X-rays obtained by the devices described above are radiocrystallography, etching of electronic circuits or studies concerning the physics of condensed media.

Claims

1) Device for producing X-rays, characterized in that it comprises a fast electron beam produced by an accelerator and directed on a periodic or quasi-periodic network so that the angle of incidence of the electron beam with the network map

is close to the inverse of the Lorentz factor of the incident electrons.

2) Device according to claim 1 characterized in that the network is cut, etched or stamped in metal or etched in a semiconductor. 3) Device according to claim 1 characterized in that the network consists of a plastic surface stamped using a matrix network, or engraved using a laser, or engraved with

using a beam of particles.

4) Device according to claim 3 characterized in that the

network is covered with metal or tetrahedral carbon.

) Device according to claim 1 characterized in that the network consists of wires or metallic fibers wound on a support, cylindrical or conical or consisting of wires or fibers

woven metal.

6) Device according to claim 1 characterized in that the network consists of a deposit of metal spherules of precise size and highly homogeneous, said spherules being fixed on a

plan support.

7) Device according to claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, characterized

in that the electrons are focused on the lattice along a line

perpendicular to the lines of the network.

8) Device according to any one of claims

previous characterized in that the network consists of a rotating disc, a rotating cylinder or a rotating cone so as to evacuate

at best the heat produced by the impact of the beam.

9) Device according to any one of claims

previous characterized in that the network consists of a cone trunk whose generator makes with an unfocused electron beam an angle equal to the inverse of the Lorentz factor of the incident electrons, this device making it possible to obtain a beam focused x-rays, the

hearth being located at the top of the cone or near the top.

) Application of X-rays obtained by the devices according to

the preceding claims to X-ray crystallography or

engraving of electronic circuits or studies concerning the

physics of condensed media.