GENERADOR DE FOTONES
Descripción Esta invención fue realizada con apoyo del gobierno de los Estados Unidos de América bajo el contrato número DE-AC02-98CH10886, otorgado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos de América. El gobierno de los Estados Unidos de América tiene ciertos derechos sobre la invención. Antecedentes de la Invención La presente invención se refiere de forma general a la generación de rayos X y, más específicamente, a fuentes de generación de fotones . Los rayos X tienen muchas aplicaciones en la medicina, la industria, las ciencias biológicas, y las ciencias de materiales. Sin embargo, un sincrotrón convencional configurado para generar rayos X es bastante grande y costoso y por ello no es práctico para uso difundido Un tipo de fuente de rayos X más pequeño en desarrollo es la Fuente de Sincrotrón de Láser (LSS) . En la LSS, un haz de láser choca con un haz de electrones acelerado en una celda de interacción para producir un haz de fotones de alta energía, tal como rayos X, con base en la dispersión de Compton o Thomson. El flujo pico y la brillantez para los fotones de alta energía producidos en un generador de fotones LSS son limitados por la configuración específica del aparato utilizado. De manera acorde, se desea proporcionar un generador de fotones compacto para producir fotones de alta energía con alta brillantez . Compendio de la Invención Un generador de fotones incluye una pistola de electrones para emitir un haz de electrones, y un láser para emitir un haz de láser. El haz de láser repetitivamente choca con el haz de electrones para emitir un haz de fotones de alta energía de ahí en la forma ejemplar de rayos X. Breve Descripción de los Dibulos La invención, de acuerdo con las formas de realización preferidas y ejemplares, junto con los objetos y ventajas adicionales de ésta, es descrita en forma más particular en la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos acompañantes en los cuales: La figura 1 es una representación esquemática de un generador de fotones de acuerdo con una forma de realización ejemplar de la presente invención. La figura 2 es un diagrama de flujo de una forma de realización preferida de operación del generador de fotones ilustrado en la figura 1. La figura 3 es una representación en diagrama de flujo de el generador de fotones ilustrado en la figura 1 de acuerdo con una forma de realización ejemplar.
La figura 4 es una representación esquemática de la pistola de electrones ilustrada en la figura 3 de acuerdo con una forma de realización ejemplar. Descripción Detallada de la Invención Ilustrado esquemáticamente en la figura 1 está un generador de fotones o aparato 10 de acuerdo con una forma de realización ejemplar de la presente invención. El generador de fotones es una mejora ante la LSS, e incluye medios en la forma de una pistola de electrones de alta energía 12 para emitir un haz de electrones 14 relativista. Medios en la forma de un láser de alta energía 16 son proporcionados para emitir un haz de láser 18. Una banda o anillo de interacción evacuada 20 se une operativamente con la pistola de electrones y el láser para circular el haz de electrones en un circuito cerrado para que choque con el haz de láser 18 para a su vez emitir un haz de fotones de alta energía 22 a partir de choques entre los haces de electrones y láser. En esta forma, los fotones de alta energía son generados o producidos al dispersar luz de láser fuera de electrones relativistas con base en la dispersión de Thomson o la dispersión de Compton. El haz de fotones 22 resultante puede estar en la forma ejemplar de rayos X, rayos gamma, luz visible, luz ultravioleta, u otra radiación electromagnética de banda angosta, y goza de alta brillantez. La pistola de electrones 12 ilustrada esquemáticamente en la figura 1 puede tener varias configuraciones para producir electrones de alta energía para dispersar en el anillo. Similar-mente, el láser de dispersión 16 puede tener también varias configuraciones para producir un haz de láser de alta energía para dispersión por los electrones ante choques dentro del anillo de interacción. En una forma de realización preferida, el láser de dispersión 16 se configura para emitir el haz de láser 18 en un tren de pulsos a una tasa de repetición predeterminada y preferentemente constante. La pistola de electrones 12 también es configurada para emitir el haz de electrones 14 en un tren de pulsos de electrones. Correspondientemente, el anillo de interacción 20 se ajusta y configura para circular un pulso de haz de electrones individual con un período predeterminado o periodicidad que es sustancialmente igual al período correspondiente a la tasa de repetición de los pulsos de haz de láser para ocasionar choques repetitivos dentro del anillo. En cada choque del pulso de haz de electrones con el tren de pulsos de haz de láser un número correspondiente de fotones se producen por dispersión de Thomson. El haz de fotones 22 resultante puede por lo tanto gozar de una brillantez de promedio sustancialmente alto. El anillo de interacción 20 ejemplar ilustrado en la figura 1 es preferentemente ovalado en forma con un par de secciones o piernas 20a rectas opuestas, y un par de vueltas o curvas 20b arqueadas opuestas unidas a su vez a las dos piernas en un circuito cerrado ovalado. La pistola de electrones 12 se coloca para emitir el pulso de haz de electrones 14 hacia dentro del anillo de interacción 20 en una primer dirección rotativa, que va en sentido de las manecillas del reloj en el gráfico de la figura 1. El láser de dispersión 16 se coloca usando espejos plegadizos apropiados como se requiere para emitir los pulsos de haz de láser 18 hacia dentro del anillo de interacción 20 en una segunda dirección, opuesta, que va en contra de las manecillas del reloj en la pierna superior mostrada en el gráfico de la figura 1, para chocar con el pulso de haz de electrones opuesto. El anillo de interacción por lo tanto permite al pulso de haz de electrones que circule en un circuito cerrado ovalado en la primer dirección, con los pulsos de haz de láser siendo dirigidos de forma opuesta en la segunda dirección para chocar de frente con el pulso de haz de electrones para ocasionar dispersión de Thomson. En esta forma, el mismo pulso de electrones puede ser golpeado repetitivamente por pulsos de láser a su vez en el tren mientras el pulso de electrones circula en el anillo. El anillo de interacción básico puede ser una forma modificada de un anillo de almacenamiento de haz de electrones convencional en el cual electrones son circulados con mínima pérdida de energía. El anillo es evacuado a niveles de suficiente alto vacío, y ventanas apropiadas son provistas para recibir y vaciar los pulsos de electrones y láser en el anillo modificado.
En la forma de realización ejemplar ilustrada en la figura 1, el anillo de interacción incluye una pluralidad de elementos de enfoque o imanes 24 unidos operativamente al anillo, alrededor de las curvas 20b por ejemplo, para enfocar el haz de electrones 14 con una cintura angosta en la zona de choque 26 preferentemente en la mitad de ambas piernas rectas 20a. Una pluralidad dé elementos de curveado o imanes 28 se unen operativamente al anillo en las cuatro esquinas o intersecciones correspondientes de las piernas y las curvas para curvear o dirigir el haz de electrones para que circule dentro del anillo. Los imanes de curveado son energizados para mantener la trayectoria de circulación anular del haz de electrones dentro del anillo por un número suficiente de revoluciones o ciclos. Un pulso de electrones individual puede ser introducido en cualquiera de las cuatro esquinas del anillo por medio de quitar la energía al imán de curveado correspondiente, y un pulso de electrones individual puede ser descargado del anillo en cualquiera de las cuatro esquinas también por medio de quitar la energía al imán de curveado ahí . Mientras el pulso de electrones circula por dentro del anillo, es enfocado por los imanes 24 en las dos zonas de choque 26 en las piernas rectas. Correspondientemente, el láser de dispersión 16 se configura usando ópticos apropiados o lentes de enfoque para enfocar los pulsos de haz de láser a la cintura del pulso de haz de electrones en al menos una de las dos piernas de la zona de choque 26 correspondiente. De ésta forma, el pulso de electrones 14 se enfoca con una cintura angosta en la zona de choque 26 dentro del anillo de interacción, y los pulsos de láser 18 se enfocan a la cintura de haz de electrones dentro de la zona de choque 26 para ocasionar amenaza de choque y dispersión de Thomson. El haz de láser ilustrado en la figura 1 puede o no puede circular dentro del anillo de interacción, según se desee. En la forma de realización preferida ilustrada, medios en la forma de una pluralidad de espejos 30 reflejantes o circulantes se alinean ópticamente con el anillo de interacción para circular los pulsos de láser 18 en el circuito para chocar repetitivamente con el pulso de haz de electrones en la respectiva de las dos cinturas en las zonas de choque. De ésta forma, el mismo pulso de haz de electrones 14 puede chocar con los pulsos de haz de láser a su vez en ambas piernas 20a del anillo para producir correspondientemente fotones de alta energía. Puesto que la energía del haz de láser se degrada debido a reflejos múltiples de los espejos, un amplificador óptico (no mostrado) puede ser utilizado en serie con ellos para compensar la pérdida de energía. Además, un amplificador opcional 20c puede estar localizado en una de las dos curvas 20b para compensar la pérdida de energía en el pulso de electrones circulante debido a dispersión. Los dos amplificadores de electrones 12b y 20c pueden ser unidos operativamente al sincronizador 48 mostrado en la figura 3 para operación sincronizada con el pulso de electrones cuya energía está siendo amplificada. Como se indica previamente, la pistola de electrones 12 y el láser de dispersión 16 puede ser configurado para maximizar el desempeño del anillo de interacción cooperativa en un montaje relativamente compacto. La pistola de electrones 12 es configurada preferentemente para emitir un haz de electrones relativista 14 dentro del anillo 20 con energías relativistas en el rango de aproximadamente 1-10 MeV para resultar en un haz de electrones de alta brillantez. Correspondientemente, el láser 16 es configurado preferentemente para emitir el haz de láser 18 con una energía de aproximadamente 100 mJ a una longitud de onda de aproximadamente 750 nm y con una duración de pulso de aproximadamente 3 ps. Un pulso de haz de láser de alta energía tal chocando de frente con un haz de electrones que tiene un puñado de electrones de 100 pC en 100 fs de duración con una energía de aproximadamente 5 Me V puede producir 106 fotones a una longitud de onda de aproximadamente 1.6 nm, y aproximadamente 800 eV por choque. La brillantez pico del haz de fotones resultante es aproximadamente 1022 fotoñes/ (sO .1% BW de ángulo de área sólida), que es comparable a aquel de una fuente de luz de sincrotrón de segunda generación. Como se muestra en el diagrama de flujo de la figura 2, el láser de dispersión 16 se configura para emitir el haz de láser 18 preferentemente en un tren 18a que incluye una pluralidad de macro-pulsos 18b a la primer tasa de repetición. Cada macro-pulso incluye una pluralidad de micro-pulsos 18c a una diferente segunda tasa de repetición de aproximadamente 80 MHz que tiene un período correspondiente de aproximadamente 12 ns el cual es sustancialmente igual a el período de circulación o periodicidad del pulso de haz de electrones dentro del anillo de interacción. La pistola de electrones 12 es configurada correspondientemente para producir un tren de pulsos de electrones 14a de pulsos de haz de electrones 14b individuales o sencillos. La pistola de electrones y el láser de dispersión están apropiadamente sincronizados para producción coordinada de los trenes de pulsos de electrones y de láser. Los macro-pulsos de láser resultantes 18b preferentemente tienen una primera tasa de repetición de aproximadamente 100 Hz, con una duración de aproximadamente 1 microsegundo . Cada macro-pulso 18b preferentemente tiene aproximadamente 100 micro-pulsos 18c de aproximadamente 3 ps de duración. Cada uno de los micro-pulsos choca con un pulso de haz de electrones para producir un haz de fotones que tiene aproximadamente 106 fotones de rayos X por choque con una duración de aproximadamente 100 fs resultando en aproximadamente 1010 fotones por segundo. La longitud de onda del haz de fotones 22 resultante puede ser ajustada en pequeños pasos por medio de ajustar la longitud de onda del láser, y en pasos más largos por medio de cambiar la energía del haz de electrones . Con el láser de dispersión 16 ajustable en el rango de aproximadamente 750-850 nm, y la energía de electrones variable en el rango de aproximadamente 1-10 MeV, la radiación de anchura de banda angosta para el haz de fotones resultante puede ser continuamente ajustable de aproximadamente 53 nm a 0.4 nm. Un pulso de haz de electrones 14b sencillo se produce por la pistola a la misma tasa de repetición que los macro-pulsos 18b producidos por el láser. El pulso de haz de electrones 14b es inyectado dentro del anillo de interacción 20 donde circula a su alrededor en revoluciones que se repiten coordinadas con los micro-pulsos 18c de cada macro-pulso. Mientras el pulso de haz de electrones sencillo circula en el anillo de interacción, choca con un micro-pulso 18c individual a su vez por cada revolución hasta que el complemento total de micro-pulsos en cada macro-pulso son utilizados para ocasionar dispersión de Thomson con el mismo pulso de haz de electrones . En una forma de realización ejemplar, la tasa de repetición de micro-pulsos 18c corresponde con un período de aproximadamente 12 ns, con el anillo de interacción 20 siendo configurado para orbitar el pulso de haz de electrones con un período de 12 ns igual al período de micro-pulsos tal que el pulso de electrones se sincronice para chocar con un micro-pulso siguiente para cada órbita o revolución del pulso de electrones dentro del anillo de interacción. Cuando se completan todos los micro-pulsos en un macro-pulso sencillo chocando con pulso de electrones común, el pulso de electrones gastado se descarga del anillo de interacción, y el siguiente pulso de electrones se inyecta allí para repetir de nuevo el ciclo de choque para el macro-pulso siguiente. Como se indica previamente, la pistola de electrones 12 puede tener varias configuraciones convencionales para cooperar con un láser de dispersión 16 configurado correspondientemente. La figura 3 ilustra una forma de realización ejemplar del sistema de láser 32 cooperando con el anillo de interacción 20 y la pistola de electrones 12, la cual es ilustrada con mayor detalle en la figura 4. Como se muestra en la figura 4, la pistola de electrones 12 está preferentemente en la forma de una pistola de electrones de fotocátodo excitado por láser que tiene una configuración convencional. Alternativamente, la pistola de electrones puede tener una pistola RF, pistola termoiónica, o pistola de emisión de campo, por ejemplo. En una forma de realización preferida, un generador de pulsos de alto voltaje 34 incluye un transformador resonante 34a cooperando con una abertura de chispa de disparo presurizada, llena de gas SF6 34b. La abertura de disparo 34b se define entre el transformador y una línea de formado o conducción 34c. La línea de formado 34c define una abertura de chispa de intensificación de pulso 34d con un transformador de igualación de impedancia o carga 34e. Un diodo de vacío 36 incluye un cátodo 36a unido al transformador de impedancia, y un ánodo 36b espaciado predeterminadamente de él. El generador de pulso 34 es configurado para aplicar un alto voltaje pulsado en el rango de aproximadamente 0.5-1 MV entre los electrodos del diodo de vacío 36 para establecer gradientes de aceleración de aproximadamente 1 GV/m. Al irradiar simultáneamente el cátodo 36a con un pulso de láser corto de menos de aproximadamente 1 ps, el cátodo emite fotoelectrones cuyas características son controladas por el haz de láser. El campo alto acelera los electrones a energías relativistas resultando en un pulso de haz de electrones 14b de alta brillantez. La energía de éste haz de electrones puede ser incrementada, si se requiere, a .aproximadamente 10 MeV por una cavidad de amplificación opcional 12b que tiene una configuración convencional cooperando con el diodo. Dado que los varios componentes del generador de fotones 10 ilustrado en la figura 3 son configurados para emitir pulsos de alta energía, la sincronización de esos pulsos es requerida para maximizar el desempeño. El sistema de láser 32 es configurado preferentemente para emitir un haz de láser de cátodo 38 para irradiar el cátodo 36a en la pistola de electrones para emitir electrones. El sistema de láser es configurado también para emitir un haz de láser de disparo 40 para disparar la abertura de chispa de disparo presurizada, llena de gas SF6 34b en sincronización con el haz de láser de cátodo 38. Y, el sistema de láser es configurado adicionalmente para emitir el haz de láser de dispersión 18 sincronizado con el haz de láser de cátodo para chocar con el pulso de haz de electrones dentro del anillo de interacción 20. De manera acorde, el sistema de láser 32 ilustrado en la figura 3 se configura para entregar tres diferentes y distintos haces de láser para operar sincrónicamente el generador de fotones 10. El haz de láser de cátodo 38 tiene relativamente energía baja de aproximadamente 10-100 micro-Joules, con una duración ultra corta de pulso de menos de 1 ps, y con aproximadamente 4-5 eV de energía de fotones ultravioleta para irradiar el cátodo 36a para que emita electrones. El haz de láser de disparo 40 tiene una alta energía mayor de aproximadamente 50 mJ con una duración de pulso relativamente larga en el rango de aproximadamente 1-10 ns, de longitud de onda ultravioleta para disparar la abertura de chispa 34b del generador de pulso para sincronizar el pulso de alto voltaje con el haz de láser de cátodo 38. El haz de láser de dispersión IB tiene relativamente alta energía en el rango de aproximadamente 10-100 mJ con una duración de pulso corta de hasta aproximadamente 10 ps que es preferentemente ajustable para dispersión de Thomson por un pulso de haz de electrones dentro del anillo de interacción 20. Los tres diferentes haces de láser 18, 38, 40 del sistema de láser 32 ilustrado en la figura 3 pueden ser formados sincrónicamente usando dos láseres configurados diferentemente en una forma de realización preferida. Por ejemplo, un primer láser 42 se configura para emitir el haz de láser de disparo 40. Un segundo láser 44 se configura para emitir el haz de láser de cátodo 38. Y, un amplificador de energía 46 se une operativamente al segundo láser para emitir el haz de láser de dispersión 18 en sincronización con él . Un sincronizador apropiado 48 incluyendo un reloj maestro se une operativamente a los dos láseres 42, 44 para coordinar la operación de ellos en una forma convencional. En la forma de realización preferida ilustrada en la figura 3, el primer láser 42 es un láser Nd:YAG para emitir un pulso de haz de láser ultravioleta 42a que cuya frecuencia es doblada dos veces en cristales armónicos (HC) 50 correspondientes para formar el haz de láser de disparo 40 entregado a la pistola de electrones . El segundo láser 44 es preferentemente un láser de modo cerrado configurado para emitir inicialmente un haz de láser infrarrojo 44a que tiene una duración de pulso de menos de aproximadamente 100 fs con una longitud de onda de aproximadamente 800 nm, con una tasa de repetición de aproximadamente 80 MHz que corresponde con un período de aproximadamente 12 ns . El láser de modo cerrado puede ser un láser de estado sólido de titanio y zafiro, por ejemplo. Un extensor de pulso 52 se une operativamente al segundo láser 44 para incrementar la duración de pulso a aproximadamente 100 ps. El primer láser 42 de preferencia se une operativamente al segundo láser 44 para amplificar el haz de láser de cátodo 38, así como para accionar el amplificador de energía 46 para amplificar el haz de láser de dispersión 18. Esto se logra al usar un primer espejo de división 54 alineado ópticamente con el segundo cristal armónico 50 para dividir una porción de la energía a partir del primer haz de láser 42a para accionar o amplificar el segundo haz de láser 44a extendido en un pre-amplificador 56 alineado ópticamente con el extensor y el espejo de división 54. Un segundo espejo de división 58 se alinea ópticamente a su vez con el primer espejo de división 54 para remover una parte adicional de la energía a partir del primer haz de láser 42a para accionar el amplificador de energía 46 unido operativamente a él . Un primer compresor de pulso 60 se une operativamente al pre-amplificador 56 para comprimir completamente el haz de láser a la duración de pulso original de aproximadamente 100 fs cuya frecuencia es doblada entonces en otro cristal armónico 52 unido operativamente a ello para producir un haz de láser de cátodo 38. Un segundo compresor de pulso 62 se une opera ivamente al amplificador de energía 46 para comprimir parcialmente el haz de láser amplificado y ajustar el haz de láser de dispersión 18 con una duración de pulso mayor a aproximadamente 100 fs, y preferentemente en el rango de aproximadamente 1-10 ps. El generador de fotones descrito anteriormente de acuerdo con las formas de realización preferidas es efectivo para producir un haz de fotones de salida que tiene brillantez pico y promedio comparable a aquella de un generador convencional no de fotones . Sin embargo, el generador de fotones es considerablemente menor en tamaño, por ejemplo, menos de aproximadamente 200 pies cuadrados, que un sincrotrón convencional, y con costo de capital y costo de operación correspondientemente reducidos. La energía de fotones puede ser continuamente ajustable desde aproximadamente 53 nm a aproximadamente 0.4 nm para pulsos de haz de electrones de 1-10 MeV. Y, la duración de pulso de la radiación de haz de fotones de anchura de banda angosta puede ser variable desde aproximadamente 50 fs a aproximadamente 3 ps. El anillo de interacción proporciona una mejora sustancial en repetitivamente chocar el haz de láser de alta energía con el haz de electrones de alta energía para producir radiación de fotones a partir de dispersión de Thomson. La radiación de fotones es monocromática, y de así elimina la necesidad de espectrómetro, rejilla, y elementos de enfriamiento, por ejemplo, que serían de otra forma requeridos en un sincrotrón típico. Mientras han sido descritas aquí las que se considera formas de realización preferidas y ejemplares de la presente invención, otras modificaciones de la invención pueden ser aparentes para aquellos expertos en la materia a partir de las enseñanzas que aquí están, y es, por lo tanto, deseado que sean protegidas en las reivindicaciones anexas todas tales modificaciones que caigan dentro del espíritu verdadero y el alcance de la invención. De manera acorde, lo que se desea proteger por medio de una patente es la invención tal y como se define y se diferencia en las siguientes reivindicaciones.