光子發生器的製作方法
2023-05-30 12:05:11
專利名稱：光子發生器的製作方法
根據DE-AC02-98CH10886號合同，本發明得到由美國能源部提供的政府支持。政府在本發明中擁有一定權利。
本發明涉及x-射線的產生，具體而言，涉及光子發生器源。
x-射線廣泛應用在醫療、工業、生物科學、材料科學等方面。然而，產生x-射線的常規同步加速器體積大而且價格昂貴，因此不能得到廣泛使用。
為此，人們開發了一種較小型的x-射線源，即雷射同步加速器源(簡稱雷射同步加速器源)。在雷射同步加速器源中，雷射束與在作用腔中加速的電子束髮生碰撞，根據康普頓或湯姆遜散射原理，產生諸如x-射線的高能量光子束。
雷射同步加速器源光子發生器產生的高能量光子的峰通量和亮度要受到所使用裝置的特定構造的限制。
因此，需要一種能夠產生具有高亮度的高能量光子的小體積光子發生器。
光子發生器包括一支發射電子束的電子槍和一臺發射雷射束的雷射器。雷射束與電子束反覆碰撞，產生高能光子束並從而典型地構成x-射線。
根據本發明的優選實施例並結合以下附圖，可以進一步清楚了解本發明的目的和優點
圖1是根據本發明優選實施例的光子發生器的示意圖。
圖2是圖1所示的光子發生器的優選操作流程圖。
圖3是圖1所示的光子發生器的流程示意圖。
圖4是圖3所示的電子槍的示意圖。
圖1所示是一個光子發生器，在本發明優選實施例中稱為裝置10。光子發生器是雷射同步加速器源的一個改進裝置，同時還包括用以發射相對論電子束14的高能電子槍裝置12。
高能雷射器16用於發射雷射束18。一條聯接電子槍和雷射器一道運轉的中空環形作用軌20使電子束14在一條封閉的環路上運行，並在其中反覆與雷射束18碰撞，進而由電子束與雷射束的碰撞產生高能光子束22。用這樣的方法，根據湯姆遜散射或康普頓散射原理，從雷射散射出的相對論電子就產生了高能量光子。所產生光子束22的典型構成是x-射線、伽馬射線、可見光、紫外光、或其他窄能帶的電磁輻射，並且具有很高的亮度。
圖1所示的電子槍12可以有多種構造，用以產生在環中散射的高能電子。同樣，散射雷射器16也可以有不同構造，用以產生高能雷射束，通過在作用環中的碰撞與電子發生散射。
在優選實施例中，散射雷射器16配置成可以按一個預先所選取的固定重複頻率以脈衝列發射雷射束18。電子槍12也配置成以脈衝列的形式發射電子束14。相應地，作用環20要調整尺寸並配置為使每一個電子束脈衝以預先決定的周期環繞，並使這一周期與雷射束脈衝的重複頻率所對應的周期相等，從而在環中重複發生碰撞。在每一次電子束脈衝和雷射束脈衝列的碰撞中，都會因湯姆遜散射產生相應數量的光子。因而使光子束22具有充分高的平均亮度。
圖1所示的示範作用環20選擇為橢圓形，具有一對相對設置的直道20a和一對相對設置的彎道20b連接而成封閉的橢圓形環路。
電子槍12沿第一旋轉方向設置以便發射電子脈衝14進入作用環20，該方向在圖1中為順時針方向。散射雷射器16的放置為，利用合適角度的偏轉鏡向作用環20的反方向即第二旋轉方向發射雷射脈衝18，使之與相對的電子束脈衝碰撞，該方向在圖1中的上面直道為逆時針方向。
因此，作用環使電子束脈衝在封閉的橢圓環路中以第一方向環繞，雷射束脈衝的方向則與之相反，以第二方向與電子束脈衝迎頭相撞，引起湯姆遜散射。用這樣的方法，當電子脈衝在環路中環繞時，同一電子束會不斷地與雷射束列中的雷射脈衝相繼相撞。
基本作用環可以採用常規電子束儲存環的改造形式，電子在其中環繞能量損失最小。環內抽成很高程度的真空，環上還有位置適當的窗口，用於接收和排放改造環內的電子和雷射脈衝。
在圖1所示的示範裝置中，作用環包含了一組聚焦元件磁鐵24，與環相作用地聯接在一起，比如可以位於彎道20b附近。它將電子束14在兩段直道20a中段最佳的碰撞區域26聚焦成一細腰。
另一組偏轉元件磁鐵28在四個角上或彎道與直道相接處與環相作用地連接在一起，偏轉或引導電子束在環中環繞。
偏轉磁鐵具有的動力剛好可以維持環中電子束的環繞運動達到足夠的圈數。提高相應偏轉磁鐵的強度，一個電子脈衝可在環的任意一個角進環；同樣降低偏轉磁鐵的強度也可以使一個電子脈衝在任意一個角從環裡退出。
電子脈衝在環中環繞時，將由磁鐵24聚焦到直道上的兩個碰撞區。相應地，用適當的光學或聚焦鏡片設置散射雷射器16，使雷射束脈衝聚焦到兩條直道之一上相應的碰撞區26的電子束腰部。
用這樣的方法，電子束14在作用環中碰撞區26聚焦成一個細腰，雷射脈衝18聚焦到碰撞區26內的電子束腰部，發生碰撞並在此產生湯姆遜散射。
圖1所示的雷射束可按需要在或不在作用環中環繞。在圖示的所選設置中，眾多的反射及偏轉鏡30的中心線與作用環光學對齊，使雷射脈衝18環繞在環路中，反覆在碰撞區電子束脈衝各自的兩個腰部之一與電子束脈衝碰撞。這樣，同一電子束脈衝14可以在環的兩個直道10a相繼與雷射束脈衝碰撞，相應產生出高能光子。由於雷射束的能量在多次鏡面反射中會有損失，可以在設置系列中使用光學放大器(圖中未示出)，用以補償能量損失。
另外，在兩個彎道20b之一處還可以放置加速器20c，補償環繞電子因散射而發生的能量損失。兩個電子加速器12b和20c與圖3所示的同步加速器48相作用地連接起來，對進行能量加速的電子脈衝實行同步操作。
如上所述，在相對緊湊的體積中，電子槍12和散射雷射器16可以通過配置與作用環協同發揮最佳的性能。電子槍最好配置為向環20發射相對論電子束14，所具有的相對論能量大約在1-10MeV的範圍，以期產生高亮度的電子束。
相應地，雷射器16需要設置為使所發射雷射束18的能量達到大約100mJ、波長大約750nm、脈衝持續時間大約3ps。這樣一個高能雷射束脈衝與一個擁有100pC電子束、持續時間100fs、能量大約為5MeV的典型電子束迎頭碰撞，每次碰撞可以產生106個波長大約為1.6nm、能量大約為800eV的光子。所產生的光子束的峰值亮度大約為1022光子/(秒0.1％黑白區域立體角)，可與第二代同步加速器光源相比。
如圖2流程圖所示，散射雷射器16設置為使所發射雷射束18可以形成陣列18a，其中包括多個一級重複頻率的宏脈衝18b，每一個宏脈衝又包括多個在80MHz附近不同的二級重複頻率的微脈衝18c，這一頻率所對應的周期大約為12ns，實際上相等於電子束脈衝在作用環內的環繞周期。
電子槍12相應設置為產生由單個電子束脈衝14b構成的電子脈衝列14a。電子槍和散射雷射器同步匹配，共同產生電子和雷射脈衝列。
產生的雷射宏脈衝18a最好具有大約為100Hz的一級重複頻率，持續時間大約為1微秒。每一個宏脈衝18b最好具有大約100個持續大約3ps的微脈衝。每一個微脈衝與一個電子束脈衝碰撞，每次碰撞產生的光子束大約有106個x-射線光子，持續時間大約為100fs，即每秒大約產生1010個光子。
調節雷射波長可小範圍地調節所產生光子束22的波長，若需要大範圍調節則要改變電子束的能量。如果散射雷射器16可在大約750-850nm的範圍內調節，電子能量可在大約1-10MeV的範圍內變化，所產生的光子束窄帶寬輻射就可以在大約53nm至0.4nm連續調節。
電子槍產生的單個電子束脈衝14b具有和雷射產生的宏脈衝18b相同的重複頻率。電子束脈衝14b射向作用環20並以與每一個宏脈衝的微脈衝18c相吻合的重複環繞頻率在環中環繞。
當一個電子束脈衝在作用環中環繞時，每一圈都會相繼與一個特定的微脈衝18c碰撞，直到每一個宏脈衝中的全部微脈衝都利用起來和這一個電子束脈衝產生湯姆遜散射。
在優選實施例中，微脈衝18c的重複頻率對應的周期大約為12ns，作用環20設置為使在其中運行的電子束脈衝也具有12ns的周期，與微脈衝周期相吻合，以便使電子脈衝同步，在作用環中電子脈衝每一圈都與一個相繼而來的微脈衝碰撞。當一個宏脈衝中的所有微脈衝都與同一電子脈衝完成碰撞以後，消耗後的電子脈衝由作用環中撤出，下一個電子脈衝注入其中，繼續與下一個宏脈衝再一次重複碰撞周期。
如上所述，電子槍12可以有多種常規的設置，與相應設置的散射雷射器16相配合。圖3所示為雷射系統32與作用環20和電子槍12相配合的一個具體化示範，圖4對它們做了更詳細的說明。
如圖4所示，電子槍12最好選取具有常規設置的雷射激發光電陰極電子槍。另外也可以採用其他形式，比如RF槍、熱電子槍、場發射槍等。
在所選示範中，高壓脈衝發生器34包含了一個諧振變壓器34a，它與一個充有SF6氣體的增壓觸發放電間隙34b配合工作。觸發間隙34b位於變壓器和一個組合連接線路34c之間，組合線路34c與一個阻抗負載匹配變壓器34e之間還有一個脈衝銳化放電間隙34d。真空二極體36包括了與阻抗變壓器相聯的陰極36a和一個預先決定了相隔距離的陽極36b。
脈衝發生器34設置為可以在真空二極體36的電極之間施加範圍大約為0.5-1MV的脈衝高壓，建立一個大約1GV/m的加速梯度。通過用一個短於1ps的短雷射脈衝同步地刺激電極36a，使陰極發射出由雷射束控制特性的光電子。高壓電場將電子加速到相對論能量，產生高亮度電子束脈衝14b。如果需要，這一電子束的能量還可以通過一個與二極體相配的常規設置的額外加速腔12b提高到大約10MeV。
由於圖3所示的光子發生器的各種元件都設置為發射高能脈衝，為了獲得最佳性能，需要使這些脈衝同步。雷射系統32應設置為發射陰極雷射束38，刺激電子槍的陰極36a發射電子。雷射系統還設置為發射觸發雷射束40，與陰極雷射束38同步觸發充有SF6氣體的增壓放電間隙34b。
並且，雷射系統還要設置為與陰極雷射束同步發射散射雷射束18，與作用環20內的電子束脈衝碰撞。
這樣，圖3所示的雷射系統設置為送出3種互不相同的雷射束，同步地操縱光子發生器10。陰極雷射束38具有大約為100微焦耳的相對較低能量，它的超短脈衝持續時間短於1ps，以大約4-5eV的紫外光子能量刺激陰極36a發射電子。
觸發雷射束40的紫外波長能量要比大約50mJ高，具有相對較長的脈衝持續時間，大約在1-10ns的範圍，觸發脈衝發生器放電間隙34b，保持與陰極雷射束38的高壓脈衝同步。
散射雷射束18具有相對較高的能量，範圍大約在10-100mJ，短脈衝持續時間可達大約10ps，需要調節到能夠引起作用環20中的電子束脈衝發生湯姆遜散射。
在優選實施例中，圖3所示的雷射系統32的3種不同雷射束18、38、40可由兩臺設置不同的雷射器同步形成。
例如，第1臺雷射器42設置為發射觸發雷射束40，第2臺雷射器44設置為發射陰極雷射束38。並且，功率放大器46與第2臺雷射器相作用地聯接，同步地發射散射雷射束18。
包括了一個主控時鐘的適配同步器48相作用地與兩個雷射器聯接在一起，使之以一種常規的方式配合運轉。
在圖3所示的所選示範中，第一臺雷射器42是一個發射紫外雷射束脈衝42a的Nd:YAG雷射器，它在相應的諧振晶體(HC)50上使頻率加倍，形成觸發雷射束40，送到電子槍。
第二臺雷射器44最好是一個模式鎖定雷射器，設置為首先發射一束紅外雷射束44a，脈衝持續時間短於大約100fs、波長約800nm，重複頻率約80MHz，對應於大約12ns的周期。例如，這一模式鎖定雷射器可以是鈦藍寶石固體雷射器。
脈衝擴展器52相作用地與第二臺雷射器44聯接，將脈衝持續時間延長到大約100ps。
第一臺雷射器42需要與第二臺雷射器44相作用地聯接在一起，以便放大陰極雷射束38，並且提升功率放大器46的能量，放大散射雷射束18。
這一點通過與第二諧振晶體光學校直的第一分光鏡54實現，它在第1束雷射42a中分出一部分能量，用於在一個與擴展器和分光鏡54光學校直的前置放大器上提升擴展的第2束雷射束44a的能量。
第二分光鏡58依次與第一分光鏡54光學校直，從第1雷射束42a再分出一部分能量，用以提高與之相作用地聯接的功率放大器46的能量。
第一脈衝壓縮器60相作用地聯接前置放大器56，用於將雷射束完全壓縮到大約100fs的原有脈衝周期，該雷射束再在與之相作用地聯接的另一諧振晶體52上使頻率加倍，用於產生陰極雷射束38。
第二脈衝壓縮器62相作用地聯接功率放大器46，用於部分地壓縮放大後的雷射束，並將散射雷射束18的脈衝周期調節至大約大於100fs，最好能到達大約1-10ps的範圍。
以上根據所選取示範所描述的光子發生器能夠有效地產生光子束輸出，其峰值和平均亮度可與常規的非光子發生器相提並論。然而，光子發生器要小很多，比如說，可比一個常規同步加速器小大約200平方英尺，相應也降低了購置費用和運行費用。光子能量可以在大約53nm至大約0.4nm之間連續調節，產生1-10MeV的電子束脈衝。並且，窄帶寬光子束輻射的脈衝持續周期可以在大約50fs至3ps之間變化。
作用環對於高能雷射束同高能電子束碰撞、由湯姆遜散射產生光子輻射提供了實質性的改進。由於它的光子輻射是單色的，從而免除了對於諸如分光計、光柵、冷卻元素等這些對於標準的同步加速器所不可或缺的需要。
儘管以上對本發明所選取的典型示範進行了描述，其他關於發明的變化對於本領域的一般技術人員而言是顯而易見的。
權利要求
1．一光子發生器，包括一發射電子束的電子槍；一發射雷射束的雷射器；以及一與上述電子槍和雷射器相作用地聯接在一起的作用環，用以使上述電子束在一個封閉的環路中環繞，在其中反覆地與上述雷射束碰撞，並從二者之間的碰撞發射一個光子束。
2．根據權利要求1所述的發生器之中上述雷射器設置為以重複頻率的脈衝列發射上述雷射束；上述電子槍設置為以電子脈衝發射上述電子束；以及選取上述作用環的尺寸並設置為使上述電子束脈衝以實際上與上述重複頻率相等的相應周期環繞，從而發生上述的重複碰撞。
3．根據權利要求2所述的發生器之中上述作用環為橢圓形，具有一對相對的彎道和一對相對的直道；上述電子槍部署為向上述作用環的第一方向發射上述電子束脈衝；以及上述雷射器部署為向上述作用環反向的第二方向發射上述雷射束脈衝，與上述電子束脈衝碰撞。
4．根據權利要求3所述的發生器進一步包括與上述作用環相作用地聯接在一起的一組聚焦磁鐵，使上述電子束脈衝在上述直道處聚焦成一細腰；在上述直道和彎道的連接處與上述作用環相作用地聯接在一起的一組偏轉磁鐵，引導上述電子脈衝在上述環中環繞；以及其中上述雷射器設置為將上述雷射脈衝聚焦至位於上述直道之一處的上述電子脈衝腰部。
5．根據權利要求4所述的發生器進一步包括與上述作用環相作用地聯接在一起的一組偏轉鏡片，偏轉上述雷射脈衝在上述環路中環繞，與上述電子脈衝在上述一對直道各自的上述腰部重複碰撞。
6．根據權利要求2所述的發生器中的所述電子槍所包括的雷射激發光電陰極電子槍包括一帶有觸發放電間隙的高壓脈衝發生器；以及一包含發射電子的陰極和有一定距離的陽極的二極體。
7．根據權利要求6所述的發生器進一步包含一雷射系統，被設置為發射刺激上述電子槍中上述陰極發射電子的陰極雷射束；與上述陰極雷射束同步觸發上述放電間隙的觸發雷射束；以及在上述作用環中與上述電子束脈衝碰撞並與上述陰極雷射束同步的散射雷射束。
8． 根據權利要求7所述的發生器中的所述上述雷射系統包括第一雷射器設置為發射上述觸發雷射束；第二雷射器設置為發射上述陰極雷射束；以及與上述第二雷射器相作用地聯接的放大器發射上述散射雷射束。
9． 根據權利要求8所述的發生器中的所述第一雷射器相作用地聯接上述第二雷射器，用以放大上述陰極雷射束並為上述放大器放大上述散射雷射束提供能量。
10．根據權利要求9所述的發生器中上述第一雷射器是一臺Nd:YAG雷射器；以及上述第二雷射器是一臺模式鎖定雷射器。
11．一種產生光子束的方法包括發射電子束；發射雷射束；以及上述電子束與上述雷射束重複碰撞，由二者之間的碰撞發射上述光子束。
12．根據權利要求11所述的方法進一步包括按重複的頻率以雷射脈衝列發射上述雷射束；以電子束脈衝發射上述電子束；以及使上述電子束脈衝以實際上相等於相應上述雷射重複頻率的周期的周期環繞，產生上述重複碰撞。
13．根據權利要求12所述的方法進一步包括使上述電子束脈衝在一個封閉的環路中按第一方向環繞；以及引導上述雷射脈衝在上述環路中按相反的第二方向環繞，與上述電子束脈衝碰撞。
14．根據權利要求13所述的方法進一步包括在上述環路中將上述電子束脈衝聚焦成一細腰；以及在上述電子束脈衝腰部聚焦上述雷射束脈衝，並在此處碰撞。
15．根據權利要求14所述的方法進一步包括在上述環路的一組上述腰部聚焦上述電子束脈衝；以及使上述雷射束脈衝在上述環路中環繞，與上述電子束脈衝在各自的上述腰部重複碰撞。
16．根據權利要求13所述的方法進一步包括在上述環路中發射相對論電子束，其能量範圍大約為1-10MeV；以及發射上述雷射束，其能量達到大約100mJ，波長大約750nm，脈衝持續時間大約為3ps。
17．根據權利要求13所述的方法進一步包括以上述陣列18a發射上述雷射束，陣列中包含一組具有第一重複頻率的宏脈衝，每一個宏脈衝含有一組具有第二重複頻率的微脈衝，所對應的周期實際上相等於上述電子束脈衝的環繞周期。
18．根據權利要求17所述的方法之中上述宏脈衝的第一重複頻率大約為100Hz，持續時間大約1微秒，每一個宏脈衝含有大約100個微脈衝；以及每一個上述微脈衝的周期大約為12ns，持續時間大約100fs，每次碰撞產生大約106個光子的上述光子束。
19．根據權利要求13所述的方法進一步包括調節上述電子束的能量；以及調節上述雷射束的波長，使之在大約53nm至大約0.4nm的窄帶寬輻射連續調節上述光子束。
全文摘要
一種包括發射電子束的電子槍和發射雷射束的雷射器的光子發生器。雷射束反覆與電子束髮生碰撞,產生高能光子束並從而典型地構成x－射線。
文檔編號H05G2/00GK1318970SQ0111069
公開日2001年10月24日 申請日期2001年4月17日 優先權日2000年4月17日
發明者史芮尼維仁－拉奧·崔維尼 申請人:布魯克海文科學協會