本發(fā)明涉及X射線光源領(lǐng)域，特別是指一種具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀。

背景技術(shù)：

X射線波長范圍在500A～0.01A(20eV～1MeV)。由于原子和分子的尺寸(1A～10A)正好落在X射線的波長范圍內(nèi)，因此，利用X射線散射和衍射可以提供詳細(xì)的物質(zhì)中原子和分子組成的機(jī)構(gòu)信息。同時(shí)，物質(zhì)中原子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間周期、材料的相變過程和化學(xué)過程中化學(xué)鍵斷裂和組合等物理過程在室溫下一般約為100fs量級(jí)，對(duì)這些超快物理過程的研究采用的泵浦-探針方法要求探針具有相同量級(jí)的時(shí)間分辨能力。因此研究具有100fs量級(jí)脈寬的小型化的超短X射線光源對(duì)固體物理、生物以及生命科學(xué)、飛秒化學(xué)、材料學(xué)科等學(xué)科的發(fā)展有著重要的意義。

目前，經(jīng)常使用的X射線光源主要有以同步輻射為代表的大型X射線光源和利用高速陰極電子束打在陽極金屬靶激發(fā)韌致輻射X射線的小型室內(nèi)X射線源。同步輻射光源雖然具有強(qiáng)度大、相干性好、發(fā)散小、頻譜范圍寬且可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)施龐大，成本高昂，全球范圍內(nèi)數(shù)量有限，無法滿足現(xiàn)有的科研需求；小型室內(nèi)X源雖然造價(jià)低，尺寸小，但其單色性差、亮度低、波長不可調(diào)諧，無法滿足在原子、分子尺度的高分辨解析以及超快ps、fs過程中的科研探索。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中在滿足高亮度、高品質(zhì)、準(zhǔn)單色、高光子通量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化的X射線光源的問題，目前尚未有有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種能夠輸出高平均束流和單脈沖束流的高亮度、高品質(zhì)、準(zhǔn)單色的小型化X射線儀。

基于上述目的本發(fā)明提供的一種具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀，包括：

電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)，所述電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)用于產(chǎn)生并輸出高能電子束團(tuán)；

激光器系統(tǒng)，所述激光器裝置用于輸出高重復(fù)頻率的超快ps激光和/或fs激光脈沖。

電子束流與激光碰撞系統(tǒng)，所述電子束團(tuán)與激光脈沖碰撞系統(tǒng)用于激光脈沖與高能電子束對(duì)準(zhǔn)和同步碰撞以產(chǎn)生X射線束流、以及回收殘余電子以及激光；

X射線束流引出系統(tǒng)，所述X射線束流引出系統(tǒng)用于對(duì)碰撞產(chǎn)生的X射線進(jìn)行聚焦、單色、限光和檢測(cè)。

進(jìn)一步的，所述電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)包括：

光陰極，所述光陰極用于產(chǎn)生電子束團(tuán)；

RF電子槍，所述RF電子槍用于產(chǎn)生低發(fā)散度、短束長、電荷量適中的電子束流；

電子束流直線加速器，所述電子束流直線加速器用于將所述RF電子槍產(chǎn)生的電子束流加速至碰撞所需能量；

束流診斷設(shè)備，所述束流診斷設(shè)備用于對(duì)電子束流進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量；

高精度低電平控制系統(tǒng)，所述高精度低電平控制系統(tǒng)用于對(duì)速調(diào)管輸出微波信號(hào)的幅值、相位的測(cè)量和控制；

電子束聚焦和整形模塊，所述電子束聚焦和整形模塊用于將電子直線加速器加速的電子束團(tuán)進(jìn)行整形和聚焦。

進(jìn)一步的，所述激光發(fā)生系統(tǒng)包括：

飛秒鈦寶石激光器，所述飛秒鈦寶石激光器在大能量的綠光激光器輸出的泵浦下，輸出一束飛秒量級(jí)的大能量超快激光，經(jīng)過分光器分束后，其中一束光經(jīng)過非線性頻率變換系統(tǒng)對(duì)電子束團(tuán)產(chǎn)生系統(tǒng)的光陰極進(jìn)行輻照產(chǎn)生電子束團(tuán)，另一束脈沖激光用于和高能電子束團(tuán)碰撞產(chǎn)生X射線。

非線性頻率變換系統(tǒng)，所述非線性頻率變換系統(tǒng)用于將飛秒鈦寶石激光器輸出的經(jīng)分光器后的一束激光進(jìn)行倍頻、三倍頻變換，獲得紫外波段的激光輸出，用于對(duì)光陰極進(jìn)行輻照產(chǎn)生電子束團(tuán)。

進(jìn)一步的，所述電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)包括：

真空腔，所述真空腔用于為高能電子束團(tuán)與飛秒激光碰撞提供真空環(huán)境，并且可以為激光器輸出提供正入射與斜入射兩種方式，從而獲得ps/fs的X射線輸出；

光路延時(shí)系統(tǒng)，所述光路延時(shí)系統(tǒng)用于對(duì)激光發(fā)生系統(tǒng)輸出的激光進(jìn)行分束并控制其到達(dá)碰撞腔的光程，并以不同的角度入射到碰撞點(diǎn)；

電子回收裝置，所述電子回收裝置用于將碰撞后剩余的電子束流偏轉(zhuǎn)后收集到電子回收桶中；

激光回收裝置，所述激光回收裝置用于將碰撞后剩余的超快激光收集到激光回收桶中。

進(jìn)一步的，所述X射線引出系統(tǒng)包括：

KB鏡，所述KB鏡用于將出射的X射線聚焦；

單晶模塊，所述單晶模塊用于提高出射X射線的単色性；

限光孔，所述限光孔用于優(yōu)化X射線方向；

鉛玻璃，所述鉛玻璃用于放置熒光屏，通過攝像頭監(jiān)測(cè)熒光屏上入射線和試樣位置來監(jiān)測(cè)出射X射線的光束質(zhì)量。

進(jìn)一步的，所述電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)工作重復(fù)頻率處于百Hz量級(jí)，所產(chǎn)生的電子束團(tuán)長度在ps量級(jí)；所述激光產(chǎn)生裝置能同時(shí)滿足輻照光陰極靶材激發(fā)電子束流以及與高能電子束流碰撞功能，所述電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)能控制激光入射角度與光程。

進(jìn)一步的，碰撞產(chǎn)生的X射線最少為，重復(fù)頻率100Hz，單脈沖光子數(shù)10⁸/pulse，光子通量10¹⁰/s。

從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀，包括：電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)，所述電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)用于產(chǎn)生并輸出高能電子束團(tuán)；激光發(fā)生系統(tǒng)，所述激光發(fā)生裝置用于輸出ps激光或fs激光；電子束流與激光碰撞系統(tǒng)，所述電子束流與激光脈沖碰撞系統(tǒng)用于測(cè)量激光與高能電子束、使激光與高能電子束對(duì)準(zhǔn)和同步，以及回收殘余電子以及激光；X射線引出系統(tǒng)，所述X射線引出系統(tǒng)用于對(duì)碰撞產(chǎn)生的X射線進(jìn)行聚焦、單色、限光和檢測(cè)。本發(fā)明實(shí)施例的小型化X射線儀，在滿足小型化的同時(shí)，使得X射線滿足高亮度、高品質(zhì)、準(zhǔn)單色和高光子通量，同時(shí)能夠輸出高平均束流和單脈沖束流。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀的具體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供的一種具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀，包括：

電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)，所述電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)用于產(chǎn)生并輸出高能電子束團(tuán)；

激光發(fā)生系統(tǒng)，所述激光發(fā)生裝置用于輸出ps激光或fs激光，

電子束流與激光碰撞系統(tǒng)，所述電子束流與激光碰撞系統(tǒng)用于測(cè)量激光與高能電子束、使激光與高能電子束對(duì)準(zhǔn)和同步，以及回收殘余電子以及激光；

X射線引出系統(tǒng)，所述X射線引出系統(tǒng)用于對(duì)碰撞產(chǎn)生的X射線進(jìn)行聚焦、單色、限光和檢測(cè)。

本發(fā)明實(shí)施例的小型化X射線儀，在滿足小型化的同時(shí)，使得X射線滿足高亮度、高品質(zhì)、準(zhǔn)單色和高光子通量。

在本發(fā)明的一席其他實(shí)施例中，在上述實(shí)施例中的小型化X射線儀中，進(jìn)一步的，所述電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)包括：

光陰極，所述光陰極用于產(chǎn)生電子束團(tuán)；

RF電子槍，所述RF電子槍用于產(chǎn)生低發(fā)散度、短束長、電荷量適中的電子束流；

電子束流直線加速器，所述電子束流直線加速器用于將所述RF電子槍產(chǎn)生的電子束流加速至碰撞所需能量；

束流診斷設(shè)備，所述束流診斷設(shè)備用于對(duì)電子束流進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量；

高精度低電平控制系統(tǒng)，所述高精度低電平控制系統(tǒng)用于對(duì)速調(diào)管輸出微波信號(hào)的幅值、相位的測(cè)量和控制；

電子束聚焦和整形模塊，所述電子束聚焦和整形模塊用于將電子直線加速器加速的電子束團(tuán)進(jìn)行整形和聚焦。

進(jìn)一步的，所述激光發(fā)生系統(tǒng)包括：

飛秒鈦寶石激光器，所述飛秒鈦寶石激光器在大能量的綠光激光器輸出的泵浦下，輸出兩束飛秒量級(jí)的大能量超快激光，分別對(duì)電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)的光陰極進(jìn)行輻照產(chǎn)生電子束團(tuán)和電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的高能電子束流碰撞產(chǎn)生X射線。

非線性頻率變換系統(tǒng)，所述非線性頻率變換系統(tǒng)用于將飛秒鈦寶石激光器輸出的激光進(jìn)行倍頻、三倍頻變換，獲得紫外波段的激光輸出，用于對(duì)光陰極進(jìn)行輻照產(chǎn)生電子束團(tuán)。

進(jìn)一步的，所述電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)包括：

真空腔，所述真空腔用于為高能電子束與飛秒激光碰撞提供真空環(huán)境，并且可以為激光器輸出提供正入射與斜入射兩種方式，從而獲得ps/fs的X射線輸出；

光路延時(shí)系統(tǒng)，所述光路延時(shí)系統(tǒng)用于對(duì)激光發(fā)生系統(tǒng)輸出的激光進(jìn)行分束并控制其到達(dá)碰撞腔的光程，并以不同的角度入射到碰撞點(diǎn)；

電子回收裝置，所述電子回收裝置用于將碰撞后剩余的電子束流偏轉(zhuǎn)后收集到電子回收桶中；

激光回收裝置，所述激光回收裝置用于將碰撞后剩余的飛秒激光收集到激光回收桶中。

進(jìn)一步的，所述X射線引出系統(tǒng)包括：

KB鏡，所述KB鏡用于將出射的X射線聚焦；

單晶模塊，所述單晶模塊用于提高出射X射線的単色性；

限光孔，所述限光孔用于優(yōu)化X射線方向；

鉛玻璃，所述鉛玻璃用于放置熒光屏，通過攝像頭監(jiān)測(cè)熒光屏上入射線和試樣位置來監(jiān)測(cè)出射X射線的光束質(zhì)量。

本發(fā)明實(shí)施的具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀的電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)工作重復(fù)頻率處于百Hz量級(jí)，所產(chǎn)生的電子束團(tuán)長度在ps量級(jí)；述激光產(chǎn)生裝置能同時(shí)滿足輻照光陰極靶材激發(fā)電子束流以及與高能電子束流碰撞功能，所述電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)能控制激光入射角度與光程。碰撞產(chǎn)生的X射線最少為，重復(fù)頻率100Hz，單脈沖光子數(shù)10⁸/pulse，光子通量10¹⁰/s。

本發(fā)明實(shí)施例的具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀，在滿足小型化的同時(shí)，使得X射線滿足高亮度、高品質(zhì)、準(zhǔn)單色和高光子通量。

作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀的結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可以看出，本實(shí)施例的小型化X射線儀，包括：

電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)100，電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)100用于產(chǎn)生并輸出指定電荷量、發(fā)散度、束團(tuán)長度以及能量的高能電子束團(tuán)；

激光發(fā)生裝置200，激光發(fā)生裝置200用于輸出指定波長、能量、脈寬的超快ps/fs激光；

電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)300，電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)300用于為激光與高能電子束碰撞對(duì)準(zhǔn)、同步、測(cè)量、回收殘余電子以及激光等；

X射線引出系統(tǒng)400，X射線引出裝置400用于對(duì)碰撞產(chǎn)生的X射線進(jìn)行聚焦、單色、限光和檢測(cè)。

作為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例具有高平均束流和單脈沖束流的小型化X射線儀的具體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，本實(shí)施例的小型化X射線儀，包括：電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)100，電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)100用于產(chǎn)生并輸出指定電荷量、發(fā)散度、束團(tuán)長度以及能量的高能電子束團(tuán)；

激光發(fā)生裝置200，激光發(fā)生裝置200用于輸出指定波長、能量、脈寬的超快ps/fs激光；

電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)300，電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)300用于為激光與高能電子束碰撞對(duì)準(zhǔn)、同步、測(cè)量、回收殘余電子以及激光等；

X射線引出系統(tǒng)400，X射線引出裝置400用于對(duì)碰撞產(chǎn)生的X射線進(jìn)行聚焦、單色、限光和檢測(cè)。

其中，電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)100包括：

光陰極110，光陰極110用于與紫外波段的超快激光作用產(chǎn)生電子束團(tuán)

RF電子槍120，RF電子槍120用于產(chǎn)生低發(fā)散度、短束長、電荷量適中的電子束流；

電子束流直線加速器130，電子束流直線加速器130用于將RF電子槍120產(chǎn)生的電子束流加速至碰撞所需能量；

束流診斷設(shè)備140，束流診斷設(shè)備140用于對(duì)電子束流進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量；

高精度低電平控制系統(tǒng)150，高精度低電平控制系統(tǒng)150用于對(duì)速調(diào)管輸出微波信號(hào)的幅值、相位的測(cè)量和控制；

電子束聚焦和整形模塊160，電子束聚焦和整形模塊160用于將電子束流直線加速器130加速的電子束團(tuán)進(jìn)行整形和聚焦。

激光發(fā)生裝置200包括；

飛秒鈦寶石激光器210，飛秒鈦寶石激光器210在大能量的綠光激光器輸出的泵浦下，輸出飛秒量級(jí)的大能量超快激光，經(jīng)分光器分束后，一束激光經(jīng)過非線性頻率變換系統(tǒng)220，對(duì)電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)的光陰極110進(jìn)行輻照產(chǎn)生電子束團(tuán)，另一束激光和電子束流產(chǎn)生系統(tǒng)100輸出的高能電子束流碰撞產(chǎn)生X射線。

非線性頻率變換系統(tǒng)220，非線性頻率變換系統(tǒng)220用于將一束飛秒鈦寶石激光器210輸出的激光進(jìn)行倍頻、三倍頻變換，獲得紫外波段的激光輸出，用于對(duì)光陰極110進(jìn)行輻照產(chǎn)生電子束團(tuán)。

電子束流與激光對(duì)撞系統(tǒng)300包括：

真空腔310，真空腔310為高能電子束與飛秒激光碰撞提供真空環(huán)境；

光路延時(shí)系統(tǒng)320，光路延時(shí)系統(tǒng)320對(duì)激光發(fā)生裝置200輸出激光脈沖進(jìn)行光程調(diào)節(jié)，以控制其到達(dá)碰撞點(diǎn)的時(shí)間，使激光脈沖和經(jīng)同一個(gè)分束激光脈沖三倍頻后照射光陰極所產(chǎn)生的高能電子束團(tuán)同時(shí)到達(dá)碰撞點(diǎn)，發(fā)生碰撞，產(chǎn)生不同脈沖寬度的X射線；

電子回收裝置330，電子回收裝置330用于將碰撞后剩余的電子束流偏轉(zhuǎn)后收集到電子回收桶中；

激光回收裝置340，激光回收裝置340用于將碰撞后剩余的飛秒激光收集到激光回收桶中。

X射線引出系統(tǒng)400包括：

KB(Kirkpatrick-Baez)鏡410，KB鏡410用于將出射的X射線聚焦；

單晶模塊420，所述單晶模塊420用于提高出射X射線的単色性；

限光孔430，限光孔430用于控制輸出X射線束流的孔徑和X光子通量；

鉛玻璃440；鉛玻璃440用于放置熒光屏，通過攝像頭監(jiān)測(cè)熒光屏上入射線和試樣位置來監(jiān)測(cè)出射X射線的光束質(zhì)量。

顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是為了區(qū)分兩個(gè)相同名稱非相同的實(shí)體或者非相同的參量，可見“第一”“第二”僅為了表述的方便，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定，后續(xù)實(shí)施例對(duì)此不再一一說明。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實(shí)施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本發(fā)明的思路下，以上實(shí)施例或者不同實(shí)施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，步驟可以以任意順序?qū)崿F(xiàn)，并存在如上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細(xì)節(jié)中提供。

另外，為簡化說明和討論，并且為了不會(huì)使本發(fā)明難以理解，在所提供的附圖中可以示出或可以不示出與集成電路(IC)芯片和其它部件的公知的電源/接地連接。此外，可以以框圖的形式示出裝置，以便避免使本發(fā)明難以理解，并且這也考慮了以下事實(shí)，即關(guān)于這些框圖裝置的實(shí)施方式的細(xì)節(jié)是高度取決于將要實(shí)施本發(fā)明的平臺(tái)的(即，這些細(xì)節(jié)應(yīng)當(dāng)完全處于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解范圍內(nèi))。在闡述了具體細(xì)節(jié)(例如，電路)以描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例的情況下，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下或者這些具體細(xì)節(jié)有變化的情況下實(shí)施本發(fā)明。因此，這些描述應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的。

盡管已經(jīng)結(jié)合了本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是根據(jù)前面的描述，這些實(shí)施例的很多替換、修改和變型對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將是顯而易見的。例如，其它存儲(chǔ)器架構(gòu)(例如，動(dòng)態(tài)RAM(DRAM))可以使用所討論的實(shí)施例。

本發(fā)明的實(shí)施例旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求的寬泛范圍之內(nèi)的所有這樣的替換、修改和變型。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。