激光等離子體共振x光源的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種激光等離子體共振X光源，包括支架、加速器毛細管、扭擺器毛細管、氣體、高壓放電系統(tǒng)、激光器、種子電子束，加速器毛細管和扭擺器毛細管串聯(lián)在支架內，加速器毛細管和扭擺器毛細管的通孔中心軸相互平行但不重合，通過充氣孔道在加速器毛細管和扭擺器毛細管內預先充有氣體，高壓放電系統(tǒng)通過正、負電極加載在加速器毛細管和扭擺器毛細管的兩端，通過放電電離氣體產(chǎn)生等離子體通道，激光器輸出的激光脈沖相繼在加速器毛細管和扭擺器毛細管內的等離子體通道中受到導引并產(chǎn)生空泡，跟隨激光脈沖的種子電子束進入到空泡內被加速及共振產(chǎn)生X光。本實用新型具有結構簡單、操作方便和X光輻射效率高的特點。
【專利說明】激光等離子體共振X光源

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及激光尾波場加速和同步輻射光源領域，尤其涉及一種激光等離子體共振X光源。

【背景技術】
[0002]由于等離子體本身就是電離的準電中性介質，與傳統(tǒng)射頻加速器的固體介質相比，可以承載大幾個數(shù)量級的加速電場，如當?shù)入x子體電子密度為118CnT3時，該電場約為lGV/cm，且隨著電子密度的增加而增大。因此，可以利用超強超短激光脈沖與等離子體波相互作用來建造新一代緊湊、造價相對低廉的小型化電子加速器，并已在實驗中實現(xiàn)了能量可達幾個GeV的高質量電子束。此類電子束的重要應用之一是通過同步輻射產(chǎn)生X光源。
[0003]除加速器外，產(chǎn)生X光還需要波蕩器或扭擺器，在垂直電子束原來傳播方向使電子有橫向振蕩。傳統(tǒng)磁波蕩器在體積和重量上都很大，與小型化不符；在激光尾波場加速中產(chǎn)生的空泡可以同時作為電子振蕩的等離子體扭擺器使用，但電子振幅一般較小，且振蕩周期隨著電子能量的增大或等離子體密度的降低顯著增長，難以用于更高能電子束，且輻射光子數(shù)效率較低。


【發(fā)明內容】

[0004]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種激光等離子體共振X光源。該實用新型具有結構簡單、原理清晰、操作方便和X光輻射效率高的特點。
[0005]本實用新型的技術解決方案如下:
[0006]一種激光等離子體共振X光源，包括支架、加速器毛細管、扭擺器毛細管、氣體、高壓放電系統(tǒng)、激光器和種子電子束，加速器毛細管和扭擺器毛細管設置在支架內，加速器毛細管和扭擺器毛細管的圓柱狀通孔的中心軸相互平行但不重合，支架內沿橫向設置的I號充氣孔道和2號充氣孔道分別與加速器毛細管和扭擺器毛細管內的充氣孔連通，支架的兩端分別設置有負電極和正電極。高壓放電系統(tǒng)由高壓電源、放電電阻、限流電阻、電容、接地裝置和電感組成，加速器毛細管和扭擺器毛細管內分別通過I號充氣孔道和2號充氣孔道充有氣體，高壓放電系統(tǒng)通過負電極和正電極加載在加速器毛細管和扭擺器毛細管的兩端，通過放電電離氣體產(chǎn)生等離子體通道，激光器輸出的激光脈沖相繼在加速器毛細管和扭擺器毛細管內的等離子體通道中受到導引并產(chǎn)生空泡，跟隨激光脈沖的種子電子束進入到空泡內在加速器毛細管2段被加速后，在扭擺器毛細管3段共振振蕩產(chǎn)生X光。
[0007]為實現(xiàn)本實用新型進一步優(yōu)化，進一步的措施是:所述的加速器毛細管和扭擺器毛細管由陶瓷或紅寶石或聚乙烯材料制成，加速器毛細管和扭擺器毛細管的形狀為圓柱體或長方體，所述加速器毛細管和扭擺器毛細管的孔徑大小相同，孔徑尺寸為50 μπι-500 μπι，加速器毛細管和扭擺器毛細管的通孔中心軸之間的間距為0.1-1倍激光脈沖的束寬；所述的支架由亞克力玻璃制成，支架的形狀為空心圓柱型；所述的高壓放電系統(tǒng)的輸出電壓為0.3kV-5kV ;所述的激光器為CPA激光系統(tǒng)，輸出的激光脈沖的脈寬為10fs-200fs，相應束寬為ΙΟμ---ΙΟΟμπ?，歸一化矢勢振幅大小為1-10 ;所述加速器毛細管和扭擺器毛細管內的氣體為氫氣或氦氣；所述的種子電子束的電量為0.lpC-1000pC，能量為IMeV-lOOMeV。
[0008]本實用新型的原理如下:
[0009]超短超強激光脈沖在等離子體中可以排開電子留下僅有背景離子的結構，即空泡?？张莞S激光脈沖向前運動，空泡內由于電荷分離形成的靜電場從四周指向空泡中心，空泡內沿激光傳播方向(縱向)的靜電場力可以使電子得到加速，即激光尾波場加速。當激光受到等離子體通道有效導引，將以束寬不變傳播遠大于真空衍射發(fā)散的距離。但如果初始時光束中心軸與通道中心軸不重合，光束中心將不再是沿通道中心軸直線向前運動，而是相對于通道中心軸橫向振蕩向前變化；相應地，所形成的空泡也將是相對于通道中心軸有橫向振蕩向前運動。由于橫向靜電場力的作用，電子也可以在空泡內有類似于彈簧振子的橫向振蕩運動，若電子被加速到接近光速(相對論電子)，由于該橫向振蕩電子將產(chǎn)生電磁輻射，如X光，即空泡也可以作為同步輻射的扭擺器。但此時，表征扭擺器特性的強度系數(shù)與電子橫向振幅成正比，但一般地，空泡內電子的橫向振蕩振幅小，輻射效率低。如果空泡中心有橫向周期性振蕩變化，而空泡中心的橫向斷振蕩周期由等離子體通道參數(shù)決定，可以通過氣體密度和放電電壓進行調控；相對地，電子橫向振蕩的周期與等離子體密度和電子速度有關。因此，可以選擇合適參數(shù)，使得電子的橫向振蕩周期與空泡中心的橫向斷振蕩周期相同，將類似于共振彈簧振子，電子橫向振蕩出現(xiàn)共振，顯著增大其振幅；相應地，增大扭擺器強度系數(shù)，輻射的光子能量以及每個電子在每個振蕩周期輻射的光子數(shù)將顯著增加，可以高效率產(chǎn)生X光。
[0010]本實用新型的有益效果是:
[0011]1、扭擺器的尺寸在厘米量級，顯著降低扭擺器的大小和重量。
[0012]2、扭擺器直接級聯(lián)在加速器上，不需要使用額外的真空靶室和磁場調控，有利于小型化靈活使用。
[0013]3、扭擺器直接級聯(lián)在加速器上，并使用相同激光脈沖，不需要額外使用激光器，節(jié)約了激光器上的成本。
[0014]4、本實用新型具有結構簡單、原理清晰、操作方便、X光輻射效率高的特點。
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型激光等離子體共振X光源的結構示意圖。
[0017]圖中:1、支架，2、加速器毛細管，3、扭擺器毛細管，4、氣體，5、高壓放電系統(tǒng)，6、激光器，7、種子電子束，101,1號充氣孔道，102,2號充氣孔道，103、負電極，104、正電極，501、高壓電源，502、放電電阻，503、限流電阻，504、電容，505、接地裝置，506、電感，601、激光脈沖，602、空泡。

【具體實施方式】
[0018]參見附圖1:一種激光等離子體共振X光源，包括支架1、加速器毛細管2、扭擺器毛細管3、氣體4、高壓放電系統(tǒng)5、激光器6和種子電子束7，加速器毛細管2和扭擺器毛細管3設置在支架I內，加速器毛細管2和扭擺器毛細管3的圓柱狀通孔的中心軸相互平行但不重合，支架I內沿橫向設置的I號充氣孔道101和2號充氣孔道102分別與加速器毛細管2和扭擺器毛細管2內的充氣孔連通，支架I的兩端分別設置有負電極103和正電極104，負電極103和正電極104優(yōu)選由銅材料制成，高壓放電系統(tǒng)5由高壓電源501、放電電阻502、限流電阻503、電容504、接地裝置505和電感506組成，加速器毛細管2和扭擺器毛細管3內分別通過I號充氣孔道101和2號充氣孔道102充有氣體4，高壓放電系統(tǒng)5通過負電極103和正電極104加載在加速器毛細管2和扭擺器毛細管3的兩端，通過放電電離氣體4產(chǎn)生等離子體通道，激光器6輸出的激光脈沖601相繼在加速器毛細管2和扭擺器毛細管3內的等離子體通道中受到導引并產(chǎn)生空泡602，跟隨激光脈沖601的種子電子束7進入到空泡602內被加速而產(chǎn)生X光。所述的加速器毛細管2和扭擺器毛細管3由陶瓷或紅寶石或聚乙烯材料制成，加速器毛細管2和扭擺器毛細管3的形狀為圓柱體或長方體。加速器毛細管2和扭擺器毛細管3的孔徑大小相同，孔徑尺寸為50 μπι-500 μπι。加速器毛細管2和扭擺器毛細管3的通孔中心軸之間的間距為0.1-1倍激光脈沖601的束寬。所述的支架I由亞克力玻璃制成，支架I的形狀為空心圓柱型。所述的高壓放電系統(tǒng)5的輸出電壓為0.3kV-5kV。所述的激光器6為CPA激光系統(tǒng)，輸出的激光脈沖601的脈寬為10fs_200fs，相應束寬為ΙΟμ---ΙΟΟμπι，歸一化矢勢振幅大小為1-10。所述的加速器毛細管2和扭擺器毛細管3內的氣體4為氫氣或氦氣。所述的種子電子束7電量為0.lpC-1000pC，能量為IMeV-1OOMeVo
[0019]實施例:在孔徑大小相同的加速器毛細管2和扭擺器毛細管3內充以密度相同的同種類氣體4，通過高壓放電系統(tǒng)5放電，電離的氣體4在加速器毛細管2和扭擺器毛細管3內形成相同的軸對稱等離子體通道，激光脈沖601在等離子體通道中受到導引傳播，束寬基本保持不變。激光脈沖601首先垂直入射到加速器毛細管2內的等離子體通道中，且沿通道中心共軸傳播，空泡602也沿通道中心軸向前直線運動；此時，種子電子束7沿通道中心進入到空泡602中，受到加速，電子束橫向振蕩很小，主要是向前加速運動，輻射X光的效率低。經(jīng)過加速器毛細管2后，激光脈沖601將偏離通道中心進入到扭擺器毛細管3內的等離子體通道中，所形成的空泡602的中心將在橫向不斷振蕩變化。當電子的橫向振蕩周期與空泡602中心的橫向斷振蕩周期相同，將類似于共振彈簧振子情形，電子橫向振蕩出現(xiàn)共振，顯著增大其振幅；相應地，增大扭擺器強度系數(shù)，輻射的光子能量以及每個電子在每個振蕩周期輻射的光子數(shù)將顯著增加，增強X光輻射效率。
[0020]在本實施例中，通過放電電離加速器毛細管2和扭擺器毛細管3內的氣體4產(chǎn)生等離子體通道，該方式可以在相當長時間重復使用，在選用聚乙烯材料制作加速器毛細管2和扭擺器毛細管3時，通過高壓放電燒蝕毛細管的內壁，形成等離子體通道。本實用新型具有結構簡單、操作方便、X光輻射效率高，可以用于小型化X光源。
【權利要求】
1.一種激光等離子體共振X光源，其特征在于，所述激光等離子體共振X光源包括支架(11加速器毛細管(21扭擺器毛細管(31氣體“)、高壓放電系統(tǒng)(51激光器(6)和種子電子束(7),加速器毛細管(2 )和扭擺器毛細管(3 )設置在支架(1)內，加速器毛細管(2 )和扭擺器毛細管(3)的圓柱狀通孔的中心軸相互平行但不重合，支架(1)內沿橫向設置的1號充氣孔道(101)和2號充氣孔道(102)分別與加速器毛細管(2)和扭擺器毛細管(2)內的充氣孔連通，加速器毛細管(2)和扭擺器毛細管(3)內充有氣體(4),支架(1)的兩端分別設置有負電極(103 )和正電極(104 )，高壓放電系統(tǒng)(5 )由高壓電源(501)、放電電阻(502 )、限流電阻(5031^^(5041^^^^(505)^^^(506)組成，高壓放電系統(tǒng)(5)通過負電極(103)和正電極(104)安裝在加速器毛細管(2)和扭擺器毛細管(3)的兩端。
2.根據(jù)權利要求1所述的激光等離子體共振X光源，其特征在于，所述的加速器毛細管(2)和扭擺器毛細管(3)由陶瓷或紅寶石或聚乙烯材料制成，加速器毛細管(2)和扭擺器毛細管(3)的形狀為圓柱體或長方體。
3.根據(jù)權利要求1所述的激光等離子體共振X光源，其特征在于，所述加速器毛細管(2)和扭擺器毛細管(3)的孔徑大小相同，加速器毛細管(2)和扭擺器毛細管(3)的孔徑為50 卩 111-500 卩 1X1。
4.根據(jù)權利要求1所述的激光等離子體共振X光源，其特征在于，所述的支架(1)由亞克力玻璃制成，支架(1)的形狀為空心圓柱型。
5.根據(jù)權利要求1所述的激光等離子體共振X光源，其特征在于，所述的高壓放電系統(tǒng)(5)的輸出電壓為0.31^-51^。
6.根據(jù)權利要求1所述的激光等離子體共振X光源，其特征在于，所述的加速器毛細管(2 )和扭擺器毛細管(3 )內的氣體(4)為氫氣或氦氣。
7.根據(jù)權利要求1所述的激光等離子體共振X光源，其特征在于，所述的種子電子束(7)的電量為 0.1^-10001)(:,能量為 116乂-10016乂。
【文檔編號】H05G1/08GK204217195SQ201420757254
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年12月7日 優(yōu)先權日:2014年12月7日
【發(fā)明者】劉明偉, 張禹濤, 周并舉, 李勁, 唐海波 申請人:湖南科技大學