一种超快硬X射线源的产生装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种超快硬X射线源产生装置，包括：气体输运系统单元，用于喷溅出高Z气体；激光系统单元，用于产生飞秒激光，所述飞秒激光与所述高Z气体相互作用产生电子束；等离子镜单元，用于返回并聚焦没有与所述高Z气体相互作用的剩余飞秒激光，所述剩余飞秒激光与所述电子束发生对撞并产生超快硬X射线源。

【技术实现步骤摘要】
一种超快硬X射线源的产生装置及方法
本专利技术涉及X射线
，特别涉及一种超快硬X射线源的产生装置及方法。
技术介绍
随着科技的发展，人们对X射线的认识不断深入，同时也在不断拓展X射线的新研究领域，超快硬X射线就是其中之一。硬X射线的波长范围在0.01nm～0.1nm之间，因具有较高的能量和穿透能力，被广泛应用于医学、生物学和材料学等众多领域，例如，用于探伤，或者放射性疗法等。传统的硬X射线产生方式有同步辐射法、轫致辐射法和原子核裂变法等，由于这些产生硬X射线的发生装置一般尺寸比较大，价格较贵，，不易被推广使用。基于新型的激光等离子体加速器产生的超快硬X射线源具有源尺寸小、通量高和飞秒超快等特性而被人们所青睐。目前产生超快硬X射线的装置大都采用了基于逆康普顿散射原理的散射方式，具体包括以下两种类型，一种是采用两束激光，其中一束驱动激光用于产生尾波场并加速电子，另一束对撞激光用于与高能电子对撞产生高能射线源，这种方式由于电子和激光很难在时间和空间上重合，实施起来困难较大；另一种是采用一束激光和等离子体镜相结合的方式，将激光的一部分能量用来加速电子，剩下一部分能量被等离子体镜反射回来并再聚焦，与电子对撞产生高能射线源，这种方式在时间和空间上是自同步地，控制方式相对简单，但由于一束激光的能量有限，而限制了硬X射线能量和产额的提升空间。因此，需要一种通量高且稳定性强的超快硬X射线源产生装置及方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种超快硬X射线源产生装置，包括：气体输运系统单元，用于喷溅出高Z气体；激光系统单元，用于产生飞秒激光；所述飞秒激光与所述高Z气体相互作用产生电子束；等离子镜单元，用于返回并聚焦没有与所述高Z气体相互作用的剩余飞秒激光；所述剩余飞秒激光与所述电子束发生对撞并产生超快硬X射线源。优选的，所述气体输运系统单元包括超音速气体喷嘴、电磁阀、电磁阀控制器以及输气管道，所述等离子镜单元设置在所述超音速气体喷嘴后沿200～400微米处。优选的，该产生装置还包括：光学监测系统单元，用于监测并调整所述激光系统单元产生的所述飞秒激光的传播方向和聚焦状况；时间同步系统单元，用于保证所述激光系统单元与所述气体输运系统单元在启动时间上保持同步。其中，所述激光系统单元产生的所述飞秒激光在所述焦点位置与所述高Z气体相互作用。优选的，所述光学监测系统单元包括摄像头和若干个可调整姿态的高反射率镜片。优选的，所述产生装置还包括用于导出和优化所述电子束的电子束出束单元，和用于导出所述硬X射线源的硬X射线出束单元。优选的，所述产生装置还包括光学诊断系统单元，所述光学诊断系统单元包括用于诊断所述电子束的产生过程及品质的俯视测量系统、用于记录所述飞秒激光在等离子体中演化过程的阴影测量系统、以及用于测量所述等离子体密度的干涉条纹测量系统。优选的，所述产生装置还包括能谱测量系统单元，所述能谱测量提供单元包括用于测量所述电子束参数的电子能谱测量系统和用于测量所述硬X射线源参数的硬X射线能谱测量系统。优选的，所述电子能谱测量系统包括磁铁、磷荧光屏和光学电荷耦合元件；所述硬X射线能谱测量系统包括滤光片组和成像板。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种超快硬X射线源的产生方法，包括以下步骤：1)将飞秒激光与高Z气体相互作用，产生高能电子束；2)将没有与高Z气体相互作用的剩余飞秒激光返回经再聚焦与所述高能电子束发生对撞并产生超快硬X射线源。优选的，所述步骤1)进一步包括：监测并调整激光状态，使所述飞秒激光在焦点处于所述高Z气体相互作用。优选的，上述产生方法还包括以下步骤：3)测量所述飞秒激光在等离子体中的演化及所述等离子体的密度；4)导出并测量所述高能电子束的参数以及所述超快硬X射线源的参数。相对于现有技术，本专利技术取得了如下有益技术效果：本专利技术提供的超快硬X射线源产生装置及方法，采用了高重频太瓦级的飞秒激光器，在短时间内累积足够多的光子数进行快速成像；采用低背压的高Z气体与飞秒激光相互作用产生高能电子束，提高了激光能量的透过率；再利用设置在气体喷嘴后沿处的等离子镜返回并再聚焦剩余的飞秒激光与高能电子束对撞产生超快硬X射线，进一步提高了剩余飞秒激光的强度，增加了X射线的光子产额；同时，在保证高能电子束的品质的前提下将飞秒激光聚焦的位置尽量靠近气体喷嘴后沿，防止了剩余飞秒激光到达喷嘴后沿时发散，提高了剩余飞秒激光与电子束对撞时的散射截面。附图说明图1是本专利技术提供的超快硬X射线源产生装置结构示意图。图2是本专利技术优选实施例提供的光学诊断系统单元结构示意图。图3是本专利技术优选实施例提供的能谱测量系统单元结构示意图。图4是本专利技术优选实施例提供的超快硬X射线源产生方法的光路示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。专利技术人通过研究发现，传统的基于Betatron振荡和轫致辐射的超快硬X射线产生装置，由于Betatron振荡产生的X射线能量较低，轫致辐射的连续谱中的在硬X射线能段的光子数较少，导致无法产生高通量且稳定性强的超快硬X射线源；而直接利用基于逆康普顿散射原理来提升硬X射线源的产额又十分困难，这是因为，一方面，目前的逆康普顿散射装置采用的都是高背压、低透过率的氦气或氦氮混合气体，导致无法提高返回光的强度；另一方面，由于激光容易发生散焦，导致用于与电子产生对撞的再聚焦部分功率密度有限。为了克服上述技术障碍，获得稳定的高通量超快硬X射线源，专利技术人经大量实验，提出了一种基于高重频太瓦级飞秒激光器的硬X射线产生装置，下面将结合附图和实施例对其进行详细说明。图1是本专利技术提供的超快硬X射线源产生装置结构示意图，如图1所示，该产生装置包括用于控制整个产生装置的总控制系统单元4，以及分别与该总控制系统单元4连接的并受该总控制系统单元控制的以下单元，具体有：用于为整体产生装置提供电源的电源系统单元1，用于保证产生装置中各单元时间同步的时间同步系统单元2，用于监测激光状态的光学监测系统单元3以及运行在真空环境下的用于产生硬X射线和电子束的真空系统单元12；另外，该产生装置还包括与上述真空系统单元12相连并用于测量该产生装置运行过程中各项光学参数的光学诊断系统单元9，以及同样与上述真空系统单元12相连并用于能谱测量的能谱测量系统单元11。上述真空系统单元12包括与总控制系统单元4连接的激光系统单元5和气体输运系统单元6，与激光系统单元5连接的等离子镜单元7，分别与激光系统单元5和气体输运系统单元6连接的电子束出束单元8，以及连接于等离子镜单元7和电子束出束单元8的硬X射线出束单元10，其中，电子束出束单元8还连接于上述光学诊断系统单元9，电子束出束单元8和硬X射线出束单元10还分别连接于能谱测量系统单元11。总控制系统单元4控制上述产生装置启动时，电源系统单元1为整个系统供电，时间同步系统单元2使激光系统单元5的触发信号与光学监测系统单元3在时间上保持同步，从而在光学监测系统3的监测下，使激光系统单元5产生的飞秒激光能够在焦点处与气体输运系统单元6喷溅出来的低背压高Z气体(即透光率超过90％的气体)发生相互作用，产生高能电子束，高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超快硬X射线源产生装置，包括：气体输运系统单元，用于喷溅出高Z气体；激光系统单元，用于产生飞秒激光；所述飞秒激光与所述高Z气体相互作用产生电子束；等离子镜单元，用于返回并聚焦没有与所述高Z气体相互作用的剩余飞秒激光；所述剩余飞秒激光与所述电子束发生对撞并产生硬X射线源。

【技术特征摘要】
1.一种超快硬X射线源产生装置，包括：气体输运系统单元，用于喷溅出高Z气体；激光系统单元，用于产生飞秒激光；所述飞秒激光与所述高Z气体相互作用产生电子束；等离子镜单元，用于返回并聚焦没有与所述高Z气体相互作用的剩余飞秒激光；所述剩余飞秒激光与所述电子束发生对撞并产生硬X射线源。2.根据权利要求1所述的超快硬X射线源产生装置，其特征在于，所述气体输运系统单元包括超音速气体喷嘴、电磁阀以及输气管道，所述等离子镜单元设置在所述超音速气体喷嘴后沿200～400微米处。3.根据权利要求1所述的超快硬X射线源产生装置，其特征在于，还包括：光学监测系统单元，用于监测并调整所述激光系统单元产生的所述飞秒激光的传播方向和聚焦状况；时间同步系统单元，用于保证所述激光系统单元与所述气体输运系统单元在启动时间上保持同步。其中，所述激光系统单元产生的所述飞秒激光在所述焦点位置与所述高Z气体相互作用。4.根据权利要求3所述的超快硬X射线源产生装置，其特征在于，所述光学监测系统单元包括摄像头和若干个可调整姿态的高反射率镜片。5.根据权利要求1所述的超快硬X射线源产生装置，其特征在于，所述产生装置还包括用于导出和优化所述电子束的电子束出束单元，和用于导出所述硬X射线源的硬X射线出束单元。6.根据权利要求1所述的超快硬X射线源产生装置，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱常青，王进光，冯杰，李毅飞，李大章，何雨航，谭军豪，张保龙，陈黎明，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11