产生X射线或远紫外线激光的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种产生Ｘ射线或远紫外线激光的方法及装置。脉冲式高压电源１０连接于液体刃２和阴极８之间。液体刃２被放置成平行于阴极８，当脉冲式高压电源１０发出一个高压脉冲时，在液体刃２和阴极８之间将会产生真空放电。在真空放电产生的等离子柱内会出现粒子数反转进而产生Ｘ射线或远紫外线受激放大发射。此外，把多个刃状液体阳极串联放在一条直线上可构成在行波模态下工作的大功率Ｘ射线或远紫外线激光发生装置。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种产生X射线或远紫外线激光的方法及其装置。该激光装置的特点在于大输出功率，高效率和价格低廉。任何激光的产生都需要有粒子数反转存在于原子或分子中，再由受激发射而产生激光。为了得到粒子数反转，需要对发光介质泵浦能量。通常在普通的可见光波长范围内的激光中，电子的跃迁能量在电子伏特(ev)量级，跃迁电子的寿命在纳秒量级。可是，在X射线激光中，电子的跃迁能量在几百电子伏特到几千电子伏特量级，跃迁电子的寿命在皮秒量级。因此，为产生X射线激光，需要在非常短的时间内把大量的泵浦能量输入到产生X射线激光的介质中去。自从六十年代初可见光激光器出现以来，人们对研制、开发X射线以及远紫外线激光做了大量的探索性工作。直到前几年，软X射线激光才被成功地研制出来。第一台实验室X射线激光器由Rosen等人在1985年的Physical Review Letters第54期106页中公开报导，并由Matthews等人做了实验证明并发表在1985年Physical Review Letters第54期110页。同样的X射线激光器也由Cambell等人在美国专利4，827，479中公开。另一个与此有关的X射线激光器由Hegelstein在美国专利4，589，113中公开。但是在这些公开的X射线激光器都采用能产生脉冲能量在几百焦尔到几千焦尔的可见光短脉冲激光器作为驱动源，因而此类X射线激光器体积庞大，操作复杂，价格昂贵。此类X射线激光器的另一大缺点是能量转换效率低。这是由于能量转换过程是经过从电能到长波长的可见光脉冲激光，再由长波长的可见光脉冲激光照射到X射线激光发生介质薄膜，使其照射部成为等离子柱，进而产生X射线激光的缘故。另一类X射线激光器是直接把电能注入等离子柱，进而激发X射线激光。这类激光器被称为放电式X射线激光器。这类X射线激光器的能量转换效率要远远大于可见光脉冲激光驱动的X射线激光器的能量转换效率。这类放电式X射线激光器使用电容器作为驱动能量源。释放同样能量的电容器的体积要比作为驱动源的可见光脉冲激光器的体积小得多。公开知道的放电式X射线激光器可分为两类(1)Z·等离子柱放电式;(2)毛细管放电式。Apruzese等人在1988年的SPIE Proceeding第875期第2页中报告了他们在Z·等离子柱放电中测到了功率25吉瓦(GW)波长11埃的X光谱。可是这种Z·等离子柱放电式X射线激光器从物理结构上来说难以与谐振腔组合形成大功率、高相干性的X射线激光。毛细管放电式X射线激光器使用毛细管来限制放电产生的等离子柱。到目前为止所报告的毛细管放电式的脉冲宽度在100纳秒量级。因为等离子与毛细管内壁的相互作用时间在这样的数量级，等离子的温度被限制在几十个电子伏特。因此，毛细管放电很难被用于产生波长100埃以下的X射线激光。本专利技术的目的是要提供一个产生X射线或远紫外线激光的方法及装置。本专利技术的又一个目的是要提供一个电子碰撞激励式X射线或远紫外线激光器。本专利技术的又一个目的是要提供一个电子离子复合式X射线或远紫外线激光器。本专利技术的又一个目的是要提供一个光子激励式X射线或远紫外线激光器。本专利技术的又一个目的是要提供一个电荷碰撞交换式X射线或远紫外线激光器。本专利技术的又一个目的是要提供一个光电离式X射线或远紫外线激光器。本专利技术的又一个目的是要提供一个大功率多离子柱式X射线或远紫外线激光器。本专利技术的以上目的是通过下述方法来实现的。它包括以下工序用液体材料形成一个刃状阳极;在该阳极的对面放置一个阴极;在阳极和阴极之间输入一个足够强的脉冲电流使该两极之间发生真空放电，放电产生的等离子体将被放电电流本身产生的强大磁场限制在靠近刃状阳极的细长空间内而形成高温、高密度的等离子柱。X射线或远紫外线激光就从该等离子柱内沿着轴线方向发射出来。本专利技术的目的还通过下述装置来实现。该装置由以下几个部分组成一个刃状液体阳极结构，它包括保存液体材料的容器，以及输送液体材料和形成液体刃的部件;一个被放置在刃状液体阳极结构对面的阴极;连接于刃状液体阳极和阴极之间的脉冲式高压电源系统。在工作时，该脉冲式高压电源系统输出一个足够大的脉冲电流到刃状液体阳极结构和阴极上，使它们之间产生真空放电。真空放电产生的等离子体将被放电电流本身产生的强大磁场限制在靠近刃状液体阳极结构的细长空间内而形成高温、高密度的等离子柱。X射线或远紫外线激光就从该等离子柱内沿着轴线方向发射出来。本专利技术装置的一个重要的优点是它能产生电子温度高，所要求价位的离子密度高的等离子柱。这个特点特别有利于电子碰撞激励而产生的粒子数反转。以下叙述本专利技术各种激光器的特点及产生方法。(1)刃状液体阳极放电产生的电子碰撞激励式X射线或远紫外线激光。电子碰撞激励是刃状液体阳极放电中粒子数反转的重要机理之一。在电子撞激励过程中，最初和量后的状态都是基态，并且只涉及到一种离子价态，所以从本质上讲电子碰撞激励是一个连续过程。它的又一优点是低能态，不透明度相对较低，所以激光介质的直径和长度可以分别选择在毫米及厘米量级以上。由于它在△N＝0跃迁下工作，这就要求高温电子把原子激发成高价离子，因而需要大量的泵浦能量。本专利技术所公开的刃状液体阳极放电具有放电电流大，放电电压高的特点，所以很容易满足以上要求。而且，在刃状液体阳极放电中，高的电子温度和高密度。所要求的离子价的离子可以同时存在。当然，这需要调节放电条件来达到。例如，调节放电电压，放电电流和放电时间，这样在等离子体中的离子达到过离子化以及特定所要求的离子价离子消失以前，等离子体的电子温度已达到足以激发原子的温度值。还有，等离子体内的电子密度应该控制在合适的范围，以避免发射的X射线激光在通过等离子体柱时由于折射效应而损失。本专利技术公开的刃状液体阳极放电产生的电子碰撞激励式激光可以通过类似氖的离子和类似镍的离子来实现。例如，其电子结构与中性氖原子相似的Ge22+形成的等离子柱将发射出波长为23.2纳米的激光。(2)刃状液体阳极放电产生的电子，离子复合式X射线或远紫外线激光。电子、离子复合是在刃状液体阳极放电中产生粒子数反转的又一个重要的机理之一。电子、离子复合有时又称为“三体”复合。它是电子碰撞离子化的逆向过程。在脉冲真空放电终止时，由于绝热澎涨、辐射和电子热传导使得等离子体快速冷却，这种等离子体的快速冷却就导致了电子、离子复合而形成粒子数反转。在整个电子、离子复合过程中，最重要的是等离子体的快速冷却。在本专利技术中，等离子柱内的大量电子热量被邻近的液体刃所传导吸收，再加上其它热损失过程，如辐射损失，大大加速了等离子柱的冷却，进而导致大量的电子、离子复合。电子热量传导率可以通过设法使等离子柱靠近液体刃来得到提高。液体刃与等离子柱之间的距离可以通过改变放电条件，刃状液体阳极的几何形状，以及刃状液体阳极与阴极之间的距离来调节。在刃状液体阳极放电中加入重元素可以增加辐射损失。加入重元素的方法可以是在液体材料中直接添加重元素，或从气态加入含有重元素的气体。这样Z+1价的离子会快速与一个电子复合而变成具有粒子数反转的Z价离子，进而导致受激发射而形成X射线或远紫外线激光。为了产生激光效应，等离子密度必须达到一定值使其存在大量的Z+1价离子。然而，等离子密度也不能过高，否本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生Ｘ射线或远紫外线激光的装置，它包括：（１）刃状液体阳极结构，该结构包括：一个贮存液体材料的容器，该容器有一个槽形开口；一个液体材料输送和液体刃形成部件，该部件与该容器组合使得液体材料通过该容器的槽形开口输出，并形成液体刃；（２） 一个放置于该刃状液体阳极结构对面的阴极；（３）脉冲式高压电源系统，该系统提供足够大电流的高压脉冲给该刃状液体阳极结构和该阴极，使其在该刃状液体阳极和阴极之间发生真空放电而形成等离子体，真空放电电流本身产生的磁场把该等离子体限制在一个细长的柱内，从该等离子柱内发射出Ｘ射线或远紫外线激光。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王晖，
申请(专利权)人：王晖，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]