波荡器及包括其的激光等离子体X射线源

摘要

本发明提供了一种波荡器及包括其的激光等离子体X射线源，所述波荡器包括：电容线圈靶，其包括相对设置的第一电极板和第二电极板，所述第二电极板具有通孔；双绕螺线圈，其包括相互交错且缠绕方向相同的第一螺线圈和第二螺线圈，所述第一螺线圈的两端与所述第一电极板和第二电极板电连接，所述第二螺线圈的两端与所述第一电极板和第二电极板电连接，其中所述第一螺线圈和第二螺线圈中的电流方向相反。本发明的激光等离子体X射线源的结构紧凑，其产生的X射线的亮度高、波长短、波长和能量可调谐。

权利要求

1.一种波荡器，其特征在于，包括：

电容线圈靶，其包括相对设置的第一电极板和第二电极板，所述第二电极板具有通孔；

双绕螺线圈，其包括相互交错且缠绕方向相同的第一螺线圈和第二螺线圈，所述第一螺线圈的两端与所述第一电极板和第二电极板电连接，所述第二螺线圈的两端与所述第一电极板和第二电极板电连接，其中所述第一螺线圈和第二螺线圈中的电流方向相反。

2.根据权利要求1所述的波荡器，其特征在于，所述第一螺线圈和第二螺线圈具有相同的螺距和匝数，所述第一螺线圈和第二螺线圈的轴向重合，所述第一螺线圈的任意一匝线圈与所述第二螺线圈中相邻的一匝线圈在沿其轴向上的距离为所述螺距的一半。

3.根据权利要求1所述的波荡器，其特征在于，所述第一螺线圈和第二螺线圈在同一侧的两个端子分别连接至所述第一电极板和第二电极板。

4.根据权利要求2所述的波荡器，其特征在于，所述第一螺线圈和第二螺线圈的螺距相同，为1～2毫米。

5.根据权利要求1所述的波荡器，其特征在于，所述双绕螺线圈在沿其轴向上的长度为

1～2厘米。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的波荡器，其特征在于，所述第一电极板和第二电极板是由铜制成的圆形板。

7.根据权利要求6所述的波荡器，其特征在于，所述第二电极板的所述通孔的孔径为所述第二电极板的直径的一半。

8.一种激光等离子体X射线源，其特征在于，包括：

如权利要求1至7中任一项所述的波荡器；

激光等离子体装置，其发射的电子束沿着所述波荡器的双绕螺线圈的轴向入射；以及脉冲激光器，其发射出的脉冲激光聚焦在所述波荡器的电容线圈靶上。

9.根据权利要求8所述的激光等离子体X射线源，其特征在于，所述激光等离子体装置包括：喷嘴，其用于喷射出超声速的气体；以及

飞秒激光器，其发射出的飞秒激光聚焦在所述气体上，以将所述气体电离成等离子体并加速。

10.根据权利要求8所述的激光等离子体X射线源，其特征在于，所述脉冲激光器发射出的纳秒激光穿过所述第二电极板的所述通孔入射至所述第一电极板，以在所述第一螺线圈和第二螺线圈中产生电流。

说明书

波荡器及包括其的激光等离子体X射线源

技术领域

[0001] 本发明涉及X射线领域，具体涉及一种波荡器及包括其的激光等离子体X射线源。

背景技术

[0002] 激光等离子体加速是指利用超强超短脉冲激光与等离子体相互作用产生高能带电粒子。激光等离子体加速具有超高加速电场梯度，其产生的电子束具有飞秒时间尺度、千安级(KA)强束流、小发射度等特点，在新型加速器、辐射源、国防和工业特别是超快X/γ射线等领域具有广泛的应用前景，受到国内外科学家的广泛关注。

[0003] 激光等离子体X射线源中的波荡器周期长度和峰值磁场强度与辐射光的波长和亮度相关。波荡器的周期越短，越有利于产生波长较短的辐射光；峰值磁场强度越强，越有利于产生高亮度的辐射光。然而，现有的基于永磁体的波荡器产生的磁场强度一般在1特斯拉(T)左右，磁场强度较小；另外其周期长度约为10厘米，长度尺寸约为1～2米，体积较大。并且现有的激光等离子体X射线源缺乏稳定性、可调谐性。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种波荡器，包括：

[0005] 电容线圈靶，其包括相对设置的第一电极板和第二电极板，所述第二电极板具有通孔；

[0006] 双绕螺线圈，其包括相互交错且缠绕方向相同的第一螺线圈和第二螺线圈，所述第一螺线圈的两端与所述第一电极板和第二电极板电连接，所述第二螺线圈的两端与所述第一电极板和第二电极板电连接，其中所述第一螺线圈和第二螺线圈中的电流方向相反。

[0007] 优选的，所述第一螺线圈和第二螺线圈具有相同的螺距和匝数，所述第一螺线圈和第二螺线圈的轴向重合，所述第一螺线圈的任意一匝线圈与所述第二螺线圈中相邻的一匝线圈在沿其轴向上的距离为所述螺距的一半。

[0008] 优选的，所述第一螺线圈和第二螺线圈在同一侧的两个端子分别连接至所述第一电极板和第二电极板。

[0009] 优选的，所述第一螺线圈和第二螺线圈的螺距相同，为1～2毫米。

[0010] 优选的，所述双绕螺线圈在沿其轴向上的长度为1～2厘米。

[0011] 优选的，所述第一电极板和第二电极板是由铜制成的圆形板。

[0012] 优选的，所述第二电极板的所述通孔的孔径为所述第二电极板的直径的一半。

[0013] 本发明还提供了一种激光等离子体X射线源，包括：

[0014] 如上所述的波荡器；

[0015] 激光等离子体装置，其发射的电子束沿着所述波荡器的双绕螺线圈的轴向入射；以及

[0016] 脉冲激光器，其发射出的脉冲激光聚焦在所述波荡器的电容线圈靶上。

[0017] 优选的，所述激光等离子体装置包括：

[0018] 喷嘴，其用于喷射出超声速的气体；以及

[0019] 飞秒激光器，其发射出的飞秒激光聚焦在所述气体上，以将所述气体电离成等离子体并加速。

[0020] 优选的，所述脉冲激光器发射出的纳秒激光穿过所述第二电极板的所述通孔入射至所述第一电极板，以在所述第一螺线圈和第二螺线圈中产生电流。

[0021] 本发明的波荡器能够产生的磁场具有短周期和磁场强度大等优点，基于本发明的波荡器的激光等离子体X射线源能够产生波长较短(硬X射线)、准单能、高亮度、能量可调谐的X射线，并且提高了X射线的光子能量和光子产额。

附图说明

[0022] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

[0023] 图1是根据本发明较佳实施例的激光等离子体X射线源的平面示意图。

[0024] 图2是图1所示的波荡器的立体示意图。

[0025] 图3示出了不同电流在双绕螺线圈中产生的磁场矢量在x、y和z方向上的强度的分布图。

[0026] 图4示出了一个电子在双绕螺线圈中的运动位移的示意图。

[0027] 图5是高能电子在不同的电流下辐射的X射线的能谱图。

[0028] 图6是不同能量的单个电子辐射的X射线的能谱图。

[0029] 图7是不同能量的电子束辐射的X射线的能谱图。

具体实施方式

[0030] 为了使本发明的目的、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发明进一步详细说明。

[0031] 图1是根据本发明较佳实施例的激光等离子体X射线源的平面示意图。如图1所示，激光等离子体X射线源1包括激光等离子体装置11、波荡器12和长脉冲激光器13。

[0032] 激光等离子体装置11包括飞秒激光器111和喷嘴112，喷嘴112用于喷射出超声速的高密度气体113，飞秒激光器111发射出的飞秒激光聚焦在高密度气体113上，将高密度气体113电离成等离子体并加速，从而从高密度气体113中射出高能电子束114，进入到波荡器12。

[0033] 波荡器12包括双绕螺线圈121和电容线圈靶122。双绕螺线圈121包括相同的螺线圈1211和螺线圈1212，其中图1为了简化双绕螺线圈121，仅示出了螺线圈1211、1212中的三匝线圈。

[0034] 图2是图1所示的波荡器的立体示意图。如图2所示，螺线圈1211、1212的螺距(即每相邻两匝线圈沿其轴向上的距离)都为1毫米。螺线圈1211和螺线圈1212的轴向重合，且与高能电子束114的入射方向重合。螺线圈1211和螺线圈1212的缠绕方向相同，相互交错且错开半个螺距布置，即螺线圈1211的任意一匝线圈与螺线圈1212中相邻的一匝线圈在沿其轴向上的距离为0.5毫米。

[0035] 电容线圈靶122包括相对设置且平行的电极板1221和电极板1222，由此电极板1221和电极板1222形成一个电容器。电极板1221和电极板1222是由金属材料(例如铜)制成的圆形板，电极板1222的中心处具有供长脉冲激光器13发射的激光穿过的圆孔1223。

[0036] 螺线圈1211的两端分别连接至电极板1221和电极板1222，螺线圈1212的两端也分别连接至电极板1221和电极板1222，螺线圈1211、1212同一侧的两个端子分别连接电极板1221和电极板1222。当电极板1221和电极板1222之间具有电场时，螺线圈1211和螺线圈
1212中的电流方向将相反。

[0037] 长脉冲激光器13发射出的纳秒激光聚焦在电容线圈靶122上。

[0038] 再次参考图1所示，长脉冲激光器13发射出的纳秒激光聚焦后穿过电极板1222上的通孔1223入射到电极板1221上。纳秒激光使得电极板1221中的电子电离并将其加速到较大的热速度(keV-MeV)，并逃逸至相对设置的电极板1222上，由此使得电极板1221带正电，电极板1222带负电，进而使得螺线圈1211和螺线圈1212中具有数十千安级的电流，从而产生磁场，对穿过螺线圈1211和螺线圈1212的高能电子束114产生作用力。本发明可以通过改变电极板1221和电极板1222之间的距离、圆孔1223的孔径大小，以及螺线圈1211、1212的线材等可以调节螺线圈1211和螺线圈1212中的电流大小。例如圆孔1223的孔径为电极板1222的直径的一半从而增大螺线圈1211、1212中的电流。

[0039] 为了方便描述双绕螺线圈121产生的磁场，在图1中定义双绕螺线圈121的轴向(即图1中的水平方向)为x方向，图1中垂直纸面的方向为y方向，图1中的竖直方向为z方向。

[0040] 图3示出了不同电流在双绕螺线圈中产生的磁场矢量在x、y和z方向上的强度的分布图。其中横坐标对应x方向，纵坐标为磁场强度(单位为T)，分别表示为在x、y和z方向上的磁场矢量Bx，By和Bz。如图3所示，由于螺线圈1211、1212在x方向上错开半个螺距布置，螺线圈1211、1212在通有幅值相等的反向电流时，螺线圈1211、1212产生的磁场在x方向分量大小相等、方向相反，由此Bx基本为零；螺线圈1211、1212产生的磁场在y、z方向上大小基本相同、方向相同，且周期长度与螺线圈螺距相同。基于本发明的双绕螺线圈121，通过调节螺线圈1211、1212的螺距即可达到调节磁场的周期，以获得短周期、强磁场强度的磁场。

[0041] 从图3可以看出，当螺线圈1211、1212中的电流强度从10KA增加到20KA再增加到30KA时，双绕螺线圈121在y方向上的磁场强度By的峰值也相应增加，同样在z方向上的磁场强度Bz的峰值也相应增加。因此本发明可以通过调节螺线圈1211、1212中的电流大小来调节双绕螺线圈121中的磁场大小。

[0042] 双绕螺线圈121产生的磁场在x方向上的磁场强度Bx很小，可以忽略不计，因此本发明获得了与螺线圈1211、1212的周期相同的周期性的螺旋磁场。由于X射线波长与螺旋磁场的周期长度成正比，因此本发明的双绕螺线圈121产生周期为1毫米的螺旋磁场能够降低X射线的波长，有利于辐射出短波长的X射线，甚至是硬X射线。

[0043] 图4示出了一个电子在双绕螺线圈中的运动位移的示意图，其中横坐标对应x方向。图4中的最上面曲线为高能电子在y方向上的漂移量Y0随着高能电子在x方向上的位置的曲线图，其中高能电子沿着双绕螺线圈121的轴向射入并在其内部运动时，高能电子在y方向上与双绕螺线圈121的轴向的距离为其在y方向上的漂移量。由此可以看出高能电子在y方向上具有线性的偏移量，该线性偏移量主要是由于磁场的不完全均匀造成的。尽管高能电子在y方向上存在1.5微米的漂移量，但是该线性漂移量相对于双绕螺线圈121在其轴向上的长度(即20毫米)来说，仅漂移不到万分之一，可以忽略不计。

[0044] 图4的中间曲线Y和最下面的曲线Z为高能电子在y方向和z方向随其在x方向上的位置的变化图，其中去除了高能电子的漂移量。由此可知，当高能电子束114沿着双绕螺线圈121的轴向入射其中时，高能电子束114在双绕螺线圈121的内部的运动为螺旋运动，并辐射X射线，其中X射线的方向沿着高能电子运动轨迹的切线方向，即主要沿着螺线管轴线向前。

[0045] 图5是高能电子在不同的电流下辐射的X射线的能谱图，其中高能电子的能量为1Gev，从左至右的能谱图对应的螺线圈中的电流依次为50KA、20KA和10KA。另外，螺线圈中的电流越大，其产生的螺旋磁场的强度也越大，辐射的X射线的光子数(即光子产额)也越多，有利于提高X射线的亮度。

[0046] 图6是不同能量的单个电子辐射的X射线的能谱图，其中螺线圈中的电流为20KA，图6中的四个辐射谱从左至右对应的高能电子的能量为0.5Gev、1Gev、1.5Gev、2.0Gev，且不考虑电子能散。从图6可以看出，高能电子的能量越大，辐射的X射线光子能量越大。通过改变高能电子的能量，能够实现X射线的能量和波长在较大范围内连续可调。另外电子能量为0.5Gev时也能辐射出硬X射线。

[0047] 图7是不同能量的电子束辐射的X射线的能谱图，其中螺线圈中的电流都为20KA。从图7可以看出，电子束的能量为0.6Gev、2.0Gev和4.2Gev时，辐射的X射线光子能量分别约为9kev、30kev和120kev。随着高能电子束的能量增加，辐射的X射线光子能量也逐渐增加，能够在较大范围内调谐X射线的能量。由于X射线的相对能散都在30％左右，因此基于本发明的激光等离子体X射线源产生了准单能的X射线。X射线的亮度高达5.0×1019光子数/(秒×毫弧度2×毫米2×0.1％带宽)，产生了高亮度的X射线。本发明通过在螺线圈中获得几十KA的电流，产生15T左右的峰值磁场，有利于产生高亮度的X射线。

[0048] 本发明的波荡器的双绕螺线圈产生了短周期(约1毫米)、螺旋形的强磁场(约15T)，且波荡器在沿其轴向上的长度为1厘米左右，相比于永磁铁而言，其具有体积小、成本低的优点，由此获得了结构紧凑的激光等离子体X射线源。并且通过调节高能电子束的能量和螺线圈中的电流大小，可以在较大范围内连续调节X射线的波长和光子产额。

[0049] 在本发明的其他实施例中，双绕螺线圈中的螺线圈的螺距为1-2毫米，且沿其轴向上的长度为1-2厘米，根据所需磁场强度调节螺线圈的匝数。

[0050] 虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。