专利名称：光子发生器的利记博彩app
根据DE-AC02-98CH10886号合同，本发明得到由美国能源部提供的政府支持。政府在本发明中拥有一定权利。
本发明涉及x-射线的产生，具体而言，涉及光子发生器源。
x-射线广泛应用在医疗、工业、生物科学、材料科学等方面。然而，产生x-射线的常规同步加速器体积大而且价格昂贵，因此不能得到广泛使用。
为此，人们开发了一种较小型的x-射线源，即激光同步加速器源(简称激光同步加速器源)。在激光同步加速器源中，激光束与在作用腔中加速的电子束发生碰撞，根据康普顿或汤姆逊散射原理，产生诸如x-射线的高能量光子束。
激光同步加速器源光子发生器产生的高能量光子的峰通量和亮度要受到所使用装置的特定构造的限制。
因此，需要一种能够产生具有高亮度的高能量光子的小体积光子发生器。
光子发生器包括一支发射电子束的电子枪和一台发射激光束的激光器。激光束与电子束反复碰撞，产生高能光子束并从而典型地构成x-射线。
根据本发明的优选实施例并结合以下附图，可以进一步清楚了解本发明的目的和优点
图1是根据本发明优选实施例的光子发生器的示意图。
图2是图1所示的光子发生器的优选操作流程图。
图3是图1所示的光子发生器的流程示意图。
图4是图3所示的电子枪的示意图。
图1所示是一个光子发生器，在本发明优选实施例中称为装置10。光子发生器是激光同步加速器源的一个改进装置，同时还包括用以发射相对论电子束14的高能电子枪装置12。
高能激光器16用于发射激光束18。一条联接电子枪和激光器一道运转的中空环形作用轨20使电子束14在一条封闭的环路上运行，并在其中反复与激光束18碰撞，进而由电子束与激光束的碰撞产生高能光子束22。用这样的方法，根据汤姆逊散射或康普顿散射原理，从激光散射出的相对论电子就产生了高能量光子。所产生光子束22的典型构成是x-射线、伽马射线、可见光、紫外光、或其他窄能带的电磁辐射，并且具有很高的亮度。
图1所示的电子枪12可以有多种构造，用以产生在环中散射的高能电子。同样，散射激光器16也可以有不同构造，用以产生高能激光束，通过在作用环中的碰撞与电子发生散射。
在优选实施例中，散射激光器16配置成可以按一个预先所选取的固定重复频率以脉冲列发射激光束18。电子枪12也配置成以脉冲列的形式发射电子束14。相应地，作用环20要调整尺寸并配置为使每一个电子束脉冲以预先决定的周期环绕，并使这一周期与激光束脉冲的重复频率所对应的周期相等，从而在环中重复发生碰撞。在每一次电子束脉冲和激光束脉冲列的碰撞中，都会因汤姆逊散射产生相应数量的光子。因而使光子束22具有充分高的平均亮度。
图1所示的示范作用环20选择为椭圆形，具有一对相对设置的直道20a和一对相对设置的弯道20b连接而成封闭的椭圆形环路。
电子枪12沿第一旋转方向设置以便发射电子脉冲14进入作用环20，该方向在图1中为顺时针方向。散射激光器16的放置为，利用合适角度的偏转镜向作用环20的反方向即第二旋转方向发射激光脉冲18，使之与相对的电子束脉冲碰撞，该方向在图1中的上面直道为逆时针方向。
因此，作用环使电子束脉冲在封闭的椭圆环路中以第一方向环绕，激光束脉冲的方向则与之相反，以第二方向与电子束脉冲迎头相撞，引起汤姆逊散射。用这样的方法，当电子脉冲在环路中环绕时，同一电子束会不断地与激光束列中的激光脉冲相继相撞。
基本作用环可以采用常规电子束储存环的改造形式，电子在其中环绕能量损失最小。环内抽成很高程度的真空，环上还有位置适当的窗口，用于接收和排放改造环内的电子和激光脉冲。
在图1所示的示范装置中，作用环包含了一组聚焦元件磁铁24，与环相作用地联接在一起，比如可以位于弯道20b附近。它将电子束14在两段直道20a中段最佳的碰撞区域26聚焦成一细腰。
另一组偏转元件磁铁28在四个角上或弯道与直道相接处与环相作用地连接在一起，偏转或引导电子束在环中环绕。
偏转磁铁具有的动力刚好可以维持环中电子束的环绕运动达到足够的圈数。提高相应偏转磁铁的强度，一个电子脉冲可在环的任意一个角进环；同样降低偏转磁铁的强度也可以使一个电子脉冲在任意一个角从环里退出。
电子脉冲在环中环绕时，将由磁铁24聚焦到直道上的两个碰撞区。相应地，用适当的光学或聚焦镜片设置散射激光器16，使激光束脉冲聚焦到两条直道之一上相应的碰撞区26的电子束腰部。
用这样的方法，电子束14在作用环中碰撞区26聚焦成一个细腰，激光脉冲18聚焦到碰撞区26内的电子束腰部，发生碰撞并在此产生汤姆逊散射。
图1所示的激光束可按需要在或不在作用环中环绕。在图示的所选设置中，众多的反射及偏转镜30的中心线与作用环光学对齐，使激光脉冲18环绕在环路中，反复在碰撞区电子束脉冲各自的两个腰部之一与电子束脉冲碰撞。这样，同一电子束脉冲14可以在环的两个直道10a相继与激光束脉冲碰撞，相应产生出高能光子。由于激光束的能量在多次镜面反射中会有损失，可以在设置系列中使用光学放大器(图中未示出)，用以补偿能量损失。
另外，在两个弯道20b之一处还可以放置加速器20c，补偿环绕电子因散射而发生的能量损失。两个电子加速器12b和20c与图3所示的同步加速器48相作用地连接起来，对进行能量加速的电子脉冲实行同步操作。
如上所述，在相对紧凑的体积中，电子枪12和散射激光器16可以通过配置与作用环协同发挥最佳的性能。电子枪最好配置为向环20发射相对论电子束14，所具有的相对论能量大约在1-10MeV的范围，以期产生高亮度的电子束。
相应地，激光器16需要设置为使所发射激光束18的能量达到大约100mJ、波长大约750nm、脉冲持续时间大约3ps。这样一个高能激光束脉冲与一个拥有100pC电子束、持续时间100fs、能量大约为5MeV的典型电子束迎头碰撞，每次碰撞可以产生106个波长大约为1.6nm、能量大约为800eV的光子。所产生的光子束的峰值亮度大约为1022光子/(秒0.1％黑白区域立体角)，可与第二代同步加速器光源相比。
如图2流程图所示，散射激光器16设置为使所发射激光束18可以形成阵列18a，其中包括多个一级重复频率的宏脉冲18b，每一个宏脉冲又包括多个在80MHz附近不同的二级重复频率的微脉冲18c，这一频率所对应的周期大约为12ns，实际上相等于电子束脉冲在作用环内的环绕周期。
电子枪12相应设置为产生由单个电子束脉冲14b构成的电子脉冲列14a。电子枪和散射激光器同步匹配，共同产生电子和激光脉冲列。
产生的激光宏脉冲18a最好具有大约为100Hz的一级重复频率，持续时间大约为1微秒。每一个宏脉冲18b最好具有大约100个持续大约3ps的微脉冲。每一个微脉冲与一个电子束脉冲碰撞，每次碰撞产生的光子束大约有106个x-射线光子，持续时间大约为100fs，即每秒大约产生1010个光子。
调节激光波长可小范围地调节所产生光子束22的波长，若需要大范围调节则要改变电子束的能量。如果散射激光器16可在大约750-850nm的范围内调节，电子能量可在大约1-10MeV的范围内变化，所产生的光子束窄带宽辐射就可以在大约53nm至0.4nm连续调节。
电子枪产生的单个电子束脉冲14b具有和激光产生的宏脉冲18b相同的重复频率。电子束脉冲14b射向作用环20并以与每一个宏脉冲的微脉冲18c相吻合的重复环绕频率在环中环绕。
当一个电子束脉冲在作用环中环绕时，每一圈都会相继与一个特定的微脉冲18c碰撞，直到每一个宏脉冲中的全部微脉冲都利用起来和这一个电子束脉冲产生汤姆逊散射。
在优选实施例中，微脉冲18c的重复频率对应的周期大约为12ns，作用环20设置为使在其中运行的电子束脉冲也具有12ns的周期，与微脉冲周期相吻合，以便使电子脉冲同步，在作用环中电子脉冲每一圈都与一个相继而来的微脉冲碰撞。当一个宏脉冲中的所有微脉冲都与同一电子脉冲完成碰撞以后，消耗后的电子脉冲由作用环中撤出，下一个电子脉冲注入其中，继续与下一个宏脉冲再一次重复碰撞周期。
如上所述，电子枪12可以有多种常规的设置，与相应设置的散射激光器16相配合。图3所示为激光系统32与作用环20和电子枪12相配合的一个具体化示范，图4对它们做了更详细的说明。
如图4所示，电子枪12最好选取具有常规设置的激光激发光电阴极电子枪。另外也可以采用其他形式，比如RF枪、热电子枪、场发射枪等。
在所选示范中，高压脉冲发生器34包含了一个谐振变压器34a，它与一个充有SF6气体的增压触发放电间隙34b配合工作。触发间隙34b位于变压器和一个组合连接线路34c之间，组合线路34c与一个阻抗负载匹配变压器34e之间还有一个脉冲锐化放电间隙34d。真空二极管36包括了与阻抗变压器相联的阴极36a和一个预先决定了相隔距离的阳极36b。
脉冲发生器34设置为可以在真空二极管36的电极之间施加范围大约为0.5-1MV的脉冲高压，建立一个大约1GV/m的加速梯度。通过用一个短于1ps的短激光脉冲同步地刺激电极36a，使阴极发射出由激光束控制特性的光电子。高压电场将电子加速到相对论能量，产生高亮度电子束脉冲14b。如果需要，这一电子束的能量还可以通过一个与二极管相配的常规设置的额外加速腔12b提高到大约10MeV。
由于图3所示的光子发生器的各种元件都设置为发射高能脉冲，为了获得最佳性能，需要使这些脉冲同步。激光系统32应设置为发射阴极激光束38，刺激电子枪的阴极36a发射电子。激光系统还设置为发射触发激光束40，与阴极激光束38同步触发充有SF6气体的增压放电间隙34b。
并且，激光系统还要设置为与阴极激光束同步发射散射激光束18，与作用环20内的电子束脉冲碰撞。
这样，图3所示的激光系统设置为送出3种互不相同的激光束，同步地操纵光子发生器10。阴极激光束38具有大约为100微焦耳的相对较低能量，它的超短脉冲持续时间短于1ps，以大约4-5eV的紫外光子能量刺激阴极36a发射电子。
触发激光束40的紫外波长能量要比大约50mJ高，具有相对较长的脉冲持续时间，大约在1-10ns的范围，触发脉冲发生器放电间隙34b，保持与阴极激光束38的高压脉冲同步。
散射激光束18具有相对较高的能量，范围大约在10-100mJ，短脉冲持续时间可达大约10ps，需要调节到能够引起作用环20中的电子束脉冲发生汤姆逊散射。
在优选实施例中，图3所示的激光系统32的3种不同激光束18、38、40可由两台设置不同的激光器同步形成。
例如，第1台激光器42设置为发射触发激光束40，第2台激光器44设置为发射阴极激光束38。并且，功率放大器46与第2台激光器相作用地联接，同步地发射散射激光束18。
包括了一个主控时钟的适配同步器48相作用地与两个激光器联接在一起，使之以一种常规的方式配合运转。
在图3所示的所选示范中，第一台激光器42是一个发射紫外激光束脉冲42a的Nd:YAG激光器，它在相应的谐振晶体(HC)50上使频率加倍，形成触发激光束40，送到电子枪。
第二台激光器44最好是一个模式锁定激光器，设置为首先发射一束红外激光束44a，脉冲持续时间短于大约100fs、波长约800nm，重复频率约80MHz，对应于大约12ns的周期。例如，这一模式锁定激光器可以是钛蓝宝石固体激光器。
脉冲扩展器52相作用地与第二台激光器44联接，将脉冲持续时间延长到大约100ps。
第一台激光器42需要与第二台激光器44相作用地联接在一起，以便放大阴极激光束38，并且提升功率放大器46的能量，放大散射激光束18。
这一点通过与第二谐振晶体光学校直的第一分光镜54实现，它在第1束激光42a中分出一部分能量，用于在一个与扩展器和分光镜54光学校直的前置放大器上提升扩展的第2束激光束44a的能量。
第二分光镜58依次与第一分光镜54光学校直，从第1激光束42a再分出一部分能量，用以提高与之相作用地联接的功率放大器46的能量。
第一脉冲压缩器60相作用地联接前置放大器56，用于将激光束完全压缩到大约100fs的原有脉冲周期，该激光束再在与之相作用地联接的另一谐振晶体52上使频率加倍，用于产生阴极激光束38。
第二脉冲压缩器62相作用地联接功率放大器46，用于部分地压缩放大后的激光束，并将散射激光束18的脉冲周期调节至大约大于100fs，最好能到达大约1-10ps的范围。
以上根据所选取示范所描述的光子发生器能够有效地产生光子束输出，其峰值和平均亮度可与常规的非光子发生器相提并论。然而，光子发生器要小很多，比如说，可比一个常规同步加速器小大约200平方英尺，相应也降低了购置费用和运行费用。光子能量可以在大约53nm至大约0.4nm之间连续调节，产生1-10MeV的电子束脉冲。并且，窄带宽光子束辐射的脉冲持续周期可以在大约50fs至3ps之间变化。
作用环对于高能激光束同高能电子束碰撞、由汤姆逊散射产生光子辐射提供了实质性的改进。由于它的光子辐射是单色的，从而免除了对于诸如分光计、光栅、冷却元素等这些对于标准的同步加速器所不可或缺的需要。
尽管以上对本发明所选取的典型示范进行了描述，其他关于发明的变化对于本领域的一般技术人员而言是显而易见的。
权利要求
1．一光子发生器，包括一发射电子束的电子枪；一发射激光束的激光器；以及一与上述电子枪和激光器相作用地联接在一起的作用环，用以使上述电子束在一个封闭的环路中环绕，在其中反复地与上述激光束碰撞，并从二者之间的碰撞发射一个光子束。
2．根据权利要求1所述的发生器之中上述激光器设置为以重复频率的脉冲列发射上述激光束；上述电子枪设置为以电子脉冲发射上述电子束；以及选取上述作用环的尺寸并设置为使上述电子束脉冲以实际上与上述重复频率相等的相应周期环绕，从而发生上述的重复碰撞。
3．根据权利要求2所述的发生器之中上述作用环为椭圆形，具有一对相对的弯道和一对相对的直道；上述电子枪部署为向上述作用环的第一方向发射上述电子束脉冲；以及上述激光器部署为向上述作用环反向的第二方向发射上述激光束脉冲，与上述电子束脉冲碰撞。
4．根据权利要求3所述的发生器进一步包括与上述作用环相作用地联接在一起的一组聚焦磁铁，使上述电子束脉冲在上述直道处聚焦成一细腰；在上述直道和弯道的连接处与上述作用环相作用地联接在一起的一组偏转磁铁，引导上述电子脉冲在上述环中环绕；以及其中上述激光器设置为将上述激光脉冲聚焦至位于上述直道之一处的上述电子脉冲腰部。
5．根据权利要求4所述的发生器进一步包括与上述作用环相作用地联接在一起的一组偏转镜片，偏转上述激光脉冲在上述环路中环绕，与上述电子脉冲在上述一对直道各自的上述腰部重复碰撞。
6．根据权利要求2所述的发生器中的所述电子枪所包括的激光激发光电阴极电子枪包括一带有触发放电间隙的高压脉冲发生器；以及一包含发射电子的阴极和有一定距离的阳极的二极管。
7．根据权利要求6所述的发生器进一步包含一激光系统，被设置为发射刺激上述电子枪中上述阴极发射电子的阴极激光束；与上述阴极激光束同步触发上述放电间隙的触发激光束；以及在上述作用环中与上述电子束脉冲碰撞并与上述阴极激光束同步的散射激光束。
8． 根据权利要求7所述的发生器中的所述上述激光系统包括第一激光器设置为发射上述触发激光束；第二激光器设置为发射上述阴极激光束；以及与上述第二激光器相作用地联接的放大器发射上述散射激光束。
9． 根据权利要求8所述的发生器中的所述第一激光器相作用地联接上述第二激光器，用以放大上述阴极激光束并为上述放大器放大上述散射激光束提供能量。
10．根据权利要求9所述的发生器中上述第一激光器是一台Nd:YAG激光器；以及上述第二激光器是一台模式锁定激光器。
11．一种产生光子束的方法包括发射电子束；发射激光束；以及上述电子束与上述激光束重复碰撞，由二者之间的碰撞发射上述光子束。
12．根据权利要求11所述的方法进一步包括按重复的频率以激光脉冲列发射上述激光束；以电子束脉冲发射上述电子束；以及使上述电子束脉冲以实际上相等于相应上述激光重复频率的周期的周期环绕，产生上述重复碰撞。
13．根据权利要求12所述的方法进一步包括使上述电子束脉冲在一个封闭的环路中按第一方向环绕；以及引导上述激光脉冲在上述环路中按相反的第二方向环绕，与上述电子束脉冲碰撞。
14．根据权利要求13所述的方法进一步包括在上述环路中将上述电子束脉冲聚焦成一细腰；以及在上述电子束脉冲腰部聚焦上述激光束脉冲，并在此处碰撞。
15．根据权利要求14所述的方法进一步包括在上述环路的一组上述腰部聚焦上述电子束脉冲；以及使上述激光束脉冲在上述环路中环绕，与上述电子束脉冲在各自的上述腰部重复碰撞。
16．根据权利要求13所述的方法进一步包括在上述环路中发射相对论电子束，其能量范围大约为1-10MeV；以及发射上述激光束，其能量达到大约100mJ，波长大约750nm，脉冲持续时间大约为3ps。
17．根据权利要求13所述的方法进一步包括以上述阵列18a发射上述激光束，阵列中包含一组具有第一重复频率的宏脉冲，每一个宏脉冲含有一组具有第二重复频率的微脉冲，所对应的周期实际上相等于上述电子束脉冲的环绕周期。
18．根据权利要求17所述的方法之中上述宏脉冲的第一重复频率大约为100Hz，持续时间大约1微秒，每一个宏脉冲含有大约100个微脉冲；以及每一个上述微脉冲的周期大约为12ns，持续时间大约100fs，每次碰撞产生大约106个光子的上述光子束。
19．根据权利要求13所述的方法进一步包括调节上述电子束的能量；以及调节上述激光束的波长，使之在大约53nm至大约0.4nm的窄带宽辐射连续调节上述光子束。
全文摘要
一种包括发射电子束的电子枪和发射激光束的激光器的光子发生器。激光束反复与电子束发生碰撞,产生高能光子束并从而典型地构成x－射线。
文档编号H05G2/00GK1318970SQ0111069
公开日2001年10月24日 申请日期2001年4月17日 优先权日2000年4月17日
发明者史芮尼维仁－拉奥·崔维尼 申请人:布鲁克海文科学协会