一种具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪的制作方法

本发明涉及X射线光源领域，特别是指一种具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪。

背景技术：

X射线波长范围在500A～0.01A(20eV～1MeV)。由于原子和分子的尺寸(1A～10A)正好落在X射线的波长范围内，因此，利用X射线散射和衍射可以提供详细的物质中原子和分子组成的机构信息。同时，物质中原子运动的时间周期、材料的相变过程和化学过程中化学键断裂和组合等物理过程在室温下一般约为100fs量级，对这些超快物理过程的研究采用的泵浦-探针方法要求探针具有相同量级的时间分辨能力。因此研究具有100fs量级脉宽的小型化的超短X射线光源对固体物理、生物以及生命科学、飞秒化学、材料学科等学科的发展有着重要的意义。

目前，经常使用的X射线光源主要有以同步辐射为代表的大型X射线光源和利用高速阴极电子束打在阳极金属靶激发韧致辐射X射线的小型室内X射线源。同步辐射光源虽然具有强度大、相干性好、发散小、频谱范围宽且可调谐等优点，但是设施庞大，成本高昂，全球范围内数量有限，无法满足现有的科研需求；小型室内X源虽然造价低，尺寸小，但其单色性差、亮度低、波长不可调谐，无法满足在原子、分子尺度的高分辨解析以及超快ps、fs过程中的科研探索。

针对现有技术中在满足高亮度、高品质、准单色、高光子通量的同时实现小型化的X射线光源的问题，目前尚未有有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能够输出高平均束流和单脉冲束流的高亮度、高品质、准单色的小型化X射线仪。

基于上述目的本发明提供的一种具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪，包括：

电子束流产生系统，所述电子束流产生系统用于产生并输出高能电子束团；

激光器系统，所述激光器装置用于输出高重复频率的超快ps激光和/或fs激光脉冲。

电子束流与激光碰撞系统，所述电子束团与激光脉冲碰撞系统用于激光脉冲与高能电子束对准和同步碰撞以产生X射线束流、以及回收残余电子以及激光；

X射线束流引出系统，所述X射线束流引出系统用于对碰撞产生的X射线进行聚焦、单色、限光和检测。

进一步的，所述电子束流产生系统包括：

光阴极，所述光阴极用于产生电子束团；

RF电子枪，所述RF电子枪用于产生低发散度、短束长、电荷量适中的电子束流；

电子束流直线加速器，所述电子束流直线加速器用于将所述RF电子枪产生的电子束流加速至碰撞所需能量；

束流诊断设备，所述束流诊断设备用于对电子束流进行参数的测量；

高精度低电平控制系统，所述高精度低电平控制系统用于对速调管输出微波信号的幅值、相位的测量和控制；

电子束聚焦和整形模块，所述电子束聚焦和整形模块用于将电子直线加速器加速的电子束团进行整形和聚焦。

进一步的，所述激光发生系统包括：

飞秒钛宝石激光器，所述飞秒钛宝石激光器在大能量的绿光激光器输出的泵浦下，输出一束飞秒量级的大能量超快激光，经过分光器分束后，其中一束光经过非线性频率变换系统对电子束团产生系统的光阴极进行辐照产生电子束团，另一束脉冲激光用于和高能电子束团碰撞产生X射线。

非线性频率变换系统，所述非线性频率变换系统用于将飞秒钛宝石激光器输出的经分光器后的一束激光进行倍频、三倍频变换，获得紫外波段的激光输出，用于对光阴极进行辐照产生电子束团。

进一步的，所述电子束流与激光对撞系统包括：

真空腔，所述真空腔用于为高能电子束团与飞秒激光碰撞提供真空环境，并且可以为激光器输出提供正入射与斜入射两种方式，从而获得ps/fs的X射线输出；

光路延时系统，所述光路延时系统用于对激光发生系统输出的激光进行分束并控制其到达碰撞腔的光程，并以不同的角度入射到碰撞点；

电子回收装置，所述电子回收装置用于将碰撞后剩余的电子束流偏转后收集到电子回收桶中；

激光回收装置，所述激光回收装置用于将碰撞后剩余的超快激光收集到激光回收桶中。

进一步的，所述X射线引出系统包括：

KB镜，所述KB镜用于将出射的X射线聚焦；

单晶模块，所述单晶模块用于提高出射X射线的単色性；

限光孔，所述限光孔用于优化X射线方向；

铅玻璃，所述铅玻璃用于放置荧光屏，通过摄像头监测荧光屏上入射线和试样位置来监测出射X射线的光束质量。

进一步的，所述电子束流产生系统工作重复频率处于百Hz量级，所产生的电子束团长度在ps量级；所述激光产生装置能同时满足辐照光阴极靶材激发电子束流以及与高能电子束流碰撞功能，所述电子束流与激光对撞系统能控制激光入射角度与光程。

进一步的，碰撞产生的X射线最少为，重复频率100Hz，单脉冲光子数10⁸/pulse，光子通量10¹⁰/s。

从上面所述可以看出，本发明提供的具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪，包括：电子束流产生系统，所述电子束流产生系统用于产生并输出高能电子束团；激光发生系统，所述激光发生装置用于输出ps激光或fs激光；电子束流与激光碰撞系统，所述电子束流与激光脉冲碰撞系统用于测量激光与高能电子束、使激光与高能电子束对准和同步，以及回收残余电子以及激光；X射线引出系统，所述X射线引出系统用于对碰撞产生的X射线进行聚焦、单色、限光和检测。本发明实施例的小型化X射线仪，在满足小型化的同时，使得X射线满足高亮度、高品质、准单色和高光子通量，同时能够输出高平均束流和单脉冲束流。

附图说明

图1为本发明实施例具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪的结构框图；

图2为本发明实施例具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪的具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪，包括：

电子束流产生系统，所述电子束流产生系统用于产生并输出高能电子束团；

激光发生系统，所述激光发生装置用于输出ps激光或fs激光，

电子束流与激光碰撞系统，所述电子束流与激光碰撞系统用于测量激光与高能电子束、使激光与高能电子束对准和同步，以及回收残余电子以及激光；

X射线引出系统，所述X射线引出系统用于对碰撞产生的X射线进行聚焦、单色、限光和检测。

本发明实施例的小型化X射线仪，在满足小型化的同时，使得X射线满足高亮度、高品质、准单色和高光子通量。

在本发明的一席其他实施例中，在上述实施例中的小型化X射线仪中，进一步的，所述电子束流产生系统包括：

光阴极，所述光阴极用于产生电子束团；

RF电子枪，所述RF电子枪用于产生低发散度、短束长、电荷量适中的电子束流；

电子束流直线加速器，所述电子束流直线加速器用于将所述RF电子枪产生的电子束流加速至碰撞所需能量；

束流诊断设备，所述束流诊断设备用于对电子束流进行参数的测量；

高精度低电平控制系统，所述高精度低电平控制系统用于对速调管输出微波信号的幅值、相位的测量和控制；

电子束聚焦和整形模块，所述电子束聚焦和整形模块用于将电子直线加速器加速的电子束团进行整形和聚焦。

进一步的，所述激光发生系统包括：

飞秒钛宝石激光器，所述飞秒钛宝石激光器在大能量的绿光激光器输出的泵浦下，输出两束飞秒量级的大能量超快激光，分别对电子束流产生系统的光阴极进行辐照产生电子束团和电子束流产生系统输出的高能电子束流碰撞产生X射线。

非线性频率变换系统，所述非线性频率变换系统用于将飞秒钛宝石激光器输出的激光进行倍频、三倍频变换，获得紫外波段的激光输出，用于对光阴极进行辐照产生电子束团。

进一步的，所述电子束流与激光对撞系统包括：

真空腔，所述真空腔用于为高能电子束与飞秒激光碰撞提供真空环境，并且可以为激光器输出提供正入射与斜入射两种方式，从而获得ps/fs的X射线输出；

光路延时系统，所述光路延时系统用于对激光发生系统输出的激光进行分束并控制其到达碰撞腔的光程，并以不同的角度入射到碰撞点；

电子回收装置，所述电子回收装置用于将碰撞后剩余的电子束流偏转后收集到电子回收桶中；

激光回收装置，所述激光回收装置用于将碰撞后剩余的飞秒激光收集到激光回收桶中。

进一步的，所述X射线引出系统包括：

KB镜，所述KB镜用于将出射的X射线聚焦；

单晶模块，所述单晶模块用于提高出射X射线的単色性；

限光孔，所述限光孔用于优化X射线方向；

铅玻璃，所述铅玻璃用于放置荧光屏，通过摄像头监测荧光屏上入射线和试样位置来监测出射X射线的光束质量。

本发明实施的具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪的电子束流产生系统工作重复频率处于百Hz量级，所产生的电子束团长度在ps量级；述激光产生装置能同时满足辐照光阴极靶材激发电子束流以及与高能电子束流碰撞功能，所述电子束流与激光对撞系统能控制激光入射角度与光程。碰撞产生的X射线最少为，重复频率100Hz，单脉冲光子数10⁸/pulse，光子通量10¹⁰/s。

本发明实施例的具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪，在满足小型化的同时，使得X射线满足高亮度、高品质、准单色和高光子通量。

作为本发明的一个实施例，如图1所示，为本发明实施例具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪的结构框图。从图中可以看出，本实施例的小型化X射线仪，包括：

电子束流产生系统100，电子束流产生系统100用于产生并输出指定电荷量、发散度、束团长度以及能量的高能电子束团；

激光发生装置200，激光发生装置200用于输出指定波长、能量、脉宽的超快ps/fs激光；

电子束流与激光对撞系统300，电子束流与激光对撞系统300用于为激光与高能电子束碰撞对准、同步、测量、回收残余电子以及激光等；

X射线引出系统400，X射线引出装置400用于对碰撞产生的X射线进行聚焦、单色、限光和检测。

作为本发明的一个具体实施例，如图2所示，为本发明实施例具有高平均束流和单脉冲束流的小型化X射线仪的具体结构示意图。从图中可以看出，本实施例的小型化X射线仪，包括：电子束流产生系统100，电子束流产生系统100用于产生并输出指定电荷量、发散度、束团长度以及能量的高能电子束团；

激光发生装置200，激光发生装置200用于输出指定波长、能量、脉宽的超快ps/fs激光；

电子束流与激光对撞系统300，电子束流与激光对撞系统300用于为激光与高能电子束碰撞对准、同步、测量、回收残余电子以及激光等；

X射线引出系统400，X射线引出装置400用于对碰撞产生的X射线进行聚焦、单色、限光和检测。

其中，电子束流产生系统100包括：

光阴极110，光阴极110用于与紫外波段的超快激光作用产生电子束团

RF电子枪120，RF电子枪120用于产生低发散度、短束长、电荷量适中的电子束流；

电子束流直线加速器130，电子束流直线加速器130用于将RF电子枪120产生的电子束流加速至碰撞所需能量；

束流诊断设备140，束流诊断设备140用于对电子束流进行参数的测量；

高精度低电平控制系统150，高精度低电平控制系统150用于对速调管输出微波信号的幅值、相位的测量和控制；

电子束聚焦和整形模块160，电子束聚焦和整形模块160用于将电子束流直线加速器130加速的电子束团进行整形和聚焦。

激光发生装置200包括；

飞秒钛宝石激光器210，飞秒钛宝石激光器210在大能量的绿光激光器输出的泵浦下，输出飞秒量级的大能量超快激光，经分光器分束后，一束激光经过非线性频率变换系统220，对电子束流产生系统的光阴极110进行辐照产生电子束团，另一束激光和电子束流产生系统100输出的高能电子束流碰撞产生X射线。

非线性频率变换系统220，非线性频率变换系统220用于将一束飞秒钛宝石激光器210输出的激光进行倍频、三倍频变换，获得紫外波段的激光输出，用于对光阴极110进行辐照产生电子束团。

电子束流与激光对撞系统300包括：

真空腔310，真空腔310为高能电子束与飞秒激光碰撞提供真空环境；

光路延时系统320，光路延时系统320对激光发生装置200输出激光脉冲进行光程调节，以控制其到达碰撞点的时间，使激光脉冲和经同一个分束激光脉冲三倍频后照射光阴极所产生的高能电子束团同时到达碰撞点，发生碰撞，产生不同脉冲宽度的X射线；

电子回收装置330，电子回收装置330用于将碰撞后剩余的电子束流偏转后收集到电子回收桶中；

激光回收装置340，激光回收装置340用于将碰撞后剩余的飞秒激光收集到激光回收桶中。

X射线引出系统400包括：

KB(Kirkpatrick-Baez)镜410，KB镜410用于将出射的X射线聚焦；

单晶模块420，所述单晶模块420用于提高出射X射线的単色性；

限光孔430，限光孔430用于控制输出X射线束流的孔径和X光子通量；

铅玻璃440；铅玻璃440用于放置荧光屏，通过摄像头监测荧光屏上入射线和试样位置来监测出射X射线的光束质量。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。