ЛАЗЕРНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2019 года по МПК H05G2/00 G03F7/20 G21K1/04 

Изобретение относится к радиационной физике, а именно к области лазерных рентгеновских излучателей, и может быть использовано в научных исследованиях в физике, химии, биологии, применено в различных областях промышленности и медицины.

Известен рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), содержащий сверхпроводящий линейный ускоритель электронов и ондулятор с редкоземельными магнитами (Лаборатория DESY в Гамбурге).

Недостатками этого технического решения являются большие размеры: линейный ускоритель электронов на 17,5 ГэВ длиной 1,7 км и ондулятор с редкоземельными магнитами общей длиной 212 м. и, соответственно, дороговизна сооружения и эксплуатации.

Известен лазерный рентгеновский излучатель, содержащий источник питания и размещенный в вакуумированном корпусе эмиттер электронов, выполненный из материала, находящегося в газовой фазе при комнатной температуре, который облучают лучом импульсного лазера. Эмиттер помещен в фокальную точку импульсного лазерного луча. После ускорения электронов они направляются на последовательно расположенные мишени для получения рентгеновского тормозного излучения со сплошным спектром. Генерируемые рентгеновские лучи после брэгговского отражения направляют из камеры через блок рентгеновского затвора, открываемого синхронно с частотой повторения импульсов лазера. (Патент US 4866517 Мкл. G03F 7/20, G21K 1/04, H05G 2/00, опубл. 1989-09-12).

Недостатками этого технического решения являются малая мощность и широкая полоса тормозного рентгеновского излучения на мишени, из которого затем вырезают узкую линию, теряя в интенсивности.

Технической задачей, на решение которой направлено данное предложение, является создание компактной установки для получения когерентного рентгеновского излучения, использование простых, недорогих компонентов, например, лазеров средней мощности с высокой частотой повторения импульсов, с простым и надежным оперативным управлением параметрами выходного пучка.

Для решения этой технической задачи предлагается лазерный рентгеновский излучатель, содержащий источник напряжения, модулирующий лазер, установленный с возможностью облучения эмиттера, размещенного в вакуумированном корпусе, лазер отражаемого излучения, отклоняющий магнит, приемник выходного рентгеновского излучения, поглотитель. Модулирующий лазер выполнен с фокусирующей цилиндрической линзой, эмиттер выполнен в виде пластины с расположенными на ней металлическими остроконечными элементами, расположенными эквидистантными рядами, расстояние между которыми равно длине волны модулирующего лазера, модулирующий лазер с фокусирующей цилиндрической линзой размещен с возможностью облучения эмиттера в плоскости вершин металлических элементов, лазер отражаемого излучения с возможностью излучения под углом 5-45 градусов к перпендикуляру к плоскости пластины, отклоняющий магнит установлен на перпендикуляре к центру эмиттера с возможностью взаимодействия с электронным пучком эмиттера и, соединенный с источником питания магнита, поглотитель, установленный с возможностью абсорбции отклоненного электронного пучка, лазер отражаемого излучения установлен с возможностью взаимодействия его излучения со сгустком электронов в зоне его минимальной толщины, блок измерения параметров и использования выходного излучения установлен с возможностью взаимодействия с выходным излучением лазерного рентгеновского излучателя. Электронный сгусток образует электронное зеркало, способное отражать падающее на него электромагнитное излучение с увеличением его частоты.

В лазерный рентгеновский излучатель может быть введен лазер ускорения электронного зеркала, расположенный с возможностью взаимодействия с зоной минимальной толщины сгустка электронов эмиттера, а пластина эмиттера выполнена металлической, или лазер ускорения электронного зеркала может быть установлен с возможностью излучения в направлении, перпендикулярном плоскости пластины со стороны, противоположной расположению металлических элементов, при этом пластина эмиттера выполнена диэлектрической, а ее боковые стороны покрыты металлом, гальванически соединены с торцами остроконечных элементов и подключены к источнику напряжения.

Предлагаемый лазерный рентгеновский излучатель может быть изготовлен на существующем оборудовании из известных материалов. Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками при проведении поиска по научно-технической литературе и патентной документации заявителем не обнаружено. Предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники. Поэтому заявитель считает, что предложение по данной заявке соответствует критериям охраноспособности изобретения: «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется схемами, на которых показаны неисключающие примеры реализации предложения.

На Фиг. 1 показана схема устройства по п. 1 формулы (без лазера ускорения электронного зеркала), на Фиг. 2 - схема устройства по п. 2 формулы (с лазером ускорения электронного зеркала и металлической пластиной эмиттера), на фиг. 3 - схема устройства по п. 3 формулы (с лазером ускорения электронного зеркала и диэлектрической пластиной эмиттера), на Фиг 4 - эмиттер в виде катодной пластины и металлических остроконечных эмитирующих элементов решетки из рядов иголок, на фиг. 5 - эмиттер в виде катодной пластины и металлических остроконечных элементов решетки из лезвий, на фиг. 6 - редкоземельный постоянный отклоняющий магнит, на фиг. 7 - отклоняющий магнит с обмотками, соединенными с источником питания магнита.

На фигурах обозначено: эмиттер 1, источник 2 напряжения с линией передачи к эмиттеру, модулирующий лазер 3 с фокусирующей цилиндрической линзой (не показана), вакуумированный корпус 4, отклоняющий магнит 5, металлическая мембрана 6, поглотитель 7, металлическое зеркало 8, блок 9 измерения параметров и использования выходного излучения, лазер 10 отражаемого излучения с металлическим зеркалом 8, изменяющим угол падения θ₀, лазер 11 ускорения электронного зеркала. Луч 12 модулирующего лазера 3 обозначен широкой серой стрелкой, θ₀- угол падения луча отражаемого лазера 10 на электронное зеркало, угол θ₁ отражения излучения от электронного зеркала, металлическое зеркало 8 выполнено с возможностью перемещения и поворота. Траектория электронного зеркала обозначена символом е^- и широкой белой стрелкой 13. Луч лазера 10 отражаемого излучения, падающего на электронное зеркало, обозначен широкой черной стрелкой 14, луч отраженного излучения - тонкой черной стрелкой 15. Эмиттер 1 выполнен в виде пластины 16 с расположенными на ней металлическими остроконечными эмитирующими элементами - иглами 17 или лезвиями 18, расположенными эквидистантными рядами, центр эмиттера 1 расположен в центре пластины 16. Отклоняющий магнит 5 состоит из верхнего редкоземельного постоянного магнита 19 и нижнего редкоземельного постоянного магнита 20. Электромагнит с обмотками 21 питается от внешнего источника тока (не показан). Направление магнитного поля В в обоих магнитах показано белой стрелкой 22, k - волновой вектор падающей волны модулирующего лазера 3 после ее фокусировки цилиндрической линзой (не показана), Е - вектор электрического поля, Н - вектор магнитного поля.

Отклоняющий магнит 5 применяется во всех вариантах устройства для направления электронов в поглотитель 7 и устанавливается перед блоком 9 измерения параметров и использования выходного излучения после окончательного ускорения электронов.

Лазерный рентгеновский излучатель работает следующим образом:

Автоэлектронная эмиссия происходит при подаче на эмиттер 1 - катодную пластину 16 с решеткой металлических эмитирующих игл 17 или лезвий 18 - постоянного и/или импульсного напряжения с электрическими полями умеренной величины без дальнейшего ускорения электронного зеркала до высокой релятивистской скорости.

После ускорения постоянным и/или импульсным напряжением и модуляции скорости электронов, в части пучка электронов происходит их группировка в сгустки - плоские слои малой толщины δ_b и длительности τ_b. После достижения минимальной толщины сгустки начинают расширяться. Область расстояний сгустка от эмиттера 1, где выполняется условие:

δ_b<0.1λ_r,

τ_b<0.1/ν₀

_{является областью эффективного когерентного отражения излучения лазера 10, здесь λr длина волны излучения лазера 10, ν0 частота излучения лазера. В этой области сгусток является движущимся эффективным однослойным электронным зеркалом. Периодическая решетка из таких слоев увеличивает коэффициент отражения в N² раз, где N число таких слоев. Когерентное сложение волн от отдельных слоев происходит при определенной «резонансной» длине волны лазера отражаемого излучения: λr=βλm при угле падения отражаемого излучения θ0=0, где β=v/c, v - скорость электронного зеркала, с - скорость света в вакууме. Для θ0>0 расчет ведется с учетом наклонного падения луча лазера отражаемого излучения.}

Устройство без лазера 11 ускорения электронного зеркала (п. 1 формулы изобретения, Фиг. 1) работает в режиме формирования движущегося электронного зеркала с использованием эмиттера 1 в виде металлической катодной пластины 16 с решеткой металлических эмитирующих игл 17 или лезвий 18 (Фиг. 4 и Фиг. 5). Для получения максимальной модуляции скорости электронов плоскость фокуса фокусирующей цилиндрической линзы модулирующего лазера 3 должна совпадать с плоскостью вершин эмитирующих элементов - игл 17 или лезвий 18.

Излучение, отражаемое от электронного зеркала, подается от лазера 10 отражаемого излучения с длиной волны, где с - скорость света в вакууме, ν₀ - частота излучения лазера. Угол падения θ₀ отсчитывается от перпендикуляра к плоскости электронного зеркала. В данной схеме перпендикуляр параллелен направлению движения зеркала. Угол отражения θ₁ и частота отраженного излучения ν₁ связаны с параметрами падающего излучения следующими формулами:

cosθ₁=[(1+β²)cosθ₀ - 2β] / [(1+β²) - 2βcosθ₀],

ν₁=2ν₀(1+cosθ₀)γ²,

где v - продольная скорость электронного зеркала, с - скорость света в вакууме.

Наибольшая частота отраженного излучения получается при θ₀=0 (ν_max=4γ²ν₀). Наименьшую частоту следует выбирать исходя из требований использования выходного пучка и технических ограничений конструкции. Диапазон 45°>θ₀>0 позволяет получать когерентное излучение в диапазоне частот ν₁=(3.4-4)γ²ν₀.

Направление отражаемого излучения при θ₀=0 вызывает технические трудности, но из-за слабой зависимости частоты отраженного сигнала от θ₀ вблизи его нуля можно использовать θ₀>0. При θ₀=5° частота отраженного сигнала меньше максимальной на 0.2%. Таким образом, можно считать практическим диапазоном 45°>θ₀>5°. Изменение угла падения осуществляет оптическая система на выходе лазера 10 отражаемого излучения за счет перемещения и поворота металлического зеркала 8.

При отражении от движущегося электронного зеркала угол отражения всегда меньше угла падения. При максимальной частоте выходного излучения оно идет практически по тому же направлению, что и электронное зеркало. При высокой чувствительности используемой приемной аппаратуры (блока 9 измерения параметров и использования выходного излучения) и возможной высокой средней мощности пучка электронов, составляющих электронное зеркало, полезной представляется схема отклонения электронов от приемной аппаратуры и направления их через металлическую мембрану 6 в поглотитель 7. Это предотвращает возможное ухудшение вакуума из-за неконтролируемого попадания электронов на стенки вакуумированного корпуса 4.

Кинетическая энергия электронов на три порядка превышает энергию отраженных фотонов. Поэтому электронное зеркало не претерпевает существенных изменений после первого отражения ≈ 10¹⁰ фотонов и может быть использовано для последующих отражений. С этой целью после отклоняющего магнита 5 перед поглотителем 7 устанавливают ондулятор (не показан) с конструкцией его элементов, подобной отклоняющему магниту 5, но с меньшим полем. Участки волнообразной траектории используются в качестве новых точек отражения, умножая многократно (10-100) среднюю мощность выходного лазерного рентгеновского излучения и позволяя одновременно работать многим пользователям. При частоте повторений импульсов лазеров 3, 10 и 11, равной 10⁶ Гц, средняя интенсивность фотонов составит 10¹⁷-10¹⁸ сек^-1. Для сравнения: на XFEL в DESY - 10¹³-10¹⁴ сек^-1.

Устройство по п. 2 формулы с лазером 11 ускорения электронного зеркала и металлической пластиной 16 эмиттера 1 работает следующим образом:

Для начальной работы в том же режиме, что устройство по п. 1, размеры пластины 16 и ее установка должны быть такими, как в устройстве по п. 1.

Начальный этап работы совпадает с описанным в п. 1. Далее следует установить экспериментально с привлечением результатов компьютерного моделирования зону на траектории электронного зеркала, где оно имеет минимальную толщину. Именно туда следует направлять фокус ускоряющего лазера 11.

Ускорение электронов потребует повышения напряженности поля в отклоняющем магните 5 (и в ондуляторе в случае его использования). Необходимо также изменить положение приемника 9 выходного рентгеновского излучения. Угол отражения θ₁ вычисляется по формуле:

cosθ₁=[(1+β²)cosθ₀ - 2β] / [(1+β²) - 2βcosθ₀],

где θ₀ угол падения на электронное зеркало луча лазера 5 отражаемого излучения, β=v/c, v скорость электронов после ускорения лазером 11, с - скорость света в вакууме.

Устройство с лазером 11 ускорения электронного зеркала и диэлектрической пластиной 16 (п. 3 Формулы изобретения, Фиг. 3) работает следующим образом:

Для начальной работы в том же режиме, что в п. 1, размеры пластины 16 и ее установка должны быть такими как в случае металлической пластины 16 эмиттера 1. Боковые стороны диэлектрической пластины 16 покрыты металлом (напыление, окантовка и т.д.) и подключены к источнику 2 напряжения. Эмитирующие элементы (иглы 17, лезвия 18) монтируются в том же расположении, что в случае металлической пластины 16. Торцы лезвий 18 должны иметь электрический контакт с металлом боковых сторон металлической пластины 16. Элементы в виде игл 17 соединяются между собой в ряду тонкими проводниками, имеющими электрический контакт с металлом боковых сторон диэлектрической пластины 16, и соединены с источником питания 2.

Далее работа происходит в порядке п. 1 (без лазера 11 ускорения электронного зеркала).

Лазерный рентгеновский излучатель относится к радиационной физике, а именно к области лазерных рентгеновских излучателей, и может быть использован в научных исследованиях в физике, химии, биологии, применен в различных областях промышленности и медицины. Лазерный рентгеновский излучатель содержит источник напряжения, модулирующий лазер, установленный с возможностью облучения эмиттера, размещенного в вакуумированном корпусе, лазер отражаемого излучения, отклоняющий магнит, приемник выходного рентгеновского излучения, поглотитель. В лазерный рентгеновский излучатель может быть введен лазер ускорения электронного зеркала, расположенный с возможностью взаимодействия с зоной минимальной толщины сгустка электронов эмиттера, а пластина эмиттера выполнена металлической, а также лазер ускорения электронного зеркала может быть установлен с возможностью излучения в направлении, перпендикулярном плоскости пластины со стороны, противоположной расположению металлических элементов, при этом пластина эмиттера выполнена диэлектрической, а ее боковые стороны покрыты металлом, гальванически соединены с торцами остроконечных элементов и подключены к источнику напряжения. Технический результат - возможность получения когерентного рентгеновского излучения, упрощение и повышение надежности управления параметрами выходного пучка. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лазерный рентгеновский излучатель, содержащий источник напряжения, модулирующий лазер, установленный с возможностью облучения эмиттера, размещенного в вакуумированном корпусе, отличающийся тем, что в него введены лазер отражаемого излучения, отклоняющий магнит, приемник выходного рентгеновского излучения, поглотитель, модулирующий лазер выполнен с фокусирующей цилиндрической линзой, эмиттер выполнен в виде пластины с расположенными на ней металлическими остроконечными элементами, расположенными эквидистантными рядами, расстояние между которыми равно длине волны модулирующего лазера, модулирующий лазер с фокусирующей цилиндрической линзой размещен с возможностью облучения эмиттера в плоскости вершин металлических элементов с направлением луча, перпендикулярным эквидистантным рядам металлических остроконечных элементов, лазер отражаемого излучения установлен с возможностью излучения под углом 5-45 градусов к перпендикуляру к плоскости пластины, отклоняющий магнит установлен на перпендикуляре к центру эмиттера с возможностью взаимодействия с электронным пучком эмиттера, поглотитель установлен с возможностью абсорбции отклоненного электронного пучка, лазер отражаемого излучения установлен с возможностью взаимодействия его излучения с электронным зеркалом в зоне его минимальной толщины, блок измерения параметров и использования выходного излучения установлен с возможностью взаимодействия с выходным излучением лазерного рентгеновского излучателя.

2. Лазерный рентгеновский излучатель по п. 1, отличающийся тем, что в него введен лазер ускорения электронного зеркала, расположенный с возможностью взаимодействия с зоной минимальной толщины электронного зеркала, пластина эмиттера выполнена металлической.

3. Лазерный рентгеновский излучатель по п. 1, отличающийся тем, что в него введен лазер ускорения электронного зеркала, установленный с возможностью излучения в направлении, перпендикулярном плоскости пластины со стороны, противоположной расположению металлических остроконечных элементов, пластина эмиттера выполнена диэлектрической, боковые стороны пластины покрыты металлом, гальванически соединены с торцами остроконечных элементов и подключены к источнику напряжения.