[发明专利]激光等离子体共振X光源

说明书

技术领域

本发明涉及激光尾波场加速和同步辐射光源领域，尤其涉及一种激光等离子体共振X光源。

背景技术

由于等离子体本身就是电离的准电中性介质，与传统射频加速器的固体介质相比，可以承载大几个数量级的加速电场，如当等离子体电子密度为10¹⁸cm^-3时，该电场约为1GV/cm，且随着电子密度的增加而增大。因此，可以利用超强超短激光脉冲与等离子体波相互作用来建造新一代紧凑、造价相对低廉的小型化电子加速器，并已在实验中实现了能量可达几个GeV的高质量电子束。此类电子束的重要应用之一是通过同步辐射产生X光源。

除加速器外，产生X光还需要波荡器或扭摆器，在垂直电子束原来传播方向使电子有横向振荡。传统磁波荡器在体积和重量上都很大，与小型化不符；在激光尾波场加速中产生的空泡可以同时作为电子振荡的等离子体扭摆器使用，但电子振幅一般较小，且振荡周期随着电子能量的增大或等离子体密度的降低显著增长，难以用于更高能电子束，且辐射光子数效率较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种激光等离子体共振X光源。该发明应具有结构简单、原理清晰、操作方便和X光辐射效率高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光等离子体共振X光源，包括支架、加速器毛细管、扭摆器毛细管、气体、高压放电系统、激光器和种子电子束，加速器毛细管和扭摆器毛细管设置在支架内，加速器毛细管和扭摆器毛细管的圆柱状通孔的中心轴相互平行但不重合，支架内沿横向设置的1号充气孔道和2号充气孔道分别与加速器毛细管和扭摆器毛细管内的充气孔连通，支架的两端分别设置有负电极和正电极。高压放电系统由高压电源、放电电阻、限流电阻、电容、接地装置和电感组成，加速器毛细管和扭摆器毛细管内分别通过1号充气孔道和2号充气孔道充有气体，高压放电系统通过负电极和正电极加载在加速器毛细管和扭摆器毛细管的两端，通过放电电离气体产生等离子体通道，激光器输出的激光脉冲相继在加速器毛细管和扭摆器毛细管内的等离子体通道中受到导引并产生空泡，跟随激光脉冲的种子电子束进入到空泡内在加速器毛细管2段被加速后，在扭摆器毛细管3段共振振荡产生X光。

为实现本发明进一步优化，进一步的措施是：所述的加速器毛细管和扭摆器毛细管由陶瓷或红宝石或聚乙烯材料制成，加速器毛细管和扭摆器毛细管的形状为圆柱体或长方体，所述加速器毛细管和扭摆器毛细管的孔径大小相同，孔径尺寸为50μm-500μm，加速器毛细管和扭摆器毛细管的通孔中心轴之间的间距为0.1-1倍激光脉冲的束宽；所述的支架由亚克力玻璃制成，支架的形状为空心圆柱型；所述的高压放电系统的输出电压为0.3kV-5kV；所述的激光器为CPA激光系统，输出的激光脉冲的脉宽为10fs-200fs，相应束宽为10μm-100μm，归一化矢势振幅大小为1-10；所述加速器毛细管和扭摆器毛细管内的气体为氢气或氦气；所述的种子电子束的电量为0.1pC-1000pC，能量为1MeV-100MeV。

本发明的原理如下：

超短超强激光脉冲在等离子体中可以排开电子留下仅有背景离子的结构，即空泡。空泡跟随激光脉冲向前运动，空泡内由于电荷分离形成的静电场从四周指向空泡中心，空泡内沿激光传播方向（纵向）的静电场力可以使电子得到加速，即激光尾波场加速。当激光受到等离子体通道有效导引，将以束宽不变传播远大于真空衍射发散的距离。但如果初始时光束中心轴与通道中心轴不重合，光束中心将不再是沿通道中心轴直线向前运动，而是相对于通道中心轴横向振荡向前变化；相应地，所形成的空泡也将是相对于通道中心轴有横向振荡向前运动。由于横向静电场力的作用，电子也可以在空泡内有类似于弹簧振子的横向振荡运动，若电子被加速到接近光速（相对论电子），由于该横向振荡电子将产生电磁辐射，如X光，即空泡也可以作为同步辐射的扭摆器。但此时，表征扭摆器特性的强度系数与电子横向振幅成正比，但一般地，空泡内电子的横向振荡振幅小，辐射效率低。如果空泡中心有横向周期性振荡变化，而空泡中心的横向断振荡周期由等离子体通道参数决定，可以通过气体密度和放电电压进行调控；相对地，电子横向振荡的周期与等离子体密度和电子速度有关。因此，可以选择合适参数，使得电子的横向振荡周期与空泡中心的横向断振荡周期相同，将类似于共振弹簧振子，电子横向振荡出现共振，显著增大其振幅；相应地，增大扭摆器强度系数，辐射的光子能量以及每个电子在每个振荡周期辐射的光子数将显著增加，可以高效率产生X光。

本发明的优点：