基于汤姆逊散射X射线源的理论及初步实验研究

论文摘要

基于汤姆逊散射的X射线源是在上世纪末随着加速器技术和激光技术的发展而提出的一种新型X射线源。它利用超短脉冲激光与高亮度的相对论电子束相互作用,在电子束前进方向产生方向性好、高亮度、短时间结构和能量可调的准单能X射线,在超快物理过程研究和医学物理研究中具有广泛的应用前景。清华大学加速器实验室正在积极筹建基于汤姆逊散射的X射线源实验平台,要对汤姆逊散射X射线源的理论和关键技术进行研究,并根据现有实验条件开展初步实验研究。据此,本论文的工作将围绕汤姆逊散射X射线源的理论研究和初步实验研究展开论文首先从单电子线性散射模型出发,对在任意作用角度下的X射线脉冲分布情况和脉冲光子产额与电子束参数和激光参数的关系进行了研究,并分析了非理想因素如作用点位置偏差、激光和电子束时间同步偏差等因素对X射线脉冲参数的影响。在此基础上对光源亮度与电子束和激光束参数的关系也进行了解析求解。本论文的另外一个主要内容是采用16 MeV返波行波加速器与纳秒调Q激光器进行汤姆逊散射X射线源的初步实验研究。我们根据加速器束流和激光器参数和特点,设计了177度角对撞的初步实验方案。根据实验要求,对加速器和激光器进行了改造,设计了实验用的束流传输系统、真空系统、束流测量系统、同步系统,并根据产生的X射线特点设计了X射线的探测方案。在实验中对电子束和激光束参数进行了测量。在采取措施解决加速器运行时的电磁干扰和部分屏蔽电子束产生的轫致辐射本底后,我们测量到了产生的散射X射线脉冲信号,在探测器上探测到的散射光子脉冲宽度约为6 ns,在探测器上探测到的脉冲光子数约为410,推算出6ns内脉冲光子总产额为1.77×10~4。高亮度电子束的产生和诊断是建设汤姆逊散射X射线源的一个重要环节,而对电子束发射度的准确测量对研究电子束在产生、加速、传输和压缩等过程中的发射度变化具有重要意义。基于CT算法的束团发射度测量方法与传统测量束团发射度的四极透镜扫描法不同,应用该方法测量束团发射度不需要预先假设电子束在相空间内的分布情况,可以真实的给出束团在相空间内的分布情况。在实验过程中我们对该方法也进行了实验研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 当前获取超快X射线脉冲的主要方法
• 1.2 基于汤姆逊散射X射线源的发展现状
• 1.3 课题工作的背景及意义
• 1.4 论文工作的主要内容及创新点
• 1.4.1 论文工作的主要内容
• 1.4.2 论文工作的创新点
• 第2章 基于汤姆逊散射X射线源的基本理论
• 2.1 康普顿散射和汤姆逊散射
• 2.2 单电子与平面波的汤姆逊散射过程
• 2.2.1 线性汤姆逊散射
• 2.2.2 非线性汤姆逊散射
• 2.3 X射线脉冲参数计算
• 2.4 小结
• 第3章 电子束和激光参数对光源参数的影响研究
• 3.1 任意角度汤姆逊散射
• 3.2 激光和电子束参数对光源谱宽度和亮度影响
• 3.2.1 汤姆逊散射光源中亮度定义
• 3.2.2 线性汤姆逊散射过程中非理想因素对光源亮度的影响
• 3.2.2.1 激光有限带宽
• 3.2.2.2 激光聚焦效应
• 3.2.2.3 电子束能散
• 3.2.2.4 电子束发射度
• 3.3 小结
• 第4章 汤姆逊散射初步实验的方案设计
• 4.1 前言
• 4.2 16MeV返波行波加速器
• 4.3 纳秒Nd:YAG激光系统
• 4.4 初步实验方案设计
• 4.4.1 束流传输系统设计
• 4.4.2 初步实验散射X射线光参数计算
• 4.4.3 X射线探测器的选择
• 4.4.3.1 探测器的比较和选择
• 4.4.3.2 MCP探测器工作原理
• 4.4.4 同步控制系统的设计
• 4.5 初步实验平台的建立及相关部件的加工和设计
• 4.6 小结
• 第5章 初步实验过程
• 5.1 前言
• 5.2 电子束和激光参数测量
• 5.2.1 束流测量系统介绍
• 5.2.2 图像处理
• 5.2.3 电子束和激光束参数实验测量结果
• 5.2.3.1 电子束参数测量
• 5.2.3.2 激光参数测量
• 5.3 基于CT算法测量束团横向相空间的研究
• 5.3.1 CT成像测量束团横向相空间原理
• 5.3.2 测量方法的模拟分析
• 5.3.3 CT方法测量横向相空间初步实验
• 5.3.4 小结
• 5.4 X射线产生、测量及结果分析
• 5.4.1 实验设备的调试
• 5.4.1.1 电子束作用尺寸的选取
• 5.4.1.2 对外界干扰的屏蔽和去除
• 5.4.1.3 电子束和激光的对中和时间同步的实现
• 5.4.2 实验结果及分析
• 5.5 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果