强、窄带、完全相干、软X射线的可调谐源制造技术

一种用于产生软X射线的设备，包括：电子源，被配置为产生包括电子微聚束的电子束；电子加速器，被配置为使来自电子源的电子微聚束加速；以及激光器，被配置为产生激光束(536)，激光束与被加速的电子微聚束(534)在反向传播方向上碰撞以通过逆康普顿散射产生软X射线。电子源具有磁光阱，配置为产生超冷原子气体；两个反向传播的激励激光束，被配置为产生驻波，用于沿射束传播方向引起超冷原子气体的周期性空间调制；以及电离激光器，被配置为引起超冷原子气体的光致电离。超冷原子气体的光致电离。超冷原子气体的光致电离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】强、窄带、完全相干、软X射线的可调谐源


[0001]本专利技术大体涉及x射线源。更具体地，涉及用于产生可调谐、强、窄带、完全相干、软X射线的设备和方法。

技术介绍

[0002]X射线方法是用于分析物质的最强大的非破坏性工具。极紫外线(EUV)或软X射线光谱范围(1
‑
100nm波长或0.01
‑
1keV光子能量)的电磁辐射在基础研究和工业应用中迅速变得重要。
[0003]但是，成功的应用关键取决于可用源的亮度。目前，高级应用所需的相干度和平均光子通量仅在大型同步设备和EUV自由电子激光器(FELS)上可获得，严重限制了应用范围。

技术实现思路

[0004]在一方面，本专利技术提供了一种紧凑、实验室大小且价格实惠的软X射线源，软X射线源产生可调谐、窄带、完全相干和强软X射线光子，软X射线光子具有以前仅由SLS和/或XFEL设施提供的亮度。
[0005]该设备将超冷电子源(UCES)与电子加速器和高功率激光器以逆康普顿散射设置组合。强激光束与从超冷电子源提取的以接近光速的速度行进的反向传播的电子束正面碰撞。由于相对论多普勒效应，从电子反射的激光光子被转换为(软)X射线光子，构成以与电子的相同方向行进的窄(软)X射线束。
[0006]通过超冷原子气体的两步式光致电离过程产生电子脉冲，这使得能够在三个维度中精确地定制初始电子密度分布。可以通过使用光的驻波激励原子来调节初始纵向密度分布。然后被激励的原子被电离以产生调制电子分布(微聚束)，调制周期由光的驻波决定。皮秒电子脉冲被RF加速到几MeV，并且同时被RF压缩两个数量级。这意味着调制周期缩小了相同的两个数量级。调制周期现在等于将产生的软x射线脉冲的波长。结果，生成的软X射线束将在时间上是完全相干的。此外，单个微聚束产生的辐射将相干相加，使得强度将提高与聚束中的电子的数量成正比的量。这将强度提高到与SLS和XFEL相当的强度。
[0007]同时，被加速到几MeV的从UCES源提取的皮秒电子脉冲具有超低电子温度，这意味着电子束发散度小于衍射受限的软X射线束的发散度；这保证了产生完全空间相干的软X射线束。
[0008]显著的是，设备可以产生完全相干且具有超辐射强度的可调谐、窄带(软)X射线束。这提供了桌面康普顿软X射线自由电子激光器的实现。这种新型的桌面软X射线源具有在亮度、强度和相干性方面极大地优于所有其他紧凑的源的性能，具有许多应用，特别是用于半导体工业中的晶片检测和2
‑
4nm水窗光谱范围内的生物样本的高对比度成像。
[0009]目前没有替代方法来实现完全相干的桌面软X射线自由电子激光器。从超快超冷电子源中提取电子的技术提供预聚束以达到纵向相干和超辐射、超低电子温度(发射)以用于横向相干。通过将光致电离过程的空间调制与射频聚束压缩技术相结合，实现了EUV波长
的微聚束，从而实现了相干放大。
[0010]该设备可用作用于逆康普顿散射(ICS)源的注射器。UCES提供的高度相干性允许在EUV波长使用新的ICS的相干区域。结果，它具有许多重要的应用：
[0011]·
完全空间相干的ICS源可以在12.5nm处产生≥10
12
光子/秒的光子通量，该波长对应于与半导体行业相关的Si
‑
L边缘。该光子通量足以在大约一秒钟内记录纳米分辨率的高质量图像。纳米结构材料的衍射成像。
[0012]·
完全空间相干ICS源在所谓的“水窗”(即，2
‑
4nm)中在O
‑
K边缘和C
‑
K边缘之间产生≥109光子/s，与生物组织的具有纳米分辨率的高对比度成像相关。
[0013]·
该源通过ICS在来自UCES的预聚束电子束上提供EUV波长的FEL操作。
[0014]·
该源通过完全相干的基于UCES的ICS源实现每个脉冲10
12
‑
10
13
个EUV光子，即每个脉冲10
‑
100μJ。这实现了具有完全相干飞秒EUV脉冲的单发照明，以前只能在一些大型X
‑
FEL设施中完成。
[0015]在一方面，本专利技术提供了一种用于产生软X射线的设备，该设备包括：电子源，被配置为产生包括电子微聚束的电子束；电子加速器，被配置为使来自电子源的电子微聚束加速；激光器，被配置为产生激光束，激光束与被加速的电子微聚束在反向传播方向上碰撞以产生软X射线；其中电子源包括：磁光阱，被配置为产生超冷原子气体；两个反向传播的激励激光束，被配置为产生驻波，用于沿射束传播方向引起超冷原子气体的周期性空间调制；电离激光器，被配置为引起超冷原子气体的光致电离。
[0016]优选地，电子加速器包括RF压缩腔和X波段加速器，以同时压缩电子微聚束和使电子微聚束加速。优选地，电子加速器包括转向线圈和聚焦磁线圈。在一些实施例中，其中电子加速器包括配置为以TM
010
模式操作的RF压缩腔。在一些实施例中，其中电子源包括DC板，DC板被配置为产生DC加速场以从电子源提取电子微聚束。
[0017]在另一方面，本专利技术提供一种产生软X射线的方法，该方法包括：由电子源产生包括电子微聚束的电子束；通过电子加速器使来自电子源的电子微聚束加速；以及将激光束与被加速的电子微聚束在反向传播方向上碰撞，以产生软X射线；其中产生包括电子微聚束的电子束包括：通过磁光阱产生超冷原子气体；产生驻光波以沿射束传播方向引起超冷原子气体的周期性空间调制；引起超冷原子气体的光致电离。
[0018]优选地，其中加速电子微聚束包括用RF压缩腔压缩电子微聚束并且同时用X波段加速器使电子微聚束加速。在一些实施例中，其中使电子微聚束加速包括用以TM
010
模式操作的RF压缩腔来压缩电子微聚束。优选地，其中产生电子束包括使用DC加速场从电子源提取电子微聚束。优选地，其中产生驻光波以引起沿射束传播方向的超冷原子气体的周期性空间调制包括引起双重调制。
附图说明
[0019]图1是根据本专利技术的说明性实施例的逆康普顿散射过程的示意图。
[0020]图2是示出根据本专利技术的实施例的可以由给定λ0和ε
n
的空间相干ICS产生的EUV波长λ
X
(灰度)的曲线图。相应的电子束能量由白色虚线表示。
[0021]图3A、图3B、图3C示出了根据本专利技术的实施例的通过电子源执行的冷却、电离和提取的步骤。
[0022]图3D是示出根据本专利技术的实施例的谐振双光子光致电离方案的能级图，其中780nm激光调谐到5P
3/2
状态。通过改变480nm激光波长，可以精确地控制电子的过量能量，并且从而可以精确地控制源的电子温度。
[0023]图4是示出根据本专利技术的实施例的用于激光冷却原子的空间调制的技术的示意图。
[0024]图5是根据本专利技术的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于产生软x射线的设备，所述设备包括：电子源，被配置为产生包括电子微聚束的电子束；电子加速器，被配置为使来自所述电子源的所述电子微聚束加速；以及激光器，被配置为产生激光束，所述激光束与被加速的电子微聚束在反向传播方向上碰撞以产生所述软X射线；其中所述电子源包括：磁光阱，配置为产生超冷原子气体；两个反向传播的激励激光束，被配置为产生驻波，用于沿射束传播方向引起所述超冷原子气体的周期性空间调制；电离激光器，被配置为引起所述超冷原子气体的光致电离。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子加速器包括RF压缩腔和X波段加速器，以同时压缩所述电子微聚束和使所述电子微聚束加速。3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子加速器包括转向线圈和聚焦磁线圈。4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子加速器包括配置为以TM
010
模式操作的RF压缩腔。5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子源包括DC板，所述DC板被配置为产生DC加速场以从所述电子源提取所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：O，
申请(专利权)人：埃因霍温科技大学，
类型：发明
国别省市：