清华大学汤姆逊散射超短脉冲X射线源研究

 介绍了清华大学加速器实验室近年来关于汤姆逊散射超短X射线源的研究工作;研究了在任意散射角度下电子束参数和激光束参数对散射光子参数的影响,给出了散射光子的参数如光子产额、脉冲长度、时间抖动等与电子束参数、激光束参数和散射角度的关系;利用实验室已有的16 MeV反波行波加速器与中国工程物理研究院激光聚变研究中心提供的ns调Q激光搭建了汤姆逊散射初步实验平台并开展了实验研究;加工了1.6-cell光阴极微波电子枪,搭建了高功率实验平台,对产生的电子束参数进行了初步测量;对汤姆逊散射超短X射线源进行了设计并开展了相关的平台建设工作,对产生的X射线脉冲参数进行了模拟。     

清华汤姆逊散射X射线源初步实验研究

汤姆逊散射X射线源利用高亮度的相对论电子束与超短TW级激光相互作用,能产生能量可调、脉冲长度短（～100飞秒量级）的准单色高能X射线,在超快物理过程研究和医学领域具有广泛的应用前景。清华大学工程物理系加速器实验室正在积极筹建基于光阴极微波电子枪和飞秒强激光的汤姆逊散射实验平台,并利用实验室现有的16MeV返波行波加速器和Nd:YAG纳秒调Q激光系统进行了初步实验研究。在解决实验中出现的电磁干扰和韧致辐射X射线本底干扰等问题后,在实验中测量到了脉宽为6纳秒、脉冲光子产额为1.7x 10^4 的散射光子信号。在本文中将对实验装置和结果进行详细介绍。     

激光等离子体中相干Thomson散射的实验研究

在“星光 II”装置上进行了相干 Thomson散射实验。实验中以 0 .3 5μm激光为作用束 ,以 0 .53 μm激光作为探针光束 ,散射光采用反射式收光系统配光谱仪、条纹相机和CCD记录 ,得到较高时间和空间分辨散射光谱 ,分析得出时间变化的激光等离子体参数 ZTe和 ui。     

清华大学汤姆逊散射超短脉冲X射线源研究

介绍了清华大学加速器实验室近年来关于汤姆逊散射超短X射线源的研究工作;研究了在任意散射角度下电子束参数和激光束参数对散射光子参数的影响,给出了散射光子的参数如光子产额、脉冲长度、时间抖动等与电子束参数、激光束参数和散射角度的关系;利用实验室已有的16 MeV反波行波加速器与中国工程物理研究院激光聚变研究中心提供的ns调Q激光搭建了汤姆逊散射初步实验平台并开展了实验研究;加工了1.6-cell光阴极微波电子枪,搭建了高功率实验平台,对产生的电子束参数进行了初步测量;对汤姆逊散射超短X射线源进行了设计并开展了相关的平台建设工作,对产生的X射线脉冲参数进行了模拟。     

Numerical simulation for all-optical Thomson scattering X-ray source

Energy spectra, angular distributions, and temporal profiles of the photons produced by an all-optical Thomson scat- tering X-ray source are explored through numerical simulations based on the parameters of the SILEX-I laser system （800 nm, 30 fs, 300 TW） and the previous wakefield acceleration experimental results. The simulation results show that X-ray pulses with a duration of 30 fs and an emission angle of 50 mrad can be produced from such a source. Using the optimized electron parameters, X-ray pulses with better directivity and narrower energy spectra can be obtained. Besides the electron parameters, the laser parameters such as the wavelength, pulse duration, and spot size also affect the X-ray yield, the angular distribution, and the maximum photon energy, except the X-ray pulse duration which is slightly changed for the case of ultrafast laser-electron interaction.     

全光汤姆逊散射X光源数值模拟

 使用蒙特卡罗数值模拟程序研究了不同电子束和激光强度下,尾场电子束与超短脉冲激光发生汤姆逊散射获得的X光子能谱、角分布等,初步探索了180°散射下高质量X射线光源所需要的电子束与激光强度。数值模拟结果显示,为了尽量提高光子产额并抑制非线性效应,激光归一化强度应为1的量级。为了获得方向性和单色性好、亮度高的X射线脉冲,需要较高的电子能量和较小的电子能散,电子束脉冲尽量短,且发散角尽量小。     

全光汤姆孙散射

随着激光和加速器技术的发展,激光场强度和粒子能量也有所提升,在高场强和高电子能量的条件下,电子与光子的汤姆孙散射过程将达到高度非线性状态,在这种状态下会发生多光子效应,即单个电子同时与多个光子相互作用并辐射一个高能光子,此过程通常称为多光子汤姆孙散射.当场强和粒子能量变得更高时,需要引入量子电动力学理论来解决极端光场物理中的动理学过程.近期,全球多台数拍瓦激光装置逐渐投入使用,激光等离子体相互作用中的此类效应会变得极其显著.而全光汤姆孙散射成为目前研究极端光场物理最佳的实验方案,因此,系统地研究全光多光子汤姆孙散射是本领域未来十年极其重要的方向.本文对近年来全光汤姆孙散射实验从单光子、低阶多光子到高阶多光子的研究进展进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望.另外,伴随着散射过程产生的准直高亮X/伽马射线,有望发展成为具有重要应用价值的紧凑型超亮高能光源.     

A simulation study of Tsinghua Thomson scattering X-ray source

Thomson scattering X-ray sources are compact and a?ordable facilities that produce short duration, high brightness X-ray pulses enabling new experimental capacities in ultra-fast science studies, and also medical and industrial applications. Such a facility has been built at the Accelerator Laboratory of Tsinghua University, and upgrade is in progress. In this paper, we present a proposed layout of the upgrade with design parameters by simulation, aiming at high X-ray pulses flux and brightness, and also enabling advanced dynamics studies and applications of the electron beam. Design and construction status of main subsystems are also presented.     

Preliminary experiment of the Thomson scattering X-ray source at Tsinghua University

The X-ray source based on Thomson scattering of ultrashort laser pulse with a relativistic electron beam is a means of generating a tunable, narrow bandwidth and ultrashort pulse of hard X-rays. Such a sub-picosecond hard X-ray source is proposed at Tsinghua University, and a preliminary experiment with a 16 MeV Backward Traveling electron linac and a 1.5 J, 6 ns Q-switched Nd:YAG laser is carried out first. A 6 ns pulse X-ray with a peak energy of 4.6 keV and an intensity of 1.7×104 per pulse is generated successfully in the experiment. The experimental setup, result and discussion are reported in this paper.     

A simulation study of Tsinghua Thomson scattering X-ray source

Thomson scattering X-ray sources are compact and affordable facilities that produce short duration, high brightness X-ray pulses enabling new experimental capacities in ultra-fast science studies, and also medical and industrial applications. Such a facility has been built at the Accelerator Laboratory of Tsinghua University, and upgrade is in progress. In this paper, we present a proposed layout of the upgrade with design parameters by simulation, aiming at high X-ray pulses flux and brightness, and also enabling advanced dynamics studies and applications of the electron beam. Design and construction status of main subsystems are also presented.     

全光汤姆逊散射X光源数值模拟

使用蒙特卡罗数值模拟程序研究了不同电子束和激光强度下,尾场电子束与超短脉冲激光发生汤姆逊散射获得的X光子能谱、角分布等,初步探索了180°散射下高质量X射线光源所需要的电子束与激光强度。数值模拟结果显示,为了尽量提高光子产额并抑制非线性效应,激光归一化强度应为1的量级。为了获得方向性和单色性好、亮度高的X射线脉冲,需要较高的电子能量和较小的电子能散,电子束脉冲尽量短,且发散角尽量小。     

X射线汤姆孙散射在温稠密物质研究中的应用

温稠密物质(warm dense matter,WDM)是近年来兴起的一个前沿研究领域,它处于传统的凝聚态与等离子体状态之间的过渡状态.此状态下的物质广泛存在于宇宙和实验室中,如巨行星的内核、惯性约束聚变的内爆燃料等.然而人们对温稠密物质又是陌生的,因为传统的凝聚态和等离子体物理的理论和实验方法难以用于研究这样的物质状态.近几年,随着高功率激光装置以及诊断技术的发展,人们发展出X射线汤姆孙散射方法,对温稠密态物质开展了深入的研究,获得了重要的实验结果.     

X射线汤姆孙散射在温稠密物质研究中的应用

温稠密物质(warm dense matter,WDM)是近年来兴起的一个前沿研究领域,它处于传统的凝聚态与等离子体状态之间的过渡状态.此状态下的物质广泛存在于宇宙和实验室中,如巨行星的内核、惯性约束聚变的内爆燃料等.然而人们对温稠密物质又是陌生的,因为传统的凝聚态和等离子体物理的理论和实验方法难以用于研究这样的物质状态.近几年,随着高功率激光装置以及诊断技术的发展,人们发展出X射线汤姆孙散射方法,对温稠密态物质开展了深入的研究,获得了重要的实验结果.     

软X射线激光汤姆逊散射实验尝试

汤姆逊散射是诊断高温稠密等离子体状态参数的重要方法之一, 受到广泛的关注. 但是目前用于进行汤姆逊散射的探针光波长多局限于可见光或紫外光, 能够诊断的区域电子密度远低于驱动激光的临界密度. 相比较而言, 以软X射线激光作为探针, 有希望诊断更高密度区域的等离子体. 利用“神光Ⅱ”高功率激光装置产生的类氖锗软X射线激光作为探针, 开展了软X射线激光汤姆逊散射实验的尝试. 根据散射的条件, 分别进行了非相干散射和相干散射的实验, 但均未能获得明显的散射谱. 理论分析表明, 主要原因可能是实验中作为探针的类氖锗软 X射线激光的聚焦功率密度不够, 通过优化实验条件, 有希望在今后的研究中获得相干汤姆逊散射的结果. 关键词： 等离子体诊断 软X 射线激光 汤姆逊散射     

TW Laser system for Thomson scattering X-ray light source at Tsinghua University

A TW (Tera Watt) laser system based on Ti:sapphire mainly for the Tsinghua Thomson scattering X-ray light source (TTX) is being built. Both UV (ultraviolet) laser pulse for driving the photocathode radiofrequency (RF) gun and the IR (infrared) laser pulse as the electron-beam-scattered-light are provided by the system. Efforts have also been made in laser pulse shaping and laser beam transport to optimize the high-brightness electron beam production by the photocathode RF gun.     

激光汤姆逊散射技术诊断辐射加热Fe/Al等离子体状态

在神光Ⅱ激光装置上,利用激光加热金腔产生的X射线辐射场加热Fe/Al样品,随后用激光探针光入射Fe/Al等离子体并在90散射方向采集散射光谱,同时也记录下了样品的自发辐射光谱。实验观察到了清晰的散射光谱以及Fe等离子体自发辐射光谱,诊断结果表明,Fe/Al等离子体的平均电子温度为360 eV,Fe的平均电离度为18.8。     

数字全息形貌测量的基本特性分析

在对数字全息技术进行严格理论分析的基础上，本文指出随单个CCD像元的尺寸的减小可能被记录物体的横向尺寸将变大，所允许的纵向尺寸却变小；另一方面其系统误差和被测量值本身的大小成正比，和横向分辨率成反比。     

TW Laser system for Thomson scattering X-ray light source at Tsinghua University

A TW (Tera Watt) laser system based on Ti:sapphire mainly for the Tsinghua Thomson scattering X-ray light source (TTX) is being built. Both UV (ultraviolet) laser pulse for driving the photocathode radio-frequency (RF) gun and the IR (infrared) laser pulse as the electron-beam-scattered-light are provided by the system. Efforts have also been made in laser pulse shaping and laser beam transport to optimize the high-brightness electron beam production by the photocathode RF gun.     

基于激光尾场加速的自反射式全光汤姆孙散射的参数优化

基于激光尾场加速的全光汤姆孙散射能够提供高质量X射线束并大大减小装置的尺寸.与分光式相比,自反射式的构架可以降低实验的时空同步难度,但是由于激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程耦合, X射线优化难度大,目前缺乏参数优化的相关报道.本文用数值模拟修正解析理论的方法,定量分析了激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程中激光和电子束的焦斑、脉宽、能量等参数变化情况,并给出了激光在等离子体镜上的反射率,从而实现了用解析公式计算而非数值模拟跟踪参数变化,在保证精度的同时节约了计算时间.另外,利用修正后的公式优化了给定激光条件下的自反射式全光汤姆孙散射X射线,通过改变等离子体密度和等离子体镜位置这两个参数给出了最优X射线亮度和光子产额,该方法为将来结合人工智能优化控制全光汤姆孙散射光源提供了理论基础.     

X射线自由电子激光试验装置

X射线自由电子激光试验装置(以下简称"SXFEL试验装置")是中国第一台X射线相干光源,其输出波长小于9 nm.这台基于0.84 GeV直线加速器、以掌握装置相关技术和实验演示种子型自由电子激光(FEL)级联与短波长回声型FEL为主要目标的自由电子激光装置,于2020年11月通过国家验收.本文将介绍SXFEL试验装置的...