超短脉冲X射线源及其应用研究

作     者：张雪晗 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：盛立志

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：X射线源 超短脉冲X射线 闪烁体荧光衰减 时间性能 

摘      要：1895年11月,德国物理学家伦琴宣读了关于X射线的第一篇报告《论新的射线》,自此,人们开始了对X射线的探索与开发。X射线是一种频率很高的电磁波,频率范围为3×10Hz～3×10Hz,具有方向性好、单光子能量高、穿透能力强等特点,广泛应用于医学诊断、材料分析、航空航天和高能物理等领域中。X射线源作为产生X射线的核心元器件,其性能直接影响了X射线相关行业的发展。目前,传统的热阴极X射线源仍是产生X射线的主流方式,但受限于灯丝结构及外调制方式,其调制速率低、调制脉宽大、且能量转换效率低,无法满足空天领域中对纳秒量级超短脉冲、高亮度辐射调制源的需求。虽然以激光等离子体X射线源为代表的大型X射线产生装置具有优异的时间性能,但其结构复杂、成本高、体积大、应用场景严重受限。整体来看,要实现匹配当前行业发展需求的脉冲X射线源,需要在电子产生机理上进行创新,突破当前阴极材料、调制方式及电子束聚焦等瓶颈,进一步提升X射线源的脉冲性能。本文面向材料科学、空间应用和医学成像等领域所提出的调制速率更快、脉冲宽度更短、出射流量更强且结构稳定的X射线源的需求,开展光控超短脉冲X射线源关键技术及其应用研究。首先,基于电子光学理论与X射线性能特点,建立了超短脉冲X射线源的三维电磁仿真模型并进行了仿真计算,分析了聚焦电极位置及高度、管电流强度、光电阴极的尺寸及结构对超短脉冲X射线源时空性能的影响。仿真结果表明,随着阴极与聚焦电极间的距离、聚焦电极高度的减小,X射线源的空间性能降低,而系统的调制速率及时间性能显著增强,并依此确定了光电阴极半径为19mm、阴极与聚焦电极间距离为12mm,聚焦电极高度为10mm的电极参数。仿真结果表明,当阳极电压为30k V时,阳极靶材上的电子焦斑半径为2.14mm,约为电子出射面积的十分之一,说明设计的电子光学系统对光电阴极出射的电子具有良好的聚焦能力。此外,电子的渡越时间为1.5ns,渡越时间弥散约为238.35ps,有望实现脉冲宽度小于5ns,调制速率百MHz的超快X射线产生。依据设计模型,制备了超短脉冲X射线样机,其中,光电阴极的积分灵敏度约为150μA/lm,构建了脉冲X射线源性能测试系统,并对其管流强度及出射X射线脉冲性能进行了测试,实验结果表明其可实现8.8m A的管电流出射,且出射的X射线光子流量稳定性较高。最后,基于模拟仿真与实验验证,论述了超短脉冲X射线源在电磁屏蔽环境下的应用前景。