基于电子直线加速的伽马射线源装置
阅读说明：本技术 基于电子直线加速的伽马射线源装置 (Gamma ray source device based on electron linear acceleration ) 是由 唐传祥 杜应超 黄文会 李任恺 颜立新 陈怀璧 施嘉儒 查皓 张鸿泽 陈寒 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于电子直线加速的伽马射线源装置,包括沿电子束直线运动方向顺次布置的：S或C波段光阴极电子枪,用于产生并发射电子束；S或C波段聚束腔,用于压缩所经过的电子束的束长；S或C波段加速管,用于冻结所经过的电子束的束长和发射度；X波段加速管组,用于加速所经过的电子束；四极透镜组,用于聚焦所经过的电子束；作用室,用于将进入其中的散射激光和电子束进行逆康普顿散射以产生伽马射线。本发明的基于电子直线加速的伽马射线源装置,实现了伽马射线源的小型化,缩减了空间占用,并且所产生的伽马射线具有大范围、准单能的特点,从而满足了多种场景中的灵活应用,可满足乏燃料的检测和物品安检等方面的需求。(The invention discloses a gamma ray source device based on electron linear acceleration, which comprises the following components in sequence along the linear motion direction of an electron beam: the S or C wave band photocathode electron gun is used for generating and emitting electron beams; the S or C wave band beam focusing cavity is used for compressing the beam length of the passing electron beam; the S or C wave band accelerating tube is used for freezing the beam length and the emittance of the passing electron beam; an X-band accelerating tube group for accelerating the passing electron beam; a quadrupole lens group for focusing the passing electron beam; and the action chamber is used for carrying out inverse Compton scattering on the scattered laser and the electron beam entering the action chamber so as to generate gamma rays. The gamma ray source device based on the electronic linear acceleration realizes the miniaturization of the gamma ray source, reduces the space occupation, and the generated gamma rays have the characteristics of large range and quasi-unienergy, thereby meeting the flexible application in various scenes and meeting the requirements of the detection of spent fuel, the safety inspection of articles and the like.)
技术领域
本发明涉及一种伽马射线源，特别涉及一种基于电子直线加速的伽马射线源装置。
背景技术
伽马射线是频率最高的一种电磁波，其光子能量高，穿透能力极强。天然的伽马源主要来自宇宙的射线粒子与大气相互作用的次级辐射，以及自然界中放射性同位素的伽马衰变。人工伽马射线主要基于原子核裂变、轫致辐射、同步辐射以及逆康普顿散射等产生。相比常见的基于轫致辐射的射线管和基于同步辐射加速器的伽马射线源来说，基于逆康普顿散射的伽马射线源具有方向性好、亮度高、时间结构短、能量高且可调等诸多优点，在辐射成像、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。
然而，现有的基于储存环和高能加速器的逆康普顿散射伽马射线装置由于加速器原理不同或者加速技术的限制，其装置长度通常在百米量级，很难实现装置的紧凑，无法实现装置的灵活移动，进而现有的伽马射线源不足以支撑例如核废料诊断等特殊场景的伽马射线成像和核共振荧光的研究。
因此，如何实现伽马射线源的小型化，以实现小空间占用，并可灵活应用于多种场景，便成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于电子直线加速的伽马射线源装置，以实现伽马射线源的小型化，缩减空间占用，以实现在多种场景中的灵活应用。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于电子直线加速的伽马射线源装置，包括沿电子束直线运动方向顺次布置的：
S或C波段光阴极电子枪，所述S或C波段光阴极电子枪用于产生并发射所述电子束；
S或C波段聚束腔，所述S或C波段聚束腔用于压缩所经过的所述电子束的束长；
S或C波段加速管，所述S或C波段加速管用于冻结所经过的所述电子束的束长和发射度；
X波段加速管组，所述X波段加速管组用于对所经过的所述电子束进行加速或减速；
四极透镜组，所述四极透镜组用于聚焦所经过的所述电子束；
作用室，所述作用室用于将进入其中的散射激光和所述电子束进行逆康普顿散射以产生伽马射线。
进一步，所述基于电子直线加速的伽马射线源装置还包括：
电子枪螺线管，所述电子枪螺线管安装于所述S或C波段光阴极电子枪的电子束出口，以调整所经过的电子束团的束斑包络和发射度。
进一步，所述基于电子直线加速的伽马射线源装置还包括：
加速管螺线管，所述加速管螺线管缠绕于所述S或C波段加速管，以对所述S或C波段加速管中的电子束的束斑包络和发射度进行调整。
进一步，所述S或C波段加速管的长度为0.8米至2.5米。
进一步，所述X波段加速管组包括沿所述电子束直线运动方向顺次布置的至少一个X波段加速管。
进一步，每个所述X波段加速管的长度为0.4米至1.5米。
进一步，所述X波段加速管对所述电子束的平均加速梯度不小于60MV/m。
进一步，所述四极透镜组为至少一个，当所述四极透镜组为至少两个时，至少两个所述四极透镜组沿所述电子束直线运动方向顺次布置。
进一步，所述基于电子直线加速的伽马射线源装置还包括：
散射激光系统，所述散射激光系统用于产生所述散射激光；以及，
激光导入系统，所述激光导入系统用于将所述散射激光系统所产生散射激光导入至所述作用室中。
从上述方案可以看出，采用本发明的基于电子直线加速的伽马射线源装置，可在控制其总长度方向占用空间的同时实现伽马射线光子能量的大范围覆盖，并能够得到准单能的伽马射线，实现了伽马射线源的小型化，缩减了空间占用，并且所产生的伽马射线具有大范围、准单能的特点，从而满足了多种场景中的灵活应用，可满足乏燃料的检测和物品安检等方面的需求。
附图说明
图1为本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件名称如下：
1、S或C波段光阴极电子枪
11、电子枪螺线管
2、S或C波段聚束腔
3、S或C波段加速管
31、加速管螺线管
4、X波段加速管组
41、X波段加速管
5、四极透镜组
6、作用室
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置，主要包括沿电子束直线运动方向顺次布置的S或C波段光阴极电子枪1、S或C波段聚束腔2、S或C波段加速管3、X波段加速管组4、四极透镜组5和作用室6。其中，S或C波段光阴极电子枪1用于产生并发射电子束。S或C波段聚束腔2用于压缩所经过的电子束的束长。S或C波段加速管3用于冻结所经过的电子束的束长和发射度，使得电子束的束长和发射度不再变化。X波段加速管组4用于加速所经过的电子束。四极透镜组5用于聚焦所经过的电子束。作用室6用于将进入其中的散射激光和电子束进行逆康普顿散射以产生伽马射线。
其中，冻结是指使电子束的束长和发射度不再变化。其中发射度是粒子加速器中带电粒子束团的特性。发射度是带电粒子(例如电子)束团在位置和动量组成的相空间中平均散布的量度，单位是长度m或者mm.mrad。其中位置和动量组成的相空间指的是系统所有可能状态的空间，带点粒子的每个可能的位置和动量状态对应于相空间中的一个唯一点。
其中，S或C波段，即S波段或C波段，S波段是指电磁波频谱中微波频段的一部分，覆盖范围是2GHz到4GHz，C波段是指电磁波频谱中微波频段的一部分，覆盖范围是4GHz到8GHz。其中，X波段是指电磁波频谱中微波频段的一部分，覆盖范围是8GHz到12GHz。
如图1所示，在可选实施例中，本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置还包括电子枪螺线管11。电子枪螺线管11安装于S或C波段光阴极电子枪1的电子束出口，以调整所经过的电子束团的束斑包络和发射度。
其中，束斑包络是描述电子束团空间横向分布的物理量，指的是电子束团横向分布的最大尺寸。
如图1所示，在可选实施例中，本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置还包括加速管螺线管31。加速管螺线管31缠绕于S或C波段加速管3，以对S或C波段加速管3中的电子束的束斑包络和发射度进行调整。
在可选实施例中，S或C波段加速管3的长度为0.8米至2.5米。在优选实施例中，S或C波段加速管3的长度为1.5米。
如图1所示，在可选实施例中，X波段加速管组4包括沿电子束直线运动方向顺次布置的至少一个X波段加速管41。
在可选实施例中，每个X波段加速管41的长度为0.4米至1.5米。优选地，每个X波段加速管41的长度为0.7米。
在可选实施例中，X波段加速管41对电子束的平均加速梯度不小于60MV/m(兆伏/米)。
在优选实施例中，X波段加速管41的数量为6个，每个X波段加速管41的长度为0.7米。在这种情况下，包括相邻X波段加速管41之间所预留的空隙在内，X波段加速管组4可控制在5.5米长的范围内，并可在每个X波段加速管41对电子束的平均加速梯度不小于80MV/m的情况下，在5米长度的X波段加速管组4内将电子束的能量提升超过300MeV(兆电子伏特)。
如图1所示，四极透镜组5的数量为至少一个，当四极透镜组5为至少两个时，至少两个四极透镜组5沿电子束直线运动方向顺次布置。在优选实施例中，四极透镜组5的数量为四个。
在可选实施例中，本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置还包括散射激光系统和激光导入系统(图中未示出)。其中，散射激光系统用于产生散射激光。激光导入系统用于将散射激光系统所产生散射激光导入至作用室6中，使得散射激光和电子束在作用室6内实现正面相撞并在逆康普顿散射效应下产生伽马射线。
本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置结构紧凑，在可选实施例中，其总长能够控制在12米左右，所产生的伽马射线光子能量范围可覆盖0.2MeV至4.8MeV，带宽小于1.5％rms(均方根)，伽马射线光子的总产额大于108个，其中，带宽小于1.5％rms，即均方根带宽小于1.5％。
为实现加速结构的高梯度，在可选实施例中，可采用脉冲压缩器对速调管(给X波段加速管提供微波功率的设备)功率进行脉冲压缩。
本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置，采用S或C波段光阴极注入器(包括S或C波段光阴极电子枪1、电子枪螺线管11、S或C波段聚束腔2、S或C波段加速管3和加速管螺线管31)与X波段加速管混合加速的方式，通过优化加速结构位置以及其他束线参数，可以在保持装置紧凑的同时，实现电子束流的极高亮度。电子束团电荷量大于200pC(皮库伦)，电子束的归一化发射度小于0.6mm mrad(毫米毫弧度)，电子束团长度小于2ps rms(皮秒均方根)，电子束团能散小于0.3％rms(即电子束团均方根长度小于2ps，电子束团均方根能散小于0.3％)。
本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置，可通过采用对800nm(纳米)散射激光倍频与不倍频两种运作模式，实现伽马射线光子能量的大范围覆盖，包括0.2MeV至4.8MeV。
本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置，通过准直孔选束方案，结合激光带宽和束流能散的优化，实现伽马射线的准单能(单能是指具有同一能量，伽马射线的准单能是指伽马射线中的所有光子几乎处于同一能量)，带宽小于1.5％rms。
采用本发明实施的基于电子直线加速的伽马射线源装置，可通过控制散射激光的偏振状态从而实现对伽马射线光子偏振状态的控制，实现从100％线偏振到圆偏振的状态的连续调整。
采用本发明实施例的基于电子直线加速的伽马射线源装置，可通过调整X波段加速管加速梯度和相位实现电子束能量的大范围调整从而实现伽马射线光子能量的大范围覆盖，并能够得到准单能的伽马射线，实现了伽马射线源的小型化，缩减了空间占用，并且所产生的伽马射线具有大范围、准单能的特点，从而满足了多种场景中的灵活应用，可满足乏燃料的检测和物品安检等方面的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。