清华⼤学加速器辐射源研究：传统仪器的新⽤武之地

前沿扫描

原创

李任恺

科学⼤院

2023-11-15 07:07:58

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本⽂根据中国科学院学部开展的“科学与技术前沿论坛”第136次会议内容编辑

报告⼈：李任恺，清华⼤学⼯程物理系⻓聘教授。

原标题：清华⼤学加速器辐射源研究进展

⽇期：2023年4⽉7⽇-8⽇

专家介绍

李任恺，清华⼤学⼯程物理系⻓聘教授，系主任助理。研究专⻓为⾼亮度电⼦源和⾼品质电⼦束相关的核⼼物理、关键技术及前沿应⽤。

⼤家好，我今天报告的内容是传统加速器的辐射源服务于⾼能量密度物理前沿研究的⼀些进展。

传统加速器提供新的辐射源最近，许多⼤型装置在诊断⼿段⽅⾯取得了⽐较⼤的进展，能够提供全⾯详细的信息，对⾼能量密度物理的研究有⾮常重要的作⽤。

除此之外，在加速器中也开展了⼀系列不同层⾯的⾼能量密度物理研究，例如⾼压状态材料的物性、温稠密物质、⾼温等离⼦体等。我国的SHINE（硬x射线⾃由电⼦激光装置）、欧洲的EuXFEL、⽇本的SACLA、美国的LCLS-II等⼤型科学装置都有类似的x射线⾃由电⼦激光和超强激光配合，开展⾼能量密度物理前沿的研究。

加速器能够提供的辐射源种类很多：普通的⾃由电⼦激光，能量范围可以覆盖太赫兹级直⾄硬X射线级，如果需要更⾼能量的光⼦，可以采⽤逆康普顿散射的⽅式来产⽣。另外，加速器还可以提供⾼能电⼦，电⼦本身可以直接⽤来研究材料的特性，例如电⼦衍射或者电⼦成像等。上述这些基于加速器的辐射源的稳定性和重复性⾮常好，是⾮常可靠的辐射源。

虽然⽬前包括ICF等⼤科学装置上，还没有采⽤基于加速器的辐射源，但这项技术本身已经有很多优秀的特性，尤其可以把加速器做得⾮常⼩型化、模块化并且可集成。因此，我想与⼤家探讨的问题是，传统的加速器的辐射源，有没有可能⽤于⾼能量密度物理的研究。

加速器关键技术：电⼦枪⾸先，我向⼤家介绍⼀下加速器的关键技术。在电⼦加速器中，电⼦枪是最重要的部分，因为电⼦的品质是由电⼦枪决定的。

电⼦枪的核⼼原理是：光打在阴极上，产⽣光电⼦，电⼦发射出来的时候有⼀个初始的散⻆，这⼀散⻆决定了电⼦横向⽆规则的动能。另外，电⼦的加速梯度也是⼀个重要参数，越⾼的加速梯度，能够以更⼩的束斑激发出⾼电荷密度的束流。因此，优化电⼦束的亮度有两个⽅⾯的⼯作，⾸先是制造更好的阴极，其次就是提⾼加速梯度。虽然这⼀物理理论已经很清楚，但技术上实现起来很难。我在读研究⽣期间也参与了许多⼯艺上的优化和摸索。

截⽌⽬前，这⼀领域所涉及的的多项技术已经⾮常稳定，做出的电⼦枪也有很多，⽀撑了我国许多科学⼤装置的建设。⽬前在国际上虽然有很多品质⾮常好、量⼦效率很⾼、散⻆特别低的电⼦枪，但是它们的真空度不够，出⽓⾮常严重，因此⽆法应⽤到⾼梯度的加速结构中。因此，我们实验室⽬前正在研究的⼀种新的电⼦枪，初衷就是把真空度做到极致，⽐⽬前国际上的电⼦枪真空度⾼⼀个量级，这样就可以应⽤到⾼加速梯度的系统中去。

如此⼀来，量⼦效率提⾼之后，就可以增加电荷量，制造这种⽪秒到纳秒级别的脉冲串。我们也正在开发先进阴极的制备系统。前⾯我们提到的⼏种电⼦枪，它们的发射频率在⼗赫兹⼀百赫兹左右。我们实验室还在研制另外⼀种⼯艺更难的电⼦枪，它是为频率达到兆赫级的加速器服务的。我们实验室的杜应超和郑连敏⼏位⽼师在牵头在做这项⾮常不易的⼯作，在2023年4⽉5⽇，这⼀项⽬完成测试，并运往上海，与低温模组进⾏进⼀步连接测试。

在这⼀电⼦枪的研制过程中，也有⾮常多的⼯程技术问题需要解决，例如材料选择、表⾯加⼯、焊接等⽅⾯，都是制造这类器件的关键。

逆康普顿散射辐射源基于上述电⼦枪技术，我们可以获得不同的辐射源。第⼀种是基于逆康普顿散射的辐射源。逆康普顿散射是利⽤近红外光和⾼能电⼦束发⽣对撞，从⽽产⽣的X射线或者γ射线。这⼀⽅法产⽣的辐射具有很好的⽅向性，焦斑尺⼨可达10微⽶。

这种辐射源相⽐于⾃由电⼦激光和同步辐射来说，在⾼能区的优势更加明显：⾃由电⼦激光的光⼦能量⼤约在30keV（keV：能量单位，1keV=1.6x10-16焦⽿—编者注），⼤型同步辐射光源的光⼦能量可以达到数百keV，但逆康普顿散射产⽣的光⼦能量最⾼可以达到MeV（1MeV=1000keV）的级别。另外，这⼀技术还有很多优势，例如装置体积⾮常⼩，尺⼨可以做到⼏⽶⼤⼩。

我们实验室在20多年间⼀直在进⾏这⼀⽅向的研究。为了做出更有实⽤价值的逆康普顿散射辐射源，我们掌握了⼀系列关键技术，包括电⼦枪，激光和微波精确同步，束流测控优化等⽅⾯，已经形成了规范、稳定、成熟的技术。⽬前正在开展的“紧凑型准单能伽⻢源”装置建设，获国家⾃然科学基⾦重⼤科研仪器⽀持。

该装置的⽬的是提供能量达到5MeV的伽⻢射线源，最⼤特点是整个装置⾮常紧凑，设计尺⼨为12⽶，是⼀个集装箱⻋的⻓度，我们希望这种射线源以及其配套的激光器、功率源等装备，可以⽤⼏个集装箱的形式，运输到实验现场来使⽤。

这⼀装置之所以能做到如此紧凑，原因是我们实验室正在研制的⾼梯度加速结构，在其前段只需⼀个两三⽶⻓的紧凑板状结构上，就可以产⽣100MeV能量的电⼦，⽤来提供0-200keV连续可调的逆康普顿散射辐射。这其中的加速梯度可达100MV/m。⽬前，这些部件的技术都已相当成熟。利⽤这⼀装置产⽣的辐射，可以开展单能X射线甚⾄γ射线成像或者衍射等实验。

⾼能电⼦成像技术：动态研究

除了上述的逆康普顿散射辐射源之外，加速器还可以提供⾼能电⼦源，⽤于电⼦成像实验。直接⽤加速器可以产⽣携带数⼗MeV能量的电⼦，可以⽤来做靶密度和电磁场分辨成像。我们实验室与其他研究团队进⾏了合作，开展了⼀系列的电⼦成像动⼒学研究。通过成熟的四级透镜组束线布局进⾏放⼤成像，静态分辨率达到微⽶级。

另外，由于电⼦脉冲的持续时间⾮常短，仅为⽪秒级（1⽪秒=10-12秒），因此可以⽤来研究激光打固体靶时产⽣的等离⼦体的演化。这其中会⽤到⼀个⾮常紧凑且不需要电源的永磁四级透镜组，尺⼨在30厘⽶左右，这么⼩的模块可以容易地放在任何实验装置中，甚⾄可以让来⾃同⼀个辐射源的光以不同⻆度照射观察我们所关⼼的靶区。

超快电⼦衍射：装置与应⽤

我要介绍的另外⼀种技术叫做超快电⼦衍射实验。过去⼗⼏年⾥，在装置建设以及科学应⽤上，这⼀技术取得了较⼤的发展。它的主要原理是，在⾮平衡态材料在极端状态下，检测不同耦合度关联。所使⽤的⼯具是X射线和超快电⼦，通过改变激励⽅式，改变泵浦和探测之间的时间间隔，来研究整个材料结构变化的过程。

我们实验室拥有超快电⼦衍射的实验装置平台，运⾏⾮常稳定。例如，近期我们与清华⼤学化学系的研究团队合作开展的⼀项研究，研究对象是⼀种液膜，⽽且前后没有衬底，可以⾃由流动。我们关注的是液膜中的溶解动⼒学和化学动⼒学等，可以测到⽔膜的流动动态过程，虽然简单，但能提供很多有⽤的信息。⽽且电⼦衍射所提供的信息与X射线衍射不同，X射线只对核外电⼦敏感，⽽超快电⼦衍射可以探测整个本场，所以是和X射线互补的技术。

超快电⼦衍射技术在⾼能量密度物理的研究中也已经发挥出了⼀些作⽤。我个⼈曾经与合作者⼀起研究固体的融化的过程，⽤强激光去激发单晶⾦，把单晶⾦样品局部打到融化，然后⽤电⼦衍射观测这个过程中样板上的衍射图像变化，从⽽研究固体材料融化的过程。另外还可以在不同的能量密度的激励条件下，考察不同的实验结果，为⾮平衡态理论以及计算程序提供有⽤的参考点。

在另⼀项研究中，⽤⼏⼗⽪秒的激光脉冲做样品加载，测量单晶铝材料中的应⼒变化，重点关注原⼦间距结构在时间和空间上的变化。

我们的实验室正在建设⼀套新的超快电⼦衍射装置，⽬前部件已经配备⻬全，正在进⾏束线组装。整个装置⻓度约为四五⽶，取决于相机的⻓度不同。本装置最⼤的特⾊是样品室。其他的商⽤电⼦表征装置，例如电⼦显微镜等，样品空间⼤⼩与⼿指差不多⼤，但我们的装置配备的样品室⼤⼩可达500毫⽶，这么⼤的样品室可以更⽅便引⼊各种激励条件，包括粒⼦、压⼒、应⼒、热、光等激发条件。

总的来说，我们的实验室⼀直都在从事加速器物理⽅⾯的研究，关注⼯艺⾰新以及应⽤需求，研发各种新型装置。⽬前我们已经掌握全套的关键技术和整套装置，包括逆康普顿散射辐射源以及电⼦衍射成像技术。在将来，实验室希望能够进⼀步提升这些成像技术在时间、空间、能量、等⽅⾯的分辨率，改进辐射源，更好地服务于⾼能量密度物理的研究。

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