РАЗРАБОТКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИСТОЧНИКА ВЫСОКОЙ ЯРКОСТИ

DEVELOPMENT OF AN X-RAY SOURCE HIGH BRIGHTNESS

Georgy Dubrovin

master's student, Department of Industrial Electronics, Ryazan State Radio Engineering University named after V.F. Utkin,

Russia, Ryazan

Andrey Trubitsyn

Scientific supervisor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Ryazan State Radio Engineering University named after V.F. Utkin,

Russia, Ryazan

АННОТАЦИЯ

Настоящая статья посвящена разработке высокоэффективного рентгеновского источника повышенной интенсивности излучения. Рассматриваются современные подходы к проектированию источников рентгеновского излучения с акцентом на повышение пространственной когерентности и временной устойчивости луча. Анализируются преимущества синхротронных установок четвертого поколения и свободно излучающих лазеров нового типа, демонстрирующих значительные улучшения характеристик излучения по сравнению с традиционными источниками.

ABSTRACT

The present article is devoted to the development of a highly efficient X-ray source of increased radiation intensity. Co-modern approaches to the design of X-ray sources with emphasis on increasing the spatial coherence and temporal stability of the beam are considered. The advantages of fourth-generation synchrotron facilities and new-type free-radiating lasers, which demonstrate significant improvements in radiation characteristics compared to traditional sources, are analyzed.

Ключевые слова: рентгеновский источник; высокая интенсивность излучения; пространственная когерентность; временная устойчивость; синхротрон четвертого поколения; свободно излучающий лазер; моноэнергетический рентген; временное разрешение; ультракороткий импульс; эмиттанс электронного пучка; магнетроны; качество вакуумной среды; оптическая схема вывода; производство рентгеновских лучей; экспериментальные возможности.

Keywords: X-ray source; high radiation intensity; spatial coherence; temporal stability; fourth-generation synchrotron; free-emitting laser; monoenergetic X-ray; temporal resolution; ultrashort pulse; electron beam emittance; magnetrons; vacuum medium quality; optical output scheme; X-ray production; experimental capabilities.

Введение

Рентгеновские лучи являются важным инструментом исследований в различных областях науки и техники благодаря своим уникальным свойствам проникновения сквозь вещества и способности создавать высококачественные изображения внутренней структуры материалов. Современные исследования требуют значительного повышения качества рентгеновского излучения - увеличения спектральной плотности мощности, уменьшения расходимости пучка и повышения временного разрешения. Для достижения указанных целей разрабатываются новые технологии производства интенсивных рентгеновских лучей, такие как синхротроны следующего поколения и лазерные системы, способные обеспечить принципиально новый уровень экспериментальных возможностей.

Современные методы формирования рентгеновского излучения

Синхротронные установки

Синхротроны третьего поколения характеризуются улучшенными параметрами пучков электронов и использованием вставных устройств, таких как магнитные волноводы и гетеродинные источники. Однако достигнутые характеристики ограничены временным разрешением и уровнем когерентности, что существенно снижает возможности проведения ряда экспериментов. Синхротроны четвертого поколения способны значительно повысить интенсивность потока фотонов путем радикального снижения эмиттанса электронного пучка, обеспечивая таким образом получение рентгеновских импульсов с пиковым потоком порядка

10¹⁸- 10²⁰ фотон/с/мм²/мрад²/0,1% BW,                                                                   (1)

где 10¹⁸- 10²⁰ – диапазон значений числа фотонов;

фотон/с – количество фотонов в секунду;

1/мм² – плотность потока фотонов на единицу площади;

1/мрад² – распределение плотности фотонов по телесному углу;

1/0,1% BW – ширина полосы частот (BW (Bandwith) – пропускная способность), выраженная в процентах от центральной частоты излучения.

Свободно излучающие лазеры

Свободно излучающий лазер представляет собой устройство, способное производить ультракороткие импульсные потоки моноэнергетического рентгеновского излучения. Данный метод основан на принципе усиления спонтанного излучения и позволяет получать чрезвычайно яркие импульсы длительностью менее фемтосекунды, что открывает перспективы для изучения динамики быстрых процессов в материалах на атомном уровне. Применение таких систем также способствует развитию методов нелинейной оптики и исследований на субатомном масштабе.

Методы повышения яркости рентгеновского излучения

Для разработки эффективного рентгеновского источника высокого уровня необходима оптимизация нескольких ключевых факторов:

­­- Эми́ттанс электронного пучка: уменьшение поперечного фазового пространства электронного пучка является ключевым фактором для повышения концентрации энергии излучения в малых объемах пространства;

- Дизайн магнитных структур: создание компактных, мощных магнетронов и гибридных волновых структур обеспечивает усиление эффекта эмиссии рентгеновских квантов и увеличение длины волны диапазона излучения;

- Управление качеством вакуумной среды: минимизация потерь электронов на стенки камеры и улучшение условий прохождения частиц повышает стабильность излучения и увеличивает продолжительность эксплуатации устройства;

- Оптимизация оптической схемы вывода излучения: применение современных зеркал с высокими коэффициентами отражения и адаптивных оптических элементов помогает направлять световой поток в требуемое направление с минимальной потерей энергии.

Заключение

Современная наука требует новых подходов к созданию рентгеновских источников высокой яркости, обеспечивающих возможность реализации инновационных исследовательских проектов. Использование технологий свободных электронных лазеров и усовершенствованных синхротронов позволяет достичь качественно новых уровней интенсивности рентгеновского излучения, открывая пути для фундаментальных открытий в физике конденсированных сред, биологии, химии и материаловедении. Дальнейшие исследования направлены на разработку масштабируемых решений, совместимых с промышленными требованиями, и развитие способов контроля над основными характеристиками источников рентгеновского излучения.

Список литературы:

1. Hara T., Yabashi M., Ishikawa T. XFEL Development at Spring-8: Challenges in High Brilliance X-ray Sources // Journal of Synchrotron Radiation. 2017. Vol. 24. Pp. 1151–1163.
2. Emma P., Akre R., Arthur J. et al. First Lasing and Operation of an Angstrom-Wavelength Free-Electron Laser // Nature Photonics. 2010. Vol. 4. No. 9. Pp. 641–647.