[发明专利]强、窄带、完全相干、软X射线的可调谐源

说明书

一种用于产生软X射线的设备，包括：电子源，被配置为产生包括电子微聚束的电子束；电子加速器，被配置为使来自电子源的电子微聚束加速；以及激光器，被配置为产生激光束(536)，激光束与被加速的电子微聚束(534)在反向传播方向上碰撞以通过逆康普顿散射产生软X射线。电子源具有磁光阱，配置为产生超冷原子气体；两个反向传播的激励激光束，被配置为产生驻波，用于沿射束传播方向引起超冷原子气体的周期性空间调制；以及电离激光器，被配置为引起超冷原子气体的光致电离。

技术领域

本发明大体涉及x射线源。更具体地，涉及用于产生可调谐、强、窄带、完全相干、软X射线的设备和方法。

背景技术

X射线方法是用于分析物质的最强大的非破坏性工具。极紫外线(EUV)或软X射线光谱范围(1-100nm波长或0.01-1keV光子能量)的电磁辐射在基础研究和工业应用中迅速变得重要。

但是，成功的应用关键取决于可用源的亮度。目前，高级应用所需的相干度和平均光子通量仅在大型同步设备和EUV自由电子激光器(FELS)上可获得，严重限制了应用范围。

发明内容

在一方面，本发明提供了一种紧凑、实验室大小且价格实惠的软X射线源，软X射线源产生可调谐、窄带、完全相干和强软X射线光子，软X射线光子具有以前仅由SLS和/或XFEL设施提供的亮度。

该设备将超冷电子源(UCES)与电子加速器和高功率激光器以逆康普顿散射设置组合。强激光束与从超冷电子源提取的以接近光速的速度行进的反向传播的电子束正面碰撞。由于相对论多普勒效应，从电子反射的激光光子被转换为(软)X射线光子，构成以与电子的相同方向行进的窄(软)X射线束。

通过超冷原子气体的两步式光致电离过程产生电子脉冲，这使得能够在三个维度中精确地定制初始电子密度分布。可以通过使用光的驻波激励原子来调节初始纵向密度分布。然后被激励的原子被电离以产生调制电子分布(微聚束)，调制周期由光的驻波决定。皮秒电子脉冲被RF加速到几MeV，并且同时被RF压缩两个数量级。这意味着调制周期缩小了相同的两个数量级。调制周期现在等于将产生的软x射线脉冲的波长。结果，生成的软X射线束将在时间上是完全相干的。此外，单个微聚束产生的辐射将相干相加，使得强度将提高与聚束中的电子的数量成正比的量。这将强度提高到与SLS和XFEL相当的强度。

同时，被加速到几MeV的从UCES源提取的皮秒电子脉冲具有超低电子温度，这意味着电子束发散度小于衍射受限的软X射线束的发散度；这保证了产生完全空间相干的软X射线束。

显著的是，设备可以产生完全相干且具有超辐射强度的可调谐、窄带(软)X射线束。这提供了桌面康普顿软X射线自由电子激光器的实现。这种新型的桌面软X射线源具有在亮度、强度和相干性方面极大地优于所有其他紧凑的源的性能，具有许多应用，特别是用于半导体工业中的晶片检测和2-4nm水窗光谱范围内的生物样本的高对比度成像。

目前没有替代方法来实现完全相干的桌面软X射线自由电子激光器。从超快超冷电子源中提取电子的技术提供预聚束以达到纵向相干和超辐射、超低电子温度(发射)以用于横向相干。通过将光致电离过程的空间调制与射频聚束压缩技术相结合，实现了EUV波长的微聚束，从而实现了相干放大。

该设备可用作用于逆康普顿散射(ICS)源的注射器。UCES提供的高度相干性允许在EUV波长使用新的ICS的相干区域。结果，它具有许多重要的应用：

·完全空间相干的ICS源可以在12.5nm处产生≥10¹²光子/秒的光子通量，该波长对应于与半导体行业相关的Si-L边缘。该光子通量足以在大约一秒钟内记录纳米分辨率的高质量图像。纳米结构材料的衍射成像。

·完全空间相干ICS源在所谓的“水窗”(即，2-4nm)中在O-K边缘和C-K边缘之间产生≥10⁹光子/s，与生物组织的具有纳米分辨率的高对比度成像相关。