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

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李任恺2023年11月15日约 8 分钟

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长聘教授。

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

李任恺，清华大学工程物理系长聘教授，系主任助理。研究专长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，尤其是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角，这一散角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、散角特别低的电子枪，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“紧凑型准单能伽马源”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的伽马射线源，最大特点是整个装置非常紧凑，设计尺寸为12米，是一个集装箱车的长度，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长的紧凑板状结构上，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角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，目前部件已经配备齐全，正在进行束线组装。整个装置长度约为四五米，取决于相机的长度不同。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。