一种高重频超快脉冲X射线源产生系统及产生方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲辐射产生系统及产生方法，具体涉及一种高重频超快脉冲X射线源产生系统及产生方法。

背景技术

超快脉冲X射线源的主要特点是脉冲X射线持续时间非常短，由此形成的脉冲X辐射场时间尺度通常都在100ps甚至1ps以下。利用高速电子轰击金属等靶材产生X射线，即韧致辐射方式，韧致辐射方式是最早也是应用最广泛的脉冲X射线产生技术。由于该方法实现的脉冲X射线源具有体积小、成本低、小焦斑且强度高等诸多优点，一直以来被广泛应用于医疗成像、工业检测、危险品检查、材料结构表征等各个领域中。然而长期以来，由于热阴极或者场发射(冷阴极)产生的电子束流脉冲时间过长，使得打靶产生的X射线脉冲时间长度通常最短仅可实现亚ns级水平，无法满足时间分辨成像技术、等离子体物理、超快载流子动力学、材料相变过程研究等现代科学研究领域的应用需求。传统辐射源中，基本上只有激光惯性约束核聚变(InertialConfinementFusion,ICF)系统输出的脉冲X射线(能谱处在0.1keV-100keV)脉冲时间长度在200ps以下，随着超快激光技术的发展进步，依托超快激光束产生的皮秒甚至飞秒时间尺度的超快脉冲X射线源应运而生，根据不同的物理过程主要有以下四种典型的超快脉冲X射线源：

(1)同步辐射及自由电子激光系统；

同步辐射(Synchrotronradiation)是相对论性带电粒子在电磁场作用下沿曲线轨道运动时产生的电磁辐射，由于首先在一台电子同步加速器上被发现，也称为同步加速器辐射，其典型特点是可以产生从真空紫外、软X射线到硬X射线能谱范围的高亮度X射线光子束。同步辐射源根据加速器类型可分为两种：一种是基于环形加速器的同步辐射光源，如德国柏林Bessy-1系统、韩国浦项PLS系统、英国南牛津郡Diamond系统，国内有上海光源、合肥光源以及北京同步辐射光源等；另一种是基于电子直线加速器的自由电子激光(Freeelectronlaser,FEL)系统，自由电子激光是基于自由电子(区别于束缚在原子或分子中的电子)辐射产生的相干X射线，与第三代光源的储存环(采用偏转磁铁)、驱动方式不同，自由电子激光系统利用扭摆器、波荡器等磁铁插入件来产生准相干的自发辐射，由于其超高的辐射亮度(X射线峰值亮度可达10

同步辐射光源一般产生的是连续谱的X射线，使用单色器可以提取一定波长与带宽的单色光以实现光子能量可调，同步辐射尤其是自由电子激光的束流具有非常好的方向性，发散角小，稳定性好，而且具有天然的偏振特性，脉冲时间长度很短，自由电子激光系统的脉冲X射线长度一般小于10ps；此外自由电子激光属于相干辐射，其光子通量、光谱分布、偏振性和角分布等特性均可用公式计算，这种良好的可计算性使得同步辐射光源可以作为标准光源对其他光源和探测器进行校准和刻度。

(2)激光驱动产生的超快脉冲X射线源；

激光驱动的X射线源是高强度的激光与高密度等离子体相互作用，超热电子在等离子体中输运时，辐射出包括连续谱和特征谱线的X射线脉冲，主要有激光驱动的K壳层X射线辐射、加速过程中的电子回旋(Betatron)辐射、全光逆康普顿散射源等。在保证μm量级的源焦斑尺寸前提下，参与X射线激发的电子密度非常大，加上等离子体几十兆Gs自生磁场的约束，使得产生的激光X射线源具有三个主要特点：1)时间尺度上，脉宽覆盖fs到百ns范围；2)空间尺度上，其焦斑尺寸可以小到几个μm；3)可以与激光脉冲及其有关的物理过程精确同步，同步精度fs水平(自由电子激光等有电子学过程的同步精度最快在百fs水平)。

该类X射线源主要有激光驱动K

(3)汤姆逊散射X射线源；

聚焦到微米尺度的高功率激光脉冲与皮秒级相对论能量的电子束流成一定角度散射，在电子运动方向上可产生超短脉冲X射线甚至伽马射线，这类脉冲X射线束具有准单色性且能量连续可调、超高亮度、超快脉冲时间(亚ps)、干扰本底小、偏振输出、良好的方向性与相干性等特点。汤姆逊散射产生的X射线的脉冲长度依赖于电子束流和激光束的横向、纵向尺寸及散射结构。

目前，国内外均有基于电子直线加速器与激光对撞产生的汤姆逊散射X射线系统建成出束。需要说明的是，随着电子能量的提高，输出的X射线能量随之提高，射线源也被称之为逆康普顿散射(InverseComptonScattering)X/γ射线源。目前世界范围内在建的逆康普顿散射光源仅有三个，分别是美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)筹建的MEGa-ray系统、罗马尼亚Bucharest的ELI-NP系统以及国内在建的逆康普顿散射伽马射线系统。

(4)超快脉冲电子束流打靶产生的超快脉冲X射线源；

利用脉冲电子束流打金属靶这种韧致辐射过程产生脉冲X射线源是最常见的产生方式；随着高能量超快脉冲激光束技术的发展，逐步发展起来的光阴极电子枪使得ps级脉冲电子束流的产生成为可能，其中最常见的即为光阴极微波电子枪，光阴极微波电子枪自80年代出现并被广泛应用到各类光阴极注入器中；目前S波段的光阴极微波电子枪通常运行在100MV/m左右，使得基于这类电子枪的加速器输出的电子束流能量通常在10MeV以上，因此，以此类电子束流打靶产生的韧致辐射谱主要集中在MeV级以上的伽马能段，而且基于微波电子枪产生的脉冲X射线与激光的时间同步精度比较低，难以作为超快探针使用。

以上所有的ps级超快脉冲X射线源有两个共同的缺点：一是建设成本非常高，最低的系统建设费用需几千万人民币，动辄几亿甚至百亿以上，系统规模也非常大，建设周期长，导致附属设施经费的投入较大；二是重复频率低，一般都在100Hz甚至10Hz以下，主要是由于电子加速器采用的是射频加速方式，电子枪无法提供高重频强流电子束流，而对于高功率飞秒激光驱动产生的X射线源由于激光泵浦源重复频率的限制，一般仅有10Hz以下的重复频率。此外，系统的运行维护成本也非常高，难以在普通实验室得到推广应用。

以“泵浦-探针(Pump-Probe)”方法为代表的时间分辨技术在超快光子学、载流子动力学、材料相变、化学反应动力学等前沿基础研究领域扮演着至关重要的角色，该方法要求探针的脉冲时间长度足够短，且探针脉冲与泵浦脉冲之间的时空同步精度要足够高；对于个别有成像要求的工作，还需要探针具有足够的空间分辨能力，可以说，具有同步精度高的超快脉冲辐射源是开展具有时间分辨能力的“泵浦-探针”方法应用技术研究的核心要素，同时高重复频率有利于满足不同类型的实验需求。针对多种束流联合的泵浦-探针技术研究对超快脉冲X射线源的需求，兼顾各类脉冲辐射场探测系统时间响应能力标定成为迫切的需要。

发明内容

本发明的目的是针对现有的ps级超快脉冲X射线源，存在建设成本高、系统规模大、重复频率低，难以在普通实验室得到推广应用的问题，以及泵浦-探针方法存在同步时间精度低的技术问题，而提供一种高重频超快脉冲X射线源产生系统及产生方法，实现重复频率高(≥1MHz)、X射线峰值能量连续可调、同步时间精度高、建设成本低、占地面积小，且可以提供皮秒级甚至飞秒级的超快脉冲辐射探测实验研究条件，能够满足探测器性能标定与多束流泵浦探测等研究工作对超快脉冲X射线源的基本需求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种高重频超快脉冲X射线源系统，其特殊之处在于：包括直流高压源、驱动激光、电子枪、沿电子枪光电子出射方向依次设置的第一校正磁铁、电磁螺线管、第二校正磁铁以及靶室，靶室内设置有复合靶架；

驱动激光用于产生超短脉冲激光束；

直流高压源与电子枪的光阴极连接；电子枪的光阴极位于超短脉冲激光的光路上；直流高压源用于对电子枪的光阴极施加负高压，使光阴极产生超快脉冲光电子，并在电子枪的阴极与阳极之间形成了静电电场，用于对光电子进行加速，使得光电子到达设定能量后由电子枪阳极输出电子束流；

第一校正磁铁用于调节电子束流位置，使得电子束流穿过电磁螺线管的中心；电磁螺线管用于对电子束流进行横向束斑聚焦；

第二校正磁铁用于控制电子束流出射方向，并调整电子束流进入靶室的打靶位置；

电子束流入射至复合靶架上用于产生高重频超快脉冲X射线。

进一步地，还包括ICT探头；

所述靶室包括沿电子束流的出射路径依次设置的1#靶室和2#靶室；

所述复合靶架为两个，分别设置于1#靶室和2#靶室内；

所述ICT探头位于第二校正磁铁与1#靶室之间，用于测量电子束流的电荷量；

所述电子束流入射至1#靶室内的复合靶架上，用于产生高能谱X射线；或者，所述电子束流穿过1#靶室入射至2#靶室内的复合靶架上，用于产生低能谱X射线。

进一步地，还包括ICT探头；

所述靶室包括沿电子束流的出射路径依次设置的2#靶室和1#靶室；

所述复合靶架为两个，分别设置于1#靶室和2#靶室内；

所述ICT探头位于1#靶室之后，用于测量X射线的电荷量；

所述电子束流入射至2#靶室内的复合靶架上，用于产生低能谱X射线；或者，所述电子束流穿过2#靶室入射至1#靶室内的复合靶架上，用于产生高能谱X射线。

进一步地，所述复合靶架包括从上而下设置的第一靶位、第二靶位和第三靶位；第一靶位用于设置韧致辐射靶，第二靶位用于设置荧光屏，第三靶位为空靶；

1#靶室内的第一靶位上设置有1#韧致辐射靶，1#韧致辐射靶的靶面与电子束流的夹角为45°；1#靶室内的第二靶位与第一靶位垂直设置；

2#靶室内的第一靶位上设置有2#韧致辐射靶，2#韧致辐射靶的靶面与电子束流垂直；2#靶室内的第二靶位与电子束流的夹角为45°。

进一步地，所述还包括设置于电子枪和第一校正磁铁之间的插板阀、与电子枪连接的第一离子泵及与插板阀连接的第二离子泵，以及电动提靶机构；

电动提靶机构分别与两个复合靶架连接，用于提升复合靶架；

1#靶室上设置有第一引出窗；

2#靶室上设置有第二引出窗。

进一步地，所述驱动激光的重复频率≥100Hz，输出波长小于300nm，紫外激光脉冲长度≤10ps，紫外激光单脉冲能量≥10μJ；

所述电子枪的光阴极材料为Cs2Te或者镜面无氧Cu或者Mg，电子枪的腔室工作真空度高于10

所述1#韧致辐射靶的材料为金属W或者金属Ta；

所述2#韧致辐射靶的材料为金属Al或者金属Mo。

进一步地，所述电子枪的激光入射窗口采用石英玻璃；

插板阀的材料为金属，其真空度≤10

第一校正磁铁的有效长度≥100mm，积分场≥0.25Gs·m，踢轨量≥15mrad；

电磁螺线管的有效长度≥100mm，平均积分场≥3698Gs

第二校正磁铁的有效长度≥100mm，积分场≥0.63Gs·m，踢轨量≥35mrad；

1#靶室的材质为316L不锈钢，1#靶室的法兰及窗口须采用刀口密封；1#韧致辐射靶的厚度≥1mm，直径≥2cm；

2#靶室采用金属Al或者金属Au或者金属Ag，厚度≤500μm，2#靶室的靶面采用金属抛光工艺处理；2#韧致辐射靶的厚度≤500μm；

第一引出窗、第二引出窗的均为Be窗，厚度均为100μm～250μm。

同时，本发明还提供了一种高重频超快脉冲X射线源产生方法,基于上述一种高重频超快脉冲X射线源产生系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)利用激光束入射到电子枪的光阴极，产生超快脉冲光电子，同时利用直流高压源对电子枪的光阴极施加负高压，在电子枪的阴极与阳极之间形成了静电电场，静电电场将光电子进行加速，使得光电子到达设定能量后，由电子枪阳极输出电子束流；

2)利用第一校正磁铁调节电子束流位置，使得电子束流穿过电磁螺线管的中心；

3)使用电磁螺线管对电子束流进行横向束斑聚焦后，再利用第二校正磁铁控制电子束流出射方向，调整电子束流的打靶位置；

4)使电子束流打靶产生X射线。

进一步地，步骤4)具体为：

4.1、利用ICT探头测量电子束流的电荷量，并调节电磁螺线管的内部电流，使电子束流在1#韧致辐射靶上聚焦并进行反射式打靶产生高能谱X射线；

4.2、测量电子束流焦斑，然后使电子束流在2#韧致辐射靶上聚焦并进行原位透射式打靶产生低能谱X射线。

进一步地，步骤1)中，脉冲激光束入射到电子枪的光阴极的入射角度≤30°；

步骤5.1中，反射式为1#韧致辐射靶的靶面与电子束流的夹角为45°；

步骤5.2中，透射式为2#韧致辐射靶与电子束流垂直透射。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)具备多束流联合应用的能力。本发明高重频超快脉冲X射线源产生方系统，包含三种波长的超快激光束与三种ps级电子束和ps级X射线不同的超快脉冲辐射束流。多束流输出的能力可以很好地满足开展多束流联合的应用研究的特殊实验需求。

(2)X射线重频非常高。本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统中，X射线重频与驱动激光的重复频率一致，X射线重频非常高可达到79MHz以上。其采用的电子枪具有mA级的高流强特性，使得基于其研制的脉冲X射线源可轻松实现kHz乃至10MHz水平的重频脉冲，而且由于光电子产额依赖于传统的韧致辐射过程，因此具有非常稳定的光子强度，很适合开展“泵浦-探针”等对脉冲重复性要求严格的应用研究工作。与现有技术相比较，受限于微波电子枪流强、超高功率(一般＞10TW)飞秒激光器能量水平等技术因素的限制，目前常见的超快脉冲X射线源重复频率基本都处在10Hz水平，一定程度上影响了很多高重频X射线源应用场合的需求。

(3)同步时间精度。本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统，由于X射线与激光“同源”，同步时间精度小于100分秒以下，同步时间精度使得X射线与激光束之间的时间同步精度非常高，其精度也是其是否可用于“泵浦-探针”时间分辨技术的核心因素之一。自由电子激光系统、汤普逊散射X射线源系统以及同步辐射源系统等常见X射线源，由于都采用的是微波加速管加速，这类电子学过程使得时间同步最好处于亚ps水平，这也限制了这些系统在半导体载流子动力学等超快物理过程的应用研究范围，仅有利用激光束打靶产生的超快脉冲X射线源同步精度可以到达fs水平，但该类系统不仅建设成本高且通常其输出的光子产额稳定性较差，也不太适合用于多发扫描的“泵浦-探针”技术研究。

(4)X射线源的焦斑尺寸小。本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统，靶室内的复合靶架设计可以实现电子束流小焦斑原位打靶，同时使得本发明系统可以准确测量X射线源的焦斑尺寸，且1#靶室输出的X射线焦斑尺寸通常可小于500μm，能够满足较高空间分辨的X射线成像应用需求。

(5)双靶室结构实现不同特征能量X射线的输出。本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统，超快脉冲X射线衍射技术需要不同的特征能量，本发明系统中设置的双靶室(即1#靶室和2#靶室)内部设有不同的韧致辐射靶，其靶材以及反射式打靶和透射式打靶方式可以方便切换以输出不同特征能量的X射线，此外每个靶室靶材具备更换功能，以满足不同的X射线应用需求。

(6)抑制电子束流弥散。本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统，充分发挥飞秒激光束与静电电场加速的优势，同步时间精度只与直流高压电源相关，设计结构紧凑，可以有效抑制电子束流随时间弥散，可实现百fs以下水平的同步时间精度，以满足闪烁体及半导体等常见辐射转换体的动力学过程实验研究需求。

(7)电子束流能量连续可调。本发明高重频超快脉冲X射线源产生方法，通过调节直流高压源的电压值，就可以非常容易地实现电子束流能量的连续调节，从而实现X射线的峰值能量调节。

附图说明

图1为本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统实施例的结构示意图；

图2为本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统实施例中复合靶架的结构示意图；

图3为本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统实施例中电子束流打靶的路径示意图；

图4为本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统实施例中,功率在0.15W时总电子束流平均流强与单脉冲电荷量和加速电压的关系图，其中正方形所在曲线表示总电子束流平均流强，三角形所在曲线表示单脉冲电荷量，圆形所在曲线表示净的光电流；横坐标表示加速电压，纵坐标表示电子束平均流强；

图5为本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统实施例中经电磁螺线管聚焦后得到的电子焦斑示意图；

图6为本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统实施例中利用MCP获得的X射线波形图；其横坐标表示时间，纵坐标表示示波器波形电压幅度；

图7为本发明高重频超快脉冲X射线源产生系统实施例中利用MCP配合ZnO闪烁体获得的X射线波形图，横坐标表示时间，纵坐标表示示波器波形电压幅度；

图8为本发明高重频超快脉冲X射线源产生方法实施例的原理图。

图中附图标记为：

1-驱动激光，2-电子枪，21-直流高压源，22-第一离子泵，3-插板阀，31-第二离子泵，4-第一校正磁铁，5-电磁螺线管，6-第二校正磁铁，7-ICT探头，8-1#靶室，81-第一引出窗，82-1#韧致辐射，9-第2#靶室，91-第二引出窗,92-2#韧致辐射，10-复合靶架。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种高重频超快脉冲X射线源系统，用于产生高重频超快脉冲X射线源,包括直流高压源21、驱动激光1、电子枪2、沿电子枪2光电子出射方向依次设置插板阀3、第一校正磁铁4、电磁螺线管5、第二校正磁铁6、ICT探头7、第一离子泵22、第二离子泵82、电动提靶机构以及靶室。

驱动激光1用于产生超短脉冲激光束；本实施例中，驱动激光1的重复频率≥100Hz，输出波长小于300nm，紫外激光脉冲长度≤10ps，紫外激光单脉冲能量≥10μJ。

电子枪2用于输出电子束流；直流高压源21用于对电子枪2的光阴极施加-150kV～-20kV的高压，使光阴极产生超快脉冲光电子，并在电子枪2的阴极与阳极之间形成了静电电场，用于对光电子进行加速，使得光电子到达设定能量后由电子枪2阳极输出电子束流；优选地，电子枪2采用静电加速方式，光阴极施加负高压，电压调节范围为-150kV～-20kV，光阴极与阳极间距可调，不同材料的光阴极更换采用可拆卸的光阴极头来实现。利用第一离子泵22与电子枪2连接的，使电子枪2的腔室工作真空度高于10

本实施例中电子枪2的加速具备二级加速功能。初始光电子首先由电子枪2实现静电加速，在电磁螺线管5内实现聚束之后，可引入直流高压源21实现第二级加速，第二级加速的直流高压采用正高压，加在电子枪2阴极上，并采用绝缘陶瓷与真空管道实施绝缘处理。电子枪2的光阴极材料为Cs

本实施例中，插板阀3的材料为金属，利用第二离子泵31与插板阀3连接，使其真空度≤10

电磁螺线管5用于对电子束流进行横向束斑聚焦；电磁螺线管5的有效长度≥100mm，平均积分场≥3698Gs

第二校正磁铁6用于控制电子束流出射方向，并调整电子束流的打靶位置；本实施例中，第二校正磁铁6的有效长度≥100mm，积分场≥0.63Gs·m，踢轨量≥35mrad。

ICT探头7用于测量电子束流的电荷量。

靶室用于产生不同能量的X射线。如图2、图3所示，靶室包括沿电子束流的出射路径依次设置的1#靶室8和2#靶室9，以及分别设置于1#靶室8和2#靶室9内的两个复合靶架10和两个引出窗；引出窗用于将产生的高重频超快脉冲X射线束流出射；两个引出窗分别为设置在1#靶室8上的第一引出窗81，设置在和2#靶室9上的第二引出窗91；两个复合靶架10分别与电动提靶机构连接，用于提升复合靶架；复合靶架10包括从上而下设置的第一靶位、第二靶位和第三靶位；第一靶位用于设置韧致辐射靶，第二靶位用于设置荧光屏，第三靶位为空靶，用于电子束流通过；1#靶室8内的第一靶位11上设置有1#韧致辐射靶82，1#韧致辐射靶82的靶面与电子束流的夹角为45°；1#靶室8内的第二靶位12和第三靶位13位于同一平面上，且第二靶位12和第三靶位13均与第一靶位11垂直设置；2#靶室9内的第一靶位11上设置有2#韧致辐射靶92，2#韧致辐射靶92与1#韧致辐射靶82结构相同；2#韧致辐射靶92的靶面与电子束流垂直；2#靶室9内的第二靶位12和第三靶位13位于同一平面上，且第二靶位12的靶面与电子束流的夹角为45°。

1#韧致辐射靶82采用电动提靶机构，以实现1#韧致辐射靶82的靶片的插入与移开，插入时打1#韧致辐射，移开时电子束流往后偏移，实现电子束流剖面的测量或2#韧致辐射靶92打靶；电子束流剖面测量腔室与2#靶室9的复合腔室采用原位打靶结构，垂直束流方向上2#韧致辐射靶92的靶片与荧光屏(即YAG荧光屏)同轴布置，靶面法线与YAG荧光屏法线呈45°，即YAG荧光屏与电子束流入射方向呈45°，电子束流垂直入射2#韧致辐射靶92的靶面，2#韧致辐射靶92的靶面采用金属抛光工艺处理；2#靶室9采用能谱设计，在主要采用透射式打靶的前提下，具备反射式打靶侧窗出射的基础条件。

本实施例中，1#靶室8的材质为316L不锈钢，1#靶室8的法兰及窗口须采用刀口密封；1#韧致辐射靶82的材料为金属W或者金属Ta，厚度≥1mm，直径≥2cm；2#靶室9采用金属Al，在其他实施例中还可以采用金属Au或者金属Ag，厚度≤500μm，2#靶室9的靶面采用金属抛光工艺处理；2#韧致辐射靶92的材料为金属Al或者金属Mo，厚度≤500μm；第一引出窗81、第二引出窗91的均为Be窗，厚度均为100μm～250μm。

还可以将2#靶室与ICT探头7位置可以相互替换，两者支架及管道安装长度尺寸一致，2#靶室更换到ICT探头7位置后采用反射式打靶方式，用于实现更小的束斑和更短的X射线脉冲。

上述系统的工作原理是：

利用驱动激光1产生的266nm超短脉冲激光束以某一较小的角度(相对于光阴极法线)入射到电子枪2的光阴极产生超快脉冲光电子，光阴极由直流高压电源施加负高压，因此在电子枪2的阴极与阳极之间形成了静电电场，静电电场将光电子进行加速，使得光电子到达设定能量后，由电子枪2的阳极输出电子束流；电子束流通过插板阀3后，利用第一校正磁铁4调节电子束流位置，使得电子束流穿过电磁螺线管5的中心，并由电磁螺线管5对电子束流进行横向束斑聚焦，再利用第二校正磁铁6实现电子束流出射方向的控制，从而调整电子束流的打靶位置，通过ICT探头7实现电子束流电荷量的测量，通过调节电磁螺线管5的内部电流实现电子束流在1#靶室8中1#韧致辐射靶82上的靶点位置聚焦并打靶产生X射线，2#靶室即可以用来实现电子束流焦斑的测量，同时以实现原位测量原位打2#韧致辐射靶92产生X射线的目的，在1#靶室8中电子束流以45°入射到1#韧致辐射靶82上，在垂直于电子束流入射方向上，利用铍窗口引出X射线与1#韧致辐射靶82相互作用后产生的高重频超快脉冲X射线束流(ps级)，1#靶室8周围采用不锈钢腔体进行X射线屏蔽和密封，以确保实验室人员安全。

本实施例中，采用中心波长为1064nm的YAG:Nd激光器进行四倍频，获得266nm的驱动激光1束，该激光束斑尺寸约1mm，重复频率2MHz，脉冲宽度≤10ps，光电子分布为高斯圆形。采用Cs

如图4所示，为考核加速电压即直流高压电源与电子束流电荷量的关系，首先固定脉冲激光束的激光功率在0.15W的水平，改变直流高压电源的加速电压值，测得的总电子束流平均流强和暗发射电流随电压的变化曲线。从图5可以看出，随着加速电压的升高，暗发射电流和总电子束流平均流强同时随之升高。在50kV时，总电子束流平均流强最大可以达到180μA，净的光电流为116μA，相应的单脉冲电荷量为58pC，即在该条件下就可以达到单脉冲50pC的电荷量指标水平。

如图5所示，电子束流焦斑横向信息由YAG荧光屏剖面测量屏获得，YAG荧光屏剖面测量腔中心位置得到的电子束流焦斑照片，YAG荧光屏的直径为20mm，由于总电子束流平均流强较大，YAG荧光屏的屏幕已经被打裂，因此聚焦位置通过第一校正磁铁4进行了一定的偏移，测量时加速电压为-30kV。从图6中可以看出，在电磁螺线管5聚焦作用下，电子束流焦斑最小可以聚焦到2.5mm左右，大于设计指标2mm，其主要原因是激光束斜入射方式导致电子束流发射度增大明显所导致的。通常随着加速电压的升高，电子束流发射度降低，且1#靶室8更靠近电子枪2的光阴极，因此最终得到实际打靶的电子束流焦斑尺寸将小于2.5mm，以该电子束流焦斑水平的电子束流打靶后即可产生相同电子束流焦斑尺寸的X射线点源，说明基于本发明容易实现小焦斑X射线源，从而满足较高空间分辨要求的X射线成像应用对脉冲X射线源的需求。

对于50pC的单脉冲电荷量，对应总的电子数目为3×10

如图6所示，实验中采用快响应的微通道光电倍增管(MCP)测量的X射线脉冲波形和脉冲重复频率测量结果，电子束流加速电压60kV，信号幅度为1.5V，可以看出该波形基本反映了该MCP的极限时间响应能力，脉宽大约330ps，上升沿145ps。如图7所示，图中上边的波形显示X脉冲重复频率为2MHz，且与图中下边驱动激光1监测信号波形一一对应。

根据以上考核实验结果可以看出，基于本发明方法容易实现MHz水平的高重频超快脉冲X射线束流输出，且脉冲强度较高，能满足探测器时间响应特性研究、材料超快动力学特性研究、X射线成像等应用需求。本发明系统的典型脉冲宽度一般≤10ps，且运行模式分为长脉冲工作模式和短脉冲工作模式，分别关注大的脉冲强度和快的脉冲时间需求；X射线光子能量范围为小于150keV；最大的单脉冲电子束流电荷量通常≥100pC；重复频率由驱动激光1重复频率决定，根据实际需要可实现在5Hz～10MHz可调。

如图8所示，一种高重频超快脉冲X射线源产生方法,包括以下步骤：

1)利用激光束入射到电子枪2的光阴极，产生超快脉冲光电子，同时利用直流高压源21对电子枪2的光阴极施加负高压，在电子枪2的阴极与阳极之间形成了静电电场，静电电场将光电子进行加速，使得光电子到达设定能量后，由电子枪2阳极输出电子束流；

2)利用第一校正磁铁4调节电子束流位置，使得电子束流穿过电磁螺线管5的中心。

3)使用电磁螺线管5对电子束流进行横向束斑聚焦后，再利用第二校正磁铁6实现电子束流出射方向的控制，调整电子束流的打靶位置。

4)使电子束流打靶产生X射线；具体为：

4.1、利用ICT探头7测量电子束流的电荷量，并调节电磁螺线管5的内部电流，使电子束流在1#韧致辐射靶82上聚焦并进行反射式打靶产生高能谱X射线；

4.2、测量电子束流焦斑，然后使电子束流在2#韧致辐射靶92上聚焦并进行原位透射式打靶产生低能谱X射线。

本实施例中，反射式打靶为1#韧致辐射靶82的靶面与电子束流的夹角为45°；透射式为荧光屏的靶面与电子束流为垂直透射式打靶。