Томсоновский лазерно-электронный генератор: рентгеновский канал и возможные применения / Thomson Laser-Electron Generator: X-Ray Beamline and Possible Applications

Артюков И.А. / Artyukov, I. A.
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН / RUS Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН
Виноградов А.В. / Vinogradov, A. V.
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН / RUS Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН
Фещенко Р.М. / Feshchenko, R. M.
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН / RUS Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1603-056069

Артюков И.А., Виноградов А.В., Фещенко Р.М. Томсоновский лазерно-электронный генератор: рентгеновский канал и возможные применения // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 3(20). С. 56–69.
Artyukov, I. A., Vinogradov, A. V., Feshchenko, R. M. Thomson Laser-Electron Generator: X-Ray Beamline and Possible Applications // Physical Bases of Instrumentation. 2016. Vol. 5. No. 3(20). P. 56–69.

Аннотация: Рассматриваются основные свойства излучения, схемы и моделирование лазерно-электронных генераторов (ЛЭГ) рентгеновского излучения, основанных на томсоновском рассеянии коротких (~10 пс) импульсов оптического лазерного излучения на сгустках (банчах) ультрарелятивистских электронов, циркулирующих в компактном накопительном кольце. Представлена реалистичная модель взаимодействия лазерного и электронного пучков, учитывающая их пространственную форму, а также поляризацию лазерного излучения и разброс электронов циркулирующих в кольце по энергиям и импульсам. Обсуждается возможная конструкция ЛЭГ, а для выбранного набора параметров ЛЭГ проведено моделирование прохождения рентгеновского излучения ЛЭГ через линию формирования рентгеновского пучка, предназначенную для рентгеновского микроанализа. Анализируются возможные применения ЛЭГ в медицине и других областях науки и техники.

Abstract: In the paper the main radiation properties, schemes and simulations of laser-electron X-ray generators (LEXG) based on the Thomson scattering of short (~10 ps) optical laser pulses by bunches of ultra-relativistic electron circulating in a storage ring are considered. A realistic model of the interaction of the laser and electron beams is presented, which takes into account their spatial shape, laser radiation polarization as well as the momentum and energy spread of the electrons circulating in the storage ring. In the paper a possible design of LEXG is discussed and for a chosen set of the LEXG parameters a simulation of the X-ray propagation through an X-ray beamline designed for the X-ray microanalysis is carried out. Possible applications of LEXG in the medicine and other areas of science and technology are discussed.

Ключевые слова: рентгеновская оптика, электронное накопительное кольцо, мощное лазерное излучение, метод Монте-Карло, Thomson scattering, X-ray optics, electron storage ring, powerful laser radiation, рентгеновская оптика

Литература / References
  1. Bessonov, E. G., Vinogradov, A.V., Gorbunkov, M.V., Tur’Yanskii, A.G., Feshchenko, R.M., and Shabalin, Yu.V. Laser Electron-Beam X-Ray Source for Medical Applications // UFN. 2003. Vol. 46. No. 8. P. 872-876.
  2. Achterhold, K., Bech, M., Schleede, S., Potdevin, G.,
  3. Ruth, R., Loewen, R., and Pfeiffer, F. Monochromatic Computed Tomography with a Compact Laser-Driven X-Ray Source // Scientific Reports. 2013. Vol. 3. P. 1313.
  4. Huang, Zh., Ruth, R.D. Laser-Electron Storage
  5. Ring // Physical Review Letters. 1998. Vol. 80.
  6. No. 5. P. 976.
  7. D’Angelo, A. Review of Compton Scattering Projects // EPAC-98 Conference. Stockholm. 1998. P. 226-230.
  8. Thirolf, P.G., Csige, L., Habs, D., Günther, M., Jentschel, M., Krasznahorkay, A., and Rich, G. Perspectives for Photofission Studies with Highly Brilliant, Monochromatic γ – Ray Beams // EDP Sciences. EPJ Web of Conferences. 2012. Vol. 38. P. 08001.
  9. Xu, H.S., Huang, W.H., Tang, C.X., and Lee, S.Y. Design of a 4.8-m Ring for Inverse Compton Scattering X-Ray Source // Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams. 2014. Vol. 17. No. 7. P. 070101.
  10. Graves, W. S., Bessuille, J., Brown, P., Carbajo, S., Dolgashev, V., Hong, K.H., and Moncton, D.E. // Compact x-Ray Source Based on Burst-Mode Inverse Compton Scattering at 100 kHz. Physical Review Special Topics – Accelerator and Beams. 2014. Vol. 17. No. 12. P. 120701.
  11. Anderson, S.G., Barty, C.P.J., Betts, S.M., Brown, W.J., Crane, J.K., Cross, R.R., and Tremaine, A.M. Short-Pulse, High-Brightness X-Ray Production with the PLEIADES Thomson-Scattering Source // Applied Physics B. 2004. Vol. 78. No. 7-8. P. 891-894.
  12. Oliva, P., Bacci, A., Bottigli, U., Carpinelli, M., Delogu, P., Ferrario, M., and Stefanini, A. Start-to-End Simulation of a Thomson Source for Mammography // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2010. Vol. 615. No. 1. P. 93-99.
  13. Bruni, C., Chiche, R., Cizeron, R., Fedala. Y., Haissinski, J., et al. ThomX – Conceptual Design Report // LAL RT. 2009. No. 9. P. 1-136.
  14. Hartemann, F.V., Brown, W.J., Gibson, D.J.,
  15. Anderson, S.G., Tremaine, A.M., Springer, P.T., and Barty, C.P.J. High-Energy Scaling of Compton Scattering Light Sources // Physical Review Special Topics – Accelerator and Beams. 2005. Vol. 8. P. 100702.
  16. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. Теоретическая физика. M.: Наука, 1988.
  17. Brown, W.J., Hartemann, F.V. Three-Dimensional Time and Frequency-Domain Theory of Femtosecond X-Ray Pulse Generation Through Thomson Scattering // Physical Review Special Topics – Accelerator and Beams. 2004. Vol. 7. P. 060703.
  18. Sun, Changchun, Ying, K. Wu. Theoretical and Simulation Studies of Characteristics of a Compton Light Source // Physical Review Special Topics – Accelerators and Beams. 2011. Vol. 14. P. 044701.
  19. Артюков И. А., Виноградов А. В., Фещенко Р. М. Математическая модель для расчета параметров излучения лазерно-электронного генератора. М.: ФИАН. Препринт № 2, 2016.
  20. Bessonov, E.G., Gorbunkov, M.V., Ishkhanov, B.S., Kostryukov, P.V., Maslova, Y.Y., Shvedunov, V.I., Tunkin, V.G., and Vinogradov, A.V. Laser-Electron Generator for X-Ray Applications in Science and Technology // Laser and Particle Beams. 2008. Vol. 26. No. 03 P. 489-495.
  21. Welnak, C., Chen, G.J., and Cerrina, F. SHADOW:
  22. A Synchrotron Radiation and X-Ray Optics Simulation Tool // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1994. Vol. 347. P. 344-347.
  23. Lee, H.J., Zhang, Z. Applicability of Phase Ray-Tracing Method for Light Scattering From Rough Surfaces // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2007. Vo. 21. P. 330-336.
  24. Sanchez Del Rio, M., Canestrari, N., Jiang, F.,
  25. and Cerrina, F. SHADOW3: a New Version of the Synchrotron X-Ray Optics Modelling Package // Journal of Synchrotron Radiation. 2011. Vol. 18. P. 708-716.
  26. Del Río, M.S., and Dejus, R.J. XOP v2.4: Recent Developments of the X-Ray Optics Software Toolkit // Proc. SPIE. 2011. Vol. 8141. P. 814115.
  27. Assoufid, L., Arp, U., Naulleau, P., Biedron, S., and Graves, W. Compact X-Ray and Extreme-Ultraviolet Light Sources // Optics and Photonics News. 2015. Vol. 26. P. 40-47.
  28. Chaikovska, I., Bruni, C., Chancé, S., Gamelin, A., Monard, H. And Loulergue, A. Status of the Preparation to the Commissioning of the Thomx Storage Ring // IPAC’16. Busan. Korea. 2016. MOPOW052
  29. Hwang, Y., Tajima, T., Anderson, G., Gibson, D. J., Marsh, R. A., and Barty, C.P.J. LLNL Laser-Compton X-Ray Characterization // IPAC’16. Busan. Korea. 2016. TUPOW052
  30. Eggl, E., Schleede, S., Bech, M., Achterhold, K., Loewen, R., Ruth, R. D., and Pfeiffer, F. X-Ray Phase-Contrast Tomography with a Compact Laser-Driven Synchrotron Source // Proceedings of the National Academy of Science. 2015. Vol. 112. No. 18. P. 5567-5572.
  31. Abendroth, J., McCormick, M.S., Edwards, T.E.,
  32. Staker, B., Loewen, R., Gifford, M., Rifkin, J., Mayer, C., Guo, W., Zhang, Y., and Myler, P. X-Ray Structure Determination of the Glycine Cleavage System Protein H of Mycobacterium Tuberculosis Using an Inverse Compton Synchrotron X-Ray Source // Journal of Structural and Functional Genomics. 2010. Vol. 11. P. 91-100.
  33. Jacquet, M. High Intensity Compact Compton X-Ray Sources: Challenges and Potential of Applications // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2014. Vol. 331 P. 1-5.
  34. Маслова Ю. Я. Оптическая система лазерно-электронного источника рентгеновского излучения для медицинских применений. M.: ФИАН.
  35. Диссертация на соискание ученой степени
  36. кандидата физико-математических наук. 2016
  37. Jacquet, M., Suortti, P. Radiation Therapy at Compact Compton Sources // Physica Medica. 2015. Vol. 31. No. 6. P. 596-600.