TWI534521B - 類相對論輻射天線系統 - Google Patents

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Description

類相對論輻射天線系統
本發明係關於一種天線系統，更係關於一種利用一在一以接近光速移動之淨帶電之導線上之電脈衝產生輻射的輻射天線系統，其中該輻射特性與真空中移動之相對論帶電粒子產生者相似。
電磁輻射已廣用於多樣應用上，如通訊、影像、遠端感測、材料處理、醫療、科學驗證等。一般皆知輻射的產生需要有帶電粒子的加速或減速(減速可以認知為負向加速)，如交流電源可驅動輻射天線中的電子產生電磁輻射。在習知技術中，自一固定天線發出之輻射頻率同於電源的驅動頻率，但一般從未思及輻射頻率可依天線中電脈衝之移動速度而定之特性。
輻射亦可由真空中移動帶電粒子的加速產生，當一輻射源相對於一輻射檢測器移動時，經檢測得之輻射頻率隨該輻射源的方向和速度改變。當一物件以近於光速移動時，通常被稱為一相對論物件，且其物理係以相對論來解釋。為產生一短波長輻射，可利用一相對於一輻射檢測器、橫向加速之帶電粒子，以近於光速朝向該輻射檢測器移動之方式，來大幅提高輻射的頻率。其輻射頻率之增加是基於相對論及都卜勒的效應。
移動中物件是否處於相對論模式，這通常以所謂的「勞倫茲因子」來看待，其中β=v/c，v為粒子速度，且c為真空中光速。對於一移動近於光速之相對論物件v~c，其勞倫茲因子γ>>1。一相對論帶電粒子產生之輻射一般稱為「相對論輻射」，其頻率有兩重要效應，即勞倫茲收縮與相對論都卜勒偏移。勞倫茲收縮為移動物件體按空間相對性之空間長度的收縮，相對論都卜勒偏移則為一輻射源以近於光速移 動時為特殊相對論校正之一般都卜勒偏移。該二效應在一輻射源往檢測器移動時大大縮短了在一檢測器上看到之輻射波長，另一相對論輻射特性為其輻射功率與輻射源速度之相關性。一近光速之輻射源可以緊緊地跟隨所產生之、以光速傳播之輻射場，這造成了縮短的輻射脈衝及能量集中的高功率輻射。相對論輻射的實際應用包含自微波至X射線之廣大頻譜範圍，其中知名的相對論輻射包含波盪器輻射、同步輻射、自由電子雷射、史密斯-菩賽爾輻射、瑟忍可夫輻射、返波振盪器、穿越輻射、及繞射輻射等。
現舉相對論輻射之第一範例，同步輻射係由一相對論帶電粒子(通常為電子)在一磁場中轉彎所產生，且其高頻截止頻率為 其中ρ為電荷路徑的彎曲曲率半徑。由公式(1)可知，輻射頻譜為寬頻帶者，其對具GeV能量之高速相對論電子(γ~2000 for 1-GeV electron)而言，同步輻射可以產生真空紫外及軟X射線之波長。
第二範例為窄帶波盪器輻射，其係由相對論電子穿過一稱為波盪器的磁性結構產生，其中一交變橫向磁場迫使軸向移動之電子蛇行並發射出輻射。假設波盪器的中心軸為z軸，從移動中電子的觀點來看(特殊相對論效應)，波盪器週期λu會因為勞倫茲因子收縮(勞倫茲收縮)變成λ u /γ z 的長度，其中為縱向勞倫茲因子，為規一化至光速c之平均縱向電子速度，且β⊥為β因子的橫向分量。因此，電子座標下的電子振盪頻率可計算為f'=(λ u /(γ z v z )-1。由於相對論都卜勒偏移之故，實驗室座標中偵測得之z向輻射頻率會偏移一因子 ，形成軸向波盪器輻射波長的習用表示式： 在相對論極限v z ~c且γz>>1下，方程式(2)變成λ r ~λ u /2。如果要獲得v z ~c，電子的橫向抖動必須小、相當於β ⊥<<1。在此極限下，相對論電子的β z~β且γ z~γ。因此，相對論電子的輻射波長λr可遠小於波盪器波長λu，這種相對論機制有助於產生具有大量應用範圍、極為難得的短波長輻射。
相對論輻射中，輻射通常係由一稱為電子脈衝之特定時間長度的相對論電子團產生，當電子脈衝長度遠小於輻射波長時，所有的電子產生的輻射電磁場幾乎都以相同的相位形式建設性干涉，這種相干輻射的輻射能量正比於總電荷量、或總電子數的平方。另一方面，當電子脈衝長度明顯長於輻射波長時，位於不同輻射相位的電子無法產生相干輻射，其輻射能量與總電荷量、或參與輻射的電子數成線性正比。很明顯地可以看出來，相干輻射遠較非相干輻射更強而有力。
相對論輻射之頻譜能量密度(即每單位輻射頻寬中之輻射能量)可以從一週期性電子脈衝列產生之輻射得到大幅的改提升，其輻射場可以在等於電子脈衝頻率或其諧波頻率處形成建設性相干。例如，N個週期性電子脈衝在脈衝頻率處所產生的輻射線寬會是單一電子脈衝所產生輻射線寬的1/N，當N很大時，所產生的輻射線寬可以很小、相對論輻射的頻譜能量密度就會變成很大。這個特性可以同時應用到本發明的類相對論輻射上。
在習知技術中，近光速的帶電粒子(通常為電子)係由大型昂貴之粒子加速器系統所形成，波盪器或偏轉磁鐵等輻射裝置亦為厚重昂貴之組件。再者，操作或使用相對論輻射裝置時，操作員或使用者有可能暴露在x射線及γ射線的危害環境中，尤其傾卸相對論帶電子粒子時必須特別小心輻射危險。多數的相對論輻射設施都有嚴格、厚實的輻射屏壁，且多是國家級的貴重實驗設施。
本發明之第一可貴之洞悉點在於辨知一電線中電荷密度波或一交變電訊號可以以近於光速的速度在電線中傳輸，並可自一適切設計之天線上輻射出去。這種接近光速傳輸的電荷波雖然不具質量，其輻射效果應該具備相對論輻射特性。
本發明之一第二可貴洞悉處在於：若一在一導線上攜帶一淨電荷的電流脈衝可以形成，則該電流脈衝或一脈衝式電荷波就可沿該導線以近於光速傳輸，就如同一在自由空間上運動之真實相對論電荷脈衝，其中淨電荷脈衝波無質量，因此在本發明中被稱為一「類帶電粒子」。一具習知天線上的電流訊號具有正負週期，因此在整個導線上平均之後的電流訊號並不包含淨電荷。這與本發明中具有淨電荷、已接近光速傳輸的電荷 脈衝波有基本的不同。由一移動近於光速之類帶電粒子所產生的輻射在本發明中被稱為「類相對論輻射」。
就理論精神而言，由正負類帶電粒子發出之類相對論輻射只在輻射場的正負極性上有差異；在實際運作上，產生帶正電的類帶電粒子較為容易，其方式係藉由短脈衝雷射自一導線中擊出短群電子，形成導線上帶正電的電荷脈衝波、即帶正電的類帶電粒子。此一正類帶電粒子可在導線上以近於光速傳輸，如同一正相對論帶電粒子(一正電子或質子)於真空中傳輸般。在本發明的方案中，一短脈衝雷射藉由光輻射自一天線導線中擊出電子，以創造該種近於光速之正類帶電粒子而傳輸於一經結構化之天線導線上，以發射出該類相對論輻射。對一測量輻射之觀測者而言，一無質量之類帶電粒子產生之輻射與一無質量之真實帶電粒子所產生者無異，只要該兩種粒子所攜帶之電荷量相同，且以相同速度沿相同路徑移動。以電動力學理論觀之，質量並不在計算電荷所產生之輻射理論公式裡。在本發明的一實施例中，類同步輻射可藉激發一在天線導線上之類帶電粒子的方式產生，且該天線導線係指被彎曲成一模仿橫跨於一偏轉磁鐵之相對論電荷之路徑的弧度。繞射輻射可藉激發一天線導線上之類帶電粒子的方式產生，且該導線與類帶電子粒子係指傳輸通過一孔徑者。本發明之另一實施例係***一攜帶類帶電電荷之直導線於一波盪器之軸上，其中類帶電粒子在導線上呈現小振幅之顫動移動，同時在波盪器軸上沿該直導線已接近光速傳輸、並以公式(2)發射相對論輻射。本發明之類似實施例為軸上設有攜帶類帶電粒子之導電線的史密斯-菩賽爾光柵、行波管、及返波振盪器。本發明不需使用昂貴、複雜的粒子加速系統，並且不需要在一輻射遮蔽區域中操作相對論輻射的機器。
本發明相對於習知技術有其明顯優點，其能降低產生相對論輻射之成本與複雜度，故本發明之用意在於揭露一種產生相對論輻射之新方案與設備，藉以克服上述習知技術的缺點。
本發明之一態樣為一種輻射天線系統，其使用一攜帶一類帶電粒子之導線以產生一類相對論輻射。該輻射天線系統包含一雷射激發 單元、一類帶電粒子產生單元、及一輻射產生單元。該雷射激發單元提供一短雷射脈衝，以自該類帶電粒子產生單元中一經結構化導線之一光陰極點或一光電子發射器擊出電子，並產生一快速移動、被稱為一類帶電粒子之淨電荷的脈衝式電荷波，以自該輻射產生單元產生一輻射，且該輻射具有類似於一真實相對論電荷產生者之輻射特性。
更佳的做法是：該雷射激發單元之雷射光子能量高於該類帶電粒子產生單元中之光電子發射器的功函數。
更佳的做法是：該雷射激發單元的脈衝長度短於該輻射產生單元之設定輻射波長。
更佳的做法是：一在類帶電粒子產生單元中的雷射脈衝入射至導線上的一單點上以產生一單一類帶電粒子在該導線上傳輸。若為具重覆雷射脈衝者，則重覆類帶電粒子可依序被激發於該導線上，其中該雷脈衝與類帶電粒子的重覆率同於該輻射產生單元中的所設定的電磁輻射頻率、或等於該設定電磁輻射頻率之次諧波頻率之一。
就產生一類帶電粒子串列之另一態樣言，類帶電粒子產生單元之一雷射脈衝以被分束為複數個沿導線入射的陣列點，以同時產生一類帶電粒子串列傳輸於導線上，其中相鄰之類帶電粒子之間隔距離為一等於該輻射產生單元中設定之輻射波長、或其整數倍。
更佳的做法是：輻射產生單元中的結構化導線係選自由下列構成之群組之一：一彎曲導線、一環狀導線、及一直導線。
更佳的做法是：輻射產生單元中的導線為一沿相對論輻射裝置之軸向設置之一直線者，其中該等相對論輻射裝置包含一波盪器、一史密斯-菩賽爾光柵、一行進波管、一返波振盪器、及一繞射孔徑。
就本發明之使用光子能量低於光電子發射器之功函數的雷射激發源而言，經由多光子電子發射效應，高雷射強度仍然可以自光電子發射器上激發出電子，若要增加電子發射效率，可以安裝一具有負偏壓之光電發射陰極(光陰極)置於類帶電粒子產生單元之中，以透過蕭特基效應促成高效率的多光子電子發射。
本發明之一另外態樣為：類帶電粒子產生單元與輻射產生單元中的導線被安裝於真空中以促進光電子的發射，並藉以避免類帶電粒 子被空氣中的電荷中性化，同時也可避免所產生之輻射被空氣分子吸收。
本發明之其它目的與優點將配合圖示說明如下。
11‧‧‧粒子加速器
12‧‧‧帶電粒子
13‧‧‧真空傳輸管
14‧‧‧輻射產生單元
21‧‧‧雷射激發單元
22‧‧‧類帶電粒子產生單元
211‧‧‧雷射源
212‧‧‧雷射聚焦裝置
213‧‧‧短雷射脈衝
214‧‧‧高強度雷射脈衝
222‧‧‧光電子發射器
223‧‧‧導線
224‧‧‧電子發射
225‧‧‧類帶電粒子
226‧‧‧脈衝式電荷波
232‧‧‧輻射產生單元
238‧‧‧輻射產生單元
240‧‧‧輻射產生單元
1215‧‧‧雷射準直器
1217‧‧‧準直雷射束
1219‧‧‧分光器
1221‧‧‧雷射光束
1223‧‧‧雷射光束
1225‧‧‧反射鏡
1227‧‧‧干涉條紋
1229‧‧‧導線
1233‧‧‧類帶電粒子串列
1246‧‧‧後續輻射產生單元
1250‧‧‧窄線寬類相對論輻射
2322‧‧‧曲率
2324‧‧‧電磁輻射脈衝
2326‧‧‧阻抗網路
2382‧‧‧孔徑
2384‧‧‧薄材料板
2386‧‧‧反向電磁脈衝
2387‧‧‧正向電磁脈衝
2388‧‧‧阻抗網路
2400‧‧‧合一單元
2406‧‧‧輻射
2424‧‧‧薄導線
2426‧‧‧輻射
2428‧‧‧阻抗網路
2440‧‧‧環狀導線
2442‧‧‧電子
2444‧‧‧類帶電粒子
2446‧‧‧同步輻射
本發明將配合下列圖式進行說明，該等圖式分別為：第一圖 為一習知相對論輻射設備之示意圖，其中一粒子加速器11將經加速之帶電粒子12入射至一與一輻射產生單元14相接之真空傳輸管13中，且該輻射產生單元通常係選自於一波盪器、一偏轉磁鐵、一繞射孔徑、一穿越輻射箔、一史密斯-菩賽爾光柵、一行波管、及一返波振盪器等；第二圖 為本發明之第一較佳實施例，為一產生偏轉磁鐵狀輻射之天線系統；第三圖 為本發明之第二較佳實施例，為一產生繞射狀輻射之天線系統；第四圖 為本發明之第三較佳實施例，為一產生史密斯-菩賽爾狀輻射之天線系統；第五圖 為本發明之第四較佳實施例，為一產生波盪器狀輻射之天線系統；第六圖 為本發明之第五較佳實施例，為一產生類似同步輻射之天線系統；及第七圖 為本發明之一產生一類帶電粒子串列之設備的較佳實施例。
本發明將配合下述實施例詳盡說明，但該等較佳實施例提出之用意僅止於說明，不代表本發明僅止於該等。
請參閱第二圖，其顯示本發明之第一較佳實施例，稱為「類偏轉磁鐵輻射」之一種輻射出類相對論輻射之天線系統。雷射激發單元21包含一雷射源211及一雷射聚焦裝置212。雷射源211發射出一短雷射脈衝213，其為雷射聚焦裝置212聚焦，並在進入一類帶電粒子產生單元22前變 成一高強度雷射脈衝214。
類帶電粒子產生單元22包含一光電子發射器或一與一導線223相接之光陰極222。在最簡單之例中，光陰極僅為一在導線之導電表面上的設定點，高強度雷射脈衝2114入射於光電子發射器222上，以激發電子發射224並產生一稱為類帶電粒子225的脈衝式電荷波而傳輸於導線223上。由於電子在導線中振盪，脈衝式電荷波226的振幅樣式可包含一具快速的正電荷峰值，且該峰值具有一與雷射脈衝214者相當之時間寬度。更佳的做法是，雷射脈衝213的光子能量大於光電子發射器222的功函數。更佳的做法是，光電子發射器222因便於光電子發射之故而設於真空中。更佳的做法是，光電子發射器222裝設於一正偏的陽極電極接近處，以透過蕭特基效應提升光電子發射器222產生光電子。導線223延伸入輻射產生單元232中，並具有一彎曲半徑。沿導線傳輸之類帶電粒子225沿曲率2322之切線方向發射電磁輻射脈衝2324，且係以類似於一真實帶電粒子橫越一偏轉磁鐵所發射出輻射之方式呈現。最後，類帶電粒子225被引導入導線223的一阻抗網路2326中。當阻抗網路2326與導線223的阻抗批配時，類帶電粒子225在無反射情況下被吸收至阻抗網路2326中。若類帶電粒子需要在返向上再次被使用時，則可將阻抗網路2326設計成阻抗不匹配，導致類帶電粒子的反射再利用。
請參閱第三圖，其為本發明之第二較佳實施例，稱為「類繞射輻射」類相對論輻射天線系統。首先，雷射激發單元21發射出一高強度雷射脈衝214以激發一類帶電粒子225傳輸於類帶電粒子產生單元22中的導線223上，其中帶有類帶電粒子225之導線223被從輻射產生單元238中一薄材料板2384上的孔徑2382中拉出，該材料板可為導電或非導電。當類帶電粒子225穿過孔徑2382時，一週期相當於類帶電粒子長度之反向電磁脈衝2386及正向電磁脈衝2387自材料表面2384輻射出來，成為繞射輻射。為讓繞射輻射效率增加，孔徑2382的直徑大小較佳者應該小於類帶電粒子225的長度。最後，類帶電粒子225被引導進入阻抗網路2388中。
請參閱第四圖，其為本發明之第三較佳實施例，稱為「類史密斯-菩賽爾輻射」天線系統。首先，雷射激發單元21發射出一高強度雷射脈衝214以激發一類帶電粒子225傳輸於類帶電粒子產生單元22中的導 線223上，其中帶有類導電粒子225之導線223延伸入一輻射產生單元240中，其中一折皺光柵表面2402被設於導線2404旁，且折皺光柵表面2402散射類帶電粒子225的電場，並產生一輻射2406類似於真實帶電粒子飛越一光柵上方時所產生的史密斯-菩賽爾輻射。更佳的做法是類帶電粒子的長度小於輻射波長，以利相干輻射的產生。最後，類帶電粒子225被引導進入阻抗網路2408中。
請參閱第五圖，其為本發明之第四較佳實施例，稱為「類波盪器輻射」天線系統。首先，雷射激發單元21發射出一高強度雷射脈衝214以激發一類帶電粒子225傳輸於類帶電粒子產生單元22中的導線223上，其中帶有類帶電粒子225之導線223延伸入一輻射產生單元242中，並穿過輻射產生單元242中一波盪器2422之中心軸。在波盪器的交變磁場下，類帶電粒子在傳輸導線2424上形成蛇行式移動，以產生一輻射2426類似真實相對論電荷穿過一波盪器之輻射。其輻射波長可以輕易地從波盪器輻射公式(2)中得到。為能得到相干輻射，更佳的做法是，類帶電粒子之長度小於輻射波長。最後類帶電粒子225被引導進入阻抗網路2428中。
請參閱第六圖，其為本發明之第五較佳實施，稱為「類同步輻射」天線系統。在本較佳實施例中，類帶電粒子產生單元及輻射產生單元被合併為一2400。首先，雷射激發單元21發射出一高強度雷射脈衝214以自一環狀導線2440中擊出電子2442，並同時激發兩個在其上反向旋轉之類帶電粒子。為清楚表示，只有一個逆時針方向旋轉的類帶電粒子2444被顯示於圖式中。在旋轉移動中，類帶電粒子沿環狀導線2440的切線方向發射出輻射2446，其與一真實電荷沿一具偏轉磁鐵之真空環的切線方向所發出的同步輻射類似。
請參閱第七圖，其為本發明之雷射激發系統及類帶電粒子產生系統之一較佳實施例。該較佳實施例能產生複數個類帶電粒子或類帶電粒子串列1233於一導線1229上，以供後續輻射產生單元1246產生一窄線寬的類相對論輻射1250。
首先，雷射源211發射出一短雷射脈衝213、該雷射脈衝進入一雷射準直器1215以產生一準直雷射束1217。更佳的做法是，雷射準直器1215包含一圓柱體透鏡，以將雷射束沿y軸聚焦。準直雷射束1217入射 於一分光器1219(以光柵為例顯示於第八圖中)上，其將雷射分光為二、形成相對於雷射源211軸向夾角為±θ的兩道光束1221,1223。兩反射鏡1225對該兩道光束形成反射、並再結合、形成與軸夾θ'之兩道互相干涉的雷射束1221,1223，以在導線1229上形成干涉條紋1227。亮紋自導線1229上擊出電子1231，以產生與該等亮紋疊合、並傳輸於導線1229上的類帶電粒子串列。兩相鄰類帶電粒子的間距等於λ/sinθ'，其中λ為雷射源211的波長；故傳輸中之類帶電粒子頻率可透過旋轉反射鏡1225、改變參數θ'的方式獲得調整。為能得到較高的能量頻譜密度，更佳的做法是，傳輸中類帶電粒子的頻率等於輻射產生單元1246中設定的電磁輻射頻率、或等於該設定電磁輻射頻率之次諧波頻率之一。
本發明已以目前所認為最實用之較佳實施例說明如上，但本發明不僅限於該等已經揭露之實施例，反當以其符合本發明精神之最大解讀範圍視之，期能包含其所對應之各種變體與類似結構。
11‧‧‧粒子加速器
12‧‧‧帶電粒子
13‧‧‧真空傳輸管
14‧‧‧輻射產生單元

Claims (10)

  1. 一種輻射天線系統，包含：一雷射激發單元，用以發射一雷射脈衝；一類帶電粒子產生單元，接受該雷射脈衝，從一導線上之光電子發射器誘發光電子發射，產生一帶淨電荷之脈衝式電荷波、稱為類帶電粒子，在該導線上迅速傳播；及一輻射產生單元，包含該攜帶類帶電粒子之導線於內，以朝向一輻射檢測器的物件移動並產生一由該輻射檢測器收集之類相對論電磁輻射。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該雷射激發單元包含一雷射源，用以產生雷射脈衝，且該雷射脈衝之光子能量及強度足以從該類帶電粒子產生單元之光電子發射器誘發單光子或多光子電子發射。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該類帶電粒子產生單元之光電子發射器接受雷射激發單元之雷射脈衝激發，在該導線上產生一類帶電粒子串列，且該類帶電粒子串列中的粒子重複率同於該輻射產生單元中的所設定的電磁輻射頻率、或等於該設定電磁輻射頻率之次諧波頻率之一。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之類帶電粒子產生單元，其中該類帶電粒子串列係由以該雷射激發單元之一雷射脈衝分光產生之一第一及一第二雷射光束重疊干涉、形成複數個干涉條紋照射該導線、且沿該導線軸向誘發具有空間週期的光電子發射產生。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該類帶電粒子產生單元之光電子發射器包含一陽極、鄰近於雷射照射點的光陰極，該陽極相對於光陰極施有一正偏壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該輻射產生單元為一經結構化之導線，且該經結構化導線係由一包含一彎曲導線、一環狀導線及一直導線中選出。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該輻射產生單元為一攜帶類帶電粒子導線穿過一薄片材料之孔洞所形成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該輻射產生單元為一攜帶類帶電粒子導線穿過一波盪器所形成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該輻射產生單元為一攜帶類帶電粒子導線緊鄰一片光柵所形成。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之輻射天線系統，其中該類帶電粒子產生單元、或輻射產生單元設置在真空中。
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