CN104617482A - 一种激光微焦点等离子体Kα射线源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光微焦点等离子体K_α射线源，本发明包括真空靶室系统，由真空管道连接的机械泵、分子泵；机械泵作为前级，分子泵通过法兰口与靶室相连；所述电磁辐射屏蔽层为圆筒形聚四氟乙烯层,通过螺栓固定于真空靶室壁；所述激光束聚焦装置为一块F/3离轴抛物镜，放置于真空靶室内固定底座上。靶运动系统，由六维步进电机和靶架组成，靶架位于靶室中心,望远瞄准系统中轴线上。望远瞄准系统，由一台长焦距望远镜以及可见光CCD组成，通过转接法兰连接到真空靶室上。电子束偏转装置为一块环形稀土永磁铁，位于在靶架之后,样品台之前。

Description

一种激光微焦点等离子体Kα射线源

技术领域

本发明涉及一种超快高亮度微焦点K_α射线源，具体涉及基于高对比度飞秒或皮秒激光脉冲与金属纳米丝阵列复合靶相互作用的方式产生高亮度微焦点K_α射线源，它可以作为高性能X射线源用于高能量密度物理，材料动态冲击波加载以及生物医学等领域的探测、诊断。

背景技术

超快微焦点激光与靶相互作用可以产生短脉冲X射线源，这种源具有时间束团尺寸小（与激光束腰直径相当，约数十微米左右）、发散度小（毫弧度量级）、能量可调（优化激光-靶参数的情况下，依需要可在数KeV到几MeV之间变化）等优点，因而在以下方面有十分巨大的应用前景：1)通过X射线短脉冲衍射探测物质受冲击波压缩时材料的晶格变化行为；2)探测时间分辨非常快的现象，对材料的物理、化学过程的瞬态动力学问题进行测量和研究；3)观察物质的重新排列、化学变化或者结构变化时分子运动或分子团运动，如：冲击波压缩引起的相变、熔化；4)探测分子或者原子之间的距离，及其受加热、冲击时引起的变化；5)利用硬X射线能进入高Z材料的特点，通过X射线照相和吸收光谱等方式，探测高Z材料内部特性。这种新型的超快微焦点X射线源研究引起了世界各国科学家的极大兴趣。

在先技术[1]：1999年美国里弗莫尔国家实验的M.D.Perry等人展示了利用大能量短脉冲激光与固体靶作用产生应用于稠密物质透视照相的短脉冲X射线束的可行性。在M.D.Perry等人的实验中, 大能量短脉冲激光束（300焦, 460飞秒, 1054纳米）聚焦到厚度为0.5毫米的金靶上，在金靶中所产生的高能超热电子在金靶后的约2毫米厚的铜靶架内产生可用于闪光照相的X射线。从2009年开始，基于超高强激光等离子相互作用产生的X射线源在瞬态过程诊断方面已经开始得到初步的应用。

在先技术[2]：2009年，法国LULI实验室的E. Brambrink等人在Physical review E上面报道了利用激光驱动的X射线源对冲击波界面的瞬态测量实验。他们利用一束能量为400J的ns激光辐照在固体靶上产生冲击波，再利用一束40J的飞秒激光与等离子作用产生的超快微焦点X射线源对冲击波界面进行透视照相，获得了比较清晰的图像。

在先技术[3]：2010年，美国利弗莫尔国家实验室报道了他们在OMEGA EP装置上进行的康普顿背光照相实验结果。他们利用1kJ，10ps的超短激光脉冲与固体靶作用产生的背光X射线源，获得了空间分辨为10微米的快点火压缩过程的背光图像。

超高强激光与等离子体相互作用是一个复杂的多尺度的物理过程。在诸多激光等离子体参数中,由于激光脉冲压缩和聚焦过程并不是理想化的，因此激光预脉冲状态和聚焦情况存在很大的不确定性,在纵向和横向尺度上影响激光等离子体相互作用过程。其中，超强激光固有的预脉冲足以电离靶材料产生预等离子体，因此会造成主脉冲到达时等离子体状态的改变，进而影响X射线源的空间尺寸。另外，激光产生的超热电子束具有很大的发散角，因此，在靶内传输一段距离之后，将形成很大的X射线发射区，不利于高分辨照相过程。特别是，对于普通的X射线源所采用平面薄膜靶，超热电子被靶前后的鞘电场多次反射，也不利于微焦点X射线源的形成。

为了更快地实现光源的实际应用，解决上述问题，研究人员提出了各种方法，以提高源的亮度和源的空间尺寸，但是大多数情况下，高亮度和小尺寸不能同时满足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光微焦点等离子体K_α射线源。

本发明旨在产生超快高亮度微焦点X射线源，采用高对比度飞秒或者皮秒脉冲激光辐照金属纳米丝阵列靶。

本发明要的激光微焦点等离子体K_α射线源，包括真空靶室系统，电磁辐射屏蔽层，激光束聚焦装，靶运动系统，望远瞄准系统,电子束偏转装置，样品台,成像记录设备。真空靶室系统，由真空管道连接的机械泵、分子泵组成，机械泵作为前级，分子泵通过法兰口与靶室相连；所述电磁辐射屏蔽层为圆筒形聚四氟乙烯层,通过螺栓固定于真空靶室壁；所述激光束聚焦装置为一块F/3离轴抛物镜，放置于真空靶室内固定底座上，离轴抛物镜的中心高度与光束中心高度相同, 焦平面通过在靶运动系统所包含的靶架上。靶运动系统，由六维步进电机和靶架组成，靶架位于靶室中心,望远瞄准系统中轴线上。望远瞄准系统，由一台长焦距望远镜以及可见光CCD组成，通过转接法兰连接到真空靶室上，望远瞄准系统的中轴线与电子束偏转装置的中轴线垂直。电子束偏转装置为一块环形稀土永磁铁，位于在靶架之后,样品台之前,电子束偏转装置的中心线与激光传输方向成一定夹角，磁铁的中心高度与光束中心高度重合。样品台为三维电控平移台。成像记录设备安装在样品台后方的靶室上，通过法兰与靶室连接。靶架、磁铁、样品台、成像记录设备共轴。

本发明的激光微焦点等离子体K_α射线源的工作过程为:

激光脉冲经过聚焦系统到达靶面时，将在靶的趋肤深度内被大量吸收，通过共振加热、有质动力等机制加速电子，形成超热电子束团。该束团向靶内进一步传输，产生X射线。本发明中，如图１所示，高对比度的短脉冲强激光（相应的激光功率密度为10¹⁸-10¹⁹W/cm²，对比度10⁸-10⁹）,进入真空靶室后经过聚焦系统聚焦于纳米丝阵列靶。激光与纳米丝结构相互作用产生大量的超热电子。由于激光的高对比度，纳米丝阵列结构在激光主脉冲到达之前可以保持较长时间而不被激光破坏。此时纳米丝阵列所具有的亚波长结构将增强纳米丝顶部的局域电磁场，增加激光的吸收。同时，纳米丝还具有增强的比表面积，从而增加X射线光子的数量，另一方面，纳米丝内部建立起一个强大的磁场，激光与吸收层相互作用所产生的大量超热电子将在电场和磁场的作用下将被束缚在纳米丝附近的真空中并沿着纳米丝的方向运动，形成准直性良好的超热电子束。该电子束沿着激光方向传播。超热电子与原子核外电子发生非弹性碰撞，原子核最内层的K壳层电子被打掉，变成自由电子。此时，位于高能级的L层电子有一定的概率向下跃迁，放出光子，考虑到L层有若干子能级，因此，将形成K_α，K_βX射线。K_β射线的跃迁几率比K_α小得多，因此将主要形成４π发射的单色K_α源。利用该性质，将电控样品台对靶进行旋转，放置在偏离激光传输方向的地方，避免轫致辐射产生硬Ｘ射线的影响。为了避免超热电子束直接打在样品上，在靶后处放置一个环形稀土永磁铁。被环形磁铁偏转的电子束由真空靶室的聚四氟乙烯辐射屏蔽层吸收，避免电子束在真空靶室内散射形成强电磁辐射。最终将激发出空间分布极小的微焦点射线源。获得的微焦点射线源可对样品台上的样品进行点投影照相。照相的放大倍率电控样品台进行调节。照相结果由放置在真空靶室外的记录介质进行记录（Ｘ射线CCD或IP板）。

本发明具有如下特点：

高亮度。金属纳米丝阵列复合靶的使用，能够明显提高激光的吸收效率，从而使得产生的K_α光子的数量更高，有利于提高源的亮度。从实际测量的结果来看，亮度比先技术提高了3-7倍；

单色性。现有技术一中的X射线源利用的是电子轫致辐射发射的X射线，不具有单色性。本发明中的X射线主要来自于K_α线发射机制，因此具有天然的单色性。不同的光子能量可通过激光与不同的材料如金、银、铜等相互作用的方式进行选择；

源尺寸小。点源投影照相的图像空间分辨率在很大程度上取决于源的大小。现有技术一中，X射线的产生来自于轫致辐射，因此要获得高亮度的X射线源，靶必须有很大的厚度，一般的几十至一百微米。考虑到电子在材料中的输运会导致电子束的横向发散，因此，X射线源的空间尺度很大。使用纳米丝阵列复合靶后，由于纳米阵列中存在的电磁场结构可以有效地准直超热电子，从而有效地产生微焦点射线源；

时间分辨率高。飞秒激光或者皮秒激光与普通平面金属靶产生的K_α射线源的脉冲宽度一般为1—10皮秒，可以探测纳秒时间尺度以下的动态过程，如材料学研究中冲击波加载的过程乃至动态晶体结构研究。本发明所用靶材为包含纳米丝阵列结构，该结构可以减少一部分靶内多次反射的超热电子，使得所产生K_α射线源源的时间尺度比激光与普通平面靶相互作用方式所产生源的脉冲宽度有了显著缩短。源的脉冲宽度可以小于1皮秒；

低成本。本发明所涉及技术经过高功率激光装置验证完全可行。考虑到产生K_α射线的的功率密度要求不高，1018-1019W/cm2即可满足要求。目前成熟的商业重频太瓦级激光器完全能满足需求，在采用可移动的靶组件后，可以实现10Hz重频射线源。与现有技术相比，将极大地减小设备采购与维护成本。

附图说明

图1是激光微焦点K_α射线源装置示意图；

图2是金属纳米结构靶结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

激光脉冲到达靶面时，将在靶的趋肤深度内被大量吸收，通过共振加热、有质动力等机制加速电子，形成超热电子束团。该束团向靶内进一步传输，产生X射线。本发明中，高对比度的短脉冲强激光（相应的激光功率密度为10¹⁸-10¹⁹W/cm²，对比度10⁸-10⁹）与纳米丝阵列靶相互作用产生大量的超热电子。由于激光的高对比度，纳米丝阵列结构在激光主脉冲到达之前可以保持较长时间而不被激光破坏。此时纳米丝阵列所具有的亚波长结构将增强纳米丝顶部的局域电磁场，增加激光的吸收。同时，纳米丝还具有增强的比表面积，从而进一步增强吸收。另一方面，纳米丝内部建立起一个强大的磁场，激光与吸收层相互作用所产生的大量超热电子将在电场和磁场的作用下将被束缚在纳米丝附近的真空中并沿着纳米丝的方向运动，形成准直性良好的超热电子束。该电子束到达金属荧光层时，将激发出４π发射的微焦点射线源。

激光为高对比度短脉冲激光，激光的信噪比大于10⁸，聚焦激光功率密度为10¹⁸W/cm²—10¹⁹W/cm²。

如图1所示，钕玻璃激光器输出的皮秒光束经过离轴抛物面镜103入射到靶室内101并聚焦靶运动系统104控制的靶面上，输出能量为100焦耳，相应的功率密度为10¹⁸-10¹⁹W/cm²。为了避免预脉冲纳米结构被破坏，我们采用高对比度激光（对比度10⁸）照射铜纳米丝阵列靶。在真空靶室的正中心放置靶架。由靶控制系统控制靶架的运动，使得激光与靶面的法线方向成夹角入射，极化方向为S极化。在这光路调整过程中，采用小能量激光。使用望远显微系统105来对靶面的光学焦斑进行监测，选择最佳的聚焦位置。调整后，光学焦斑为12微米。通过控制步进电机让靶架沿着某一方向运动，让激光弹着点位于新鲜的靶面以产生K_α源。

如图2所示，纳米丝阵列靶通过在2—5微米厚铜衬底上使用电镀工艺生长，纳米丝阵列的长度可以控制在10微米到30微米之间，直径为200纳米，丝间间距控制在200纳米左右。其它金属材料，包括金、银等材料，也采用相同工艺制备。靶为圆形金属薄膜荧光层以及同质金属纳米线阵列201以及非金属独立支撑结构202，靶材料为铁、铜、镍、银中任意一种；荧光层的厚度L为3-5微米，直径为3毫米，纳米丝的直径为200纳米,纳米丝之间的间距d和纳米丝的长度Ｈ为：200纳米≤d≤800纳米；10微米≤H≤100微米。在本实施例中，采用了20微米铜纳米丝阵列复合靶，此外，为了进行比较，我们采用了5微米厚的铜金属薄膜靶。

电控样品台放置在偏离激光传输方向45°以避免轫致辐射产生硬Ｘ射线的影响。 同时，在靶后10毫米处必须放置一个3000Ｇ的环形稀土永磁铁106。 偏转的电子束由真空靶室的上4毫米厚的聚四氟乙烯辐射屏蔽层102吸收，避免电子束在真空靶室内散射形成强电磁辐射。

整个源的空间分布使用编码照相方式记录，即在电控样品台107上放置编码孔。编码孔由激光钻孔机在金属钽片上制成。钽片的厚度为50微米，纯度为99.99%。孔的直径微米，记录介质采用单光子计数CCD108，单光子CCD也可以工作在非单光子计数模式下，在本实例中，CCD工作在非单光子计数模式下。从源区发射的光子，经过编码孔形成编码像，编码像由亮区、半影区和本底组成。由编码像经过图像反演得到源的亮度分布，在本实例中，得到的K_α射线源的大小为33-40微米，仅为激光焦斑的2-3倍。将编码孔替换为分辨率板进行源分辨率测试，该测试表明源点投影照相时的空间分辨率至少可以达到50微米（调制度为0.6）。去除编码成像设备，在相同激光与靶参数下采用相同单光子计数CCD进行K_α光子绝对产额测量，纳米丝阵列靶的K_α光子产额是普通平面靶的3倍。

激光为高对比度短脉冲激光，激光的信噪比大于10⁸，聚焦激光功率密度为10¹⁸W/cm²—10¹⁹W/cm²。

实施例2

将上述实例中的纳米阵列复合靶的纳米丝长度增加至20微米，同时改为使用掺钛蓝宝石激光器作为激励源和上述靶材相互作用。激光脉冲宽度为25fs，能量为1J，光学焦斑为7微米。K_α光子产额仍然较高，激光—光子的转换率可达3×10^-4，是普通平面靶的3倍，同时K_α射线源尺寸小于20微米。

Claims (3)

1.一种激光微焦点等离子体K_α射线源，包括真空靶室系统、电磁辐射屏蔽层、激光束聚焦装置、靶运动系统、望远瞄准系统、电子束偏转装置、样品台、成像记录设备；其特征在于：所述真空靶室系统，由真空管道连接的机械泵、分子泵组成，其中机械泵作为前级，分子泵通过法兰口与靶室相连；所述电磁辐射屏蔽层为圆筒形聚四氟乙烯层,通过螺栓固定于真空靶室壁；所述激光束聚焦装置为一块F/3离轴抛物镜，放置于真空靶室内固定底座上，离轴抛物镜的中心高度与光束中心高度相同,焦平面通过在靶运动系统所包含的靶架上；所述靶运动系统，由六维步进电机和靶架组成，靶架位于靶室中心,望远瞄准系统中轴线上；所述望远瞄准系统，由一台长焦距望远镜以及可见光CCD组成，通过转接法兰连接到真空靶室上，望远瞄准系统的中轴线与电子束偏转装置的中轴线垂直；所述电子束偏转装置为一块环形稀土永磁铁，位于在靶架之后,样品台之前,电子束偏转装置的中心线与激光传输方向成一定夹角，磁铁的中心高度与光束中心高度重合；所述样品台为三维电控平移台；所述成像记录设备安装在样品台后方的靶室上，通过法兰与靶室连接；靶架、磁铁、样品台、成像记录设备共轴。

2.根据权利要求1所述的激光微焦点等离子体K_α射线源，其特征在于还包括：激光为高对比度短脉冲激光，激光的信噪比大于10⁸， 聚焦激光功率密度为10¹⁸W/cm²—10¹⁹W/cm²。

3.根据权利要求1所述的激光微焦点等离子体K_α射线源，其特征在于还包括：靶为圆形金属薄膜荧光层以及同质金属纳米线阵列以及非金属独立支撑结构，靶材料为铁、铜、镍、银中任意一种；荧光层的厚度L为3-5微米，直径为3毫米，纳米丝的直径为200纳米,纳米丝之间的间距d和纳米丝的长度Ｈ为：200纳米≤d≤800纳米；10微米≤H≤100微米。