CN1364048A - 激光等离子体x射线源 - Google Patents

Abstract

一种激光等离子体X射线源,适用于X射线的成像、探测和诊断,能够产生亚皮秒X射线。包括激光光源和真空靶室。激光光源发射的激光束穿过真空靶室的窗口射到置于真空靶室内的平面反射镜上,平面反射镜反射的激光束由离轴抛物面反射聚焦镜经过固体靶组件中的前向光阑聚焦到带状靶材上。置于真空靶室内的固体靶组件中带状靶材一端固定于主动轮上,绕过第一辅动轮、锥孔X光阑、第二辅动轮,盘绕在被动轮上。由同步信号发生器同时控制步进电机和激光光源。步进电机驱动主动轮转动,带动带状靶材移动。本发明与在先技术比,具有普遍适用性。适用长脉冲或短脉冲和各种波长,具有稳定性好、成本低、高相干度和高分辨率。分辨率比在先技术提高了10倍。

Description

激光等离子体X射线源

技术领域：

本发明是关于一种激光等离子体X射线源，它可作为小型X射线源应用在对精度和X光强度、空间相干度都有一定要求的X射线的成像、探测和诊断中。并且适用于采用超短激光泵浦源来产生亚皮秒X射线。

背景技术：

在先技术[1]：利用强激光与高原子系数(Z)元素固体靶(目前主要是金箔靶)相互作用产生X射线。这种研究是个很活跃的领域，各国物理学家均进行过这方面的研究。比较有代表性的是美国人D.R.Kania和H.Kornblum等所作的以激光与金箔靶作用产生的高能高密度等离子体作为工作物质产生X射线(发表文章见Physical Review A，46(12)，7853-7868，1992)。他们在实验中泵浦激光波长为1.06微米，脉宽为1纳秒，脉冲能量为6500焦耳。经过倍频晶体磷酸二氢钾(KDP)倍频，再聚焦和随机改变位相后，实际入射激光波长为0.53微米，脉宽1纳秒，脉冲能量为3600焦耳。聚焦后的激光斜入射到金箔靶上，并利用背向出射的X射线进行成像及诊断。此装置造价较低、结构简单、排布紧凑、稳定性好，还可以达到较高的亮度，可以应用于对曝光量和光源相干度要求不高的场合。但是在这类装置中只注重X光辐射的强度、能谱分布等指标，对光源的空间展宽没有进行有效的控制，使出射光束的空间相干度低，不能满足高分辨率成像的要求。另外一个很重要的不足是金属箔靶材在与强激光作用过程中总会被不断消耗，到一定时间后将无法产生X射线，因此它不可能实现X光的连续稳定输出。这种情况下若频繁更换靶材也必然会使工作过程很烦琐，特别是如果相互作用过程是在真空靶室中进行，则每一次更换靶材总要伴随放气和抽真空的过程，因此这种光源要想用在对X光曝光量有较高要求的环境中还有相当长的距离。

在先技术[2]：中科院长春光机所的林景全等发明人进行过激光与冷冻靶作用作为X光源(发表文章见光学学报，18(6)，675-676，1998)。实验以固态CO₂作为靶材，用高真空微调阀控制进入靶室内的CO₂气体流量。在真空靶室中采用液氮作为冷却剂使吹入的CO₂气体凝结，形成固态CO₂靶。采用波长1.06微米，脉宽8纳秒，单次脉冲能量1焦耳的聚焦激光作为泵浦光源。由于此装置中的CO₂气体可不断补充，因此可以实现X射线的连续输出，而且在强激光脉冲的作用下可使靶材的碎片迅速汽化，避免由碎片产生的污染。但是在该装置中固态靶需要液氮的不断冷却，涉及到两种气体的循环过程，这就给装置的轻便小巧化带来一定困难。而且CO₂气体的冷凝过程及凝结形状不易控制，很难保证大部分靶面处于激光的焦斑范围内，这就造成X射线的转换效率低下，且无法控制出射X光的相干性和其它特性，使其在X光成像方面的工作中暂时不能有普遍的应用价值。另外它也同样存在光源展宽使X射线空间相干度不佳的问题。

由于在X光的成像诊断工作中，成像的分辨率是评价成像结果的决定性因素，因此要求到达记录介质上的X光必须具有较高的信噪比，这意味着记录介质上的曝光量有一个下限(参阅文献J.Opt.Soc.Am.A，7(10)，1847-1861，1990)。而在目前激光与等离子体相互作用产生X射线的工作中，X射线的转换效率还比较低，需要经过较长的曝光时间才能达到一定的X光输出能量，因此实现X光的稳定连续输出成为了X射线源成功的必要条件。同时，在理论上对X射线空间相干度与成像分辨率的定量关系的研究也表明，X射线空间相干度的降低也将导致成像分辨率的显著降低，(参阅文献OpticsCommunications，172，17-22，1999)。激光等离子体X光源可看作是源面上各点互不相干的热光源，减小光源的横向尺度可以有效提高输出X光的空间相干度，进而提高成像的横向分辨率。此外，飞秒量级的X射线源对于生物与分子化学等研究领域有着非常重大的意义，近年来随着激光技术的发展，目前最先进的激光器输出脉冲的脉宽已经达到了飞秒量级，功率也迅速提高到太瓦以上，产生飞秒X光的技术条件已经成熟。但在先技术中在激光聚焦前多采用的透射式光学元件会造成超短脉冲的严重展宽，同时导致聚焦后的激光打靶功率密度的下降，这是要获得超短X射线源所必须避免的。

综上所述，可以看出，使X射线源具有小的空间尺度和准连续输出对于X光成像诊断是至关重要的。同时，要获得超短脉宽的X射线源也要考虑到泵浦光的聚焦系统等光路问题。

发明内容：

本发明的激光等离子体X射线源，包括：激光光源1和真空靶室2。在真空靶室2内置有平面反射镜3、离轴抛物面反射聚焦镜4、固体靶组件5和步进电机6。如图1所示。所说的固体靶组件5含有带状靶材502，带状靶材502的一端固定在主动轮504上，绕过第一辅动轮503和第二辅动轮508之后盘绕在被动轮505上。在第一辅动轮503和第二辅动轮508之间的带状靶材502置于锥孔X光阑509入射孔5091的一面上，与锥孔X光阑509在同一中心轴线上，对着带状靶材502置有前向光阑501；上述固体靶组件5中的各个元件置于由底盘507固定在真空靶室2内的支架506上。如图2所示。所说的锥孔X光阑509的入射孔5091是置于离轴抛物面反射聚焦镜4的焦点上。所说的前向光阑501是置于离轴抛物面反射聚焦镜4的焦点之前。由激光光源1发射的激光束Gr穿过真空靶室2的窗口201射在置于真空靶室2内的平面反射镜3上。平面反射镜3反射的激光束经过离轴抛物面反射聚焦镜4聚焦在置于锥孔X光阑509入射孔5091上的带状靶材502上。所说的固体靶组件5中的主动轮504与置于真空靶室2内的步进电机6相连，步进电机6与置于真空靶室2外的同时与激光光源1连接7-1的同步信号发生器7相连。如图1所示。

所说的锥孔X光阑509的通光孔径是圆锥形，出射孔5092孔径D_出大于入射孔5091孔径D_入，即D_出＞D_入，如图2所示。入射孔5091的孔径D_入为1微米(μm)至30微米(μm)，即1μm＜D_入＜30μm。

本发明的X射线源如上所述的结构，如图1所示，从功能上可以划分为两大部分。第一部分包括泵浦激光光源1、真空靶室2，以及位于真空靶室2内的平面反射镜3和离轴抛物面反射聚焦镜4，这一部分用于提供聚焦打靶光源。第二部分包括固定于真空靶室2中心的固体靶组件5、步进电机6，以及位于真空靶室2外的分别与激光光源1连接7-1和与步进电机6连接的同步信号发生器7，这部分是实现与脉冲激光同步地连续更新靶材以及对激光与靶材作用后产生的X射线辐射区域的限制。其中固体靶组件5包括前向光阑501、带状靶材502、锥孔X光阑509、主动轮504、被动轮505、第一辅动轮503与第二辅动轮508、底盘507和支架506。

在第一部分中，激光光源1用于提供泵浦光源，它既可以是长脉冲(脉宽在纳秒量级)的各类激光器，也可以是采用啁啾脉冲放大技术的超短超强激光器(脉宽为皮秒或飞秒量级)。

上述X射线源的具体工作过程是：

从激光光源1输出的激光脉冲进入真空靶室2后经聚焦系统聚焦后与靶材相互作用。为了实现X射线源具有普遍适用性，即适用于不同脉宽和波长的激光束，采用了反射式聚焦系统。在真空靶室2内，平面反射镜3将进入到真空靶室2内的激光束反射到离轴抛物面反射聚焦镜4上，离轴抛物面反射聚焦镜4再把激光束经过前向光阑501聚焦在带状靶材502上。因为离轴抛物面反射聚焦镜4的光轴与从平面反射镜3反射来的激光束光轴平行。根据抛物面的性质，平行于光轴入射的光线将会聚在抛物面的焦点上。

第二部分中固体靶组件5中，在激光聚焦焦点前，放置有前向光阑501，它的孔径大小恰好允许会聚激光束完全通过，主要作用是防止激光与带状靶材502相互作用后产生的溅射物质污染真空靶室2和离轴抛物面反射聚焦镜4的镜面，同时也可以滤除杂散光。聚焦后的激光束与在焦点处的带状靶材502发生相互作用，产生高热高密度等离子体，加热电子并通过电子热传导加热冷的带状靶材502进而发射X光。在这里，本发明采用了固体靶，并将其加工为带状的薄膜材料，即带状靶材502。锥孔X光阑509的入射孔5091置于离轴抛物面反射聚焦镜4的焦点上，而带状薄膜的带状靶材502就置于锥孔X光阑509的入射孔5091上，也就是说入射孔5091上的带状靶材502就在焦点处。激光与带状靶材502相互作用所产生的X光只有通过锥孔X光阑509后才能为不同的诊断仪器所探测，其他区域的X光被锥孔X光阑509通光孔径以外的光阑材料吸收，即形成了具有极小面积的X光源。上面所述的为激光与带状靶材502相互作用的光路过程。下面叙述固体靶组件5中的机械传动过程以及控制系统。带状靶材502的一端固定在主动轮504上，绕过第一辅动轮503、锥孔X光阑509、第二辅动轮508后盘绕在被动轮505上。其中，主动轮504、第一辅动轮503、第二辅动轮508和被动轮505都是圆柱形的滑轮，是固体靶组件5中的传动部分。前向光阑501、锥孔X光阑509和传动部分以及传动轮504、503、508、505上盘绕的带状靶材502全部通过底盘507和支架506固定在真空靶室2内。步进电机6是和主动轮504同轴连接的，步进电机6的驱动由位于真空靶室2外的同步信号发生器7控制。对于高功率的激光光源1输出准连续的脉冲激光，同步信号发生器7同时也提供给激光光源1的触发信号。在同步信号发生器7触发激光光源1每输出两个脉冲光的间隙，它触发步进电机6转动，通过上述的传动部分带动带状靶材502移动一段距离，使得每个激光脉冲到来时始终与带状靶材502的不同部分发生作用，从而避免了连续打靶时带状靶材502的消耗问题。

本发明与在先技术X射线源相比，主要有以下几方面的优点：

1.有普遍适用性即普适性。本发明中的聚焦系统考虑了当前最新激光技术的进展，采用离轴抛物面反射镜聚焦可以同时适用于长脉冲和超短脉冲的泵浦激光光源，能够用于产生亚皮秒量级的X射线。此外，反射聚焦还与激光的波长无关，对于不同波长的激光的聚焦焦距相同。做到了对各种激光光源的普遍适用。而在先技术中采用的透射聚焦系统对于不同波长的泵浦激光光源是必须重新设计加工的。

2.准连续性。在先技术的普通激光—高原子系数(Z)金属箔靶X光源都存在靶材的消耗现象。这不仅使X光的输出持续时间受到限制，还使不能保证激光焦斑的能量密度最高处始终与金属靶表面相互作用。另外输出X光的光学性质也会随消耗的靶材形状的改变而改变，不能保证出射X光在时间域内的均匀。本发明通过步进电机驱动带状靶材移动，有效地克服了上述在先技术的缺陷，可实现X光的长时间准连续输出，且持续时间可以随意调节。在在先技术中激光等离子体X射线源的X射线转换率和成像记录介质灵敏度均不甚理想的条件下，通过连续曝光以使记录介质上获得较高的曝光量尤为重要。特别是如果希望定量研究曝光量与成像结果的关系，在先技术的X光源是无法达到这个目的。而本发明是能够做到的。

3.具有高相干度和高分辨率。本发明利用小孔压缩光源的横向尺度的方法，并可保证该尺度及光源空间位置在X射线连续输出时保持精确不变。显著地提高了出射X光的空间相干度及稳定性，使利用X射线源在普通实验室中进行高分辨率成像等成为可能。由于采用锥孔X光阑，分辨率比在先技术提高了10倍。

4.低成本。在先技术中靶材及部分外围设备的制备都比较困难，本发明所用所有部件都很容易加工和购买。所用的带状靶材可用镀铬磁带，也可以以普通磁带为基底，根据具体要求镀上各种不同原子序数的金属薄膜，其厚度及成分都可以随意控制，以产生具有不同强度及频谱特性的X光。其中锥孔X光阑509也比较容易加工。

5.稳定性好。本发明的主要部件都可以实现在一块底板上的集成，除移动靶系统外各元件间不会产生相对位移。而靶带上各点的厚度与成分都能保持均匀，也会使发光过程中各种随机的机械振动与在先技术中的相比较小，可保证X射线源的稳定输出和低故障率。而这些对较长的曝光时间和高分辨率的成像是非常重要的。

附图说明：

图1是本发明激光等离子体X射线源的示意图；

图2为图1中固体靶组件5的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示，采用飞秒激光器作为激光光源1，其光束的参数是：波长785nm，脉冲频率10Hz，脉宽50fs，单次脉冲能量100mJ，光束直径50mm。其输出的激光脉冲进入真空靶室2后被平面反射镜3反射到离轴抛物面反射聚焦镜4上聚焦到带状靶材502上。其中平面反射镜3的直径为100mm，离轴抛物面反射聚焦镜4的口径为50mm，焦距为150mm。在本例中，被聚焦的激光束真空聚焦焦斑直径小于20微米。经聚焦的激光束进入固体靶组件5中。在焦点前的前向光阑501距离焦点30mm，前向光阑501上的小孔直径为10mm，使激光刚好完全透过与带状靶材502相互作用。锥孔X光阑509是铝制的长方体，体积为5mm×10mm×10mm。锥孔X光阑509的通光孔是圆锥形，其中入射孔5091的孔径D_入＝20μm，出射孔5092的孔径D_出＝5mm。锥孔X光阑509的入射孔5091置于聚焦激光束的焦点处。通过锥孔X光阑509的X射线的成像质量接近理想的相干光源，较在先技术不加锥孔X光阑509的X光源提高一个量级。

前向光阑501、锥孔X光阑509和传动部分整体集成在面积为150mm×300mm，厚为10mm的平板形支架506上，并通过底盘507固定在真空靶室2内的中心上。同步信号发生器7发出10赫兹的脉冲信号，同时触发7-1激光光源1和步进电机6。步进电机6驱动直径为25mm，步距角1.5°/s的主动轮。电机每走一步驱动靶带走过的直线距离为 $25/2\×2\mathrm{\π}\×\frac{1.5}{360}\≈0.327\mathrm{mm}$

注意到激光的焦斑直径为20微米，因此即使考虑激光打靶时的溅射和热效应等复杂因素，这样的步长也可确保靶带上相邻两个靶点距离足够远，相互之间不会发生干扰。

每条带状靶材502的持续时间随靶带的总长度而改变。带状靶材502的材质和长度等都有多种可能性。普通磁带是一种很好的选择。以市售maxell镀铬磁带为例，磁带中所含金属铬可作为产生X射线的高Z物质。其总长度约为150米，持续时间可以达到

这么长的曝光时间可以使总的出射光强相当可观，足以满足一般情况下的成像和探测等使用的需求。

Claims (2)

1.一种激光等离子体X射线源，包括：

<1>激光光源(1)和真空靶室(2)，由激光光源(1)发射的激光束(Gr)穿过真空靶室(2)的窗口(201)射在置于真空靶室(2)内的平面反射镜(3)上；

其特征在于：

<2>真空靶室(2)内置有离轴抛物面反射聚焦镜(4)、固体靶组件(5)和步进电机(6)，由平面反射镜(3)反射的激光束射在离轴抛物面反射聚焦镜(4)上；

<3>所说的固体靶组件(5)含有带状靶材(502)，带状靶材(502)的一端固定在主动轮(504)上，绕过第一辅动轮(503)和第二辅动轮(508)之后盘绕在被动轮(505)上，在第一辅动轮(503)和第二辅动轮(508)之间的带状靶材(502)置于锥孔X光阑(509)入射孔(5091)的一面上，与锥孔X光阑(509)在同一中心轴线上，对着带状靶材(502)置有前向光阑(501)，上述固体靶组件(5)中的各个元件置于由底盘(507)固定在真空靶室(2)内的支架(506)上；

<4>所说的锥孔X光阑(509)的入射孔(5091)是置于离轴抛物面反射聚焦镜(4)的焦点上，所说的前向光阑(501)是置于离轴抛物面反射聚焦镜(4)的焦点之前；

<5>所说的固体靶组件(5)中的主动轮(504)与步进电机(6)相连，步进电机(6)与置于真空靶室(2)外的同时与激光光源(1)连接(7-1)的同步信号发生器(7)相连。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体X射线源，其特征在于所说的锥孔X光阑(509)的通光孔径是圆锥形，出射孔(5092)的孔径D_出大于入射孔(5091)的孔径D_入，入射孔(5091)的孔径D_入为1微米＜D_入＜30微米。

Images