射線源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超快高亮度微焦點(diǎn)Ka射線源，具體涉及基于高對(duì)比度飛秒或皮秒激光脈沖與金屬納米絲陣列復(fù)合靶相互作用的方式產(chǎn)生高亮度微焦點(diǎn)Ka射線源，它可以作為高性能X射線源用于高能量密度物理，材料動(dòng)態(tài)沖擊波加載以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的探測(cè)、診斷。
【背景技術(shù)】
[0002]超快微焦點(diǎn)激光與靶相互作用可以產(chǎn)生短脈沖X射線源，這種源具有時(shí)間束團(tuán)尺寸小(與激光束腰直徑相當(dāng)，約數(shù)十微米左右)、發(fā)散度小(毫弧度量級(jí))、能量可調(diào)(優(yōu)化激光-靶參數(shù)的情況下，依需要可在數(shù)KeV到幾MeV之間變化)等優(yōu)點(diǎn)，因而在以下方面有十分巨大的應(yīng)用前景:1)通過X射線短脈沖衍射探測(cè)物質(zhì)受沖擊波壓縮時(shí)材料的晶格變化行為；2)探測(cè)時(shí)間分辨非?？斓默F(xiàn)象，對(duì)材料的物理、化學(xué)過程的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行測(cè)量和研宄；3)觀察物質(zhì)的重新排列、化學(xué)變化或者結(jié)構(gòu)變化時(shí)分子運(yùn)動(dòng)或分子團(tuán)運(yùn)動(dòng)，如:沖擊波壓縮引起的相變、熔化；4)探測(cè)分子或者原子之間的距離，及其受加熱、沖擊時(shí)引起的變化；5)利用硬X射線能進(jìn)入高Z材料的特點(diǎn)，通過X射線照相和吸收光譜等方式，探測(cè)高Z材料內(nèi)部特性。這種新型的超快微焦點(diǎn)X射線源研宄引起了世界各國(guó)科學(xué)家的極大興趣。
[0003]在先技術(shù)[I]:1999年美國(guó)里弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)的M.D.Perry等人展示了利用大能量短脈沖激光與固體靶作用產(chǎn)生應(yīng)用于稠密物質(zhì)透視照相的短脈沖X射線束的可行性。在M.D.Perry等人的實(shí)驗(yàn)中，大能量短脈沖激光束(300焦，460飛秒，1054納米)聚焦到厚度為0.5毫米的金靶上，在金靶中所產(chǎn)生的高能超熱電子在金靶后的約2毫米厚的銅靶架內(nèi)產(chǎn)生可用于閃光照相的X射線。從2009年開始，基于超高強(qiáng)激光等離子相互作用產(chǎn)生的X射線源在瞬態(tài)過程診斷方面已經(jīng)開始得到初步的應(yīng)用。
[0004]在先技術(shù)[2]:2009年，法國(guó) LULI 實(shí)驗(yàn)室的E.Brambrink等人在Physical reviewE上面報(bào)道了利用激光驅(qū)動(dòng)的X射線源對(duì)沖擊波界面的瞬態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。他們利用一束能量為400J的ns激光輻照在固體靶上產(chǎn)生沖擊波，再利用一束40J的飛秒激光與等離子作用產(chǎn)生的超快微焦點(diǎn)X射線源對(duì)沖擊波界面進(jìn)行透視照相，獲得了比較清晰的圖像。
[0005]在先技術(shù)[3]:2010年，美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了他們?cè)贠MEGA EP裝置上進(jìn)行的康普頓背光照相實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們利用lkj，10ps的超短激光脈沖與固體靶作用產(chǎn)生的背光X射線源，獲得了空間分辨為10微米的快點(diǎn)火壓縮過程的背光圖像。
[0006]超高強(qiáng)激光與等離子體相互作用是一個(gè)復(fù)雜的多尺度的物理過程。在諸多激光等離子體參數(shù)中，由于激光脈沖壓縮和聚焦過程并不是理想化的，因此激光預(yù)脈沖狀態(tài)和聚焦情況存在很大的不確定性，在縱向和橫向尺度上影響激光等離子體相互作用過程。其中，超強(qiáng)激光固有的預(yù)脈沖足以電離靶材料產(chǎn)生預(yù)等離子體，因此會(huì)造成主脈沖到達(dá)時(shí)等離子體狀態(tài)的改變，進(jìn)而影響X射線源的空間尺寸。另外，激光產(chǎn)生的超熱電子束具有很大的發(fā)散角，因此，在靶內(nèi)傳輸一段距離之后，將形成很大的X射線發(fā)射區(qū)，不利于高分辨照相過程。特別是，對(duì)于普通的X射線源所采用平面薄膜靶，超熱電子被靶前后的鞘電場(chǎng)多次反射，也不利于微焦點(diǎn)X射線源的形成。
[0007]為了更快地實(shí)現(xiàn)光源的實(shí)際應(yīng)用，解決上述問題，研宄人員提出了各種方法，以提高源的亮度和源的空間尺寸，但是大多數(shù)情況下，高亮度和小尺寸不能同時(shí)滿足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種激光微焦點(diǎn)等離子體1(。射線源。
[0009]本發(fā)明旨在產(chǎn)生超快高亮度微焦點(diǎn)X射線源，采用高對(duì)比度飛秒或者皮秒脈沖激光福照金屬納米絲陣列革巴。
[0010]本發(fā)明要的激光微焦點(diǎn)等離子體Ka射線源，包括真空靶室系統(tǒng)，電磁輻射屏蔽層，激光束聚焦裝，靶運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，電子束偏轉(zhuǎn)裝置，樣品臺(tái)，成像記錄設(shè)備。真空靶室系統(tǒng)，由真空管道連接的機(jī)械泵、分子泵組成，機(jī)械泵作為前級(jí)，分子泵通過法蘭口與靶室相連；所述電磁輻射屏蔽層為圓筒形聚四氟乙烯層，通過螺栓固定于真空靶室壁；所述激光束聚焦裝置為一塊F/3離軸拋物鏡，放置于真空靶室內(nèi)固定底座上，離軸拋物鏡的中心高度與光束中心高度相同，焦平面通過在靶運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所包含的靶架上。靶運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由六維步進(jìn)電機(jī)和靶架組成，靶架位于靶室中心，望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中軸線上。望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，由一臺(tái)長(zhǎng)焦距望遠(yuǎn)鏡以及可見光CCD組成，通過轉(zhuǎn)接法蘭連接到真空靶室上，望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的中軸線與電子束偏轉(zhuǎn)裝置的中軸線垂直。電子束偏轉(zhuǎn)裝置為一塊環(huán)形稀土永磁鐵，位于在靶架之后，樣品臺(tái)之前，電子束偏轉(zhuǎn)裝置的中心線與激光傳輸方向成一定夾角，磁鐵的中心高度與光束中心高度重合。樣品臺(tái)為三維電控平移臺(tái)。成像記錄設(shè)備安裝在樣品臺(tái)后方的靶室上，通過法蘭與靶室連接。靶架、磁鐵、樣品臺(tái)、成像記錄設(shè)備共軸。
[0011]本發(fā)明的激光微焦點(diǎn)等離子體1射線源的工作過程為:
激光脈沖經(jīng)過聚焦系統(tǒng)到達(dá)靶面時(shí)，將在靶的趨膚深度內(nèi)被大量吸收，通過共振加熱、有質(zhì)動(dòng)力等機(jī)制加速電子，形成超熱電子束團(tuán)。該束團(tuán)向靶內(nèi)進(jìn)一步傳輸，產(chǎn)生X射線。本發(fā)明中，如圖1所示，高對(duì)比度的短脈沖強(qiáng)激光(相應(yīng)的激光功率密度為1018-1019w/cm2，對(duì)比度18-1O9),進(jìn)入真空靶室后經(jīng)過聚焦系統(tǒng)聚焦于納米絲陣列靶。激光與納米絲結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生大量的超熱電子。由于激光的高對(duì)比度，納米絲陣列結(jié)構(gòu)在激光主脈沖到達(dá)之前可以保持較長(zhǎng)時(shí)間而不被激光破壞。此時(shí)納米絲陣列所具有的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)將增強(qiáng)納米絲頂部的局域電磁場(chǎng)，增加激光的吸收。同時(shí)，納米絲還具有增強(qiáng)的比表面積，從而增加X射線光子的數(shù)量，另一方面，納米絲內(nèi)部建立起一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，激光與吸收層相互作用所產(chǎn)生的大量超熱電子將在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下將被束縛在納米絲附近的真空中并沿著納米絲的方向運(yùn)動(dòng)，形成準(zhǔn)直性良好的超熱電子束。該電子束沿著激光方向傳播。超熱電子與原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞，原子核最內(nèi)層的K殼層電子被打掉，變成自由電子。此時(shí)，位于高能級(jí)的L層電子有一定的概率向下躍迀，放出光子，考慮到L層有若干子能級(jí)，因此，將形成Ka，KfiX射線。Kfi射線的躍迀幾率比Ka小得多，因此將主要形成4 Ji發(fā)射的單色Ka源。利用該性質(zhì)，將電控樣品臺(tái)對(duì)靶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，放置在偏離激光傳輸方向的地方，避免軔致輻射產(chǎn)生硬X射線的影響。為了避免超熱電子束直接打在樣品上，在靶后處放置一個(gè)環(huán)形稀土永磁鐵。被環(huán)形磁鐵偏轉(zhuǎn)的電子束由真空靶室的聚四氟乙烯輻射屏蔽層吸收，避免電子束在真空靶室內(nèi)散射形成強(qiáng)電磁輻射。最終將激發(fā)出空間分布極小的微焦點(diǎn)射線源。獲得的微焦點(diǎn)射線源可對(duì)樣品臺(tái)上的樣品進(jìn)行點(diǎn)投影照相。照相的放大倍率電控樣品臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。照相結(jié)果由放置在真空靶室外的記錄介質(zhì)進(jìn)行記錄(X射線CXD或IP板)。
[0012]本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
高亮度。金屬納米絲陣列復(fù)合靶的使用，能夠明顯提高激光的吸收效率，從而使得產(chǎn)生的1(。光子的數(shù)量更高，有利于提高源的亮度。從實(shí)際測(cè)量的結(jié)果來看，亮度比先技術(shù)提高了 3-7 倍；
單色性?，F(xiàn)有技術(shù)一中的X射線源利用的是電子軔致輻射發(fā)射的X射線，不具有單色性。本發(fā)明中的X射線主要來自于1線發(fā)射機(jī)制，因此具有天然的單色性。不同的光子能量可通過激光與不同的材料如金、銀、銅等相互作用的方式進(jìn)行選擇；
源尺寸小。點(diǎn)源投影照相的圖像空間分辨率在很大程度上取決于源的大小?，F(xiàn)有技術(shù)一中，X射線的產(chǎn)生來自于軔致輻射，因此要獲得高亮度的X射線源，靶必須有很大的厚度，一般的幾十至一百微米?？紤]到電子在材料中的輸運(yùn)會(huì)導(dǎo)致電子束的橫向發(fā)散，因此，X射線源的空間尺度很大。使用納米絲陣列復(fù)合靶后，由于納米陣列中存在的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以有效地準(zhǔn)直超熱電子，從而有效地產(chǎn)生微焦點(diǎn)射線源；
時(shí)間分辨率高。飛秒激光或者皮秒激光與普通平面金屬靶產(chǎn)生的1(。射線源的脈沖寬度一般為I一 10皮秒，可以探測(cè)納秒時(shí)間尺度以下的動(dòng)態(tài)過程，如材料學(xué)研宄中沖擊波加載的過程乃至動(dòng)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)研宄。本發(fā)明所用靶材為包含納米絲陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可