專利名稱：激光輻照實心錐靶產(chǎn)生x射線的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用激光輻照產(chǎn)生X射線的裝置。
背景技術(shù)：
激光與固體相互作用產(chǎn)生的X射線源由于其成本低、脈寬短、亮度高、準單能性好、便于與激光加載實現(xiàn)同步等特點，在診斷受壓材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化過程以及熱密物質(zhì)中的超快過程方面具有巨大前景，但如何增加X射線源的亮度、減小光源尺寸、提高光源信噪比以增強其診斷能力是當前的研究重點。目前普遍采用的方案是通過激光輻照固體平面箔靶(參閱文獻“Optimized K α χ-ray flashes from femtosecond-laser-irradiatedfoils，，，PHYSICAL REVIEW E80, (^6404，2009)，激光迅速將平面箔靶表面原子電離形成等離子體，等離子體與激光相互作用產(chǎn)生高能電子，這些高能電子向靶內(nèi)部運動的過程中與靶原子碰撞使其內(nèi)殼層電離產(chǎn)生空穴，從而輻射出X射線，包括Ka，Κβ等特征X射線輻射，其波長由原子的內(nèi)殼層能級差決定。除了特征X射線輻射以外，高能電子還會與靶原子碰撞產(chǎn)生軔致輻射。由于軔致輻射是連續(xù)譜，在進行對X射線單能性要求較高的診斷實驗時(例如X射線衍射)，對診斷有用的是Κα，Κβ等特征X射線輻射，需要降低軔致輻射帶來的噪聲。激光驅(qū)動X射線輻射的亮度取決于兩方面的因素，一是入射激光的總能量，二是激光能量轉(zhuǎn)化為X射線輻射的轉(zhuǎn)化效率。由于光源尺寸的大小決定于激光焦斑的大小，在不增加光源尺寸大小的前提下增加激光總能量等效于提高激光功率密度。因此，為了提高激光驅(qū)動X射線源亮度，需要同時提高激光-X射線轉(zhuǎn)化效率和入射激光功率密度。采用平面箔靶時，為使得電子能量得到最有效利用的同時將靶材料對X射線的吸收降到最小，存在最佳激光功率密度和相應(yīng)的最佳靶厚(參閱文獻“Yield Optimization and Time Structure of Femtosecond LaserPlasma K α Sources，，PHYSICAL REVIEW LETTERS 84，4846，2000)。當激光功率密度大于最佳功率密度的時候，X射線輻射的亮度隨著激光功率密度的增加反而降低，因而使得X射線的亮度存在一個瓶頸，難以進一 ^y-^kM ( #1 ^lK "Comparison of experimental and simulated K α yieldfor 400nm ultrashort pulse laser irradiation" PHYSICAL REVIEW E74,027401, 2006) 為了提高 X射線的亮度，就需要突破該瓶頸，使得最佳激光功率密度得到提高。此外，平面箔靶的另一個問題在于轉(zhuǎn)化效率不夠高。激光能量轉(zhuǎn)化成X射線輻射的轉(zhuǎn)化效率由兩方面決定，一是等離子體中電子吸收激光能的吸能系數(shù)，二是電子動能轉(zhuǎn)化成X射線輻射(有用的特征X射線)的效率。電子的吸能系數(shù)由入射激光條件和靶材料表面特性決定，可以通過控制激光預(yù)脈沖、增加靶材表面粗糙度、甚至在靶表面做各種微結(jié)構(gòu)加工等方式使吸能系數(shù)得到提高。然而，即使等離子體吸收了所有的激光能量，也只有相當有限的高能電子能量轉(zhuǎn)化成X射線輻射。采用平面箔靶時，為了最有效的利用高能電子， 傾向于采用厚靶；而為減少靶材料對X射線的吸收，則偏向于薄靶。此二者的矛盾導致難以將電子能量最大化的轉(zhuǎn)化成X射線輻射。為了提高X射線的亮度，需要采用能夠更有效的利用激光能量的設(shè)計方案，使得激光-χ射線轉(zhuǎn)化效率得到提高。平面箔靶還有一個問題是X射線輻射主要集中于靶前和靶后方向，法線方向有最大值。又由于靶前軔致輻射較強，信噪比不高，所以用于診斷的主要是靶后表面輻射的X射線。這使得實驗中受空間布置的限制只方便引一束X射線進行診斷。如果能提高X射線輻射空間角度范圍，則有希望同時引出多束X射線進行診斷，大大提高診斷效率和能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有激光驅(qū)動X射線輻射實現(xiàn)方案的困難，提供一種能夠同時提高最佳激光功率密度和激光-X射線轉(zhuǎn)化效率的設(shè)計方案，并且增加X射線輻射空間角度范圍，使得X射線輻射亮度得到增強、診斷效率和能力得到提高。本發(fā)明的基本思路是采用實心錐靶取代平面箔靶，使得電子的傳輸距離得到延長，而從實心錐靶表面輻射而出的X射線在實心錐靶中的傳輸距離大大縮小，因而使得激光-X射線轉(zhuǎn)化效率和最佳激光功率密度都得到提高。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，包括激光器、真空室、設(shè)于真空室上并與激光器相配合的驅(qū)動激光入口、裝于真空室中的靶組件和接收X射線的器件，其特征在于靶組件由實心錐靶和固定實心錐靶的支架構(gòu)成，且實心錐靶錐底面位于靠近驅(qū)動激光入口一側(cè)，實心錐靶錐尖位于靠近接收X射線的器件一側(cè)。進一步的方案是在驅(qū)動激光入口與靶組件之間裝有聚焦鏡。進一步的方案是可以通過X射線探測器(例如CXD或X射線感光膠片)直接接收從錐靶輻射的X射線。進一步的方案是接收X射線的器件為樣品腔。進一步方案是在錐尖方向設(shè)置針孔，以獲得發(fā)散角小的X射線點源，用于診斷樣品腔中的樣品。進一步的方案是利用彎晶對X射線輻射進行選單和轉(zhuǎn)向，以提高X射線的單色性，并將X射線用于診斷樣品腔中的樣品。更進一步方案是用多束X射線(例如同時利用針孔和彎晶獲得的X射線)診斷同一樣品，通過調(diào)節(jié)X射線光路控制診斷時序。本發(fā)明利用激光輻照實心錐靶底面，底面等離子體與激光相互作用產(chǎn)生的高能電子沿錐軸(實心錐靶的中心線)方向有較長的傳輸距離，而從錐表面輻射出來的X射線在靶中傳輸?shù)木嚯x卻相對要小得多，從而X射線的損失得到降低。因此采用實心錐靶避免了平面箔靶中電子透射深度增加引起X射線損失增加的問題，使得高能電子的能量得到更有效的利用，能夠提高激光-X射線轉(zhuǎn)化效率以及最佳電子溫度。而電子溫度由入射激光功率密度決定，所以采用實心錐靶能夠提高最佳激光功率密度。因此，實心錐靶能夠克服平面箔靶的困難，能夠獲得亮度更高的特征X射線輻射。在錐軸方向設(shè)置針孔，可以獲得發(fā)散角小，亮度高，光源尺寸小的X射線輻射，方便實現(xiàn)小角度成像和散射等實驗。這部分X射線來自高能電子穿透到錐表面附近時引起的特征輻射，由于電子穿透到表面時動能大為減小，所以此時軔致輻射得到降低，因而X射線的單能性較好。由于激光驅(qū)動實心錐靶產(chǎn)生的X射線輻射范圍大于平面箔靶，X射線強度關(guān)于錐軸對稱，且亮度高，因此方便從錐體周圍引出多束X射線進行多次診斷，還可以利用彎晶使 X射線光束轉(zhuǎn)向，并利用光程差調(diào)節(jié)時序可以將多束X射線用于診斷樣品同一時刻不同位置、不同時刻不同位置、或不同時刻同一位置中的物理過程。本發(fā)明的優(yōu)點是1、采用實心錐靶使得最佳激光功率密度和激光-X射線轉(zhuǎn)化效率都得到明顯提高，從而使得X射線輻射的總亮度至少提高10倍。2、在錐尖方向能夠獲得小尺寸，小發(fā)散角的X射線輻射。3、采用實心錐靶獲得的X射線輻射范圍大于平面箔靶，方便引出多束X射線進行多次診斷。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實心錐靶與平面箔靶產(chǎn)生X射線輻射的對比示意圖；圖3為數(shù)值模擬計算高能電子在實心錐靶和平面箔靶中傳輸產(chǎn)生Κα X射線輻射的結(jié)果對比圖。圖3中實線為實心錐靶的結(jié)果，采用了最佳電子溫度IOOkeV,最佳錐高200微米； 虛線為平面箔靶的輻射結(jié)果，采用了最佳電子溫度40keV，最佳靶厚14微米。靶材料均為 Cu。圖中1、激光器；2、真空室；3、真空室分子泵接口 ；4、驅(qū)動激光入口 ；5、聚焦鏡；靶組件601、實心錐靶，602、固定實心錐靶的支架；接收X射線的器件701、X射線探測器，702、彎晶，703、針孔，704、樣品腔；801、802 為激光束；901、902、903、904 為 X 射線光束；10、平面箔靶。A、實心錐靶軸線中點和平面箔靶中點，h、錐高，θ、錐頂角，β、探測X射線的探測角度。Φ、當?shù)入x子體吸能系數(shù)為0. 3時電子每吸收1焦耳激光能量所產(chǎn)生的Κα X射線光子數(shù)密度，單位為光子數(shù)/平方微米，探測器距離A點的距離為1毫米。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步的描述如圖1，一種激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，包括激光器1、真空室2、設(shè)于真空室2上并與激光器1相配合的驅(qū)動激光入口 4、裝于真空室2中的聚焦鏡5、靶組件和接收X射線的器件，其特征在于靶組件由實心錐靶601和固定實心錐靶的支架602構(gòu)成，且實心錐靶601錐底面位于靠近驅(qū)動激光入口 4 一側(cè)，實心錐靶601錐尖位于靠近接收X射線的器件一側(cè)。激光器1功率密度IO17 1019W/cm2，焦斑小于實心錐靶601底面面積。
其中，聚焦鏡5、固定實心錐靶的支架602和接收X射線的器件均按常規(guī)固定于真空室2中的光學平臺上。如圖2，實心錐靴601高h為200 300 μπι，錐角θ 5° 45°。根據(jù)X射線診斷對波長的需要選取實心錐靶材料，各元素的K α，K β特征輻射波長可查相關(guān)數(shù)據(jù)表。如對X光波長無嚴格要求，建議選用Cu靶，能夠獲得更高的轉(zhuǎn)化效率。 最佳激光功率密度和最佳錐高與激光脈沖條件，靶表面條件，以及靶材料有密切關(guān)系，因此需要具體實施的時候事先進行測試。為了提高電子對激光能的吸收系數(shù)，可以在實心錐靶 601表面做粗糙處理。支架602—方面用來固定實心錐靶601，另一方面也起著吸收橫向運動電子和熱效應(yīng)的作用。支架602厚度盡量薄，至少小于實心錐靶601高度的1/4為宜。為了制備方便，可以選用和實心錐靶601相同的材料，如選用原子數(shù)遠低于實心錐靶601的輕材料則可以避免高能電子與支架602材料相互作用產(chǎn)生的軔致輻射干擾診斷。從實心錐靶 601表面輻射的X射線可以通過X射線探測器701進行接收，或者通過彎晶702對X射線進行轉(zhuǎn)向以方便進一步的利用，可以在錐軸方向設(shè)置針孔703以獲得發(fā)散角小的X射線，從針孔和彎晶引出的X射線都可以用于診斷樣品腔704中的樣品。利用數(shù)值模擬程序計算實心錐靶與平面箔靶Κα X射線輻射的結(jié)果見圖3。計算中假設(shè)電子吸能系數(shù)為0.3，入射激光能1焦耳。探測器701(見圖2)距離靶中心A點1毫米，縱坐標為探測器接收到的K α X射線光子數(shù)密度，單位為光子數(shù)/平方微米，橫坐標為探測角度β。結(jié)果表明采用實心錐靶能夠獲得的最佳結(jié)果與平面箔靶的最佳結(jié)果相比，在同樣距離探測，有更高的光子數(shù)密度，輻射范圍更廣。
權(quán)利要求
1.一種激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，包括激光器(1)、真空室O)、設(shè)于真空室 (2)上并與激光器(1)相配合的驅(qū)動激光入口 G)、裝于真空室(2)中的靶組件和接收X射線的器件，其特征在于靶組件由實心錐靶(601)和固定實心錐靶的支架(602)構(gòu)成，且實心錐靶(601)錐底面位于靠近驅(qū)動激光入口⑷一側(cè)，實心錐靶(601)錐尖位于靠近接收X射線的器件一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，其特征在于在驅(qū)動激光入口(4)與靶組件之間裝有聚焦鏡(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，其特征在于接收X射線的器件為X射線探測器(701)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，其特征在于接收X射線的器件為樣品腔(704)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，其特征在于在靶組件與樣品腔(704)之間還裝有針孔(703)和/或彎晶(702)。
全文摘要
一種激光輻照實心錐靶產(chǎn)生X射線的裝置，包括激光器(1)、真空室(2)、設(shè)于真空室(2)上并與激光器(1)相配合的驅(qū)動激光入口(4)、裝于真空室(2)中的靶組件和接收X射線的器件，其特征在于靶組件由實心錐靶(601)和固定實心錐靶的支架(602)構(gòu)成，且實心錐靶(601)錐底面位于靠近驅(qū)動激光入口(4)一側(cè)，實心錐靶(601)錐尖位于靠近接收X射線的器件一側(cè)。接收X射線的器件由X射線探測器(701)、彎晶(702)、針孔(703)、樣品腔(704)構(gòu)成。通過彎晶(702)和針孔(703)同時引出多束X射線對樣品腔(704)中的樣品進行診斷。
文檔編號H01S4/00GK102170086SQ20111006447
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者余勇, 葉雁, 李俊, 李曉亞, 王加祥, 祝文軍 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所