一種產生飛秒級時間分辨的x射線源的裝置及方法
2023-10-11 03:20:54 2
專利名稱：一種產生飛秒級時間分辨的x射線源的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及X射線源領域，特別涉及一種產生飛秒級時間分辨X射線源的裝置及方法。
背景技術：
隨著科學技術的不斷進步和發展，X射線技術已在許多領域得到廣泛應用。在過去，X射線源可以通過同步輻射光源和X光管等設備產生，比如同步輻射光源被證明可以應用於各種科學研究，但是，由於其設備巨大，相對長的脈衝時間特性和多色性，在實際應用中具有較大的局限，而X光管是連續的X射線源，不能進行時間分辨的應用和測量。近些年來，由飛秒雷射器產生的等離子體中輻射出的硬X射線被廣泛研究，這種超強超短硬X射線源以其緊湊、亞皮秒脈衝寬度以及其單色性的特質成為一種同步輻射源的補充光源。然而目前，這種雷射驅動的硬X射線源的缺點是未達到飛秒量級的時間分辨，因此無法實現對原子分子層面的超快時間探測，使其在成像領域的應用受到很大限制。
發明內容
為此，本發明提供一種用於產生飛秒(fs)量級時間分辨的X射線源的裝置及方法，能夠解決上述現有技術中存在的問題，而且該裝置配置簡單、便於操作，可廣泛應用於各個應用領域。本發明的目的是通過以下技術方案實現的根據本發明的一個方面，提供一種用於產生飛秒級時間分辨的X射線源的裝置， 包括飛秒雷射器、反射鏡、聚焦光學元件以及設置在真空靶室中的靶物質和超聲氣體噴嘴，其中所述飛秒雷射器用於輸出脈寬在飛秒量級的雷射脈衝，所述雷射的對比度在10_9 至10_8範圍內；所述聚焦光學元件用於接收所述雷射脈衝並將其引導到聚焦光學元件的聚焦區域，所述聚焦區域雷射的平均強度至少為5X1016W/cm2 ；所述靶物質通過所述超聲氣體噴嘴後變為團簇，並與所述聚焦區域的雷射脈衝相互作用後產生飛秒級X射線，所述氣體為惰性氣體。在上述裝置中，所述聚焦光學元件為離軸拋物鏡、長焦透鏡或凸透鏡。在上述裝置中，還包括鈹膜，用於當所產生的飛秒級X射線經過該鈹膜，以濾掉雜散光。在上述裝置中，還包括CXD和計算機，用於當所產生的飛秒級X射線入射到其中時，探測聚焦區域的等離子體陰影像並測量X射線的能譜與通量。在上述裝置中，還包括探針光系統，其設置在聚焦區域上，用於探測聚焦區域的等離子體陰影像。其中，所述探針光系統包括入射到所述聚焦區域的探針光。根據本發明的另一個方面，提供一種用於產生飛秒級時間分辨的X射線源的方法，包括以下步驟1)將飛秒量級的雷射脈衝會聚到聚焦區域，所述雷射的對比度在10_9至10_8範圍內，所述聚焦區域雷射的平均強度至少為5X 1016W/cm2 ；2)惰性氣體的團簇與聚焦區域的所述雷射脈衝相互作用並產生飛秒級X射線。在上述方法中，所述惰性氣體的團簇在真空下形成。在上述方法中，還包括步驟幻對步驟2~)的飛秒級X射線進行單光子計數。在上述方法中，還包括步驟4)測量步驟2、的飛秒級X射線流強。本發明克服了已有技術的缺點，通過高對比度飛秒雷射脈衝與小尺寸團簇靶相互作用產生超快的Ar的K殼層X射線，從而提供一種產生超快X射線源的方法。該裝置操作簡便，峰值亮度約為2X1021phOtons/S/mm2/mrad2，可以與第三代同步輻射源的峰值亮度相比擬，並經數值分析證實此源為脈衝寬度為10飛秒量級的超快源，此超快單色硬X射線源為單發雷射驅動的X射線在fs時間分辨上的應用提供了可能。
以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中圖1是本發明優選的實施例的裝置示意圖；圖2(a)和圖2(b)分別是根據理論模擬的本發明優選實施例的超快X射線源的原理圖，其中圖2(a)為團簇內電子能量，圖2(b)為團簇外電子的能量。
具體實施例方式以下參照具體的實施例來說明本發明。本領域技術人員能夠理解，這些實施例僅用於說明本發明的目的，其不以任何方式限制本發明的範圍。另外需要說明，本發明所使用的術語「超快X射線」取其在本領域內的常規含義，指的是脈衝時間尺度為飛秒(fs)量級的X射線。圖1為本發明一個優選實施例的用於產生超快X射線源的裝置示意圖。如圖1所示，由10Hz、800mJ、中心波長為800nm的鈦寶石雷射器1輸出脈寬為^fs的雷射脈衝，經過SOOnm全反鏡(或反射鏡)2入射到真空靶室，然後經過離軸拋物鏡3 (OAP)聚焦成光斑， 聚焦區域雷射的平均強度為1. 6X 1018W/cm2。位於真空靶室中的超聲速氣體噴嘴4和靶物質(未示出)設置為使得當噴嘴中4有氣體噴出時，所產生的靶物質團簇位於拋物鏡聚焦區域處，該團簇在聚焦區域處與雷射相互作用，產生K殼層超快X射線源。在本實施例中， 靶物質可以是諸如Ar的惰性氣體。可選地，還可以讓X射線經過鈹膜5和6到達單光子計數CXD 7進行單光子計數， 並經過與之相連的計算機8控制並測量Ar的K殼層X射線流強。經實驗測得，超強飛秒雷射與Ar團簇相互作用產生了能量約3keV的超快X射線源，數值模擬實驗顯示，其K殼層X脈衝寬度短至IOfs，是一個超短超快的X射線源。本發明的原理在於由於採用飛秒雷射器，即產生高對比度雷射(對比度是預脈衝和主脈衝強度的比值，其值越小越好，預脈衝能夠使得固體密度的團簇預膨脹，會導致電子的無效加熱，從而減小X射線流強。在本發明中採用10_8至10_9量級的對比度)，其能夠抑制團簇的先期膨脹，當主脈衝到來時高對比雷射直接與固體密度的團簇相互作用，電子被雷射電場所控制，沿團簇做周期震蕩；在雷射脈衝過後，電子振動能量迅速消失，從而形成超快X射線源。電子在10飛秒的時間尺度內被有效驅動，產生脈寬比同步輻射源短約100 倍的X射線輻射。如果採用普通雷射器的低對比度的雷射，由於預脈衝的作用，雷射主峰到來之前，團簇已經膨脹到共振吸收的密度，雷射所激發的是一個長時間行為的共振過程，電子在團簇內部反覆震蕩，則激發出K殼層的X射線不是fs量級，而是高達PS量級。此外， 在本發明中，聚焦區域的平均雷射強度應至少大于振動能量3keV所對應的雷射場強度，約為工=5X1016W/cm2，從而能夠激發K殼層X射線的發射。圖2 (a)和圖2 (b)是根據理論模擬上述優選實施例的超快X射線源原理圖，反映了 K殼層X射線光子產生於雷射場前沿的電子振動情況。其中圖2(a)表示Ar團簇內電子振動的平均能量與雷射周期的關係，圖2(b)表示Ar團簇外電子振動的平均能量與雷射周期的關係。一般說來，當I = lX1017W/cm2，振動能量約為故^，這個能量已經足夠高來激發能量為3keV的Ar的K殼層光子。圖2 (a)顯示團簇內電子的振動能量不足以激發K殼層的X射線發射。圖2(b)中，只有尖刺大於^eV的約3個雷射周期才能符合此能量段(相應於IOfs脈寬)。考慮到Ar的K殼層空穴壽命約為4. 8fs，推斷K殼層X射線脈衝寬度短至10fs，由此說明上述裝置所產生的為一個超快硬X射線源。可選地，在上述裝置中還可以包括探針光系統，用於探測聚焦區域的等離子體陰影像。如圖1所示，探針光9經過反射鏡10和11入射到聚焦區域，出射的光束經透鏡12、 反射鏡13和14被聚焦到CXD 17上，(XD17與計算機18相連。所述CXD還可以是單光子計數(XD，用於定量地測量X射線單發流強。可選地，在反射鏡14和CXD 17之間還可以設置衰減片15，以控制射入CXD的光強，或者還可以設置與雷射波長相同的帶通濾光片16，例如本實施例中為SOOnm的帶通濾光片，以排除其它波段的光幹擾。另外，對於本領域普通技術人員可以理解，在此探針光探測陰影像系統中，反射鏡10、11的作用是為了引導光束到聚焦區域，然而這不是必需的，不採用任何光學元件或者採用其他元件而使探針光入射到相互作用區域內同樣能夠實現此目的。同樣，反射鏡13、14也可以沒有或由其他元件所替代。在上述裝置中，所採用的光學元件及其數量僅為示意性的，採用能起到相同作用的其他本領域公認的元器件同樣可以實現本發明的目的。例如，鈦寶石雷射器可以由超強雷射領域所常用的其他飛秒雷射器(即可以產生飛秒級脈寬的雷射器)所替代，例如通常有KrF雷射器等。對於雷射器的波長、頻率等條件，沒有嚴格限制，本領域普通技術人員在本實施例的啟示下，可以根據具體情況選用。另外，離軸拋物鏡還可以由諸如球面聚焦鏡、 長焦透鏡等其他聚焦光學元件所替代，它們都可以對雷射進行聚焦，但離軸拋物鏡能夠消除雷射傳輸過程中的像差，並且能夠承受更高的雷射能量閾值，因此作為優選。單光子計數 CCD用來測量產生的X射線能譜與通量，衰減片用於控制入射到CCD中的光強以避免CCD的損壞，鈹膜用於濾掉低能部分的X射線和雜散光從而得到所需能段的X射線，這些裝置對於 X射線的產生都屬非必要裝置。雖然沒有詳細說明，但本領域普通技術人員可以理解，本發明的裝置的部分部件需要設置在真空中，如圖1中用外框所表示的部分元件及光路。另外，還可以通過改變雷射和相互作用條件，如雷射對比度，氣體背壓，噴嘴相對於雷射焦點位置等，獲得更優的超短X 射線輻射以及最大的K殼層X射線輻射通量。，本發明提出的超快X射線源裝置操作簡單，佔用空間小，造價低廉，與同步輻射源、X光管等相比，具有顯著優異，能夠進行fs時間分辨的測量與應用。儘管參照上述的實施例已對本發明作出具體描述，但是對於本領域的普通技術人員來說，應該理解可以在不脫離本發明的精神以及範圍之內基於本發明公開的內容進行修改或改進。
權利要求
1.一種用於產生飛秒級時間分辨的X射線源的裝置，包括飛秒雷射器、反射鏡、聚焦光學元件以及設置在真空靶室中的靶物質和超聲氣體噴嘴，其中，所述飛秒雷射器用於輸出脈寬在飛秒量級的雷射脈衝，所述雷射的對比度在10_9至10_8範圍內；所述聚焦光學元件用於接收所述雷射脈衝並將其引導到聚焦光學元件的聚焦區域，所述聚焦區域雷射的平均強度至少為5X1016W/cm2 ；所述靶物質通過所述超聲氣體噴嘴後變為團簇，並與所述聚焦區域的雷射脈衝相互作用後產生飛秒級X射線，所述氣體為惰性氣體。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述聚焦光學元件為離軸拋物鏡、球面聚焦鏡或長焦透鏡。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括鈹膜，用於當所產生的飛秒級X射線經過該鈹膜，以濾掉雜散光。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括C⑶和計算機，用於當所產生的飛秒級X射線入射到其中時，探測聚焦區域的等離子體陰影像並測量X射線的能譜與通量。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括探針光系統，其設置在聚焦區域上，用於探測聚焦區域的等離子體陰影像。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述探針光系統包括入射到所述聚焦區域的探針光。
7.一種用於產生飛秒級時間分辨的X射線源的方法，包括以下步驟1)將飛秒量級的雷射脈衝會聚到聚焦區域，所述雷射的對比度在10_9至10_8範圍內， 所述聚焦區域雷射的平均強度至少為5X1016W/cm2 ；2)惰性氣體的團簇與聚焦區域的所述雷射脈衝相互作用並產生飛秒級X射線。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述惰性氣體的團簇在真空下形成。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，還包括步驟幻對步驟幻的飛秒級 X射線進行單光子計數。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，還包括步驟4)測量步驟幻的飛秒級X 射線流強。
全文摘要
本發明提供一種用於產生飛秒級時間分辨的X射線源的裝置，包括飛秒雷射器、反射鏡、聚焦光學元件以及設置在真空靶室中的靶物質和超聲氣體噴嘴，其中所述飛秒雷射器用於輸出脈寬在飛秒量級的雷射脈衝，所述雷射的對比度在10-9至10-8範圍內；所述聚焦光學元件用於接收所述雷射脈衝並將其引導到聚焦光學元件的聚焦區域，所述聚焦區域雷射的平均強度至少為5×1016W/cm2；所述靶物質通過所述超聲氣體噴嘴後變為團簇，並與所述聚焦區域的雷射脈衝相互作用後產生飛秒級X射線，所述氣體為惰性氣體。該裝置操作簡便，所形成的超快單色硬X射線源為單發雷射驅動的X射線在fs時間分辨上的應用提供了可能。
文檔編號H01S4/00GK102185250SQ20101060054
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月2日
發明者孫彥乾, 張 傑, 張璐, 毛婧一, 陳黎明 申請人:中國科學院物理研究所