雷射等離子體x射線源的製作方法

2023-10-19 13:14:32 4

專利名稱：雷射等離子體x射線源的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種雷射等離子體X射線源，它可作為小型X射線源應用在對精度和X光強度、空間相干度都有一定要求的X射線的成像、探測和診斷中。並且適用於採用超短雷射泵浦源來產生亞皮秒X射線。
背景技術：
在先技術[1]利用強雷射與高原子係數(Z)元素固體靶(目前主要是金箔靶)相互作用產生X射線。這種研究是個很活躍的領域，各國物理學家均進行過這方面的研究。比較有代表性的是美國人D.R.Kania和H.Kornblum等所作的以雷射與金箔靶作用產生的高能高密度等離子體作為工作物質產生X射線(發表文章見Physical Review A，46(12)，7853-7868，1992)。他們在實驗中泵浦雷射波長為1.06微米，脈寬為1納秒，脈衝能量為6500焦耳。經過倍頻晶體磷酸二氫鉀(KDP)倍頻，再聚焦和隨機改變位相後，實際入射雷射波長為0.53微米，脈寬1納秒，脈衝能量為3600焦耳。聚焦後的雷射斜入射到金箔靶上，並利用背向出射的X射線進行成像及診斷。此裝置造價較低、結構簡單、排布緊湊、穩定性好，還可以達到較高的亮度，可以應用於對曝光量和光源相干度要求不高的場合。但是在這類裝置中只注重X光輻射的強度、能譜分布等指標，對光源的空間展寬沒有進行有效的控制，使出射光束的空間相干度低，不能滿足高解析度成像的要求。另外一個很重要的不足是金屬箔靶材在與強雷射作用過程中總會被不斷消耗，到一定時間後將無法產生X射線，因此它不可能實現X光的連續穩定輸出。這種情況下若頻繁更換靶材也必然會使工作過程很煩瑣，特別是如果相互作用過程是在真空靶室中進行，則每一次更換靶材總要伴隨放氣和抽真空的過程，因此這種光源要想用在對X光曝光量有較高要求的環境中還有相當長的距離。
在先技術[2]中科院長春光機所的林景全等發明人進行過雷射與冷凍靶作用作為X光源(發表文章見光學學報，18(6)，675-676，1998)。實驗以固態CO2作為靶材，用高真空微調閥控制進入靶室內的CO2氣體流量。在真空靶室中採用液氮作為冷卻劑使吹入的CO2氣體凝結，形成固態CO2靶。採用波長1.06微米，脈寬8納秒，單次脈衝能量1焦耳的聚焦雷射作為泵浦光源。由於此裝置中的CO2氣體可不斷補充，因此可以實現X射線的連續輸出，而且在強雷射脈衝的作用下可使靶材的碎片迅速汽化，避免由碎片產生的汙染。但是在該裝置中固態靶需要液氮的不斷冷卻，涉及到兩種氣體的循環過程，這就給裝置的輕便小巧化帶來一定困難。而且CO2氣體的冷凝過程及凝結形狀不易控制，很難保證大部分靶面處於雷射的焦斑範圍內，這就造成X射線的轉換效率低下，且無法控制出射X光的相干性和其它特性，使其在X光成像方面的工作中暫時不能有普遍的應用價值。另外它也同樣存在光源展寬使X射線空間相干度不佳的問題。
由於在X光的成像診斷工作中，成像的解析度是評價成像結果的決定性因素，因此要求到達記錄介質上的X光必須具有較高的信噪比，這意味著記錄介質上的曝光量有一個下限(參閱文獻J.Opt.Soc.Am.A，7(10)，1847-1861，1990)。而在目前雷射與等離子體相互作用產生X射線的工作中，X射線的轉換效率還比較低，需要經過較長的曝光時間才能達到一定的X光輸出能量，因此實現X光的穩定連續輸出成為了X射線源成功的必要條件。同時，在理論上對X射線空間相干度與成像解析度的定量關係的研究也表明，X射線空間相干度的降低也將導致成像解析度的顯著降低，(參閱文獻OpticsCommunications，172，17-22，1999)。雷射等離子體X光源可看作是源面上各點互不相干的熱光源，減小光源的橫向尺度可以有效提高輸出X光的空間相干度，進而提高成像的橫向解析度。此外，飛秒量級的X射線源對於生物與分子化學等研究領域有著非常重大的意義，近年來隨著雷射技術的發展，目前最先進的雷射器輸出脈衝的脈寬已經達到了飛秒量級，功率也迅速提高到太瓦以上，產生飛秒X光的技術條件已經成熟。但在先技術中在雷射聚焦前多採用的透射式光學元件會造成超短脈衝的嚴重展寬，同時導致聚焦後的雷射打靶功率密度的下降，這是要獲得超短X射線源所必須避免的。
綜上所述，可以看出，使X射線源具有小的空間尺度和準連續輸出對於X光成像診斷是至關重要的。同時，要獲得超短脈寬的X射線源也要考慮到泵浦光的聚焦系統等光路問題。

發明內容
本發明的雷射等離子體X射線源，包括雷射光源1和真空靶室2。在真空靶室2內置有平面反射鏡3、離軸拋物面反射聚焦鏡4、固體靶組件5和步進電機6。如圖1所示。所說的固體靶組件5含有帶狀靶材502，帶狀靶材502的一端固定在主動輪504上，繞過第一輔動輪503和第二輔動輪508之後盤繞在被動輪505上。在第一輔動輪503和第二輔動輪508之間的帶狀靶材502置於錐孔X光闌509入射孔5091的一面上，與錐孔X光闌509在同一中心軸線上，對著帶狀靶材502置有前向光闌501；上述固體靶組件5中的各個元件置於由底盤507固定在真空靶室2內的支架506上。如圖2所示。所說的錐孔X光闌509的入射孔5091是置於離軸拋物面反射聚焦鏡4的焦點上。所說的前向光闌501是置於離軸拋物面反射聚焦鏡4的焦點之前。由雷射光源1發射的雷射束Gr穿過真空靶室2的窗口201射在置於真空靶室2內的平面反射鏡3上。平面反射鏡3反射的雷射束經過離軸拋物面反射聚焦鏡4聚焦在置於錐孔X光闌509入射孔5091上的帶狀靶材502上。所說的固體靶組件5中的主動輪504與置於真空靶室2內的步進電機6相連，步進電機6與置於真空靶室2外的同時與雷射光源1連接7-1的同步信號發生器7相連。如圖1所示。
所說的錐孔X光闌509的通光孔徑是圓錐形，出射孔5092孔徑D出大於入射孔5091孔徑D入，即D出＞D入，如圖2所示。入射孔5091的孔徑D入為1微米(μm)至30微米(μm)，即1μm＜D入＜30μm。
本發明的X射線源如上所述的結構，如圖1所示，從功能上可以劃分為兩大部分。第一部分包括泵浦雷射光源1、真空靶室2，以及位於真空靶室2內的平面反射鏡3和離軸拋物面反射聚焦鏡4，這一部分用於提供聚焦打靶光源。第二部分包括固定於真空靶室2中心的固體靶組件5、步進電機6，以及位於真空靶室2外的分別與雷射光源1連接7-1和與步進電機6連接的同步信號發生器7，這部分是實現與脈衝雷射同步地連續更新靶材以及對雷射與靶材作用後產生的X射線輻射區域的限制。其中固體靶組件5包括前向光闌501、帶狀靶材502、錐孔X光闌509、主動輪504、被動輪505、第一輔動輪503與第二輔動輪508、底盤507和支架506。
在第一部分中，雷射光源1用於提供泵浦光源，它既可以是長脈衝(脈寬在納秒量級)的各類雷射器，也可以是採用啁啾脈衝放大技術的超短超強雷射器(脈寬為皮秒或飛秒量級)。
上述X射線源的具體工作過程是從雷射光源1輸出的雷射脈衝進入真空靶室2後經聚焦系統聚焦後與靶材相互作用。為了實現X射線源具有普遍適用性，即適用於不同脈寬和波長的雷射束，採用了反射式聚焦系統。在真空靶室2內，平面反射鏡3將進入到真空靶室2內的雷射束反射到離軸拋物面反射聚焦鏡4上，離軸拋物面反射聚焦鏡4再把雷射束經過前向光闌501聚焦在帶狀靶材502上。因為離軸拋物面反射聚焦鏡4的光軸與從平面反射鏡3反射來的雷射束光軸平行。根據拋物面的性質，平行於光軸入射的光線將會聚在拋物面的焦點上。
第二部分中固體靶組件5中，在雷射聚焦焦點前，放置有前向光闌501，它的孔徑大小恰好允許會聚雷射束完全通過，主要作用是防止雷射與帶狀靶材502相互作用後產生的濺射物質汙染真空靶室2和離軸拋物面反射聚焦鏡4的鏡面，同時也可以濾除雜散光。聚焦後的雷射束與在焦點處的帶狀靶材502發生相互作用，產生高熱高密度等離子體，加熱電子並通過電子熱傳導加熱冷的帶狀靶材502進而發射X光。在這裡，本發明採用了固體靶，並將其加工為帶狀的薄膜材料，即帶狀靶材502。錐孔X光闌509的入射孔5091置於離軸拋物面反射聚焦鏡4的焦點上，而帶狀薄膜的帶狀靶材502就置於錐孔X光闌509的入射孔5091上，也就是說入射孔5091上的帶狀靶材502就在焦點處。雷射與帶狀靶材502相互作用所產生的X光只有通過錐孔X光闌509後才能為不同的診斷儀器所探測，其他區域的X光被錐孔X光闌509通光孔徑以外的光闌材料吸收，即形成了具有極小面積的X光源。上面所述的為雷射與帶狀靶材502相互作用的光路過程。下面敘述固體靶組件5中的機械傳動過程以及控制系統。帶狀靶材502的一端固定在主動輪504上，繞過第一輔動輪503、錐孔X光闌509、第二輔動輪508後盤繞在被動輪505上。其中，主動輪504、第一輔動輪503、第二輔動輪508和被動輪505都是圓柱形的滑輪，是固體靶組件5中的傳動部分。前向光闌501、錐孔X光闌509和傳動部分以及傳動輪504、503、508、505上盤繞的帶狀靶材502全部通過底盤507和支架506固定在真空靶室2內。步進電機6是和主動輪504同軸連接的，步進電機6的驅動由位於真空靶室2外的同步信號發生器7控制。對於高功率的雷射光源1輸出準連續的脈衝雷射，同步信號發生器7同時也提供給雷射光源1的觸發信號。在同步信號發生器7觸發雷射光源1每輸出兩個脈衝光的間隙，它觸發步進電機6轉動，通過上述的傳動部分帶動帶狀靶材502移動一段距離，使得每個雷射脈衝到來時始終與帶狀靶材502的不同部分發生作用，從而避免了連續打靶時帶狀靶材502的消耗問題。
本發明與在先技術X射線源相比，主要有以下幾方面的優點1.有普遍適用性即普適性。本發明中的聚焦系統考慮了當前最新雷射技術的進展，採用離軸拋物面反射鏡聚焦可以同時適用於長脈衝和超短脈衝的泵浦雷射光源，能夠用於產生亞皮秒量級的X射線。此外，反射聚焦還與雷射的波長無關，對於不同波長的雷射的聚焦焦距相同。做到了對各種雷射光源的普遍適用。而在先技術中採用的透射聚焦系統對於不同波長的泵浦雷射光源是必須重新設計加工的。
2.準連續性。在先技術的普通雷射—高原子係數(Z)金屬箔靶X光源都存在靶材的消耗現象。這不僅使X光的輸出持續時間受到限制，還使不能保證雷射焦斑的能量密度最高處始終與金屬靶表面相互作用。另外輸出X光的光學性質也會隨消耗的靶材形狀的改變而改變，不能保證出射X光在時間域內的均勻。本發明通過步進電機驅動帶狀靶材移動，有效地克服了上述在先技術的缺陷，可實現X光的長時間準連續輸出，且持續時間可以隨意調節。在在先技術中雷射等離子體X射線源的X射線轉換率和成像記錄介質靈敏度均不甚理想的條件下，通過連續曝光以使記錄介質上獲得較高的曝光量尤為重要。特別是如果希望定量研究曝光量與成像結果的關係，在先技術的X光源是無法達到這個目的。而本發明是能夠做到的。
3.具有高相干度和高解析度。本發明利用小孔壓縮光源的橫向尺度的方法，並可保證該尺度及光源空間位置在X射線連續輸出時保持精確不變。顯著地提高了出射X光的空間相干度及穩定性，使利用X射線源在普通實驗室中進行高解析度成像等成為可能。由於採用錐孔X光闌，解析度比在先技術提高了10倍。
4.低成本。在先技術中靶材及部分外圍設備的製備都比較困難，本發明所用所有部件都很容易加工和購買。所用的帶狀靶材可用鍍鉻磁帶，也可以以普通磁帶為基底，根據具體要求鍍上各種不同原子序數的金屬薄膜，其厚度及成分都可以隨意控制，以產生具有不同強度及頻譜特性的X光。其中錐孔X光闌509也比較容易加工。
5.穩定性好。本發明的主要部件都可以實現在一塊底板上的集成，除移動靶系統外各元件間不會產生相對位移。而靶帶上各點的厚度與成分都能保持均勻，也會使發光過程中各種隨機的機械振動與在先技術中的相比較小，可保證X射線源的穩定輸出和低故障率。而這些對較長的曝光時間和高解析度的成像是非常重要的。


圖1是本發明雷射等離子體X射線源的示意圖；圖2為圖1中固體靶組件5的結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，採用飛秒雷射器作為雷射光源1，其光束的參數是波長785nm，脈衝頻率10Hz，脈寬50fs，單次脈衝能量100mJ，光束直徑50mm。其輸出的雷射脈衝進入真空靶室2後被平面反射鏡3反射到離軸拋物面反射聚焦鏡4上聚焦到帶狀靶材502上。其中平面反射鏡3的直徑為100mm，離軸拋物面反射聚焦鏡4的口徑為50mm，焦距為150mm。在本例中，被聚焦的雷射束真空聚焦焦斑直徑小於20微米。經聚焦的雷射束進入固體靶組件5中。在焦點前的前向光闌501距離焦點30mm，前向光闌501上的小孔直徑為10mm，使雷射剛好完全透過與帶狀靶材502相互作用。錐孔X光闌509是鋁製的長方體，體積為5mm×10mm×10mm。錐孔X光闌509的通光孔是圓錐形，其中入射孔5091的孔徑D入＝20μm，出射孔5092的孔徑D出＝5mm。錐孔X光闌509的入射孔5091置於聚焦雷射束的焦點處。通過錐孔X光闌509的X射線的成像質量接近理想的相干光源，較在先技術不加錐孔X光闌509的X光源提高一個量級。
前向光闌501、錐孔X光闌509和傳動部分整體集成在面積為150mm×300mm，厚為10mm的平板形支架506上，並通過底盤507固定在真空靶室2內的中心上。同步信號發生器7發出10赫茲的脈衝信號，同時觸發7-1雷射光源1和步進電機6。步進電機6驅動直徑為25mm，步距角1.5°/s的主動輪。電機每走一步驅動靶帶走過的直線距離為25/221.53600.327mm]]>注意到雷射的焦斑直徑為20微米，因此即使考慮雷射打靶時的濺射和熱效應等複雜因素，這樣的步長也可確保靶帶上相鄰兩個靶點距離足夠遠，相互之間不會發生幹擾。
每條帶狀靶材502的持續時間隨靶帶的總長度而改變。帶狀靶材502的材質和長度等都有多種可能性。普通磁帶是一種很好的選擇。以市售maxell鍍鉻磁帶為例，磁帶中所含金屬鉻可作為產生X射線的高Z物質。其總長度約為150米，持續時間可以達到 這麼長的曝光時間可以使總的出射光強相當可觀，足以滿足一般情況下的成像和探測等使用的需求。
權利要求
1.一種雷射等離子體X射線源，包括1雷射光源(1)和真空靶室(2)，由雷射光源(1)發射的雷射束(Gr)穿過真空靶室(2)的窗口(201)射在置於真空靶室(2)內的平面反射鏡(3)上；其特徵在於2真空靶室(2)內置有離軸拋物面反射聚焦鏡(4)、固體靶組件(5)和步進電機(6)，由平面反射鏡(3)反射的雷射束射在離軸拋物面反射聚焦鏡(4)上；3所說的固體靶組件(5)含有帶狀靶材(502)，帶狀靶材(502)的一端固定在主動輪(504)上，繞過第一輔動輪(503)和第二輔動輪(508)之後盤繞在被動輪(505)上，在第一輔動輪(503)和第二輔動輪(508)之間的帶狀靶材(502)置於錐孔X光闌(509)入射孔(5091)的一面上，與錐孔X光闌(509)在同一中心軸線上，對著帶狀靶材(502)置有前向光闌(501)，上述固體靶組件(5)中的各個元件置於由底盤(507)固定在真空靶室(2)內的支架(506)上；4所說的錐孔X光闌(509)的入射孔(5091)是置於離軸拋物面反射聚焦鏡(4)的焦點上，所說的前向光闌(501)是置於離軸拋物面反射聚焦鏡(4)的焦點之前；5所說的固體靶組件(5)中的主動輪(504)與步進電機(6)相連，步進電機(6)與置於真空靶室(2)外的同時與雷射光源(1)連接(7-1)的同步信號發生器(7)相連。
2.根據權利要求1所述的雷射等離子體X射線源，其特徵在於所說的錐孔X光闌(509)的通光孔徑是圓錐形，出射孔(5092)的孔徑D出大於入射孔(5091)的孔徑D入，入射孔(5091)的孔徑D入為1微米＜D入＜30微米。
全文摘要
一種雷射等離子體X射線源,適用於X射線的成像、探測和診斷,能夠產生亞皮秒X射線。包括雷射光源和真空靶室。雷射光源發射的雷射束穿過真空靶室的窗口射到置於真空靶室內的平面反射鏡上,平面反射鏡反射的雷射束由離軸拋物面反射聚焦鏡經過固體靶組件中的前向光闌聚焦到帶狀靶材上。置於真空靶室內的固體靶組件中帶狀靶材一端固定於主動輪上,繞過第一輔動輪、錐孔X光闌、第二輔動輪,盤繞在被動輪上。由同步信號發生器同時控制步進電機和雷射光源。步進電機驅動主動輪轉動,帶動帶狀靶材移動。本發明與在先技術比,具有普遍適用性。適用長脈衝或短脈衝和各種波長,具有穩定性好、成本低、高相干度和高解析度。解析度比在先技術提高了10倍。
文檔編號H01S4/00GK1364048SQ0112676
公開日2002年8月14日 申請日期2001年9月14日 優先權日2001年9月14日
發明者湯宇輝, 張長學, 韓申生 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所