光 子 的 通 量 和 信 噪 比, 产 生 更 优 质 的 源, 这 种 Mo 的 激 光 等 离 子 体 源 在 医 用 成 像 和 超 快 X 射 线 泵 浦 探 针 实 验 上 具 有 巨 大 的 应 用 前 景. 2 实 验 布 局 实 验 使 用 的 激 光 是 上 海 交 通 大 学

khz 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 产 生 的 X 射 线 源 * 黄 开 闫 文 超 李 明 华 陶 孟 泽 陈 燕 萍 陈 洁 远 晓 辉 赵 家 瑞 马 勇 李 大 章 3) 高 杰 3) 陈 黎 明 张 杰 ( 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所, 光 物 理 重 点 实 验 室, 北 京 100190 ) ( 上 海 交 通 大 学, 激 光 等 离 子 体 教 育 部 重 点 实 验 室, 上 海 200240 ) 3) ( 中 国 科 学 院 高 能 物 理 研 究 所, 北 京 100049 ) ( 2013 年 3 月 13 日 收 到 ; 2013 年 7 月 13 日 收 到 修 改 稿 ) 利 用 khz 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 产 生 了 平 均 流 强 为 1.3 10 7 photons sr 1 s 1 的 X 射 线 源, 研 究 了 激 光 的 对 比 度 和 能 量 对 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 产 生 的 X 射 线 能 谱 及 K α 产 额 的 影 响, 使 用 刀 边 成 像 技 术 测 量 了 X 射 线 源 的 源 尺 寸, 并 进 行 了 初 步 的 成 像 实 验. 实 验 中 观 察 到 对 于 非 相 对 论 级 别 的 激 光 脉 冲, 降 低 激 光 的 对 比 度 有 利 于 提 高 K α 产 额, 而 使 用 高 对 比 度 高 强 度 激 光, 更 有 利 于 获 得 高 通 量 高 信 噪 比 X 射 线 源. 关 键 词 : khz 激 光, 固 体 靶, X 射 线 PACS: 52.38.Ph, 52.59.Px, 52.70.La DOI: 10.7498/aps.62.205204 1 引 言 随 着 激 光 技 术 的 不 断 进 展, 尤 其 是 啁 啾 脉 冲 放 大 (CPA) 技 术 的 成 熟 [1], 超 短 超 强 激 光 脉 冲 的 强 度 已 经 可 以 轻 易 突 破 相 对 论 量 级 (10 18 W/cm 2 ). 这 种 超 强 激 光 与 物 质 相 互 作 用 时, 脉 冲 前 沿 已 足 够 将 物 质 电 离 为 等 离 子 体 状 态, 主 脉 冲 的 能 量 会 在 等 离 子 体 中 得 到 很 大 的 沉 积 [2], 产 生 高 能 电 子 [3] 以 及 次 生 辐 射 [4 7]. 近 年 来, 激 光 驱 动 的 超 短 超 强 K α 辐 射 源 [8] 得 到 了 广 泛 的 研 究, 这 种 源 具 有 小 型 化 超 短 (fs 量 级 ) 超 强 ( 亮 度 达 到 第 三 代 同 步 辐 射 级 别 [9] ) 以 及 单 色 性 ( 原 子 线 谱 ) 的 优 势. 但 是 超 快 X 射 线 源 的 应 用 例 如 超 快 X 射 线 衍 射 [10], X 射 线 吸 收 谱 学 [11], X 射 线 成 像 [12] 等 需 要 X 射 线 源 具 备 高 的 平 均 流 强. 激 光 X 射 线 源 虽 然 单 发 亮 度 可 以 很 高, 但 是 限 于 所 使 用 的 高 能 量 激 光 的 低 重 复 频 率 的 特 点 (0.1 10 Hz), 产 生 的 源 平 均 流 强 较 低. 研 究 发 现, K α 射 线 的 产 额 随 激 光 强 度 的 增 加 并 不 是 无 限 制 的 提 高, 而 是 存 在 着 饱 和 现 象, 在 激 光 强 度 过 高 时, 由 于 产 生 的 热 电 子 的 温 度 过 高, 会 偏 离 产 生 K α 线 的 合 适 能 量 [13]. 同 时, 由 于 电 子 穿 透 深 度 的 增 加, 产 生 X 射 线 源 的 位 置 会 深 入 靶 内 部 导 致 X 射 线 再 吸 收 的 现 象 出 现 [14], K α 的 产 额 反 而 会 降 低, 所 以 产 生 K α 源 的 最 优 功 率 密 度 并 不 需 要 太 高, 往 往 在 10 17 10 18 W/cm 2 级 别. 高 重 复 频 率 激 光 的 使 用 可 以 产 生 khz 级 别 重 复 频 率 的 X 射 线 源, 并 能 够 将 产 额 保 持 在 较 高 的 水 平, 利 用 激 光 驱 动 的 khz X 射 线 源 进 行 超 快 过 程 的 实 验 研 究 在 国 际 上 得 到 了 高 度 重 视 [15]. 本 文 利 用 重 复 频 率 为 1 khz 的 激 光 与 固 体 Mo 靶 相 互 作 用, 产 生 了 khz 的 激 光 等 离 子 体 K α X 射 线 源. 研 究 了 激 光 强 度 对 比 度 对 K α 光 子 对 比 度 的 影 响. 实 验 得 到 的 Mo 的 K α 线 的 光 子 平 均 流 强 为 1.3 10 7 photons sr 1 s 1. 实 验 发 现, 在 激 光 强 度 为 10 17 量 级 时, 对 于 相 同 的 激 光 强 度, 较 低 的 对 比 度 有 利 于 等 离 子 体 形 成 较 缓 的 密 度 梯 度, 有 利 于 激 光 主 脉 冲 能 量 的 沉 积, 从 而 提 高 电 子 的 温 度, 提 高 K α 光 子 的 产 额. 而 在 高 对 比 度 的 情 况 下, 提 高 激 光 强 度 能 更 好 地 激 发 真 空 加 热 机 制, 显 著 提 高 K α * 科 技 部 国 家 重 大 科 学 仪 器 设 备 开 发 专 项 ( 批 准 号 : 2012YQ12004705) 和 国 家 自 然 科 学 基 金 ( 批 准 号 : 1117519 资 助 的 课 题. 通 讯 作 者. E-mail: lmchen@iphy.ac.cn c 2013 中 国 物 理 学 会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 205204-1

光 子 的 通 量 和 信 噪 比, 产 生 更 优 质 的 源, 这 种 Mo 的 激 光 等 离 子 体 源 在 医 用 成 像 和 超 快 X 射 线 泵 浦 探 针 实 验 上 具 有 巨 大 的 应 用 前 景. 2 实 验 布 局 实 验 使 用 的 激 光 是 上 海 交 通 大 学 激 光 等 离 子 体 教 育 部 重 点 实 验 室 khz 掺 钛 蓝 宝 石 飞 秒 激 光 系 统, 经 过 压 缩 室 后, 激 光 的 脉 宽 是 38 fs, 能 量 18 mj, 中 心 波 长 800 nm. 实 验 中 由 于 光 学 元 件 的 色 散 和 损 耗, 到 靶 面 时 脉 冲 宽 度 约 为 50 fs, 激 光 能 量 12 15 mj, 激 光 的 10 ns 对 比 度 为 10 6 和 3 10 2 可 调. 压 缩 后 的 脉 冲 经 过 光 学 伺 服 系 统 后 进 入 真 空 靶 室, 我 们 使 用 F/2 的 离 轴 抛 面 镜 将 激 光 聚 焦 为 6 µm 半 高 全 宽 的 焦 斑, 半 高 全 宽 内 的 激 光 能 量 约 为 20%. 实 验 布 局 见 图 1. 探 测 器 是 Amptek 公 司 的 XR-100T-CdTe 探 测 器, 该 探 测 器 的 探 测 范 围 是 kev MeV, 覆 盖 了 从 X 射 线 到 γ 射 线 的 很 大 的 能 量 区 间, 在 7 50 kev 之 间 的 探 测 效 率 是 100%, 探 测 器 与 电 脑 之 间 使 用 PX4 多 道 分 析 器 连 接, 获 取 X 射 线 的 能 谱 信 息. 该 探 测 器 的 能 谱 测 量 基 于 单 光 子 计 数 原 理, 探 测 器 的 接 收 面 积 是 3 mm 3 mm, 探 测 面 到 源 的 距 离 为 120 cm, X 射 线 在 空 气 中 传 播 80 cm 之 后 进 入 探 头, 探 头 前 面 加 有 200 µm 铝 膜 以 降 低 计 数 率, 减 少 多 光 子 叠 加 现 象. 成 像 板 使 用 Kodak 医 用 成 像 胶 片. 3 实 验 结 果 与 讨 论 首 先, 研 究 了 在 相 同 激 光 强 度 (1.7 10 17 W/cm 2 ) 不 同 激 光 对 比 度 (10 6 ) 和 3 10 3 的 情 况 下 X 射 线 能 谱 的 差 异, 如 图 2(a). 低 对 比 度 时 K α 光 子 的 平 均 流 强 为 1.3 10 7 sr 1 s 1, 对 应 的 转 化 效 率 为 2.0 10 8, 约 为 相 同 激 光 高 对 比 度 情 形 时 的 1.65 倍. 轫 致 辐 射 是 由 超 热 电 子 产 生 的, 由 于 轫 致 辐 射 的 温 度 与 产 生 轫 致 辐 射 的 超 热 电 子 温 度 基 本 相 同 [16], 我 们 可 以 利 用 谱 线 中 轫 致 辐 射 本 图 1 实 验 布 局 图 本 文 使 用 的 靶 材 是 固 体 金 属 Mo 圆 盘 靶, 它 的 K 壳 层 特 征 谱 线 是 K α 17.4 kev, K β 19.6 kev. 由 于 激 光 的 重 复 频 率 是 khz 的, 为 了 保 证 每 次 激 光 打 在 一 个 新 鲜 的 表 面 上, 圆 盘 靶 使 用 电 机 驱 动 旋 转, 转 速 可 调, 抖 动 可 以 控 制 在 小 于 2 µm 级 别. 在 维 持 khz 打 靶 的 过 程 中, 固 体 靶 表 面 会 溅 射 大 量 的 碎 屑, 极 易 将 离 轴 抛 面 聚 焦 镜 和 其 他 光 学 元 器 件 污 染, 因 此, 我 们 在 靶 与 靶 室 内 光 学 元 件 之 间 加 上 了 保 护 带. 产 生 的 X 射 线 经 过 靶 室 上 的 Be 窗 出 射, 在 靶 室 外 利 用 X 射 线 探 测 器 进 行 探 测. 本 文 所 使 用 的 X 射 线 图 2 (a) 光 强 为 1.7 10 17 W/cm 2 时 不 同 对 比 度 下 X 射 线 能 谱, (b): 不 同 激 光 强 度 下 Mo 靶 X 射 线 的 能 谱 图, 其 中 蓝 色 对 应 高 功 率 密 度 情 形 205204-2

底 的 温 度 来 反 推 出 电 子 的 温 度. 使 用 轫 致 辐 射 的 高 能 部 分 拟 合 出 超 热 电 子 温 度, 低 对 比 度 和 高 对 比 度 情 形 对 应 的 电 子 温 度 分 别 为 6.5 和 5.5 kev, 低 对 比 度 情 形 对 应 的 电 子 温 度 较 高. 这 是 因 为 在 低 对 比 度 情 况 下, 预 脉 冲 形 成 的 等 离 子 体 密 度 梯 度 较 缓, 这 使 得 在 主 激 光 与 等 离 子 体 相 互 作 用 时 共 振 吸 收 机 制 得 到 了 增 强 [17], 导 致 了 电 子 温 度 的 上 升. 在 假 定 电 子 温 度 是 麦 克 斯 韦 分 布 的 情 况 下, 比 较 了 Mo 的 K 壳 层 电 子 电 离 能 (20 kev) 附 近 电 子 数 目 的 差 异, 发 现 温 度 6.5 kev 情 形 是 5.5 kev 情 形 的 1.75 倍, 这 与 K α 光 子 数 的 比 值 较 为 接 近, 从 一 定 程 度 上 可 以 解 释 不 同 对 比 度 情 形 下 K α 光 子 数 通 量 的 差 异. 但 是 降 低 对 比 度 对 于 电 子 温 度 和 K α 光 子 产 额 的 提 高 作 用 不 是 非 常 明 显, 原 因 是 虽 然 降 低 对 比 度 有 利 于 形 成 较 低 密 度 梯 度 的 预 等 离 子 体, 有 利 于 共 振 吸 收 机 制 的 增 强, 然 而 共 振 吸 收 需 要 激 光 与 等 离 子 体 的 共 振 经 历 很 多 个 周 期 以 激 发 大 振 幅 的 等 离 子 体 波 [18], 本 文 使 用 的 激 光 脉 宽 较 短, 周 期 数 较 少, 并 不 能 充 分 地 激 发 共 振 吸 收 机 制. 然 后, 实 验 中 在 相 同 对 比 度 (10 6 ) 不 同 激 光 强 度 的 情 况 下 测 量 了 Mo 靶 X 射 线 源 的 能 谱. 通 过 改 变 激 光 的 能 量, 可 以 获 得 不 同 的 功 率 密 度, 图 2(b) 为 在 激 光 能 量 为 15 和 12 mj, 相 应 功 率 密 度 分 别 在 2.1 10 17 W/cm 2 和 1.7 10 17 W/cm 2 的 情 况 下 测 得 了 不 同 的 能 谱 图. 从 我 们 的 测 量 结 果 上 看, K α 光 子 的 通 量 随 激 光 强 度 的 增 加 有 显 著 的 提 高, 在 光 强 为 2.1 10 17 W/cm 2 和 1.70 10 17 W/cm 2 时, 对 应 的 K α 光 子 的 平 均 流 强 分 别 为 1.3 10 7 和 8.1 10 6 sr 1 s 1. 从 图 中 还 可 以 观 察 到, 在 高 对 比 度 的 情 形 下, 提 高 激 光 的 强 度, K α 光 子 与 轫 致 辐 射 本 底 的 信 噪 比 会 大 幅 的 提 高. 统 计 10 25 kev 区 间 内 的 总 光 子 能 量, 高 强 度 情 形 K α 光 子 的 能 量 占 总 光 子 能 量 的 26.6%, 而 低 强 度 情 况 仅 为 12.6%. K α 光 子 产 额 和 信 噪 比 的 提 高 与 真 空 加 热 机 制 的 增 强 是 有 密 切 关 系 的. 高 对 比 度 超 短 超 强 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 的 过 程 中, 由 于 形 成 的 预 等 离 子 体 具 有 陡 峭 的 密 度 梯 度, 真 空 加 热 是 主 要 的 吸 收 机 制 [19], 而 随 着 激 光 强 度 的 提 高, 真 空 加 热 机 制 的 作 用 会 显 著 增 强. 真 空 加 热 机 制 的 增 强 会 提 高 激 光 能 量 到 热 电 子 能 量 的 转 化 效 率, 从 而 提 高 X 射 线 的 产 量, 同 时 真 空 加 热 对 热 电 子 的 能 谱 优 化 作 用 会 大 幅 度 提 高 K α 射 线 的 信 噪 比 [8]. 因 此, 在 高 对 比 度 条 件 下, 提 高 激 光 强 度 有 利 于 产 生 高 通 量 高 信 噪 比 的 K α X 射 线 源, 而 这 种 源 在 成 像 上 的 应 用 具 有 巨 大 优 势. 利 用 刀 边 成 像 技 术, 我 们 测 得 了 X 射 线 源 的 尺 寸. 刀 边 置 于 真 空 靶 室 内 距 离 打 靶 点 10 cm 处, 成 像 板 位 于 靶 室 外 距 离 打 靶 点 50 cm 处, 成 像 的 放 大 倍 数 为 5, 成 像 板 使 用 的 是 Kodak X 射 线 胶 片. 从 打 靶 点 发 射 的 X 射 线 经 过 刀 边 的 吸 收 和 衍 射 后, 成 像 于 远 处 的 X 射 线 胶 片 上. 在 胶 片 上 垂 直 于 刀 边 像 的 方 向 上 的 信 号 强 度 如 图 3 中 黑 点 所 示, 对 其 进 行 费 米 函 数 拟 合 [20], 费 米 函 数 形 式 是 F(x) = a + b/exp[(x c)/d] + 1, 其 中 a, b, c, d 均 为 待 拟 合 参 数. 得 到 费 米 函 数 拟 合 曲 线 为 图 3 中 红 色 实 线, 再 对 得 到 的 费 米 函 数 求 微 分, 得 到 刀 边 像 的 线 扩 散 曲 线 并 对 其 进 行 高 斯 函 数 拟 合, 见 图 3 中 蓝 色 实 线, 高 斯 曲 线 的 半 高 全 宽 即 为 X 射 线 源 的 尺 寸, 根 据 实 验 数 据 拟 合 得 到 的 源 尺 寸 为 60 µm, 这 一 源 尺 寸 是 利 用 低 对 比 度 激 光 产 生 的. 图 3 源 尺 寸 测 量 图 胶 片 上 黑 点 代 表 垂 直 刀 边 像 的 信 号 强 度 分 布 利 用 产 生 的 X 射 线 源, 我 们 还 进 行 了 成 像 实 验. 使 用 的 样 品 有 导 线 ( 宽 度 为 2.8 mm) 以 及 检 验 X 射 线 源 成 像 品 质 的 线 对, 线 对 的 材 料 是 金 镍 合 金, 厚 度 为 17.5 µm, ( 镶 嵌 在 丙 烯 酸 材 料 中 ). 线 对 总 共 有 18 个, 线 数 覆 盖 范 围 从 5 lp/mm 到 28 lp/mm. X 射 线 胶 片 上 的 成 像 图 案 见 图 4(a), 可 以 清 晰 地 看 到 导 线 的 轮 廓 和 线 对 的 边 沿. 胶 片 中 有 信 号 的 部 分 不 是 一 个 整 圆 而 是 有 一 部 分 被 切, 原 因 是 因 为 源 的 位 置 不 在 出 射 铍 窗 的 中 垂 线 上. 205204-3

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 20 (2013) 205204 图 4 X 射线成像 (a) X 射线胶片上的信号; (b) 样品 4 结 论 射线的通量; 另外, 在高对比度激光条件下, 由于 真空加热机制的增强, 提高激光的强度可以迅速 使用高平均功率飞秒激光与固体旋转圆 地增加 Kα 光子的平均流强, 同时提高 Kα 射线与 盘 靶 相 互 作 用, 成 功 实 现 了 khz X 射 线 的 输 轫致辐射的信噪比. 通过刀边成像技术, 测到了 出, 平 均 每 秒 钟 输 出 的 Mo Kα 光 子 流 强 约 为 源的尺寸. 利用产生的 khz 源, 进行了初步的成 1.3 107 sr 1 s 1. 实 验 中 发 现, 在 较 低 强 度 激 像应用. 后续的研究将进一步优化焦斑, 提高激 光条件下, 降低激光的对比度可以减缓等离子体 光的强度以获得更高通量和更高信噪比的 Kα 射 的密度梯度, 共振吸收机制得到增强, 激光的吸 线, 并将其应用于成像和超快 X 射线泵浦探针实验. 收效率提高, 电子的温度增加, 从而提高了 Kα X [1] Mourou G A, Tajima T, Bulanov S V 2006 Rev. Mod. Phys. 78 309 [2] Wilks S C, Kruer W L 1997 IEEE J. Quantum Electron. 33 1954 [3] Leemans W P, Nagler B, Gonslaves A J, Toth C, Nakamura K, Geddes C G R, Esarey E, Schroeder C B, Hooker S M 2006 Nat. Phys. 2 696 [4] Sheng Z M, Mima K, Zhang J, Sanuki H 2005 Phys. Rev. Lett. 94 095003 [5] Chen L M, Wang W M, Kando M, Hudson L T, Liu F, Lin X X, Ma J L, Li Y T, Bulanov S V, Tajima T, Kato Y, Sheng Z M, Zhang J 2010 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 619 128 [6] Rousse A, Phuoc K T, Shah R, Pukhov A, Lefebvre E, Malka V, Kiselev S, Burgy F, Rousseau J P, Umstadter D, Hulin D 2004 Phys. Rev. Lett. 93 135005 [7] Xiong G, Zhao Y, Shang W L, Hu Z M, Zhu T, Wei M X, Yang G H, Zhang J Y, Yang J M 2010 Chin. Phys. Lett. 27 095202 [8] Chen L M, Kando M, Xu M H, Li Y T, Koga J, Chen M, Xu H, Yuan X H, Dong Q L, Sheng Z M, Bulanov S V, Kato Y, Zhang J, Tajima T 2008 Phys. Rev. Lett. 100 045004 [9] Chen L M, Liu F, Wang W M, Kando M, Mao J Y, Zhang L, Ma J L, Li Y T, Bulanov S V, Tajima T, Kato Y, Sheng Z M, Wei Z Y, Zhang J 2010 Phys. Rev. Lett. 104 215004 [10] Siders C W, Cavalleri A, Tinten K S, Toth C, Guo T, Kammler M, [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] 205204-4 Hoegen M Horn von, Wilson K R, Linde D von der, Barty C P J 1999 Science 286 1340 Chen J, Zhang H, Tomov I V, Ding X L, Rentzepis P M 2007 Chem. Phys. Lett. 437 50 Toth R, Fourmaux S, Ozaki T, Servol M, Kieffer J C, Kincaid Jr R E, Krol A 2007 Phys. Plasmas 14 053506 Hombourger C 1998 J. Phys. B 31 3693 Salzmann D, Reich Ch, Uschmann I, Forster E, Gibbon P 2002 Phys. Rev. E 65 036402 Rousse A, Rischel C, Gauthier J C 2001 Rev. Mod. Phys. 73 17 Xu M H, Liang T J, Zhang J 2006 Acta Phys. Sin. 55 2357 (in Chinese) [徐妙华, 梁天娇, 张杰 2006 物理学报 55 2357] Freidberg J P, Mitchell R W, Morse R L, Rudsinski L I 1972 Phys. Rev. Lett. 28 795 Gibbon P, Bell A R 1992 Phys. Rev. Lett. 68 1535 Chen L M, Zhang J, Dong Q L, Teng H, Liang T J, Zhao L Z, Wei Z Y 2001 Phys. Plasmas 8 2925 Sun Y Q, Chen L M, Zhang L, Mao J Y, Liu F, Li D Z, Liu C, Li W C, Wang Z H, Li Y J, Wei Z Y, Zhang J 2012 Acta Phys. Sin. 61 075206 (in Chinese) [孙彦乾, 陈黎明, 张璐, 毛婧一, 刘峰, 李大章, 刘成, 李 伟昌, 王兆华, 李英骏, 魏志义, 张杰 2012 物理学报 61 075206]

X-ray source produced by laser solid target interaction at khz repetition rate Huang Kai Yan Wen-Chao Li Ming-Hua Tao Meng-Ze Chen Yan-Ping Chen Jie Yuan Xiao-Hui Zhao Jia-Rui Ma Yong Li Da-Zhang 3) Gao Jie 3) Chen Li-Ming Zhang Jie ( Laboratory of Optical Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China ) ( Department of Physics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China ) 3 ( Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China ) ( Received 13 March 2013; revised manuscript received 13 July 2013 ) Abstract X-ray radiation with an average flux of 1.3 10 7 photons sr 1 s 1 is generated by the interaction between ultra-short laser and solid target working at 1 khz repetition rate. A knife edge is introduced to measure the source size. The X-ray emission shows obvious dependences on the laser contrast and intensity. It is discovered that at lower intensity the K α yield increases with lower laser contrast. However, by using high contrast and high intensity laser pulses, high flux and high signal-to-noise ratio K α X-ray can be generated. The generated source is used in proof-of-principle radiograghic imaging of simple specimens. Keywords: khz laser, solid target, X-ray source PACS: 52.38.Ph, 52.59.Px, 52.70.La DOI: 10.7498/aps.62.205204 * Project supported by the National Key Scientific Instrument and Equipment Development Project, China (Grant No. 2012YQ12004705) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 1117519. Corresponding author. E-mail: lmchen@iphy.ac.cn 205204-5