專利名稱：一種產(chǎn)生飛秒級(jí)時(shí)間分辨的x射線源的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線源領(lǐng)域，特別涉及一種產(chǎn)生飛秒級(jí)時(shí)間分辨X射線源的裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，X射線技術(shù)已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在過去，X射線源可以通過同步輻射光源和X光管等設(shè)備產(chǎn)生，比如同步輻射光源被證明可以應(yīng)用于各種科學(xué)研究，但是，由于其設(shè)備巨大，相對(duì)長(zhǎng)的脈沖時(shí)間特性和多色性，在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的局限，而X光管是連續(xù)的X射線源，不能進(jìn)行時(shí)間分辨的應(yīng)用和測(cè)量。近些年來，由飛秒激光器產(chǎn)生的等離子體中輻射出的硬X射線被廣泛研究，這種超強(qiáng)超短硬X射線源以其緊湊、亞皮秒脈沖寬度以及其單色性的特質(zhì)成為一種同步輻射源的補(bǔ)充光源。然而目前，這種激光驅(qū)動(dòng)的硬X射線源的缺點(diǎn)是未達(dá)到飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨，因此無法實(shí)現(xiàn)對(duì)原子分子層面的超快時(shí)間探測(cè)，使其在成像領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生飛秒(fs)量級(jí)時(shí)間分辨的X射線源的裝置及方法，能夠解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而且該裝置配置簡(jiǎn)單、便于操作，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于產(chǎn)生飛秒級(jí)時(shí)間分辨的X射線源的裝置， 包括飛秒激光器、反射鏡、聚焦光學(xué)元件以及設(shè)置在真空靶室中的靶物質(zhì)和超聲氣體噴嘴，其中所述飛秒激光器用于輸出脈寬在飛秒量級(jí)的激光脈沖，所述激光的對(duì)比度在10_9 至10_8范圍內(nèi)；所述聚焦光學(xué)元件用于接收所述激光脈沖并將其引導(dǎo)到聚焦光學(xué)元件的聚焦區(qū)域，所述聚焦區(qū)域激光的平均強(qiáng)度至少為5X1016W/cm2 ；所述靶物質(zhì)通過所述超聲氣體噴嘴后變?yōu)閳F(tuán)簇，并與所述聚焦區(qū)域的激光脈沖相互作用后產(chǎn)生飛秒級(jí)X射線，所述氣體為惰性氣體。在上述裝置中，所述聚焦光學(xué)元件為離軸拋物鏡、長(zhǎng)焦透鏡或凸透鏡。在上述裝置中，還包括鈹膜，用于當(dāng)所產(chǎn)生的飛秒級(jí)X射線經(jīng)過該鈹膜，以濾掉雜散光。在上述裝置中，還包括CXD和計(jì)算機(jī)，用于當(dāng)所產(chǎn)生的飛秒級(jí)X射線入射到其中時(shí)，探測(cè)聚焦區(qū)域的等離子體陰影像并測(cè)量X射線的能譜與通量。在上述裝置中，還包括探針光系統(tǒng)，其設(shè)置在聚焦區(qū)域上，用于探測(cè)聚焦區(qū)域的等離子體陰影像。其中，所述探針光系統(tǒng)包括入射到所述聚焦區(qū)域的探針光。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種用于產(chǎn)生飛秒級(jí)時(shí)間分辨的X射線源的方法，包括以下步驟1)將飛秒量級(jí)的激光脈沖會(huì)聚到聚焦區(qū)域，所述激光的對(duì)比度在10_9至10_8范圍內(nèi)，所述聚焦區(qū)域激光的平均強(qiáng)度至少為5X 1016W/cm2 ；2)惰性氣體的團(tuán)簇與聚焦區(qū)域的所述激光脈沖相互作用并產(chǎn)生飛秒級(jí)X射線。在上述方法中，所述惰性氣體的團(tuán)簇在真空下形成。在上述方法中，還包括步驟幻對(duì)步驟2~)的飛秒級(jí)X射線進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)。在上述方法中，還包括步驟4)測(cè)量步驟2、的飛秒級(jí)X射線流強(qiáng)。本發(fā)明克服了已有技術(shù)的缺點(diǎn)，通過高對(duì)比度飛秒激光脈沖與小尺寸團(tuán)簇靶相互作用產(chǎn)生超快的Ar的K殼層X射線，從而提供一種產(chǎn)生超快X射線源的方法。該裝置操作簡(jiǎn)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，并經(jīng)數(shù)值分析證實(shí)此源為脈沖寬度為10飛秒量級(jí)的超快源，此超快單色硬X射線源為單發(fā)激光驅(qū)動(dòng)的X射線在fs時(shí)間分辨上的應(yīng)用提供了可能。


以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中圖1是本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例的裝置示意圖；圖2(a)和圖2(b)分別是根據(jù)理論模擬的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的超快X射線源的原理圖，其中圖2(a)為團(tuán)簇內(nèi)電子能量，圖2(b)為團(tuán)簇外電子的能量。
具體實(shí)施例方式以下參照具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的目的，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。另外需要說明，本發(fā)明所使用的術(shù)語“超快X射線”取其在本領(lǐng)域內(nèi)的常規(guī)含義，指的是脈沖時(shí)間尺度為飛秒(fs)量級(jí)的X射線。圖1為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的用于產(chǎn)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(zhǎng)為800nm的鈦寶石激光器1輸出脈寬為^fs的激光脈沖，經(jīng)過SOOnm全反鏡(或反射鏡)2入射到真空靶室，然后經(jīng)過離軸拋物鏡3 (OAP)聚焦成光斑， 聚焦區(qū)域激光的平均強(qiáng)度為1. 6X 1018W/cm2。位于真空靶室中的超聲速氣體噴嘴4和靶物質(zhì)(未示出)設(shè)置為使得當(dāng)噴嘴中4有氣體噴出時(shí)，所產(chǎn)生的靶物質(zhì)團(tuán)簇位于拋物鏡聚焦區(qū)域處，該團(tuán)簇在聚焦區(qū)域處與激光相互作用，產(chǎn)生K殼層超快X射線源。在本實(shí)施例中， 靶物質(zhì)可以是諸如Ar的惰性氣體?？蛇x地，還可以讓X射線經(jīng)過鈹膜5和6到達(dá)單光子計(jì)數(shù)CXD 7進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)， 并經(jīng)過與之相連的計(jì)算機(jī)8控制并測(cè)量Ar的K殼層X射線流強(qiáng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，超強(qiáng)飛秒激光與Ar團(tuán)簇相互作用產(chǎn)生了能量約3keV的超快X射線源，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)顯示，其K殼層X脈沖寬度短至IOfs，是一個(gè)超短超快的X射線源。本發(fā)明的原理在于由于采用飛秒激光器，即產(chǎn)生高對(duì)比度激光(對(duì)比度是預(yù)脈沖和主脈沖強(qiáng)度的比值，其值越小越好，預(yù)脈沖能夠使得固體密度的團(tuán)簇預(yù)膨脹，會(huì)導(dǎo)致電子的無效加熱，從而減小X射線流強(qiáng)。在本發(fā)明中采用10_8至10_9量級(jí)的對(duì)比度)，其能夠抑制團(tuán)簇的先期膨脹，當(dāng)主脈沖到來時(shí)高對(duì)比激光直接與固體密度的團(tuán)簇相互作用，電子被激光電場(chǎng)所控制，沿團(tuán)簇做周期震蕩；在激光脈沖過后，電子振動(dòng)能量迅速消失，從而形成超快X射線源。電子在10飛秒的時(shí)間尺度內(nèi)被有效驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生脈寬比同步輻射源短約100 倍的X射線輻射。如果采用普通激光器的低對(duì)比度的激光，由于預(yù)脈沖的作用，激光主峰到來之前，團(tuán)簇已經(jīng)膨脹到共振吸收的密度，激光所激發(fā)的是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間行為的共振過程，電子在團(tuán)簇內(nèi)部反復(fù)震蕩，則激發(fā)出K殼層的X射線不是fs量級(jí)，而是高達(dá)PS量級(jí)。此外， 在本發(fā)明中，聚焦區(qū)域的平均激光強(qiáng)度應(yīng)至少大于振動(dòng)能量3keV所對(duì)應(yīng)的激光場(chǎng)強(qiáng)度，約為工=5X1016W/cm2，從而能夠激發(fā)K殼層X射線的發(fā)射。圖2 (a)和圖2 (b)是根據(jù)理論模擬上述優(yōu)選實(shí)施例的超快X射線源原理圖，反映了 K殼層X射線光子產(chǎn)生于激光場(chǎng)前沿的電子振動(dòng)情況。其中圖2(a)表示Ar團(tuán)簇內(nèi)電子振動(dòng)的平均能量與激光周期的關(guān)系，圖2(b)表示Ar團(tuán)簇外電子振動(dòng)的平均能量與激光周期的關(guān)系。一般說來，當(dāng)I = lX1017W/cm2，振動(dòng)能量約為故^，這個(gè)能量已經(jīng)足夠高來激發(fā)能量為3keV的Ar的K殼層光子。圖2 (a)顯示團(tuán)簇內(nèi)電子的振動(dòng)能量不足以激發(fā)K殼層的X射線發(fā)射。圖2(b)中，只有尖刺大于^eV的約3個(gè)激光周期才能符合此能量段(相應(yīng)于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射線脈沖寬度短至10fs，由此說明上述裝置所產(chǎn)生的為一個(gè)超快硬X射線源?？蛇x地，在上述裝置中還可以包括探針光系統(tǒng)，用于探測(cè)聚焦區(qū)域的等離子體陰影像。如圖1所示，探針光9經(jīng)過反射鏡10和11入射到聚焦區(qū)域，出射的光束經(jīng)透鏡12、 反射鏡13和14被聚焦到CXD 17上，(XD17與計(jì)算機(jī)18相連。所述CXD還可以是單光子計(jì)數(shù)(XD，用于定量地測(cè)量X射線單發(fā)流強(qiáng)?？蛇x地，在反射鏡14和CXD 17之間還可以設(shè)置衰減片15，以控制射入CXD的光強(qiáng)，或者還可以設(shè)置與激光波長(zhǎng)相同的帶通濾光片16，例如本實(shí)施例中為SOOnm的帶通濾光片，以排除其它波段的光干擾。另外，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，在此探針光探測(cè)陰影像系統(tǒng)中，反射鏡10、11的作用是為了引導(dǎo)光束到聚焦區(qū)域，然而這不是必需的，不采用任何光學(xué)元件或者采用其他元件而使探針光入射到相互作用區(qū)域內(nèi)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)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，所采用的光學(xué)元件及其數(shù)量?jī)H為示意性的，采用能起到相同作用的其他本領(lǐng)域公認(rèn)的元器件同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。例如，鈦寶石激光器可以由超強(qiáng)激光領(lǐng)域所常用的其他飛秒激光器(即可以產(chǎn)生飛秒級(jí)脈寬的激光器)所替代，例如通常有KrF激光器等。對(duì)于激光器的波長(zhǎng)、頻率等條件，沒有嚴(yán)格限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本實(shí)施例的啟示下，可以根據(jù)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(zhǎng)焦透鏡等其他聚焦光學(xué)元件所替代，它們都可以對(duì)激光進(jìn)行聚焦，但離軸拋物鏡能夠消除激光傳輸過程中的像差，并且能夠承受更高的激光能量閾值，因此作為優(yōu)選。單光子計(jì)數(shù) CCD用來測(cè)量產(chǎn)生的X射線能譜與通量，衰減片用于控制入射到CCD中的光強(qiáng)以避免CCD的損壞，鈹膜用于濾掉低能部分的X射線和雜散光從而得到所需能段的X射線，這些裝置對(duì)于 X射線的產(chǎn)生都屬非必要裝置。雖然沒有詳細(xì)說明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的裝置的部分部件需要設(shè)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，還可以通過改變激光和相互作用條件，如激光對(duì)比度，氣體背壓，噴嘴相對(duì)于激光焦點(diǎn)位置等，獲得更優(yōu)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(fā)明提出的超快X射線源裝置操作簡(jiǎn)單，占用空間小，造價(jià)低廉，與同步輻射源、X光管等相比，具有顯著優(yōu)異，能夠進(jìn)行fs時(shí)間分辨的測(cè)量與應(yīng)用。盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明作出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生飛秒級(jí)時(shí)間分辨的X射線源的裝置，包括飛秒激光器、反射鏡、聚焦光學(xué)元件以及設(shè)置在真空靶室中的靶物質(zhì)和超聲氣體噴嘴，其中，所述飛秒激光器用于輸出脈寬在飛秒量級(jí)的激光脈沖，所述激光的對(duì)比度在10_9至10_8范圍內(nèi)；所述聚焦光學(xué)元件用于接收所述激光脈沖并將其引導(dǎo)到聚焦光學(xué)元件的聚焦區(qū)域，所述聚焦區(qū)域激光的平均強(qiáng)度至少為5X1016W/cm2 ；所述靶物質(zhì)通過所述超聲氣體噴嘴后變?yōu)閳F(tuán)簇，并與所述聚焦區(qū)域的激光脈沖相互作用后產(chǎn)生飛秒級(jí)X射線，所述氣體為惰性氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聚焦光學(xué)元件為離軸拋物鏡、球面聚焦鏡或長(zhǎng)焦透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括鈹膜，用于當(dāng)所產(chǎn)生的飛秒級(jí)X射線經(jīng)過該鈹膜，以濾掉雜散光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括C⑶和計(jì)算機(jī)，用于當(dāng)所產(chǎn)生的飛秒級(jí)X射線入射到其中時(shí)，探測(cè)聚焦區(qū)域的等離子體陰影像并測(cè)量X射線的能譜與通量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括探針光系統(tǒng)，其設(shè)置在聚焦區(qū)域上，用于探測(cè)聚焦區(qū)域的等離子體陰影像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述探針光系統(tǒng)包括入射到所述聚焦區(qū)域的探針光。
7.一種用于產(chǎn)生飛秒級(jí)時(shí)間分辨的X射線源的方法，包括以下步驟1)將飛秒量級(jí)的激光脈沖會(huì)聚到聚焦區(qū)域，所述激光的對(duì)比度在10_9至10_8范圍內(nèi)， 所述聚焦區(qū)域激光的平均強(qiáng)度至少為5X1016W/cm2 ；2)惰性氣體的團(tuán)簇與聚焦區(qū)域的所述激光脈沖相互作用并產(chǎn)生飛秒級(jí)X射線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體的團(tuán)簇在真空下形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，還包括步驟幻對(duì)步驟幻的飛秒級(jí) X射線進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括步驟4)測(cè)量步驟幻的飛秒級(jí)X 射線流強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生飛秒級(jí)時(shí)間分辨的X射線源的裝置，包括飛秒激光器、反射鏡、聚焦光學(xué)元件以及設(shè)置在真空靶室中的靶物質(zhì)和超聲氣體噴嘴，其中所述飛秒激光器用于輸出脈寬在飛秒量級(jí)的激光脈沖，所述激光的對(duì)比度在10-9至10-8范圍內(nèi)；所述聚焦光學(xué)元件用于接收所述激光脈沖并將其引導(dǎo)到聚焦光學(xué)元件的聚焦區(qū)域，所述聚焦區(qū)域激光的平均強(qiáng)度至少為5×1016W/cm2；所述靶物質(zhì)通過所述超聲氣體噴嘴后變?yōu)閳F(tuán)簇，并與所述聚焦區(qū)域的激光脈沖相互作用后產(chǎn)生飛秒級(jí)X射線，所述氣體為惰性氣體。該裝置操作簡(jiǎn)便，所形成的超快單色硬X射線源為單發(fā)激光驅(qū)動(dòng)的X射線在fs時(shí)間分辨上的應(yīng)用提供了可能。
文檔編號(hào)H01S4/00GK102185250SQ20101060054
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者孫彥乾, 張 杰, 張璐, 毛婧一, 陳黎明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所