飛秒激光產(chǎn)生的 X 射線雙光譜成像

　　摘 要 ： 在微介觀診斷中往往因?yàn)榭臻g限制，選擇具有亮度高、單色性好、對(duì)比度強(qiáng)的特征譜線，而忽略了軔致輻射譜線。率先實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了特征譜線和軔致輻射譜線的雙光譜診斷 X 射線光源的方法，在中國(guó)工程物理研究院“星光Ⅲ”激光裝置飛秒激光束靶室上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激光功率密度大于 1.6×1018 W/cm2 ，脈寬為 30 fs， 45°入射靶面。在入射靶前側(cè)，設(shè)計(jì)了用于特征光譜成像的針孔成像光路，獲得 Cu 納米顆粒靶產(chǎn)生的特征 X 射線的焦斑圖像，為 76 μm，大于刃邊方法測(cè)得半徑為 54 μm 的焦斑。在靶后側(cè)，設(shè)計(jì)了軔致輻射成像光路，利用 PIX 射線 CCD 獲得 2×5 的圓形 Ta 組圖像。實(shí)驗(yàn)表明，利用雙光譜成像設(shè)計(jì)合理，適合微介觀材料動(dòng)態(tài)診斷，提高診斷效率。

　　關(guān)鍵詞： 泵浦-探針技術(shù); 動(dòng)態(tài)加載; 納米顆粒材料; X 射線光源

　　王洪建; 葉雁; 陽慶國(guó); 李澤仁; 劉紅杰強(qiáng) 激光與粒子束 2022-01-10

　　極端條件下可能同時(shí)存在包括應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、能量流和化學(xué)環(huán)境以及相應(yīng)的加載率等參數(shù)，可為設(shè)計(jì)材料和預(yù)測(cè)物質(zhì)在極端條件下的表現(xiàn)[1-3] ，這在國(guó)防科技、能源和材料科學(xué)領(lǐng)域相當(dāng)重要。它的挑戰(zhàn)在于實(shí)驗(yàn)手段缺乏相應(yīng)的時(shí)間分辨精度(如從光子-電子-聲子相互作用的 fs，ps 尺度到損傷成長(zhǎng)的 μs 尺度)和空間精度(如從相變成核的原子團(tuán)簇到介觀 μm 尺度)[4-6]。利用飛秒激光的泵浦-探針技術(shù)的超快光學(xué)測(cè)量雖已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是超快技術(shù)和極端條件加載的結(jié)合還在萌芽階段[7]。在國(guó)外，利用 Line-Imaging VISAR 類似的高時(shí)空分辨測(cè)試技術(shù)研究材料內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的沖擊波力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了大量的工作[8-9]。如 W. M. Trott 和 J. R. Asay 等[10-11] 利用 Line-Imaging ORVIS 研究了泡沫材料、具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的玻璃鋼以及作為炸藥模擬的壓實(shí)白糖等非均勻材料在沖擊壓縮下的響應(yīng)，從而驗(yàn)證空間分辨波剖面測(cè)量技術(shù)的獨(dú)特作用，獲得了極有價(jià)值的豐富信息。Chhabildas 等[12] 則用 Line-Imaging ORVIS 研究了沖擊壓縮下 Ta 的微結(jié)構(gòu)對(duì)層裂產(chǎn)生、發(fā)展的影響，利用空間分辨的自由曲面速度剖面展示內(nèi)部孔洞或缺陷從初始的數(shù) μm 變化到數(shù)十 μm。辛建婷等[13] 在神光Ⅲ原型激光裝置上開展金屬材料微噴回收實(shí)驗(yàn)，獲得了微噴顆粒的三維圖像。由于超短光脈沖不能直接探測(cè)原子的位置信息，可見光只與原子外層的價(jià)電子和自由電子相互作用，不能到達(dá)中心電子層和原子核，因此不能探測(cè)到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真實(shí)信息[14] ，而 X 射線能彌補(bǔ)可見光目前存在的問題，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的診斷。目前的 X 射線成像普遍采用特征譜線，而忽視了軔致輻射譜線。本文在國(guó)內(nèi)率先驗(yàn)證兩種譜線同時(shí)成像方法，即在靶前采用網(wǎng)格和針孔進(jìn)行了特征譜線成像手段，而靶后設(shè)計(jì)了帶臺(tái)階鉭靶矩陣的金屬軔致輻射成像。在中國(guó)工程物理研究院“星光Ⅲ”激光裝置上，以飛秒激光束驅(qū)動(dòng)納米靶產(chǎn)生的 X 射線作為光源，進(jìn)行了雙光譜成像[15] ，驗(yàn)證性地為該裝置診斷物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供參考。

　　1 實(shí)驗(yàn)布局

　　實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心的“星光Ⅲ”激光裝置上進(jìn)行，該裝置正交布置 ns，ps 和 fs 三束激光，其中 fs 激光束是以鈦寶石為增益介質(zhì)，最大輸出靶面功率密度達(dá)到 。當(dāng)功率小于 30 TW 時(shí)，重復(fù)頻率為 10 Hz;當(dāng)功率大于 30 TW，每 20 min 可觸發(fā) 1 次。實(shí)驗(yàn)安排在該裝置 SILEX-I 靶室上進(jìn)行，布局如圖 1 所示。fs 激光脈沖經(jīng)由 f/10 離軸拋物面鏡聚焦在 Cu 納米顆粒靶上，入射激光脈寬為 30 fs，與靶平面法線成 45°。用 X 射線針孔配 PIXIS 1024B CCD 進(jìn)行監(jiān)測(cè)焦斑直徑，安裝在與水平面夾角 23.7°，其在水平面的投影與入射激光夾角 23.2°的斜上方法蘭上。在靶后軔致輻射成像側(cè)，即在靶后 90 mm 處布置了 2×5 個(gè)圓形鉭片，用鋁膜覆蓋，留一角少覆蓋一層，鉭靶后 110 mm 處設(shè)置 X 射線 CCD，其像素為 2048×2048，13.5 μm/ pixel。實(shí)驗(yàn)采用厚度為 15 μm、表面生長(zhǎng)有納米顆粒的 Cu顆粒靶，激光能量為 4.8 J[16]。此外，還在靶后布置 0.06 T 的磁譜儀記錄超熱電子。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　激光基頻是衡量激光參數(shù)的重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)采用海洋 HR2000+三階自相關(guān)儀對(duì)主脈沖基頻進(jìn)行測(cè)試，曝光時(shí)間為 5 s，手動(dòng)方式進(jìn)行采集。測(cè)得該飛秒激光器的基頻波長(zhǎng)平均在 807 nm，考慮誤差范圍 nm。將自相關(guān)儀所測(cè)數(shù)據(jù)和入射激光的能量導(dǎo)入到 Origin 軟件中，并將其進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)基頻標(biāo)準(zhǔn)誤差僅為 0.1，其半高全寬和全寬值的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別是 5.9 和 9.2。而利用兩支光電倍增管和衰減片，測(cè)得對(duì)比度平均值為 3.1 ，其中最大 1.3 。測(cè)得激光焦斑為 30 μm。表明該激光器的入射波長(zhǎng)、基頻和對(duì)比度參數(shù)比較穩(wěn)定，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

　　2.1 軔致輻射成像

　　Al，Ti，Pb，Cu 和 Sn 等中 Z 材料的 X 射線特征譜線在 5～10 keV，基于極化軔致輻射降低和光子能量增加，在研究高能密度物理中不能忽視薄靶產(chǎn)生軔致輻射[17]。激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 Kα 射線的產(chǎn)額及轉(zhuǎn)換效率，依賴于激光-電子的轉(zhuǎn)換過程。熱電子滿足麥克斯韋能量分布[14] f (E)dE = 1/ √ EkTexp(−E/kT)dE (1)式中：E 表示電場(chǎng)強(qiáng)度; kT 表示超熱電子溫度(keV)。從該發(fā)次的激光能量為 3.2 J，可以推算出該發(fā)次的理論電子溫度 為 275 keV。利用同步診斷 的 0.06 T 的電子磁譜儀測(cè)量 ，得到實(shí)測(cè)值 為 280 keV[18]。對(duì)于激光強(qiáng)度 ≥ ，脈沖基底可能產(chǎn)生一個(gè)密度標(biāo)長(zhǎng)為上百 μm 的等離子體，飛秒激光脈沖與該標(biāo)長(zhǎng)的等離子體相互作用[19]。測(cè)量超熱電子能譜的基本原理是利用不同動(dòng)能的電子在均勻磁場(chǎng)中產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。電荷 e 在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)后電子打在成像板或感光片上，忽略電子重力的影響，其運(yùn)動(dòng)方程為 d dt (mv) = −ev× B (2) v ⊥ B mv 2 當(dāng) 時(shí)， = evBρ。其中 Bρ表示磁剛度 (10−4 T·cm)，是運(yùn)動(dòng)粒子動(dòng)量的量度[20] ;ρ 表示電子飛行軌道的曲率半徑。在同樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 的情況下，ρ 越大，表示剛度越大，越不易被彎曲。則電子動(dòng)能可以用磁剛度表示 E (keV) = mc2 −m0c 2 = m0c 2 ????????? √( eBρ m0c )2 −1 ????????? = 511{[ 3.44×10−7 ( Bρ )2 +1 ]1/2 −1 } (3)電子磁譜儀的設(shè)計(jì)采用半圓聚焦方式，不同的半徑對(duì)應(yīng)于不同動(dòng)能的電子。這樣在不同半徑處記錄超熱電子數(shù)目，可以推算出超熱電子能譜[21]。

　　當(dāng)高速超熱電子穿越 Cu 靶時(shí)，這時(shí)候會(huì)發(fā)生軔致輻射現(xiàn)象，并通過 PI-XIS CCD 2048 探測(cè)到其圖像。從圖中所示的厚度 0.1 mm、直徑為 10 mm 的圓形 Ta 靶清晰可見[22] ，另外增加了一層厚度為 20 μm Al 膜，從 Al 邊界可以看到兩個(gè)半圓，正好覆蓋在兩個(gè) Ta 靶的上面，顯示 Al 覆蓋的地方 X 射線很弱，能夠隱約看到另外的兩行 7 個(gè)全覆蓋圓，2 個(gè)半覆蓋圓,1 個(gè)未覆蓋。與文獻(xiàn) [21] 采用螺釘、螺母、鉭臺(tái)階類似，都是獲得較清晰的邊緣圖像。PI-XIS CCD 2048 按照 Cu 的最高峰值 Kα 特征譜 8 keV 計(jì)算，加上 250 μm 厚的 Be 窗，其光子檢測(cè)效率 45%～50%。圖像照射量不是很均勻，還有大量的椒鹽噪聲，能夠分辨出圓型 Ta 靶和鋁膜邊界。輸入圖像 A 的質(zhì)量不是太高。通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分析[23-24] ，使用半徑為 5，10 和 20 pixel 的平坦型圓盤結(jié)構(gòu)元素 S 分別腐蝕圖像 A。如圖 2 所示，可以看出半徑為 10 pixel 的腐蝕后的效果比較清楚，而腐蝕 20 次后，圖像明顯模糊。再運(yùn)用開運(yùn)算、閉運(yùn)算進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行分析，其開運(yùn)算是輸入圖像 A 先被結(jié)構(gòu)元素 S 腐蝕，然后再被 S 膨脹的結(jié)果，表達(dá)式為 A? S = (A?S )⊕S (4)而閉運(yùn)算則是開運(yùn)算的偶運(yùn)算，是先用結(jié)構(gòu)元素 S 膨脹圖像 A，然后再腐蝕得到結(jié)果，表達(dá)式為 A• S = (A⊕S )?S (5)采用正方形 3×3 的結(jié)構(gòu)算子，該矢量元素相似于正弦函數(shù)，產(chǎn)生的正方形峰值誤差為±1。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)比數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，分別進(jìn)行開運(yùn)算、閉運(yùn)算，先開后閉和先閉后開 4 種運(yùn)算方法。如圖 3 所示，顯示先開后閉運(yùn)算效果較好，10 個(gè)圓形的 Ta 輪廓比較明顯。

　　2.2 針孔矩陣成像

　　采用矩陣針孔和 PIXIS 1024B 軟 X 光 CCD 構(gòu)成了針孔成像光路，該針孔相機(jī)的基底為 20 μm 厚的鉭，設(shè)計(jì) 5 多針孔，其間距 800 μm，每個(gè)孔的尺寸為 ?10 μm。而該 CCD 成像尺寸為 13 μm/pixel。從圖 4(a)顯示出該圖存在衍射，導(dǎo)致孔像間的距離與孔直徑的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉭多針孔的孔距與孔徑的比例。采用的濾片為 5 μm 厚的鋁膜，能有效吸收 4 keV 以下的軟 X 射線。通常針孔相機(jī)的分辨率有幾何分辨率 、物理分辨率 的均方根評(píng)定，幾何分辨率可表示為 ?n = d (1+1/M) (6)式中：d 為針孔直徑;M 為放大倍數(shù)。由針孔衍射現(xiàn)象引起的物理分辨率為 ?w = kλad−1 (7) ?n ≈ ?w ≈ 式中：λ 為特征譜線 X 射線波長(zhǎng)，Cu 的 Kα 線波長(zhǎng)為 1.54 nm;物距 a=175 mm。本實(shí)驗(yàn)條件下，所設(shè)計(jì)滿足 ，實(shí)際放大倍數(shù) M 為 4.743，故 k 0.3，而文獻(xiàn) [18] 中的 k 值取為 2.44，原因是放大倍數(shù)不同。

　　PIXIS1024B 軟 X 射線 CCD 的量子效率在 X 射線能量為 1～4 keV 之間高于 60%。而在 2～3 keV 范圍響應(yīng)區(qū)間，效率在 80% 以上。由于該 CCD 用了 0.25 mm 的 Be 窗，光子檢測(cè)效率降低，在 5 keV 處最大峰值為 75%，而在 8 keV 處，光子探測(cè)效率為 45%。在實(shí)驗(yàn)中，采用 5 μm 厚的鋁膜，其透過率進(jìn)一步衰減，在 Cu 靶特征譜線 8 keV 附近[18] ，量子效率約為 20%。本發(fā)次采用 f/10 離軸拋物面鏡聚焦 X 射線焦斑橫向長(zhǎng)度為 66 μm，縱向長(zhǎng)度為 107 μm，參見圖 4。這種軟 X 射線 CCD 針孔相機(jī)的主要特點(diǎn)是靈敏度高，能夠?qū)?X 射線焦斑進(jìn)行成像。而熊勇采用 f/3 離軸拋物面鏡聚焦，能量在 2.29 J，獲得的 X 射線焦斑直徑為 46 μm[19]。實(shí)驗(yàn)中用 X 射線針孔相機(jī)測(cè)得的激光焦斑如圖 4 所示，焦斑大小隨激光能量的變化有少量的波動(dòng)。由于計(jì)算激光焦斑時(shí)取平均值。針孔相機(jī)實(shí)測(cè) X 射線焦斑橫向范圍 49～118 μm，平均為 76 μm;刃邊方法[25] 獲取 Cu 靶的 X 射線焦斑范圍在 40～86 μm，平均為 54 μm。綜合考慮 X 射線焦斑，X 射線實(shí)際焦斑為 40～60 μm。再次從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了 X 射線的焦斑是激光焦斑的 1.5 倍左右[26]。理論上，針孔的直徑越小，分辨圖像的能力越強(qiáng)，但是因針孔鉭片的孔徑加工工藝極限，很難加工到直徑小于 10 μm 的金屬針孔。

　　3 結(jié)　論

　　泵浦-探針技術(shù)在激光等離子體研究中是熱點(diǎn)問題，而飛秒激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的 X 射線成像可以為有效診斷物質(zhì)材料動(dòng)態(tài)提供手段。本文利用升級(jí)完成的“星光Ⅲ”激光裝置飛秒束激光與納米 Cu 相互作用，在 Cu 納米顆粒靶入射激光側(cè)，布置針孔相機(jī)獲得特征光譜，與 X 射線 CCD 相結(jié)合，測(cè)得并推算 X 射線焦斑直徑平均值為 75 μm，大于理論推導(dǎo) X 射線焦斑尺寸(40 μm)。而在靶材后面布置的金屬 Ta，利用從靶背后運(yùn)動(dòng)的高速電子與金屬相互作用，獲得軔致輻射產(chǎn)生的 X 射線，以及圓盤金屬 Ta 和 Al 膜的邊界圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在“星光Ⅲ”激光裝置上進(jìn)行的雙光譜診斷實(shí)驗(yàn)，適合飛秒激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 X 射線特征光譜焦斑和軔致輻射 X 射線的測(cè)量，為材料動(dòng)態(tài)特性診斷提供了參考。