飛秒激光產生的 X 射線雙光譜成像

　　摘 要 ： 在微介觀診斷中往往因為空間限制，選擇具有亮度高、單色性好、對比度強的特征譜線，而忽略了軔致輻射譜線。率先實驗設計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，在中國工程物理研究院“星光Ⅲ”激光裝置飛秒激光束靶室上進行實驗，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，設計了用于特征光譜成像的針孔成像光路，獲得 Cu 納米顆粒靶產生的特征 X 射線的焦斑圖像，為 76 μm，大于刃邊方法測得半徑為 54 μm 的焦斑。在靶后側，設計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。實驗表明，利用雙光譜成像設計合理，適合微介觀材料動態診斷，提高診斷效率。

　　關鍵詞： 泵浦-探針技術; 動態加載; 納米顆粒材料; X 射線光源

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

　　極端條件下可能同時存在包括應力、溫度、電磁場、能量流和化學環境以及相應的加載率等參數，可為設計材料和預測物質在極端條件下的表現[1-3] ，這在國防科技、能源和材料科學領域相當重要。它的挑戰在于實驗手段缺乏相應的時間分辨精度(如從光子-電子-聲子相互作用的 fs，ps 尺度到損傷成長的 μs 尺度)和空間精度(如從相變成核的原子團簇到介觀 μm 尺度)[4-6]。利用飛秒激光的泵浦-探針技術的超快光學測量雖已經相當成熟，但是超快技術和極端條件加載的結合還在萌芽階段[7]。在國外，利用 Line-Imaging VISAR 類似的高時空分辨測試技術研究材料內部微細觀結構的沖擊波力學響應進行了大量的工作[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、具有規則陣列結構的玻璃鋼以及作為炸藥模擬的壓實白糖等非均勻材料在沖擊壓縮下的響應，從而驗證空間分辨波剖面測量技術的獨特作用，獲得了極有價值的豐富信息。Chhabildas 等[12] 則用 Line-Imaging ORVIS 研究了沖擊壓縮下 Ta 的微結構對層裂產生、發展的影響，利用空間分辨的自由曲面速度剖面展示內部孔洞或缺陷從初始的數 μm 變化到數十 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驗，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原子的位置信息，可見光只與原子外層的價電子和自由電子相互作用，不能到達中心電子層和原子核，因此不能探測到物質內部結構的真實信息[14] ，而 X 射線能彌補可見光目前存在的問題，實現物質微觀結構的診斷。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。本文在國內率先驗證兩種譜線同時成像方法，即在靶前采用網格和針孔進行了特征譜線成像手段，而靶后設計了帶臺階鉭靶矩陣的金屬軔致輻射成像。在中國工程物理研究院“星光Ⅲ”激光裝置上，以飛秒激光束驅動納米靶產生的 X 射線作為光源，進行了雙光譜成像[15] ，驗證性地為該裝置診斷物質內部結構提供參考。

　　1 實驗布局

　　實驗是在中國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，最大輸出靶面功率密度達到 。當功率小于 30 TW 時，重復頻率為 10 Hz;當功率大于 30 TW，每 20 min 可觸發 1 次。實驗安排在該裝置 SILEX-I 靶室上進行，布局如圖 1 所示。fs 激光脈沖經由 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 進行監測焦斑直徑，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，即在靶后 90 mm 處布置了 2×5 個圓形鉭片，用鋁膜覆蓋，留一角少覆蓋一層，鉭靶后 110 mm 處設置 X 射線 CCD，其像素為 2048×2048，13.5 μm/ pixel。實驗采用厚度為 15 μm、表面生長有納米顆粒的 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 實驗結果分析

　　激光基頻是衡量激光參數的重要參數，實驗采用海洋 HR2000+三階自相關儀對主脈沖基頻進行測試，曝光時間為 5 s，手動方式進行采集。測得該飛秒激光器的基頻波長平均在 807 nm，考慮誤差范圍 nm。將自相關儀所測數據和入射激光的能量導入到 Origin 軟件中，并將其進行線性擬合，發現基頻標準誤差僅為 0.1，其半高全寬和全寬值的標準誤差分別是 5.9 和 9.2。而利用兩支光電倍增管和衰減片，測得對比度平均值為 3.1 ，其中最大 1.3 。測得激光焦斑為 30 μm。表明該激光器的入射波長、基頻和對比度參數比較穩定，滿足實驗要求。

　　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生軔致輻射[17]。激光驅動產生 Kα 射線的產額及轉換效率，依賴于激光-電子的轉換過程。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 表示電場強度; kT 表示超熱電子溫度(keV)。從該發次的激光能量為 3.2 J，可以推算出該發次的理論電子溫度 為 275 keV。利用同步診斷 的 0.06 T 的電子磁譜儀測量 ，得到實測值 為 280 keV[18]。對于激光強度 ≥ ，脈沖基底可能產生一個密度標長為上百 μm 的等離子體，飛秒激光脈沖與該標長的等離子體相互作用[19]。測量超熱電子能譜的基本原理是利用不同動能的電子在均勻磁場中產生不同的偏轉來實現的。電荷 e 在磁感應強度為 B 的磁場中運動時，經過偏轉后電子打在成像板或感光片上，忽略電子重力的影響，其運動方程為 d dt (mv) = −ev× B (2) v ⊥ B mv 2 當 時， = evBρ。其中 Bρ表示磁剛度 (10−4 T·cm)，是運動粒子動量的量度[20] ;ρ 表示電子飛行軌道的曲率半徑。在同樣的磁場強度 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)電子磁譜儀的設計采用半圓聚焦方式，不同的半徑對應于不同動能的電子。這樣在不同半徑處記錄超熱電子數目，可以推算出超熱電子能譜[21]。

　　當高速超熱電子穿越 Cu 靶時，這時候會發生軔致輻射現象，并通過 PI-XIS CCD 2048 探測到其圖像。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 邊界可以看到兩個半圓，正好覆蓋在兩個 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 個全覆蓋圓，2 個半覆蓋圓,1 個未覆蓋。與文獻 [21] 采用螺釘、螺母、鉭臺階類似，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 計算，加上 250 μm 厚的 Be 窗，其光子檢測效率 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 的質量不是太高。通過數學形態學分析[23-24] ，使用半徑為 5，10 和 20 pixel 的平坦型圓盤結構元素 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。再運用開運算、閉運算進一步對圖像進行分析，其開運算是輸入圖像 A 先被結構元素 S 腐蝕，然后再被 S 膨脹的結果，表達式為 A? S = (A?S )⊕S (4)而閉運算則是開運算的偶運算，是先用結構元素 S 膨脹圖像 A，然后再腐蝕得到結果，表達式為 A• S = (A⊕S )?S (5)采用正方形 3×3 的結構算子，該矢量元素相似于正弦函數，產生的正方形峰值誤差為±1。在實驗中對比數學形態學，分別進行開運算、閉運算，先開后閉和先閉后開 4 種運算方法。如圖 3 所示，顯示先開后閉運算效果較好，10 個圓形的 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 構成了針孔成像光路，該針孔相機的基底為 20 μm 厚的鉭，設計 5 多針孔，其間距 800 μm，每個孔的尺寸為 ?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，導致孔像間的距離與孔直徑的比例遠遠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。通常針孔相機的分辨率有幾何分辨率 、物理分辨率 的均方根評定，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。由針孔衍射現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，Cu 的 Kα 線波長為 1.54 nm;物距 a=175 mm。本實驗條件下，所設計滿足 ，實際放大倍數 M 為 4.743，故 k 0.3，而文獻 [18] 中的 k 值取為 2.44，原因是放大倍數不同。

　　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 范圍響應區間，效率在 80% 以上。由于該 CCD 用了 0.25 mm 的 Be 窗，光子檢測效率降低，在 5 keV 處最大峰值為 75%，而在 8 keV 處，光子探測效率為 45%。在實驗中，采用 5 μm 厚的鋁膜，其透過率進一步衰減，在 Cu 靶特征譜線 8 keV 附近[18] ，量子效率約為 20%。本發次采用 f/10 離軸拋物面鏡聚焦 X 射線焦斑橫向長度為 66 μm，縱向長度為 107 μm，參見圖 4。這種軟 X 射線 CCD 針孔相機的主要特點是靈敏度高，能夠對 X 射線焦斑進行成像。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]。實驗中用 X 射線針孔相機測得的激光焦斑如圖 4 所示，焦斑大小隨激光能量的變化有少量的波動。由于計算激光焦斑時取平均值。針孔相機實測 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 射線實際焦斑為 40～60 μm。再次從實驗上驗證了 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，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　論

　　泵浦-探針技術在激光等離子體研究中是熱點問題，而飛秒激光驅動產生的 X 射線成像可以為有效診斷物質材料動態提供手段。本文利用升級完成的“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，布置針孔相機獲得特征光譜，與 X 射線 CCD 相結合，測得并推算 X 射線焦斑直徑平均值為 75 μm，大于理論推導 X 射線焦斑尺寸(40 μm)。而在靶材后面布置的金屬 Ta，利用從靶背后運動的高速電子與金屬相互作用，獲得軔致輻射產生的 X 射線，以及圓盤金屬 Ta 和 Al 膜的邊界圖像。實驗結果表明，在“星光Ⅲ”激光裝置上進行的雙光譜診斷實驗，適合飛秒激光驅動產生 X 射線特征光譜焦斑和軔致輻射 X 射線的測量，為材料動態特性診斷提供了參考。