新设计提升激光等离子体X射线源的稳定性

High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期论文：

L. Martín, J. Benlliure, D. Cortina-Gil, et al. Improved stability of a compact vacuum-free laser-plasma X-ray source[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2020, 8(2): 02000e18
X射线在物理学、化学和生物学有广泛应用，可用于安检、工业探测、医学成像和治疗等。与传统X射线相比，基于激光等离子体的X射线源有脉冲短、亮度高、尺寸小等特点，有望应用于高分辨和超快过程的成像。

       近日，来自圣地亚哥-德孔波斯特拉大学的L. Martin及其合作者在非真空环境下成功实现了基于强激光和固体靶相互作用产生的高平均功率X射线源。在1 kHz的高重频作用下，每半小时更换一次靶体，得到了1.5 Sv/h的剂量率。研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期上。

       高重频系统需要克服靶体的重新装配以及靶体定位问题，本文采用了如下的实验布局（图1）。厚度为1 mm的铜片安装在旋转电机R1上，旋转电机靠L型支架坐落在相互垂直的线性电机L1和L2上。激光以45°角入射，同时在法线17°方向放置碲化镉探测器以及镜面反射角设置光屏用以定位。激光参数为35 fs，1 mJ，1 kHz，被f/1的显微物镜汇聚成3.8 μm×3.9 μm的焦斑；考虑入射倾角后，得到的激光光强为1.5×1017 W/cm2。电机R1每旋转一周，移动L1调节作用区域的旋转半径，移动L2调节最佳聚焦位置。

图1 实验布局图

为了获得较高光强，需要将激光尽可能汇聚。此时瑞利长度的减小对靶体的定位系统提出了非常高的要求。本文为实验对靶体的高精度定位考虑了如下几个因素：

       首先是为将靶体移至最佳聚焦位置，采用一束与主激光光路重合的氦氖激光照射到铜片表面，同时在镜面反射角的光屏上观察反射斑的情况（图2）。通过前后移动铜片，能够找到一个最佳位置使得反射斑更加规则。需要指出，这种方法已经消除了铜片表面起伏所带来的不确定性。同时对不同聚焦位置的光斑进行傅里叶变换后取低空间频率部分，比较振幅后可以实现4 μm左右的定位精度。

图2 定位系统中的散射斑以及不同位置下的低空间频率幅度

其次是在此光强下，需要考虑空气中的自聚焦和自调制现象，它会使得激光实际的聚焦位置更靠近显微物镜。通过对不同离散焦位置的X射线产额进行测量，发现在950 μJ和500 μJ的能量下会分别带来41 μm和33 μm的偏移，靶体定位系统需要考虑此偏移量。

      此外，还需要考虑电机旋转的摇摆。通过成像系统可以测量不同半径上的位置偏移，大约在100 - 200 μm左右，在移动线性电机过程中修正摇摆带来的误差。

      最后，实验同时对比了保持角速度恒定和线速度恒定下的实验结果。从辐射能谱来看，线速度恒定的能谱更加稳定。而且线速度恒定避免了作用区域的重叠。考虑相互作用的区域大小，半径改变的同时调节角速度，能最大限度利用靶体。

       为了验证X射线源的稳定性，实验测量了两块铜片下的辐射产额。测量3 min内碲化镉探测器内的X射线通量，共得到了24组数据（图3）。从实验结果来看，X射线产额的偏移量低于6.6%。从绝对数目来看，在950 μJ能量下的辐射剂量率可以达到1.5 Sv/h，是一种相对经济的台面式X射线源。

图3 24组数据的X射线通量测量结果