新方法产生纯净软X射线源（HPL, 2020, e26）

激光等离子体产生的能段在0.1-50 keV的X射线一直是一个研究热点。一般来说，激光和等离子体的参数决定了射线源的功率以及发射效率。为了能获得高强度的射线源，一般采用原子序数在30-50的靶材料。这种材料中的原子跃迁可以获得高能的X射线，但与此同时也会产生电子、质子等其他离子，无法获得较为纯净的X射线源。

       近日，俄罗斯科学院高温联合研究所的研究人员通过高对比度相对论飞秒激光与超音速的氩气喷流相互作用，实现了一种纯净且紧凑的X射线辐射源。研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期。

       实验布局如图1所示：三个高空间分辨率的会聚谱仪（FSSR）分别放置在与激光夹角为0°、45°和90°的位置。FSSR带有α型石英的球形弯晶，不同波长的射线通过弯晶后的折射角度不同，在探测平面用富士胶片的TR型成像板记录不同波段的X射线能量。

        其中0°放置的高于相互作用平面，可以测得的射线波长范围为3.7-4.25 Å。其他两个角度的探测器均在作用平面内，探测范围为3.2-4.5 Å。另外，在激光前向的0°方向放置了一个电子谱仪，可以测量能段在10-120 MeV的电子，同时也用成像板加上不同厚度的铝膜测量电子束的空间分布信息，中间留孔不影响电子谱仪正常工作。

图1 实验布局图

实验所用的激光参数为：能量500 mJ，脉宽40 fs，光强2×1019 W/cm2，对比度优于109。气体采用背压为6 MPa的氩气，激光会聚在气体的水平方向的中心，并通过扫描焦点与喷嘴出口的竖直距离，探测不同距离下的X射线发射产额。

       当竖直距离L≥1 mm时，0°方向测得的X射线如图2(a)所示，探测器上有明显均匀且强度较高的噪声，能够看到Heα1、Heα2线，但信噪比不佳。图2(c)反映了此条件下的电子能谱分布，图2(d)测得了电子束的空间分布。从实验结果来看，此条件下获得了较为高能的电子束，未实现获得纯净X射线源的目的。

       当竖直距离增加到L=2 mm且保持其他参数不变时，实验结果有很大不同。从图2(b)可以看出，噪声水平有了明显下降，虽然Heα1、Heα2线有所减弱，但是信噪比大大提高，同时也出现了之前没有观察到的Li-和Be-线。电子谱仪的电子信号也消失不见，从0°方向记录电子束分布的成像板如图2(e)所示，从边缘场引起的偏转可以推断，电子的能量不超过0.3 MeV。

图 2  (a)(b)为0°方向测得的X射线，(c)(d)(e)为0°方向的电子能谱和空间分布信息。

实验参数为：背压6 MPa，激光能量250 mJ，激光会聚在氩气喷嘴中心，(a)(c)(d)的竖直距离为1mm，(b)(e)的竖直距离为2mm。

       除了改变焦点至喷嘴的竖直距离以外，实验还扫描了不同激光能量、不同脉宽和不同背压下的X射线产生情况。

       该实验通过高对比度飞秒激光与氩气喷流，产生了能段在3.1±0.2 keV的X射线，基本实现了紧凑且纯净的X射线源。

       实验发现，改变焦点与喷嘴的竖直距离是影响X射线产额的最主要因素。实验在光强为1×1019 W/cm2，能量280 mJ，脉宽100 fs，背压6 MPa时获得了最优产额，在能段为3.1±0.2 keV的光子产额为2.5×1011个/J，转化率为8.57×10-5。通过测量不同角度的X射线可知辐射为各向同性。激光能量从50到280 mJ变化，对应的光子产额从5×109个每发到4×1010个每发。脉宽从40 fs增加到100 fs，对应的产额有40%±10%的提高。改变气体的背压产额也有2-3倍的变化。实验获得的紧凑纯净脉冲式X射线源，有望在X光吸收成像和相衬成像等领域发挥作用。