飞秒激光产生的 X 射线双光谱成像
5页1、飞秒激光产生的 X 射线双光谱成像简要:摘 要 : 在微介观诊断中往往因为空间限制,选择具有亮度高、单色性好、比照度强的特征谱线,而忽略了轫致辐射谱线。率先实验设计了特征谱线和轫致辐射谱线的双光谱诊断 X 射线光源的摘 要 : 在微介观诊断中往往因为空间限制,选择具有亮度高、单色性好、比照度强的特征谱线,而忽略了轫致辐射谱线。率先实验设计了特征谱线和轫致辐射谱线的双光谱诊断 X 射线光源的方法,在中国工程物理研究院“星光激光装置飞秒激光束靶室上进行实验,激光功率密度大于 1.61018 W/cm2 ,脉宽为 30 fs, 45入射靶面。在入射靶前侧,设计了用于特征光谱成像的针孔成像光路,获得 Cu 纳米颗粒靶产生的特征 X 射线的焦斑图像,为 76 m,大于刃边方法测得半径为 54 m 的焦斑。在靶后侧,设计了轫致辐射成像光路,利用 PIX 射线 CCD 获得 25 的圆形 Ta 组图像。实验说明,利用双光谱成像设计合理,适合微介观材料动态诊断,提高诊断效率。关键词: 泵浦-探针技术; 动态加载; 纳米颗粒材料; X 射线光源王洪建; 叶雁; 阳庆国; 李泽仁; 刘红杰强 激光与粒子束
2、 2022-01-10极端条件下可能同时存在包括应力、温度、电磁场、能量流和化学环境以及相应的加载率等参数,可为设计材料和预测物质在极端条件下的表现1-3 ,这在国防科技、能源和材料科学领域相当重要。它的挑战在于实验手段缺乏相应的时间分辨精度(如从光子-电子-声子相互作用的 fs,ps 尺度到损伤成长的 s 尺度)和空间精度(如从相变成核的原子团簇到介观 m 尺度)4-6。利用飞秒激光的泵浦-探针技术的超快光学测量虽已经相当成熟,但是超快技术和极端条件加载的结合还在萌芽阶段7。在国外,利用 Line-Imaging VISAR 类似的高时空分辨测试技术研究材料内部微细观结构的冲击波力学响应进行了大量的工作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、具有规那么阵列结构的玻璃钢以及作为炸药模拟的压实白糖等非均匀材料在冲击压缩下的响应,从而验证空间分辨波剖面测量技术的独特作用,获得了极有价值的丰富信息。Chhabildas 等12 那么用 Line-Imaging ORVIS 研究了冲击压缩下 Ta
3、的微结构对层裂产生、开展的影响,利用空间分辨的自由曲面速度剖面展示内部孔洞或缺陷从初始的数 m 变化到数十 m。辛建婷等13 在神光原型激光装置上开展金属材料微喷回收实验,获得了微喷颗粒的三维图像。由于超短光脉冲不能直接探测原子的位置信息,可见光只与原子外层的价电子和自由电子相互作用,不能到达中心电子层和原子核,因此不能探测到物质内部结构的真实信息14 ,而 X 射线能弥补可见光目前存在的问题,实现物质微观结构的诊断。目前的 X 射线成像普遍采用特征谱线,而无视了轫致辐射谱线。本文在国内率先验证两种谱线同时成像方法,即在靶前采用网格和针孔进行了特征谱线成像手段,而靶后设计了带台阶钽靶矩阵的金属轫致辐射成像。在中国工程物理研究院“星光激光装置上,以飞秒激光束驱动纳米靶产生的 X 射线作为光源,进行了双光谱成像15 ,验证性地为该装置诊断物质内部结构提供参考。1 实验布局实验是在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的“星光激光装置上进行,该装置正交布置 ns,ps 和 fs 三束激光,其中 fs 激光束是以钛宝石为增益介质,最大输出靶面功率密度到达 。当功率小于 30 TW 时,重复频率为
4、10 Hz;当功率大于 30 TW,每 20 min 可触发 1 次。实验安排在该装置 SILEX-I 靶室上进行,布局如图 1 所示。fs 激光脉冲经由 f/10 离轴抛物面镜聚焦在 Cu 纳米颗粒靶上,入射激光脉宽为 30 fs,与靶平面法线成 45。用 X 射线针孔配 PIXIS 1024B CCD 进行监测焦斑直径,安装在与水平面夹角 23.7,其在水平面的投影与入射激光夹角 23.2的斜上方法兰上。在靶后轫致辐射成像侧,即在靶后 90 mm 处布置了 25 个圆形钽片,用铝膜覆盖,留一角少覆盖一层,钽靶后 110 mm 处设置 X 射线 CCD,其像素为 20482048,13.5 m/ pixel。实验采用厚度为 15 m、外表生长有纳米颗粒的 Cu颗粒靶,激光能量为 4.8 J16。此外,还在靶后布置 0.06 T 的磁谱仪记录超热电子。2 实验结果分析激光基频是衡量激光参数的重要参数,实验采用海洋 HR2000+三阶自相关仪对主脉冲基频进行测试,曝光时间为 5 s,手动方式进行采集。测得该飞秒激光器的基频波长平均在 807 nm,考虑误差范围 nm。将自相关仪所测数据和
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