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激光等离子体X射线源的应用


□ 董全力 张 杰 王首钧 赵 静 李英骏

  摘 要 激光等离子体作为X射线光源,具有光源体积小、亮度高、脉冲短等优点。因此,激光等离子体X射线光源在时间分辨诊断测量等方面具有重要的应用。文章简单介绍了这种光源在软X射线投影光刻技术、医学成像、晶体研究以及惯性约束核聚变(ICF)研究等方面的应用。这四个方面分别属于信息,生物,材料和能源等四个科学领域。作者的目的在于让这些科研领域及其对应工业界的研究同行了解我们的工作,从而能够实现跨学科、跨领域的合作。
  关键词 激光等离子体X射线光源,时间分辨诊断测量,跨学科合作
  
  Potential applications of laser-plasma as X-ray sources
  
  DONG Quan-LiZHANG JieWANG Shou-JunZHAO JingLI Ying-Jun 
  (Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080, China)
  Abstract Laser-plasma X-ray sources have the advantages of small volume, high brightness and ultrashort duration, which signify important potential applications in time-resolved diagnosis.We present examples of such applications in soft-X-ray projection lithography, biological radiography, crystallography and inertial confinement fusion, which pertain to the information, biology, materials and energy research fields, respectively.We hope this article can give people in the relevant research and industry fields an idea of what kind of tools we can provide for them, and realize collaboration among researchers in different domains.
  Keywords laser-plasma X-ray source, time-resolved diagnosis, collaboration among different domains
  
  1 引言
  
  X射线于1895年被伦琴发现,也称伦琴射线。X射线一经发现,便马上被医学界和工程界应用进行人体诊断和物体内部结构诊断,因此,可以说X射线的应用,是在人们没有确切知道其本性的情形下发展起来的;1912年晶体衍射X射线现象证实了X射线的波动本性后,X射线的应用变得更加广泛。现在,X射线照相技术和X射线衍射技术被广泛应用在生物、冶金和材料科学研究等与国计民生息息相关的领域。X射线衍射技术是利用X射线波长极端短
  
  与原子大小在一个量级上的特性,根据结晶样品形成的X射线衍射样式,在原子分辨的水平上推测分子或晶体的结构。英国科学家克里克和沃森正是根据富兰克琳和威尔金斯拍摄到的DNA的X射线衍射图样构造出了DNA双螺旋结构模型,并因此获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。实际上X射线衍射技术几乎是目前在原子水平上分析蛋白质、核酸和其他生物分子的惟一方法。
  近年来,随着脉冲激光、同步辐射及X射线条纹相机的出现,X射线衍射技术和X射线成像技术在时间分辨率上也变得越来越高。例如,现代的同步辐射装置可以提供多波长的约50ps的X射线脉冲。也可以利用高能电子束对强激光束的Thomson散射来产生亚皮秒的X射线束,当然此方式散射截面小,向X射线转换的效率低,此法获得的X射线束强度较弱。借助于新型X射线条纹相机,有人完成了时间分辨在500fs左右的X射线衍射实验[1]。还有另一种完全不同的X射线源,就是激光等离子体KαX射线脉冲。快速发展啁啾脉冲放大(CPA)技术使得中小型激光器可以提供超过1018W/cm2的峰值功率[2],辐照靶,可产生脉冲宽度在1ps左右的X射线脉冲。而且激光和等离子体相互作用过程中产生的高能电子,会通过电离靶材料K壳层电子的方式产生单能X射线脉冲[3];对于陡峭的高密等离子体来讲,KαX射线脉冲的长短取决于辐照激光的脉冲长短和高能电子在靶中的热化时间。另外,高功率小型化的激光系统也促进了基于激光等离子体的X射线激光的发展。自2004年北京第九届X射线激光国际会议以来,世界上几个大实验室相继利用低于1J的抽运激光能量,采用掠入射抽运实验方案,实现了10nm以上的X射线激光饱和输出。此两类脉冲比同步辐射容易获得,且造价低廉,在医学、高能量密度物理及材料学诊断上有着极大的潜在应用;掠入射抽运方案极大地降低了X射线激光饱和输出需要的驱动能量,促进了X射线激光在生产和生活中的应用。下面我们选择激光等离子体X射线在信息、生物、材料和能源等四个科学领域的应用来进行介绍,目的在于让这些科研领域或者对应工业界的研究同行了解我们的工作,从而能够实现跨学科、跨领域的合作,为促进我们国家的科学技术研究和应用水平做出我们应该有的贡献。
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