王向賢
(巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系,安徽 巢湖 238000)
超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha源
王向賢
(巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系,安徽 巢湖 238000)
超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射,有準(zhǔn)單能、發(fā)射區(qū)域小、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的應(yīng)用前景。介紹了超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha源的基本原理及其主要研究?jī)?nèi)容,討論了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
超短超強(qiáng)激光;K-alpha源;基本原理
超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射。有準(zhǔn)單能(幾十個(gè)keV)、發(fā)射區(qū)域?。ㄎ⒚琢考?jí)),時(shí)間短(飛秒-皮秒量級(jí))等優(yōu)點(diǎn)[1,2]??蓮V泛應(yīng)用于慣性約束聚變背光照相,醫(yī)學(xué)成像,光刻,時(shí)間分辨X射線衍射等領(lǐng)域。同時(shí),超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用中超熱電子輻射是強(qiáng)場(chǎng)物理的重要研究?jī)?nèi)容之一,而K-alpha線的產(chǎn)生和超熱電子直接相關(guān),故可以通過(guò)研究K-alpha線輻射研究超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相關(guān)作用產(chǎn)生的超熱電子。
如圖1所示,用超短超強(qiáng)激光脈沖輻照靶物質(zhì),如鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)等,激光與靶物質(zhì)的耦合將產(chǎn)生超熱電子,超熱電子向靶中輸運(yùn),碰撞電離1S軌道電子,使得1S軌道產(chǎn)生空穴,此時(shí)2P軌道電子將向1S軌道躍遷,產(chǎn)生K-alpha光子輻射,產(chǎn)生的K-alpha線輻射包括K-alpha1線和K-alpha2線[3],分別對(duì)應(yīng)于躍遷22P3/2→12S1/2和 22P1/2→12S1/2。
圖1 超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha光輻射的基本物理過(guò)程
基于超短超強(qiáng)激光脈沖驅(qū)動(dòng)的K-alpha源的實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示。主激光經(jīng)全反射鏡反射后,被離軸拋面鏡聚焦到銅等靶物質(zhì)上。X射線光譜儀(如:光子計(jì)數(shù)型CCD、晶體譜儀等)用于測(cè)量K-alpha線光譜,安裝在與入射激光處于同一水平面的靶室法蘭上(靶前、靶后位置均可),電子譜儀可同時(shí)在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的超熱電子能譜。
當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外對(duì)超短超強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射有較廣泛的研究。這些研究主要包括:激光偏振態(tài)對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響;K-alpha光輻射的角分布;K-alpha光的脈沖寬度;K-alpha光的空間尺度;K-alpha線產(chǎn)額、激光K-alpha光轉(zhuǎn)化效率;預(yù)脈沖對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響;靶材結(jié)構(gòu)及靶表面粗糙度對(duì)K-alpha產(chǎn)額的影響;各種條件下K-alpha線輻射的優(yōu)化以及K-alpha線的應(yīng)用等等。
3.1 激光偏振狀態(tài)對(duì)K-alpha線的影響[4]:
由于P-偏振光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的超熱電子的能量和產(chǎn)額遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S-偏振光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的超熱電子的能量和產(chǎn)額。因此P-偏轉(zhuǎn)光與物質(zhì)相互作用時(shí)X射線產(chǎn)額也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S-偏振光與物質(zhì)相互作用。
3.2 K-alpha光輻射的角分布:
Yoichiro Hironaka 等[5]將 41fs 激光以 60°入射聚焦到Cu靶上 (聚焦后強(qiáng)度1.3×1017W/cm2)。用X射線光電二極管測(cè)量硬X射線(4-20keV)的產(chǎn)額,用Si單晶衍射儀測(cè)量Cu的K-alpha線。發(fā)現(xiàn)在激光為P-極化時(shí),K線輻射是各向同性的。一般實(shí)驗(yàn)都假設(shè)K線輻射是各向同性的。
圖2 超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha光輻射的實(shí)驗(yàn)布局簡(jiǎn)圖
3.3 K-alpha光的脈沖寬度:
X射線脈沖寬度隨著激光強(qiáng)度增加而增加。T.Feurer等[6]用 80fs,Ti:藍(lán)寶石 CPA 系統(tǒng)激光(最大能量200mJ)輻照Si靶,測(cè)得X射線脈沖寬度在200-640fs之間,并用PIC和Monte-Carlo電子輸運(yùn)程序模擬K線輻射的時(shí)間特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算符合的較好。一般,K-alpha線輻射的脈沖寬度約為入射激光寬度的3-10倍左右。
3.4 K-alpha 光的空間尺度[7,8]:
Ch.Reich等[8]用一二維的單色成像系統(tǒng)(6μm分辨)研究了飛秒激光與Ti靶相互作用K線輻射的空間特性。K-alpha線輻射的空間特性對(duì)高、低激光強(qiáng)度(大于或小于1017W/cm2)有定性的不同。低強(qiáng)度時(shí),K-alpha線的輻射由一寬的峰組成,而在高強(qiáng)度時(shí),K-alpha線峰值的中心被一大的弱K-alpha線輻射的環(huán)圍繞,它占K線輻射的2/3。當(dāng)激光強(qiáng)度為 7×1018W/cm2時(shí),K-alpha線輻射區(qū)達(dá)400um,峰值的半高寬為70um,而激光尺寸為3um。當(dāng)激光強(qiáng)度增加時(shí)K-alpha線輻射的峰值不再增加,甚至減小。
3.5 K-alpha線產(chǎn)額、激光K-alpha光轉(zhuǎn)化效率[9-12]:
D.Salzmann[10]等考慮光子的再吸收現(xiàn)象。解析得出最優(yōu)的產(chǎn)生K-alpha線輻射的靶厚度和超熱電子的能量及靶材的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的靶厚和電子的射程及光子的平均自由程相當(dāng)。此時(shí),超熱電子的能量應(yīng)為K殼層電離能的4~12倍(Cu為 6倍)。
Ch.Reich[11]等考慮了K-alpha線向靶前輻射時(shí)的再吸收效應(yīng),用一解析模型和PIC程序模擬了最優(yōu)的產(chǎn)生K線輻射的激光強(qiáng)度。解析模型得到的產(chǎn)生K線輻射最優(yōu)的激光強(qiáng)度為:Iopt=7×109Z4.4,PIC 模擬結(jié)果得到 Cu、Ag的 K-alpha線輻射的最優(yōu)輻照激光強(qiáng)度則分別為7×1015W/cm2和3×1016W/cm2,其結(jié)果與解析模型結(jié)果有一定的偏差,這主要是由于考慮再吸收過(guò)程的近似處理造成的。
大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]K-alpha線產(chǎn)額約為109-1011(4πSr),激光 K-alpha 光的轉(zhuǎn)化效率約為 10-6-10-5。
3.6 預(yù)脈沖對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響:
108-109W/cm2低的ASE預(yù)脈沖雖然不能電離物質(zhì)[13],但可以加熱和氣化靶材,當(dāng)這些氣體被激光的上升沿電離時(shí),它可影響高強(qiáng)度激光與固體靶的相互作用。Ch.Ziener等[14]發(fā)現(xiàn)使用適當(dāng)?shù)念A(yù)脈沖,K-alpha線轉(zhuǎn)換效率可以提高2~5倍。預(yù)脈沖可以使K-alpha線輻射增加,但會(huì)因?yàn)轭A(yù)脈沖使得K-alpha線脈寬變寬。
3.7 靶材結(jié)構(gòu)對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響:
靶的表面結(jié)構(gòu)對(duì)X射線的產(chǎn)額影響很大,故另一類(lèi)現(xiàn)在廣泛研究的辦法是使用帶一定表面結(jié)構(gòu)的靶,如:刻槽(grating)靶,膠體靶(Colloidal),天鵝絨靶(Velvet),多孔靶(Porous Si),納米圓孔陣列靶(Nanocylinder),以及金屬納米顆粒靶等等。例如P.P.Rajeev等[15]通過(guò)高壓直流濺射法在銅基底上形成厚度約1μm的球形和橢球形(比率為1.5)銅納米粒子層。用P極化的100fs鈦寶石激光(1014~1015W/cm2)以 45°入射到納米粒子層,測(cè)量到10keV-200keV范圍內(nèi)的硬X射線產(chǎn)額,相對(duì)于拋光的銅靶,最大有13倍的提高。這些帶表面結(jié)構(gòu)的靶通過(guò)不同的機(jī)制,提高了激光到不同波長(zhǎng)范圍X射線(軟X射線,中等硬X射線和硬X射線)的轉(zhuǎn)化效率。效率的提高在4倍到20倍不等,但脈沖寬度基本不變,可見(jiàn)帶表面結(jié)構(gòu)的靶在增強(qiáng)激光靶耦合方面的優(yōu)勢(shì)。
研究清楚超短超強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用產(chǎn)生K-alpha線輻射的產(chǎn)額,轉(zhuǎn)化效率與激光入射角、激光強(qiáng)度,靶厚度以及靶材結(jié)構(gòu)的關(guān)系,是將其廣泛應(yīng)用的前提。
超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生K-alpha線輻射的研究在很大程度上受到激光器激光能量的限制。目前,超短超強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用K-alpha線輻射研究主要集中在:如何提高K-alpha線產(chǎn)額,激光K-alpha光轉(zhuǎn)化效率,如:利用預(yù)脈沖和微結(jié)構(gòu)靶或團(tuán)簇是一種很好的解決途徑;利用K-alpha線輻射研究超熱電子;K-alpha線輻射的最優(yōu)化條件等方面;隨著超短超強(qiáng)激光器激光強(qiáng)度的不斷提高,高強(qiáng)度激光與靶物質(zhì)相互作用K-alpha線輻射也是研究的重點(diǎn)之一。另外,超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射的應(yīng)用也是主要研究?jī)?nèi)容之一。
[1]王向賢.超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用X射線輻射實(shí)驗(yàn)研究[D].成都:四川大學(xué)原子與分子物理研究所,2006.
[2]趙宗清,丁永坤,谷渝秋等.超短超強(qiáng)激光與銅靶相互作用產(chǎn)生Kα源的蒙特卡羅模擬[J].物理學(xué)報(bào),2007,56(12):7127-7231.
[3]王向賢,魯超,朱仁義.原子信息_基態(tài)和k_alpha線教學(xué)軟件的研發(fā)與教學(xué)實(shí)踐[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào),2009,11(6):128-130.
[4]U.Teubner,J.Bergmann,B.Van Wonterghen et al.Angle-Dependent of X-Ray Emission and Resonance Absorption in a Laser-Produced Plasma Generated by a High Intensity Ultrashort Pulse[J].Phys.Rev.Lett,1993,70(6):794~797.
[5]Yoichiro Hironaka,Kazutaka G.Nakamura,Ken-ichi Kondo.Angular distribution of x-ray emission from a copper target irradiated with a femtosecond laser[J].Appl.Phys.Lett,2000,77(25):4110~4111.
[6]T.Feurer,A.Morak,I.Uschmann et al.Femtosecond silicon Ka pulses from laser-produced plasmas[J].Phys.Rev.E,2001,65:016412-1~ 016412-4.
[7]N.Zhavoronkov,Y.Gritsai,M.Bargheer et al.Generation of ultrashort Ka radiation from quasipoint interaction area of femtosecond pulses with thin foils[J].Appl.Phys.Lett,2005,86:244107-1~244107-3.
[8]Ch.Reich,I.Uschmann,F.Ewald et al.Spatial characteristics of K a x-ray emission from relativistic femtosecond laser plasmas[J].Phys.Rev.E,2003,68:056408-1~056408-5.
[9]L.M.Chen,P.Forget,S.Fourmaux et al.Study of hard x-ray emission from intense femtosecond Ti:sapphire laser-solid target interactions[J].Phys.Plasmas,2004,11(9):4439~4445.
[10]D.Salzmann,Ch.Reich,I.Uschmann et al.Theory of K a generation by femtosecond laser-produced hot electrons in thin foils[J].Phys.Rev.E,2002,65:036402-1~036402-7.
[11]Ch.Reich,P.Gibbon,I.Uschmann et al.Yield Optimization and Time Structure of Femtosecond Laser Plasma Ka Sources[J].Phys.Rev.Lett,2000,84(21):4846~4849.
[12]J.A.King, K.Akli, R.A.Snavely et al.Characterization of a picosecond laser generated 4.5 keV Ti K-alpha source for pulsed radiography[J].Rev.Sci.Instrum,2005,76:076102-1~076102-3.
13]K.B.Wharton,C.D.Boley,A.M.Komashko et al.Effects of nonionizing prepulses in high-intensity laser-solid interactions[J].Phys.Rev.E,2001,64:025401-1~025401-4.
[14]Ch.Ziener, I.Uschmann,G.Stobrawa et al.Optimization of K a bursts for photon energies between 1.7 and 7 keV produced by femtosecond-laser-produced plasmas of different scale length[J].Phys.Rev.E,2002,65:066411-1~066411-8.
[15]P.P.Rajeev,S.Banerjee,A.S.Sandhu et al.Role of surface roughness in hard-x-ray emission from femtosecond-laserproduced copper plasmas[J]Phys.Rev.A,2002,65:052903-1~052903-5.
BRIEF INTRODUCTION OF K-ALPHA SOURCE PRODUCED BY ULTRA-SHORT AND ULTRA-INTENSE LASER IRRADIATING TARGET MATTER
WANG Xiang-Xian
(Department of Physics and Electronic Science,Chaohu College,Chohu Anhui 238000)
The k-alpha x-ray which is produced by ultra-short and ultra-intense laser irradiating target matter has extensive application prospect for the advantage of quasi mono-energy,small emitting region and short pulse duration et al.The fundamental and main research contents of k-alpha source produced by ultra-short and ultra-intense laser irradiating target matter are introduced.The research hot spot in the field is also discussed.
ultra-short and ultra-intense laser;k-alpha source;fundamental
O434
A
1672-2868(2011)03-0045-03
2010-12-19
巢湖學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):XLY-200906)
王向賢(1980-),男,甘肅定西人。講師,研究方向:光學(xué)和原子物理
責(zé)任編輯:宏 彬