激光加载下的瞬态X射线衍射技术研究

摘要

激光加载下的瞬态X射线衍射是用以诊断材料在动态加载下的微观动态响应特性,如弹性变形、弹塑性变形、相变等。因其超短的X射线探测脉冲,可实现原子尺度上的微观探测,对于科学家理解固体材料在极端温度和应变率等条件下的动力学响应具有重要意义,是认识微观物质世界的新手段,是打开极端条件凝聚态物理研究的新窗口。
　　本文所研究的瞬态X射线衍射技术是实现激光驱动加载下,单晶的微观动态响应特性的诊断研究。具体过程是某一激光束作为加载脉冲作用于晶体,另一束激光与固体相互作用产生等离子体而发射X射线作为探测脉冲,在不同延迟时间上,利用X射线探测脉冲对激光引起的结构变化进行探测。
　　论文首先论述了瞬态X射线衍射理论。在X射线衍射领域有两大理论:运动学理论和动力学理论。运动学理论仅考虑散射线之间的干涉效应,略去了衍射线之间的再散射效应,即忽略了X射线在晶体中传播的消光效应,可近似确定劳厄或者布拉格衍射峰的位置,而动力学理论考虑了晶体内所有波的相互作用,考虑了消光效应,修正了折射率。瞬态X射线衍射理论就是考虑了光电吸收和消光效应的全波理论。
　　接着论述了瞬态X射线衍射的数据反演。原理是入射X光为发散的点光源,不同晶面的衍射图样是以该晶面的法线(晶面的倒易矢量)为轴的圆锥面,衍射线即是静态的平面胶片与圆锥面相交而得到的曲线。衍射数据的反演需两步工作:一是根据布拉格衍射条件和消光规律确定可能发生的衍射晶面指数(hkl);二是利用matlab编程实现典型晶体结构的反演模拟计算。
　　接下来论述了利用瞬态X射线衍射技术诊断LiF单晶在激光加载下的弹性变形实验研究和诊断Fe单晶在激光加载下的相变实验研究。实验在神光Ⅱ装置的球靶上进行。单晶LiF实验:北四路激光驱动Cu靶产生X射线作为探测脉冲,第九路激光作为加载脉冲,对LiF单晶冲击加载,实验获得了LiF单晶(002)晶面的未压缩和压缩后的衍射信号,表明沿[001]方向加载下,晶格发生了弹性变形,晶格压缩量为11％。单晶Fe相变实验:激光加载下,分别采用冲击压缩和准等熵压缩方式,研究了Fe的相变。
　　最后对全文做出总结,分析不足之处以及以后改进的方向。