时间分辨光阴极X射线二极管成像装置

摘要

一种时间分辨光阴极X射线二极管成像装置，包括皮秒氟化氪激光光源，其特征是在该皮秒氟化氪激光光源的激光输出光路上安置分束器，该分束器将入射分成反射A光束和透射B光束，在反射光路上设有由3块反射镜构成的光学延迟线和凹面反射透镜和样品，A光束经光学延迟线后被凹面反射透镜汇聚再与样品相互作用，而在透射光路上设有光阴极X射线二极管和凹面反射光栅，B束光经反射镜反射进入阴极X射线二极管入射到光阴极X射线二极管阴极上，产生光电子，光电子被阳极电压加速打在阳极上，产生一X射线，经凹面反射光栅聚焦和色散，入射到样品上，探测光束A产生等离子体的过程，然后进行成像，被探测器接收，显示在计算机上。

说明书

技术领域：

本发明有关X射线成像技术，特别是一种时间分辨光阴极X射线二极管成像装置，在材料科学、生物化学等领域有着广泛的应用。

背景技术：

在过去的五年里，由于采用了新的放大技术—啁啾脉冲放大(即CPA)和新的宽带增益介质，如Ti：Sapphire和Cr：LiSAF，太瓦量级的超短脉冲激光已取得了突破性的进展，其峰值功率已达到10¹⁵W，平均功率达10W，脉宽已被压缩到4.3fs，尽管激光的能量不是很高，但由于极短的脉冲宽度和良好的聚焦性，其强度可达很高。此外，激光脉冲的重复频率也已达到100kHZ，估计不久即有望达到10³kHZ的数量级，这些进步使得超短X射线脉冲的产生成为可能。当飞秒太瓦激光聚焦在固体靶子上时，激光脉冲与固体原子相互作用，产生高密度的等离子体，这些等离子体发射出硬X射线的超短脉冲。

等离子体发射的X射线频谱包括连续谱和特征谱线。特征谱线与固体靶元素密切相关。如以固体铜作靶子，发射出两条特征谱线K_α1，K_α2。发射的特征谱线的强度比连续谱的强度高出许多，因此在超快X射线成像中，参与探测的X射线主要是特征谱线。这种方式产生的超短脉冲的脉宽，在亚皮秒到纳秒的范围，取决于用于产生X射线脉冲的激光的性质，其脉冲峰值亮度可与同步辐射的X射线源相当，峰值强度比之高出几个数量级。而且，这些X射线超短脉冲可以与其它的激光脉冲同步，其偏差仅仅为几飞秒，这就使得它们适合用来研究亚皮秒的超快现象。飞秒激光脉冲激活一个超快过程，然后在不同的时间延迟上，用超短X射线脉冲去探测该过程。由于激光产生等离子体发射的X射线超短脉冲，在重复频率上可与泵浦激光脉冲相匹配，这就允许利用所有的X射线超短脉冲，即所有的X射线脉冲都参与了探测。而在同步辐射的X射线源和泵浦激光脉冲间的重复频率并不匹配，两者的重复频率分别为MHz数量级和kHz数量级。由于两者的重复频率不匹配，这就限制了同步辐射的X射线源仅仅有1/1000，甚至更少的脉冲被利用，而这对于超快过程的探测是大大不利的。人们已经利用飞秒激光产生等离子体发射的X射线超短脉冲的方式来进行超快X射线成像的实验研究。

通过激光与相对论电子间的散射来产生高能光子的方法，早在三十年前就已提出，在激光脉冲与相对论电子间的散射产生高能光子的实验已有报道。R.W.Schoenlein等人用实验演示了在红外太瓦飞秒激光脉冲与加速器的高相对论电子间的90度的汤姆逊散射，产生波长为0.4、脉宽为300fs、能量为30keV的X射线脉冲。

该实验用的是线性加速器，发射的能量为50MeV的电子束和啁啾脉冲放大的激光系统的太瓦光脉冲。电子束在一个高真空相互作用室内被聚焦，然后被弯转磁铁转向，来进行汤姆逊散射，产生X射线脉冲。太瓦激光被曲率半径为75cm的凹面镜聚焦到一点，在交叉点上其直径为30μm。在此实验中，相对论电子束的腰直径为90μm，得到的X射线脉宽为300fs。这种方式产生的X射线束的方向性很好，发散角仅仅为0.6度，每个脉冲的光子数为5×10⁴。至此，我们已经介绍了三种超快硬X射线脉冲产生的方法，即激光等离子体、同步辐射和汤姆逊散射。

表1列出了上述三种超快X射线源性能比较。

                                       表1

  X射线源  光子能量  keV  光子数/  脉冲 带宽重复频率Hz  光源面  积mm²  发散  角  mrd    脉冲持续    时间ps  ALS弯曲磁铁  0.001～10  1×10⁸  (10⁵) (0.001)5×10⁸  10^-2  1    30  激光等离子体  2.8  11×10⁹ 2×10^-420  10^-4  3000    0.3  汤姆逊散射  7～30  51×10⁴ 0.155  10^-2  10    0.3

对于一般的实验室来说，人们通常选择激光等离子体来产生X射线超短脉冲进行超快X射线成像研究。其中最重要的一条原因是在光泵浦-X射线探测实验中，产生X射线超短脉冲的同一个激光光源，很容易提供与X射线脉冲同步、有相同重复频率的强超短激光脉冲，来对样品进行泵浦。而同步辐射光源，正如前面所述，它需要一系列复杂的装置来使X射线脉冲与泵浦光脉冲同步，这对于一般的实验室来说是很难达到的，而且目前世界上的同步辐射装置也极为有限。

汤姆逊散射同样需要一个庞大的加速器，因此，这些装置不具有实用性。而激光等离子体X射线源，往往连续波和特征谱夹杂在一起，单色亮度又低，这就需要人们去寻找新的超快、超强硬X射线源。我们这里X射线成像是指：时间分辨X射线衍射成像，时间分辨X射线相衬成像，时间分辨X射线层析成像，时间分辨X射线全息成像，时间分辨X射线接触成像。为讨论问题方便起见，我们这里以时间分辨X射线接触成像为例，因为这样讨论问题比较方便。若将探测器移动一段距离，就可以进行时间分辨X射线相衬或全息成像；若将样品移动，就可以进行层析研究。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对上述在先技术所存在的缺点，提供一种时间分辨光阴极X射线二极管成像装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种时间分辨光阴极X射线二极管成像装置，包括皮秒氟化氪激光光源，其特征是在该皮秒氟化氪激光光源的激光输出光路上安置分束器，该分束器将入射分成反射A光束和透射B光束，在反射光路上设有由3块反射镜构成的光学延迟线和凹面反射透镜和样品，A光束经光学延迟线后被凹面反射透镜汇聚再与样品相互作用，而在透射光路上设有光阴极X射线二极管和凹面反射光栅，B束光经反射镜反射进入阴极X射线二极管入射到光阴极X射线二极管阴极上，产生光电子，光电子被阳极电压加速打在阳极上，产生一X射线，经凹面反射光栅聚焦和色散，入射到样品上，探测光束A产生等离子体的过程，然后进行成像，被探测器接收，显示在计算机上。

所述的皮秒氟化氪激光光源是一台辐射波长为248nm的氟化氪激光器，脉宽为1.2～30皮秒、输出能量为0.8～8毫焦耳，大约1/10的能量用来泵浦光阴极X射线二极管。

所述的分束器是一块对248nm反射90％，透过10％的介质膜板，膜片的基质材料是石英。

所述的反射镜是一块镀金的、对248nm具有100％反射率的金属膜板。

所述的光阴极X射线二极管是一个包含四个组成部分的二极管：光阴极材料是铝，阳极材料是钨，外壳材料是石英，它能透248nm，外壳内抽高真空密封，外加高压源，可加到50～120kV。

所说的凹面聚焦反射单晶体，是一块既能聚焦又能色散的单晶体，例如单晶铝等，市场上可以购到。

所说的光学延迟线由全反射镜3，4，5组成。

所说的凹面反射镜是一块对248nm进行聚焦和全反射的镜子。

所说的样品是用来产生快过程的玻璃样品，例如，被皮秒脉冲激发以后，它能产生等离子体，我们就是研究该等离子体的产生、膨胀、消失的全过程。

所说的探测器是用来探测光阴极X射线二极管经过样品以后，含有样品的动态信息所成的图像。

所说的计算机是用来显示探测器上所接收到的图像信息。

本发明的技术效果：

本发明采用一台氟化氪激光器进行分束，其中一束用来作作用光束，产生一快过程，作为待测事件，另一束用来产生X射线脉冲，作为探测光束，而作用光束和探测光束之间用光束延迟线调整，这样能很方便地探测快过程。由于光阴极X射线二极管上施加一高电压，能将钨阳极上打出0.2的硬X射线，这在激光等离子体上是难以得到的，出射的X射线经一凹面光栅，使其单色性也大为提高。

与在先技术相比，本发明时间分辨光阴极X射线二极管成像装置，由于采用同一台激光器输出的光束同时作作用光束和泵浦光束，用光束延迟线能控制延迟，拍摄快过程，由于采用钨阳极，可获得0.2的硬X射线，这种硬X射线穿透能力强，经光栅色散以后，单色性又好，可以满足各种成像要求。

附图说明：

图1为本发明时间分辨光阴极X射线二极管成像装置原理图。

具体实施方式：

先请参阅图1，图1为本发明时间分辨光阴极X射线二极管成像装置实施例的原理图，由图可见，本发明时间分辨光阴极X射线二极管成像装置，包括皮秒氟化氪激光光源1，其特征是在该皮秒氟化氪激光光源1的激光输出光路上安置分束器2，该分束器2将入射分成反射A光束和透射B光束，在反射光路上设有由3块反射镜3、4、5构成的光学延迟线和凹面反射透镜7和样品10，A光束经光学延迟线后被凹面反射透镜7汇聚再与样品10相互作用，而在透射光路上设有反射镜6、光阴极X射线二极管8、凹面反射光栅9，B束光经反射镜6反射进入阴极X射线二极管8入射到光阴极X射线二极管阴极上，产生光电子，光电子被阳极电压加速打在阳极上，产生一X射线，经凹面反射光栅9聚焦和色散，入射到样品10上，，探测光束A产生等离子体的过程，然后进行成像，被探测器11接收，显示在计算机12上。

所说的皮秒氟化氪激光光源1是一台辐射波长为248nm、脉宽为1.5ps、输出能量为1mJ的激光装置。

所说的分束器2是一块对248nm反射90％、透过10％的介质膜板，它将入射的飞秒钛宝石激光脉冲分成A束和B束。

所说的全反射介质膜板3、4、5、6，是一块对248nm100％全反射的介质膜板，其中全反射介质膜板3、4、5组成一个光学延迟线，用以调整A束和B束间的相对光学延迟。

所说的凹面反射镜7是一块将A束光聚焦和反射到样品10上、产生待研究的物理过程的反射镜。

所说的光阴极X射线二极管8是一个用来产生X射线的装置，它由四部分组成：

阳极81，材料是钨，当光电子打在钨上时，会产生钨的K_α1和K_α2线，波长分别为0.209和0.214。阴极82，材料是铝，外加高压源83，工作电压为100kV，外壳84，壳内抽高真空，外壳材料透248nm，外壳84上有一硬X射线0.2的窗口。

所说的凹面聚焦反射单晶体9是一块铝单晶，被压制成曲率半径为2米的凹面反射单晶，既有聚焦、反射，又有色散的功能。

所说的样品10是用来产生快过程的玻璃样品。

所说的探测器11是一台CCD电荷耦合器，它能对0.2光谱敏感。

所说的计算机12是用来存储和显示探测器上获得的图像的装置。

本发明的时间分辨光阴极X射线二极管的工作原理和基本过程如下：

本发明采用一台氟化氪激光器1发射的激光束经分束器2分束，其中A光束(占总强度的9/10)用来作作用光束，辐射在待研究的样品10上，产生激光与物质相互作用的快过程，作为待测动态事件。另一B光束用来产生光电子，产生X射线脉冲作为探测光束，探测上述动态事件，而两光束之间的延迟通过光束延迟线来实现，因此，能很方便地实现两光束之间的同步和延迟，通过调整延迟线，就可以测量出不同动态时刻的瞬态结构变化。

由于采用光电子，它的单色性可以通过控制氟化氪激光的线宽来控制，保证了X射线的单色亮度，由于光阴极X射线二极管中的阳极采用钨，发射的特征X射线可以在0.2区间运转，这是激光等离子体远不能达到的。

当记录下第一张X射线接触成像的照片以后，延迟10ps，重复上述实验，再拍摄一张，这样不断以10ps为一步，重复进行，一直拍摄到上述动态事件结束为止。其时间分辨率为10ps，空间分辨率也可达20nm量级。