产生超快水窗波段X射线的ESASE方案模拟

脉冲宽度在百as（1 as=10?18 s）量级的X射线脉冲在超快科学领域有极为重要的作用。相较于目前世界上大部分运行在自发放大辐射模式的X射线自由电子激光（FEL）,增强型自发放大辐射（ESASE）模式可以显著增加电子束的峰值流强,减小FEL的增益长度,可用来产生百as量级的超快X射线。基于典型的软X射线FEL参数,对ESASE方案的参数进行了模拟优化,得到了百as量级、功率可达1 GW以上、波长可在水窗波段且可调节的X射线脉冲,为后续开展ESASE实验及其实验参数的优化提供参考。     

X射线自由电子激光试验装置

X射线自由电子激光试验装置(以下简称"SXFEL试验装置")是中国第一台X射线相干光源,其输出波长小于9 nm。这台基于0.84 GeV直线加速器、以掌握装置相关技术和实验演示种子型自由电子激光(FEL)级联与短波长回声型FEL为主要目标的自由电子激光装置,于2020年11月通过国家验收。本文将介绍SXFEL试验装置的基本情况和主要进展。     

激光同步辐射光源的辐射条件

激光同步辐射光源是一种新型的X射线光源，它利用高强度激光与相对论电子束发生康普顿散射，从而在电子的运动方向上辐射出X射线．本文在考虑电子的反冲基础上，利用康普顿散射研究了激光同步辐射光源（LSS）辐射光子的精确波长和能量；同时发现，对于背散射情况，只有当种子激光的波长λ1大于电子的物质波波长λm时才能发生LSS辐射；最后给出LSS辐射的极值波长λ2max=h/（m0γv）和极值能量εc2max=βε3.     

基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜表征X射线光源参数

X射线光源的焦斑尺寸和焦深对X射线光谱学,尤其是对于微区X射线衍射与荧光分析等领域十分重要的参数。如何高效而准确的表征这些参数对于X射线光源的应用和发展至关重要。现有的光源参数表征方法,尤其在表征微焦斑光源的参数时,都存在自身的局限性。锥形单玻璃管X射线聚焦镜是一种常用的X射线聚焦器件。根据锥形单玻璃管X射线聚焦镜滤波特性和几何特点,分析得到聚焦镜的聚焦光能量上限的大小受到光源焦斑尺寸的影响,提出这个能量上限与光源尺寸和光源到聚焦镜入口的距离之间的数学关系。设计了一种基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数的方法。对锥形单玻璃管X射线聚焦镜的参数进行测量和确定后,将聚焦镜放置要测量的光源前,与光源形成聚焦光路。在光路准直并确保只有在聚焦镜内发生单次全反射的X射线射出聚焦镜的情况下,通过改变聚焦镜与光源焦斑距离并利用能谱探测系统来探测聚焦光并得到多个对应的聚焦光能谱。对所得能谱进行计算与分析,得到各能谱中的能量最大值,即聚焦光的能量上限。利用聚焦光能量上限、光源焦斑尺寸和光源到聚焦镜的距离之间的关系并结合线性拟合法,可同时得到光源焦斑尺寸和焦深。选用制造商给出焦斑尺寸约60 μm,焦深为20 mm的微焦斑钼靶光源作为测量对象,利用基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征方法测量的结果为焦斑尺寸为60.1 μm,焦深为19.7 mm。用小孔成像法表征该光源焦斑尺寸为60.3 μm,焦深为20.1 mm。相较于现有的方法,基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数方法对表征微焦斑光源有一定优势,对表征高能X射线光源有潜在发展和利用价值。     

软X射线显微术

一、引 言 X射线作为一种显微工具已研究多年,且早有介绍[1].但以前的研究大多使用波长在0.1-1nm的较硬的X射线,这主要是受到X射线光源的限制.硬X射线与物质作用比较复杂,不利于得到好的衬度.七十年代以来,同步辐射光源的发展,提供了具有高强度的连续可调波长的软X射线光源.软X射线显微术(波长范围大约在 1—10 nm)具有电子显微术所不具备的优点,尤其是在研究生物物质(特别是活的物质)及轻元素方面.因此,近年来X射线显微术的研究重新活跃起来,而且软X射线光学也有了新的发展.现在使用软X射线光学直接成像的分辨率已经超过光学显微镜的分…     

激光电子散射中的最大可能增益

借鉴自由电子激光(FEL)发展之初Madey对自由电子激光器中受激辐射引起的增益的讨论,通过在激光场中的量子电动力学(QED)的模型中引入激光电子系统初态态密度以及由不确定的系统初态到确定光子末态的跃迁速率,推导了激光电子正碰过程中受激辐射至单一电磁模式产生的最大可能增益。采用成功得到X射线或γ射线光子的三个激光电子Compton背散射实验的实验参数计算了激光电子散射过程中的最大可能增益,与第一台X射线自由电子激光(XFEL)中的最大可能增益作比较,进而对激光电子散射作为激光光源的可行性进行评估。计算结果表明,现有的能够得到X射线光子或γ射线光子的激光电子散射实验中的最大可能增益远低于第一台XFEL中的。本工作未能找到合适的激光电子参数以获得比第一台XFEL中更高的最大可能增益,但是在入射电磁波位于射频波段范围内找到了能够实现较高增益的参数组合。     

基于非线性参数估计的永磁移相器安装校正

介绍了永磁移相器的控制精度对X射线自由电子激光(FEL) 的影响, 分析其误差来源。针对传统运动控制系统检测过程复杂、手动操作精度低等缺点, 提出了基于改进高斯牛顿非线性参数估计法的自动校正系统, 阐述了校正理论与过程。利用该方法对欧洲X射线自由电子激光装置中的移相器做安装校正应用, 使得每台移相器在高磁场应力的环境下间隙位移达到μm级控制精度, 满足工程设计要求。     

铜材料X射线聚焦组合透镜的设计与制作

铜材料X射线聚焦组合透镜是一种基于折射效应的X射线聚焦元件。简单介绍了组合透镜的设计理论研究结果,并据此对材料作了选择。针对铜材料组合透镜,分析了组合透镜结构参数、X射线工作波长的选择对组合透镜光学性能的影响。在此基础上,设计了组合透镜的结构参数,使其在硬X射线波段具有较好的聚焦性能,并能获得较高的焦斑强度。采用准LIGA技术制作了铜材料X射线组合透镜,给出了部分铜材料X射线组合透镜结构测量结果。     

第四代光源

 第四代光源（X射线激光）是继第三代同步辐射光源以后,人们正在探索之中的新一代光源,它在亮度、相干性和时间结构上都大大优于第三代同步辐射光源。从目前发展的趋势来看,新一代的短脉冲、高亮度、可调的相干X射线光源将是基于自放大自发辐射原理的高增益自由电子激光（SASE FEL）。综述了第四代光源的由来、它和SASE的关系, 它的优异特性、发展现状以及应用前景。     

超短超强激光与金属靶作用产生硬X射线照相

 超短超强激光与物质相互作用产生硬X射线的应用之一是X射线照相。利用等离子体国家重点实验室的SILEX-Ⅰ激光器进行了超短超强激光与高Z平面金属厚靶相互作用产生硬X射线作为照相光源的照相实验研究。采用闪烁体+胶片和闪烁体+CCD相机的方式分别接收X射线图像,在靶的侧向和后向得到清晰X射线图像。由于采用的闪烁体厚度和照相几何不同,图像质量和空间分辨率存在明显差别。这种照相技术不仅可以作为激光与固体靶相互作用产生光源研究的基础手段,而且可以作为激光与固体靶相互作用致硬X射线的探测方式。     

氦气环境中湿样品软X射线显微成像研究

介绍了在国家同步辐射实验室软Ｘ射线显微术实验站上利用氦气进行软Ｘ射线显微成像研究的理论依据、实验装置以及实验结果和意义。     

A monolithic Fresnel bimirror for hard X‐rays and its application for coherence measurements

Experiments using a simple X‐ray interferometer to measure the degree of spatial coherence of hard X‐rays are reported. A monolithic Fresnel bimirror is used at small incidence angles to investigate synchrotron radiation in the energy interval 5–50 keV with monochromatic and white beam. The experimental set‐up was equivalent to a Young's double‐slit experiment for hard X‐rays with slit dimensions in the micrometre range. From the high‐contrast interference pattern the degree of coherence was determined.     

X射线在影像增强器中散射特性的研究

Ｘ射线在影像增强器中的散射是影响Ｘ射线影像增强器输出图像对比度和分辨率的主要因素。首先用Ｍｏｎｔｅ Ｃｓｒｏｌｏ方法模拟了轫致辐射Ｘ射线与影像增强器的输入转换屏（ＣｓＩ：Ｎａ）的作用过程,给陋了透过转换屏的Ｘ射线的能谱。然后以无限大平面铁板作为增强器内电极和客壳的几何模型,以ＣｓＩ：Ｎａ的透过Ｘ射线能谱为铁板模型的入射能 ,分析了Ｘ射线在影像增强器中的背向散射特性。Ｘ射线管电压为２０～１２０ｋＣＶ     

X射线在影象增强器中背向散射特性的研究

本文用蒙特卡罗方法模拟了轫致辐射Ｘ射线在影象增强器中的背向散射特性。针对Ｘ线源管电压为３０－１２０ｋＶ的轨致辐射入射，给出了背向散射光子的角分布及能谱分布；同时，还给出了背向散射光子的平均能量和平均出射角与管电压的关系以及吸收光子数和直透光子数与管电压的关系。     

Tuning the phase transition of ZnO thin films through lithography: an integrated bottom‐up and top‐down processing

An innovative approach towards the physico‐chemical tailoring of zinc oxide thin films is reported. The films have been deposited by liquid phase using the sol–gel method and then exposed to hard X‐rays, provided by a synchrotron storage ring, for lithography. The use of surfactant and chelating agents in the sol allows easy‐to‐pattern films made by an organic–inorganic matrix to be deposited. The exposure to hard X‐rays strongly affects the nucleation and growth of crystalline ZnO, triggering the formation of two intermediate phases before obtaining a wurtzite‐like structure. At the same time, X‐ray lithography allows for a fast patterning of the coatings enabling microfabrication for sensing and arrays technology.     

Three‐dimensional coherent diffractive imaging on non‐periodic specimens at the ESRF beamline ID10

The progress of tomographic coherent diffractive imaging with hard X‐rays at the ID10 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility is presented. The performance of the instrument is demonstrated by imaging a cluster of Fe₂P magnetic nanorods at 59 nm 3D resolution by phasing a diffraction volume measured at 8 keV photon energy. The result obtained shows progress in three‐dimensional imaging of non‐crystalline samples in air with hard X‐rays.     

Properties study of ZnO:Ga crystal on pulsed radiation detections

In this paper, properties on pulsed radiation detections of ZnO:Ga crystal grew by a magnetron sputtering method were studied. The time response to pulsed laser,pulsed hard X rays and single α particles, the energy response to pulsed hard X ray, the scintillation efficiency to γ rays, the response to pulsed proton, and the relations of the light intensity varied with the proton energy were measured and analyzed in detail. Results show that the ZnO:Ga crystal has potential applications in the regime of pulse radiation detection .     

空腔靶超热电子实验研究

本文介绍了激光与空腔靶、平面靶相互作用时，利用多道高能X射线滤波-荧光谱仪(FF谱仪)、高能X射线角分布探测器以及激光功率能量计，对等离子体发射的超热X射线和受激喇曼散射光进行测量的情况；给出了不同实验条件下典型的超热X射线能谱、角分布、超热电子温度Th以及受激喇曼散射光能量ESRS，对实验结果作了分析和讨论。     

Backscattering enhancements for tilted solid plastic cylinders in water due to the caustic merging transition: observations and theory

Bulk shear and longitudinal waves give rise to important contributions to the scattering of ultrasound by tilted finite plastic and rubber cylinders in water. This occurs in situations where either the shear or longitudinal speed is less than the speed of sound in the surrounding water. At a certain critical tilt angle, large backscattering enhancements are observed for finite cylinders, where the wave vector can reverse direction upon reflection from the cylinder truncation. The scattering process is analogous to the enhancement produced by the merging of rainbow caustics of primary rainbow rays in the scattering of light by long dielectric cylinders, also known as the caustic merging transition [C. M. Mount, D. B. Thiessen, and P. L. Marston, Appl. Opt. 37, 1534-1539 (1998)]. A ray theory was developed to model the backscattering mechanism at the critical tilt angle. It employs the idea of the Bravais effective refractive index, convenient for constructing ray diagrams for the projections of rays in the base plane of the cylinder. There is general agreement between the theory and the experiment down to relatively low ultrasonic frequencies (ka as small as 10). The enhancement is the most significant backscattering contribution for a wide range of tilt angles.     

Polarization of Photons under Conditions of Interference between the Parametric Radiation and Coherent Bremsstrahlung

X rays emitted by relativistic electrons traversing a system of parallel atomic planes of a crystal are considered. The spectral, angular, and polarization characteristics of emitted photons are studied theoretically simultaneously for two coherent emission mechanisms, namely, the coherent bremsstrahlung and parametric X rays. Based on the results obtained, an optimal design of the experiment on studying the effect of interference of these emission mechanisms on the polarization of photons is calculated. The developed experimental facility is described.