激光等离子体X射线源的应用

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。     

第九届国际X射线激光会议简讯

20 0 4年5月2 4日—2 8日“第九届国际X射线激光会议”在中国科学院物理研究所举行.来自美国、英国、法国、日本、中国等15个国家和地区的15 0多位科学家和研究人员参加了会议.X射线激光会议是国际上X射线激光领域最重要的系列学术会议之一,每两年一次,此次是第九届.本次会议主席为徐至展、王世绩和张杰院士.在5天的会议中,与会专家就近两年来毛细管放电X射线激光、瞬态碰撞激发的X射线激光、光离化X射线激光、泵浦X射线激光、X射线激光增益介质和光束性质的理论和模拟、深紫外辐射的高次谐波源、自由电子激光和其他基于加速器的X射线源…     

一种用于软X射线激光去相干的单玻璃管光学透镜设计

激光具有亮度高、单色性好、高相干性及方向性好的优势,然而在激光成像、激光加工等场景只想利用其高亮度或高单色性,高相干性导致的干涉效应会影响和限制其应用效果.通过模拟计算的方法,设计了一种针对软X射线激光去相干的新型单玻璃管光学透镜.模拟结果显示,针对波长为10 nm、束腰半径为1.25 mm的软X射线激光光束,透镜入口端内直径5 mm、出口端内直径0.6 mm、长度15 cm的单玻璃管光学透镜在有效降低软X射线激光光束相干度的同时,在出口处获得了发散度为30—50 mrad的出射光束,相应的传输效率为78%,光强增益为52.74.针对波长不低于1 nm的激光光束,该型号的单玻璃管光学透镜能够将光束的传输效率保持在30%以上.本文还探讨了入射光能量和透镜长度对器件传输结果的影响.结果表明,根据全反射原理设计的单玻璃管光学透镜能够满足极紫外到X射线波长范围内激光去相干的应用需求,在X射线激光成像、激光加工等方面具有广泛的应用前景.     

基于激光等离子体的X/γ辐射研究进展

随着激光技术的不断发展,激光功率突破10 PW量级,激光与物质相互作用进入近量子电动力学（QED）范畴。从弱相对论激光到相对论激光再到强相对论激光,激光场与物质的耦合可以产生能量从keV到MeV甚至GeV的X/γ射线。这些辐射具有通量大、亮度高、能量高和脉宽短等特点,在核物理、高能量密度物理、天体物理等基础研究以及材料科学、成像、医学等领域具有广泛应用前景。系统梳理了近年来相对论强激光与气体、近临界密度等离子体及固体靶相互作用,通过诸如同步辐射、betatron和类betatron辐射、Thomson散射和非线性Compton散射过程等产生高能X/γ射线的最新研究进展,总结了各种方案产生的X/γ射线的品质因子和潜在应用,并为下一步基于强激光大科学装置的实验研究提供理论参考。     

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。     

基于X射线的新一代深空无线通信

在空间无线通信的研究应用方面,微波和激光通信技术已比较成熟,但是也存在传输距离、通信速率有限等瓶颈问题,严重制约未来的深空应用.X射线由于波长短、穿透能力强,当X射线光子能量大于10keV(λ<0.1nm)时,在太空中几乎是无衰减的传输.因此可望在较小的体积、重量、功耗下实现远距离太空传输.然而,在我国对于X射线通信的应用研究目前尚属空白,美国航空航天局也刚刚提出并将此技术称为"革命性的概念".因此,利用X射线作为信息载体的新概念空间通信方法的研究具有重要的科学意义及应用前景,X射线通信技术不仅将对已有的微波和激光通信技术起到很好的补充,而且还能在微波和激光受到屏蔽的通信场合发挥独特作用.开展基于X射线的深空无线通信技术研究,主要包括开展X射线空间通信的传输理论研究,开展大功率、宽频带(GHz)X射线脉冲调制发射技术的研究,开展快速、极微弱X射线探测技术的研究,开展X射线深空通信的捕获、跟踪与对准技术的研究,以及开展高效率纠错编码理论与技术的研究.     

清华汤姆逊散射X射线源初步实验研究

汤姆逊散射X射线源利用高亮度的相对论电子束与超短TW级激光相互作用,能产生能量可调、脉冲长度短（～100飞秒量级）的准单色高能X射线,在超快物理过程研究和医学领域具有广泛的应用前景。清华大学工程物理系加速器实验室正在积极筹建基于光阴极微波电子枪和飞秒强激光的汤姆逊散射实验平台,并利用实验室现有的16MeV返波行波加速器和Nd:YAG纳秒调Q激光系统进行了初步实验研究。在解决实验中出现的电磁干扰和韧致辐射X射线本底干扰等问题后,在实验中测量到了脉宽为6纳秒、脉冲光子产额为1.7x 10^4 的散射光子信号。在本文中将对实验装置和结果进行详细介绍。     

斜辐照激光等离子体辐射X光子特性

 在神光Ⅱ高功率激光装置上,实验研究了激光斜辐照形成的激光等离子体辐射X射线光子的特性及真空喷射热等离子体流的方向。采用针孔X射线相机测量了钕玻璃激光（基频1.053 μm）辐照铝靶形成的激光铝等离子体辐射的X射线光子的空间分布,并针对正入射和入射激光斜辐照情况下测得的X射线光子量及特性进行了分析和比较。结果发现：入射激光斜辐照固体平面靶产生的向真空喷射热等离子体流的方向是垂直靶面（即法线方向）;正入射和斜入射激光叠加驱动靶时,一定程度上能改善激光辐照的均匀性,但等离子体源辐射的X射线光子数并未发现显著地增加;当激光斜辐照与靶相互作用时,激光能量被等离子体吸收下降。     

预主脉冲辐照平面靶产生X射线激光的自相似模型

 利用自相似方法,定量地描述了预-主脉冲辐照平面靶产生X射线激光的物理过程。解析地给出了各物理参量之间的关系,计算结果与实验符合的较好。结果表明:合理地选择预-主激光脉冲的能量匹配和时间间隔,就可以在较低能量的激光装置上产生较强的X射线激光输出。这一结果为简化预脉冲条件下平面靶X射线激光的实验设计和直观定量地解释实验结果提供了一套有用的工具。     

利用X射线激光进行激光等离子体射流的诊断

射流是激光惯性约束聚变(ICF)、天体物理学等领域中一种普遍存在的非线性现象.在实验室对射流现象进行模拟、诊断等方面的研究对于理解ICF、天体物理中的相关现象具有重要参考价值.采用纳秒激光辐照特殊形状的圆孔靶产生等离子体射流,利用波长为13.9nm的X射线激光作为光源对特定时刻的射流进行阴影成像,获得了清晰的射流阴影图像,与理论模拟结果定性一致. 关键词： 射流 X射线激光 等离子体诊断     

飞秒激光驱动X射线源中超热电子与靶相互作用研究

飞秒激光与靶相互作用产生超热电子,随后超热电子与靶原子碰撞,通过kα、kβ等散射过程,可辐射高亮度、飞秒级X射线,在原子与分子物理、生物及医学等领域均有广泛的应用前景.论文首先对飞秒激光驱动X射线源的发展进行简要叙述,然后对X射线源中的超热电子与靶相互作用进行研究.超热电子的产生由靶材对光脉冲的非碰撞吸收机制决定,X射线的产生由超热电子决定.研究超热电子、靶参数对X射线产额的影响,确定最佳参数值,可指导驱动激光脉冲参数的选择,以获得更大的X射线光子产额.使用蒙特卡洛模拟方法可研究超热电子动能及入射角、靶材(Cu靶)厚度对靶材上、下表面X射线辐射光子产额的影响,分析确定最佳超热电子动能及最佳靶厚.驱动激光强度与超热电子动能的定标关系表明：需要合理选择驱动激光参数,使真空加热机制主导超热电子产生过程,以在合适的激光脉冲强度下获得最大X射线光子产额.     

1.053μm激光辐照金箔靶发射X射线能谱的实验研究

在“星光-Ⅱ”单束高功率激光装置上利用束匀滑的钕玻璃基频激光辐照不同厚度的金箔靶,测量了金箔靶前向和背向的X射线能谱、X射线辐射能量角分布及X射线能谱时间变化过程,研究了金箔靶中激光烧蚀及辐射烧蚀过程;获得了不同厚度金箔、不同激光功率密度及不同角度等几种条件下其前后向X射线能谱的定量测量结果,同时从不同厚度的金箔背侧X射线能谱时间过程观察到明显的辐射热波时间延迟. 关键词： 金箔靶 X射线能谱 辐射烧蚀 辐射热波     

X射线激光在箔靶等离子体中传播过程的解析研究

 对激光辐照箔靶产生的等离子体中X射线激光的传播和放大过程进行了解析的分析。在R.A.London物理模型的基础上, 用解析的方法描述了抛物线型电子密度分布增益纵剖面中X射线激光传播和放大过程的物理实质。指出了用最陡下降法求出的解析解中的误差, 并给出了折射长度的临界值。     

低密度泡沫金激光-X射线转换特性模拟研究

在激光间接驱动惯性约束聚变中, 激光首先与黑腔壁高Z等离子体相互作用转换成强X射线辐射, 再通过高Z腔壁的X射线再辐射而在靶丸表面产生对称辐射以驱动其内爆, 改善腔中激光–X射线转换特性非常重要. 利用一维辐射流体程序模拟研究了低密度泡沫金对激光–X射线转换特性的影响, 结果表明: 在固定激光参数条件下, 随着Au材料密度降低, 激光–X射线转换效率提高, 当泡沫Au密度为0.1 g/cm³时, 转换效率相对提高19%; 同时, 金M带辐射份额随之减少; 对于发光区运动, 存在合适的泡沫Au密度使其得到有效抑制. 从能量平衡的角度分析了转换效率提高的原因: 在激光与低密度泡沫Au作用时, 转换为流体力学动能损耗的能量份额与固体Au相比有所降低, 因而相应的辐射能份额增加. 低密度泡沫Au改善激光–X射线转换特性是实现黑腔腔壁优化的一种途径, 模拟结果为进一步开展相应实验研究提供了依据. 关键词： 泡沫金 激光-X射线转换 辐射谱 等离子体运动     

一种新型的软X射线二极管

介绍了用于激光等离子体发射的Ｘ射线量测量的一种新型的软Ｘ射线二极管（即ＸＲＤ〕的结构、原理、性能、标定及其应用。该探测器具有体积小、响应快、使用方便等优点，１９９０年和１９９１年已两次成功地用于“神光”装置上激光等离子体发射Ｘ射线测量。     

类氖锗的X射线激光增益及其传输特性研究

在神光(10¹²W)装置上,用1.06μm激光加热片状锗靶,用袖珍式掠入射光栅谱仪测量了类氖锗离子的3S—3P激光跃迁线的增益系数和X射线激光的传输特性,得到的结果为:波长为19.638,23.224,23.627,24.743和28.643nm的5条激光跃迁线的增益系数分别为3.06,3.99,3.72,2.36和4.59cm^-1;当等离子体长度为18mm时,相应的X射线激光的发散角约为12mrad,发射X射线激光的等离子体厚度约为200μm,X射线激光峰值强 关键词：     

适合于应用实验的X射线激光探针

X射线激光实验研究的主要目的是进行相应的应用研究。由于具有波长短、脉冲短、亮度高、相干性好的优点，因此在很多领域有潜在的应用前景。在所有的应用中，利用X射线激光作为探针来诊断等离子体或其他介质材料方面的应用是最普遍的。一般来说，激光探针穿越等离子体或介质后，光束的强度、前进方向、光程都会发生变化。分别检测这些变化，就可以获得等离子体的电子密度或介质折射率的相关信息。这就需要对作为探针的X射线激光的输出特性有深入的了解，并且选择更合适的条件进行优化。采用场图测量的方法，即直接测量X射线激光的输出光束在某一位置处的截面光强分布，能够很好地提供关于X射线激光输出光束的全面的信息，对应用研究具有很好的参考和指导作用。     

倍频纳秒激光驱动类氖锗X射线激光的研究

利用JB19等程序分别对基频和倍频激光驱动条件下类氖锗X射线激光进行了模拟计算,结果表明利用倍频激光驱动同样也能够获得高强度的类氖锗X射线激光输出,只是对驱动激光的输出要求要高3.3倍.尽管如此,这也为将来在大型激光装置上开展类氖系列X射线激光研究指明了方向.初步的实验研究也证实了利用倍频纳秒激光驱动能够获得类氖锗X射线激光输出的结果. 关键词： X射线激光 类氖锗 数值模拟     

基于X射线的新一代深空无线通信

在空间无线通信的研究应用方面,微波和激光通信技术已比较成熟,但是也存在传输距离、通信速率有限等瓶颈问题,严重制约未来的深空应用.X射线由于波长短、穿透能力强,当X射线光子能量大于10keV(λ＜0.1nm)时,在太空中几乎是无衰减的传输.因此可望在较小的体积、重量、功耗下实现远距离太空传输.然而,在我国对于X射线通信的应用研究目前尚属空白,美国航空航天局也刚刚提出并将此技术称为“革命性的概念”.因此,利用X射线作为信息载体的新概念空间通信方法的研究具有重要的科学意义及应用前景,X射线通信技术不仅将对已有的微波和激光通信技术起到很好的补充,而且还能在微波和激光受到屏蔽的通信场合发挥独特作用.开展基于X射线的深空无线通信技术研究,主要包括开展X射线空间通信的传输理论研究,开展大功率、宽频带(GHz)X射线脉冲调制发射技术的研究,开展快速、极微弱X射线探测技术的研究,开展X射线深空通信的捕获、跟踪与对准技术的研究,以及开展高效率纠错编码理论与技术的研究.     

掠入射驱动产生x射线激光的数值模拟

利用一维流体力学数值模拟程序MEDUSA和原子物理程序包，以类镍钼189nm x射线激光为例，对掠入射驱动x射线激光方案进行了研究.掠入射驱动x射线激光方案可以通过调整掠入射角来选择适合的增益区间.与正入射驱动方案相比，掠入射驱动方案加强了驱动激光在增益区内的吸收，提高了驱动激光向x射线激光的转换效率.模拟结果与实验结果符合较好. 关键词： x射线激光 掠入射辐照 激光等离子体