基于自生磁場約束效應(yīng)的脈沖調(diào)制X射線源用轉(zhuǎn)換靶

馮兆鵬， 湯曉斌， 劉云鵬， 田 鋒， 苗 愷， 賴 生

(1. 南京航空航天大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)系; 2. 空間核技術(shù)應(yīng)用與輻射防護(hù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實驗室： 南京 211106；3. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實驗室， 西安 710024)

X射線廣泛應(yīng)用于輻照加工、無損檢測、工業(yè)探傷[1-2]及生物醫(yī)學(xué)研究[3]等領(lǐng)域。隨著X射線脈沖技術(shù)的進(jìn)步，脈沖X射線的時間分辨率可達(dá)到fs量級[4]，經(jīng)調(diào)制的脈沖X射線序列可作為信息載體，用于空間[5-6]及特殊屏蔽環(huán)境下的通信[7]；高時間分辨率的X射線脈沖可對高速運(yùn)動和快速變化的物體進(jìn)行實時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像[8]，為醫(yī)學(xué)、工業(yè)和科學(xué)研究中的實時診斷和連續(xù)觀測[9-10]提供有效手段。

當(dāng)前，單色性好及強(qiáng)度高的短脈沖調(diào)制X射線源是X射線光源研究的重點(diǎn)方向之一。實驗使用的調(diào)制X射線源主要包括真空熱陰極X射線管[11]和大型X射線科學(xué)研究裝置[10]。前者出射的X射線亮度小，產(chǎn)生效率小于1%，調(diào)制頻率最大僅為百千赫茲量級，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)研究的需求；后者以先進(jìn)的第3代同步輻射光源和X射線自由電子激光為代表，受體積大及價格高等因素的限制，難以在實驗室中普及。綜上，亟需探索新型臺面式 X 射線脈沖調(diào)制發(fā)射技術(shù)。

得益于啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification，CPA)技術(shù)[12]的發(fā)展，如今臺面式超快激光驅(qū)動光源的峰值亮度可達(dá)到第3代光源的水平。本文研究團(tuán)隊基于激光等離子體相互作用的機(jī)理，提出了一種基于材料數(shù)密度梯度和電阻率梯度誘導(dǎo)界面自生磁場約束效應(yīng)的新型激光等離子體調(diào)制的脈沖X射線源方案[13]，產(chǎn)生的脈沖X射線具有時間分辨率高及光子產(chǎn)額大等特點(diǎn)，是一種結(jié)構(gòu)簡單及體積小的臺面式X射線光源。在前期研究中，借助日本大阪大學(xué)激光工程研究所的LFEX激光裝置開展了驗證性試驗[13]。在此基礎(chǔ)上，本文根據(jù)激光等離子相互作用時產(chǎn)生的聚焦電子束特性的測量結(jié)果，研究了聚焦電子束與X射線轉(zhuǎn)換靶作用產(chǎn)生X射線的過程，提出了高性能調(diào)制X射線源的設(shè)計方案，并對陽極轉(zhuǎn)換靶的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 基于自生磁場約束效應(yīng)的調(diào)制X射線源設(shè)計

基于自生磁場約束效應(yīng)的調(diào)制X射線源主要分為激光源和結(jié)構(gòu)靶2部分。利用高亮脈沖激光源照射結(jié)構(gòu)靶，在結(jié)構(gòu)靶中激發(fā)快電子并誘發(fā)自生磁場，獲得自聚焦電子束脈沖，電子束與金屬靶材相互作用產(chǎn)生軔致輻射，發(fā)射X射線。

圖1為結(jié)構(gòu)靶模型，主體分為前端的自聚焦靶和后端的金屬轉(zhuǎn)換靶2部分。

X射線源的調(diào)制過程其實就是對電子輸運(yùn)的控制過程。超短超強(qiáng)激光與等離子體固體靶相互作用過程中會產(chǎn)生大量快電子，并使靶材迅速升溫，然后快電子進(jìn)一步向靶內(nèi)輸運(yùn)，最終與金屬轉(zhuǎn)換靶作用，以軔致輻射的方式產(chǎn)生連續(xù)分布的X射線。因此，通過調(diào)控調(diào)制激光的強(qiáng)度和脈沖周期等參數(shù)，便可控制輸出 X 射線的光子數(shù)和脈沖周期等關(guān)鍵性參數(shù)，產(chǎn)生調(diào)制X射線[13]。

自聚焦靶整體由金錐和自聚焦結(jié)構(gòu)組成，自聚焦結(jié)構(gòu)連接在開口金錐的后面，用于將大多數(shù)激光能量沉積到錐尖，與靶區(qū)作用產(chǎn)生快電子。在金錐頂尖后面連接著插入鋁(Al)塊中的塑料(CH)結(jié)構(gòu)，鋁和塑料形成材料數(shù)密度梯度和電阻率梯度，誘導(dǎo)產(chǎn)生巨大的自生磁場[13-14]，實現(xiàn)對快電子的自聚焦。當(dāng)一束波長λ= 1.053 μm，能量E=350 J，焦斑大小r=30 μm(半高寬)，脈沖寬度τ= 1.5 ps(半高寬)，時間與空間均為高斯分布的LFEX激光入射時，測量獲得自聚焦電子束的橫向空間分布尺寸為76.3±4.1 μm(半高寬)[13]。較小的電子束空間尺寸保證了后端產(chǎn)生X射線的微焦點(diǎn)特性，而ps量級的脈沖寬度使調(diào)制X射線源的理論調(diào)制速率可達(dá)到GHz量級。后端的X射線轉(zhuǎn)換靶用于將前端產(chǎn)生的自聚焦電子束轉(zhuǎn)換為X射線射出，X射線強(qiáng)度的大小主要由電子束能量、轉(zhuǎn)換靶材質(zhì)及轉(zhuǎn)換靶結(jié)構(gòu)決定。通過對后端轉(zhuǎn)換靶的材質(zhì)和厚度進(jìn)行優(yōu)化，可提升射線源的X射線發(fā)射強(qiáng)度[15-16]。鑒于前端自聚焦靶產(chǎn)生的電子束能量較高，采用反射式陽極靶的設(shè)計存在散熱困難和X射線產(chǎn)額低等問題，本文將金屬轉(zhuǎn)換靶選為透射結(jié)構(gòu)，利用金剛石高硬度和快散熱的特性，將金屬陽極鍍于300 μm厚的金剛石片上，以滿足陽極靶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱需求。

2 金屬轉(zhuǎn)換靶設(shè)計

2.1 最佳靶厚

對于透射式轉(zhuǎn)換靶而言，轉(zhuǎn)換靶的材料和厚度是決定X射線產(chǎn)額和空間分布的關(guān)鍵因素。因此，本文首先對快電子在轉(zhuǎn)換靶中的輸運(yùn)過程進(jìn)行蒙特卡羅模擬。本文采用MCNP程序，建立了基于自生磁場約束效應(yīng)的調(diào)制X射線源后端轉(zhuǎn)換靶仿真模型。在仿真過程中，電子源根據(jù)實驗測量獲得的快電子參數(shù)進(jìn)行簡化設(shè)置，在出射平面上為平面高斯分布，半高寬為76.3 μm，電子能量為4.855 MeV[13]，出射方向垂直于轉(zhuǎn)換靶的靶面。將轉(zhuǎn)換靶的材料和厚度選取為可控變量，計算二者對X射線產(chǎn)額、空間分布和焦斑大小等性能參數(shù)的影響。表1列出了本文考慮的9種常見金屬轉(zhuǎn)換靶材料。

表1 常見X射線轉(zhuǎn)換靶材料Tab.1 Common X-ray conversion target material

MCNP會對光子計數(shù)的結(jié)果進(jìn)行歸一化，因此，X射線光子數(shù)的統(tǒng)計計算結(jié)果即為相同電子源條件下的X射線光子產(chǎn)額。圖2為不同轉(zhuǎn)換靶材料下，X射線產(chǎn)額Y隨轉(zhuǎn)換靶厚度H的變化關(guān)系。X射線產(chǎn)額為產(chǎn)生的X射線光子數(shù)與入射電子數(shù)的比值，已由MCNP自動歸一化處理。由圖2可見，不同轉(zhuǎn)換靶的仿真結(jié)果具有相同的規(guī)律：隨著轉(zhuǎn)換靶厚度的上升，產(chǎn)生X射線的強(qiáng)度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢；轉(zhuǎn)換靶的原子序數(shù)越大，X射線產(chǎn)額峰值就越高，達(dá)到X射線產(chǎn)額峰值時的轉(zhuǎn)換靶厚度越小。將獲得X射線光子產(chǎn)額峰值時對應(yīng)的轉(zhuǎn)換靶厚度稱為該種靶材的最佳靶厚Hopt，其中，金靶的Hopt最小，為576 μm，銅靶的Hopt最大，為1 596 μm。此外，得益于較高的電子束能量，轉(zhuǎn)換靶在最佳靶厚下得到的X射線光子產(chǎn)額比傳統(tǒng)小型實驗室調(diào)制X射線源(Y<1%)最大提高了約60倍。

在MCNP中劃分能量箱，對處于最佳靶厚下的9種轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生的X射線光子能量EX進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，基于自生磁場約束效應(yīng)的調(diào)制X射線源產(chǎn)生的X射線光子能量主要分布在1 MeV以下，該能段的光子數(shù)占能譜內(nèi)總光子數(shù)的75%以上，其中：Rh，Pd，Ag，Cd 4種材料在20～30 keV能段上出現(xiàn)了明顯的Kα和Kβ特征譜線；W，Au 2種材料的轉(zhuǎn)換靶Kα和Kβ特征譜線能量在55～80 keV能段；Cr,Ni,Cu 3種材料轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生的特征譜線強(qiáng)度較低，僅為W靶的1/50。此外，在0.511 MeV處，存在正負(fù)電子湮滅產(chǎn)生的X射線離散譜，強(qiáng)度與靶材的原子序數(shù)正相關(guān)。

2.2 X射線的空間分布

在垂直于轉(zhuǎn)換靶靶面的平面上，以轉(zhuǎn)換靶出射面中心為圓心，環(huán)繞轉(zhuǎn)換靶以5°為間隔放置一周探測計數(shù)器，記錄靶厚為Hopt時轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生X射線的空間分布情況。圖4為探測器記錄得到的X射線產(chǎn)額Y隨角度θ的變化關(guān)系。由圖4可見，由于自聚焦靶產(chǎn)生的電子能量在MeV量級，且金屬轉(zhuǎn)換靶采用了透射式設(shè)計，所以產(chǎn)生的X射線具有較好的前向性；對比各種材料的金屬轉(zhuǎn)換靶，在最佳靶厚條件下，原子序數(shù)越小的材料，X射線出射的軸向強(qiáng)度越大，而原子序數(shù)越大，大角度X射線產(chǎn)額就越高。

2.3 X射線焦點(diǎn)大小

電子束轟擊透射型靶時，入射電子與靶材內(nèi)部原子間發(fā)生碰撞及散射等多種能量傳遞過程。電子束的直徑隨著穿透深度的增大而增加，導(dǎo)致電子能量沉積的范圍隨深度增大逐漸擴(kuò)張，與電子束面積相比，產(chǎn)生X射線焦點(diǎn)的面積有所增加。本文在轉(zhuǎn)換靶的X射線出射平面上，劃分計數(shù)網(wǎng)格，記錄出射平面上的X射線分布情況，如圖5所示。由圖5可見，X射線在出射平面上呈典型的高斯分布，不同的轉(zhuǎn)換靶材料在最佳靶厚下的X射線相對峰值強(qiáng)度及半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)呈現(xiàn)出明顯的差異性。整體來看，與入射電子焦斑相比，X射線焦斑寬度增大，轉(zhuǎn)換靶材料的Z越大，對應(yīng)的X射線焦斑寬度越小，產(chǎn)生的X射線相對峰值強(qiáng)度越高。

結(jié)合X射線轉(zhuǎn)換靶的散熱及熔點(diǎn)等因素，在后端X射線轉(zhuǎn)換靶的設(shè)計中，采用603 μm厚的W靶設(shè)計可在獲得最大X射線產(chǎn)額的情況下，將X射線焦斑寬度r限制在百微米量級。

2.4 特征X射線信噪比

在等離子體診斷和材料分析等應(yīng)用場景中，通常需要將射線源和單色晶體配合使用，獲得單能X射線光子，這對射線源產(chǎn)生的特征X射線強(qiáng)度及特征信噪比(characteristic signal-to-noise ratio，CSNR)ηCSNR提出了較高的要求。射線源的ηCSNR為某種特征X射線的產(chǎn)額和X射線總產(chǎn)額的比值。為使本文提出的X射線源具有較好的單色性，對比了幾種靶材料的轉(zhuǎn)換靶在不同厚度下產(chǎn)生的Kα特征X射線的峰值強(qiáng)度及ηCSNR。

圖6為轉(zhuǎn)換靶厚度不同時的X射線能譜。由圖6可見，當(dāng)靶厚為Hopt時，X射線總產(chǎn)額可達(dá)到最大，但特征X射線的產(chǎn)額卻并非最大。因此，需要針對不同的靶材料，選擇對應(yīng)的厚度，使特征X射線產(chǎn)額最大。

圖7為Kα特征X射線產(chǎn)額與ηCSNR隨轉(zhuǎn)換靶厚度的變化關(guān)系。X射線總產(chǎn)額、特征X射線產(chǎn)額和CSNR最大時的轉(zhuǎn)換靶厚度列于表2，分別以Hopt，Hchr，HCSNR表示。由圖7和表2可見，Kα特征X射線產(chǎn)額受轉(zhuǎn)換靶厚度的影響程度主要與靶材料的原子序數(shù)有關(guān)。對于Cu,Ni 2種低Z材料，達(dá)到特征X射線產(chǎn)額峰值時對應(yīng)的轉(zhuǎn)換靶厚度Hchr小于50 μm，特征X射線的產(chǎn)額和CSNR皆隨轉(zhuǎn)換靶厚度的增加而減小，特征X射線產(chǎn)額比高Z材料較小。另一種低Z材料Cr的特征譜線極不明顯，本文不做考慮。對于原子序數(shù)相近的Rh，Pd，Ag，Cd 4種材料，特征X射線的產(chǎn)額隨厚度增大呈先增大后減小的趨勢，ηCSNR隨厚度的增大而遞減，且Z越大，Hchr越大。對于高Z材料W和Au，Hchr與Hopt在數(shù)值上相近，隨轉(zhuǎn)換靶厚度的增大皆呈先增大后減小的變化趨勢。

由表2可知，Hopt與Hchr隨原子序數(shù)Z的變化趨勢出現(xiàn)極大差異，這主要是由不同靶材的特征X射線的能量及能量分布差異所致。低Z材料產(chǎn)生的Kα特征譜線能量較小，隨著轉(zhuǎn)換靶厚度增大，轉(zhuǎn)換靶對特征X射線的吸收作用占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致CSNR降低；對于高Z材料，Kα特征譜線能量較高，穿透性更強(qiáng)，因此特征X射線受到傳輸靶吸收作用相對較小，特征X射線產(chǎn)額與總產(chǎn)額隨轉(zhuǎn)換靶厚度的變化趨勢相近。

3 總結(jié)與展望

本文研究了基于自生磁場約束效應(yīng)的脈沖調(diào)制X射線源金屬轉(zhuǎn)換靶，利用MCNP模擬了電子束在后端轉(zhuǎn)換靶中的輸運(yùn)過程，計算了幾種常用轉(zhuǎn)換靶材料對應(yīng)的最佳靶厚，分析了產(chǎn)生X射線的空間角度分布及X射線焦斑寬度，探究了特征X射線的CSNR和產(chǎn)額隨轉(zhuǎn)換靶厚度的變化關(guān)系。與當(dāng)前的實驗室所用小型調(diào)制X射線源相比，基于自生磁場約束效應(yīng)的調(diào)制X射線源具有調(diào)制速率快、光子產(chǎn)額高及焦斑尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合單色晶體使用，可獲得強(qiáng)度高和單色性好的X射線。根據(jù)本文研究結(jié)果，對轉(zhuǎn)換靶的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整，滿足不同X射線能段需求，可廣泛應(yīng)用于材料分析、等離子體診斷及X射線通信等場景中。