馮兆鵬， 湯曉斌， 劉云鵬， 田 鋒， 苗 愷， 賴 生

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

X射線廣泛應用于輻照加工、無損檢測、工業(yè)探傷[1-2]及生物醫(yī)學研究[3]等領(lǐng)域。隨著X射線脈沖技術(shù)的進步，脈沖X射線的時間分辨率可達到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動和快速變化的物體進行實時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像[8]，為醫(yī)學、工業(yè)和科學研究中的實時診斷和連續(xù)觀測[9-10]提供有效手段。

當前，單色性好及強度高的短脈沖調(diào)制X射線源是X射線光源研究的重點方向之一。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)或科學研究的需求；后者以先進的第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到第3代光源的水平。本文研究團隊基于激光等離子體相互作用的機理，提出了一種基于材料數(shù)密度梯度和電阻率梯度誘導界面自生磁場約束效應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，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)進行了優(yōu)化。

1 基于自生磁場約束效應的調(diào)制X射線源設(shè)計

基于自生磁場約束效應的調(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的控制過程。超短超強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，然后快電子進一步向靶內(nèi)輸運，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，誘導產(chǎn)生巨大的自生磁場[13-14]，實現(xiàn)對快電子的自聚焦。當一束波長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)和厚度進行優(yōu)化，可提升射線源的X射線發(fā)射強度[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)換靶中的輸運過程進行蒙特卡羅模擬。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)生的特征譜線強度較低，僅為W靶的1/50。此外，在0.511 MeV處，存在正負電子湮滅產(chǎn)生的X射線離散譜，強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，導致電子能量沉積的范圍隨深度增大逐漸擴張，與電子束面積相比，產(chǎn)生X射線焦點的面積有所增加。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，對應的X射線焦斑寬度越小，產(chǎn)生的X射線相對峰值強度越高。

結(jié)合X射線轉(zhuǎn)換靶的散熱及熔點等因素，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，當靶厚為Hopt時，X射線總產(chǎn)額可達到最大，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，達到特征X射線產(chǎn)額峰值時對應的轉(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)主導地位，導致CSNR降低；對于高Z材料，Kα特征譜線能量較高，穿透性更強，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)換靶中的輸運過程，計算了幾種常用轉(zhuǎn)換靶材料對應的最佳靶厚，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，結(jié)合單色晶體使用，可獲得強度高和單色性好的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)尺寸進行調(diào)整，滿足不同X射線能段需求，可廣泛應用于材料分析、等離子體診斷及X射線通信等場景中。