一种激光驱动的超短X 射线光源
Ξ
李 冀 牛憨笨 张焕文 杨勤劳 宋宗贤
(中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710068) 摘 要 介绍一种可产生超短脉冲的新型X 射线光源。它由多碱光电阴极、金靶及铍输
出窗组成。当该X 射线管的阴极受到强光照射时，产生光电子发射，并经电场加速后轰击金
靶，产生连续谱的X 射线轫致辐射，经铍窗输出。用超短的可见光脉冲驱动该光源，并借助X
素质测评
射线扫描相机测量了该管的X 射线输出，获得了5p s 的X 射线脉冲。这种光源可方便地用来
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标定X 射线扫描相机的时间分辨率，此种产生超短电子脉冲的方法也可在其他方面获得应用。
关键词 X 射线轫致辐射 X 射线脉冲 X 射线产生
中图分类号 TN 248
以高功率超短脉冲的激光照射物质表面，产生寿命与激光脉冲宽度相近的高温等离子体
led zeppelin
X 射线辐射是目前产生超短的X 射线脉冲的主要方法
[1～3]。由于这种方法要求有高功率激光器及其它复杂昂贵的设备，费用高，使用不便。由于光电阴极具有快的时间响应和小的初能量弥散的优点，我们研制了一种以光电阴极为电子源的X 射线管。当其光电阴极被可见光激光脉冲照射时，产生光电子发射。经过阴极与阳极靶之间的电场加速，光电子获得能量，并在轰击阳极靶的过程中以X 射线轫致辐射形式辐射其部分动能。 由经典荷电粒子辐射理论，轫致辐射具有连续谱，单位频率间隔辐射能量可表示为[4]:
W Ξ=e 24Π2Ε0c ( v c )2
ΞΣν1W Ξ≈0 ΞΣµ1
(1)
mistress
式中 v 是辐射过程中粒子动能的改变量;Ξ为辐射频率;Σ是辐射过程的时间。对于数仟eV 的X 射线，辐射过程Σ为10-14s ，因此轫致辐射的时间响应极短。而光电子的发射可由激发它的激光所决定，当入射光是一个超短的激光脉冲时，由它激发的光电子脉冲也具有相近的宽度，与皮秒电子束的切伦科夫效应(Cerenkov effect )相类似，从而能获得与激光脉宽相近的X 射线辐射。该X 射线脉冲可用以标定X 射线的扫描相机的时间分辨率。
1 脉冲X 射线二极管的研制
如上所述,X 射线轫致辐射响应时间快的特点可以被用来产生X 射线的超短脉冲，该脉冲宽度取决于入射电子脉冲宽度及其与靶物质作用的时间长短。可表示为:
view是什么意思Σ2X =Σ2e +Σ2p
(2)式中ΣX 、Σe 、Σp 分别表示X 射线脉冲和电子脉冲宽度以及电子与靶作用时间。
对低能(10keV 以下)电子束与固体物质相互作用的理论与实验研究表明,10keV 能量的
电子在金内的射程约为10-1Λm [5]，而该能量时X 射线的产生深度约在10-2Λm [6]，显然电子在
第10卷 第2期强 激 光 与 粒 子 束V o l .10,N o.2 1998年5月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S M ay,1998
Ξ1998年1月20日收到原稿,1998年3月20日收到修改稿。
李冀，男,1963年10月出生，研究生，助研
靶内渡越时间对辐射时间过程影响很小。X 射线脉冲宽度仅受光电子脉冲宽度控制
。
F ig .1 Schem atic of the pu ld X 2ray di ode .
图1 脉冲X
bid射线二极管原理示意图F ig .2 Schem e of special pho tocathode 图2 X 射线二极管专用阴极示意图
F ig .3 Pho tograph of the pu ld X 2ray di ode 图3 脉冲X 射线二极管照片
基于上述思想的X 射线二极管工作
原理如图1所示。X 射线轫致辐射的转换
效率低。为了获得超短的X 射线脉冲并使
其具有足够的强度以利记录,X 射线二极
管的阴极就必须能提供大量电子的电子束
脉冲，同时能耐强光冲击，并有较长的使用
寿命。光电阴极存在一个破坏阈值[7]，限制
happiness什么意思
了输入激光的强度。B .V an W on ter 2ghem
等在类似的工作中建议放弃半导体阴极的
使用，而采用金属阴极如T a ,A u 等[8]，其
破坏阈值为5m J c m 2，获得的最大光电子
数量为每个脉冲3nC 。考虑到金属阴极的
量子效率比半导体阴极低1～2个量级，并
具有较大的功函数(4eV 以上)，这就涉及
到激光的放大和倍频技术的利用。我们认为光电阴极的破坏阈值固然与阴极材料有关，但制备工艺，特别是阴极的导电基底也是至关重要的因素。于是在用于制作透射式光电阴极的玻璃片上引入了一种复合导电基底，首先在玻璃表面用热压的方法镶一层30～50目 mm 的铜网作为导电导热层，再在其上附着一层透明的氧化铟锡导电膜，进一步增加导电性，从而改善了阴极的抗冲击能力，延长了使用寿命。这样的导电基底具有非常小的面电阻率以及良好的导热性。图2为阴极结构示意图。
如果光电阴极总能正常工作，影响光电子脉冲的主要因素是输入光脉冲和各种弥散机制，如电子初能量和空间电荷效应。传输于电场中的光电子脉冲宽度可表示为:
Σe 2=Σn 2+Σp 2+Σc 2
when you were my girl(3)其中Σn 为入射光脉冲宽度;Σp 为由于光电子初始运动条件弥散而导致的时间弥散。对于平面均匀加速场[9],Σp =2.34×10-8Ε E ,Ε是电子初能量弥散,E 是电场强度，单位V c m ;Σc 是由空间电荷效应引起的时间弥散。对空间电荷效应的研究表明[10]，缩短电子渡越距离及提高电子运动速度有益于减少
空间电荷效应的影响，所以我们把阴极和阳极靶制成近贴聚焦形式,
471强激光与粒子束第10卷
这样既减小了光电子的时间弥散又降低了阴极的表面势垒，有利于光电子发射。X 射线二极管实物照片见图3。
2 超短X 射线产生与实验测量
我们分别用H e —N e 光和超短脉冲激光为驱动光源，进行了可见光到X 射线的转换及超短脉冲X 射线产生的实验。用X 射线扫描相机测量了X 射线脉冲宽度并分别以CCD 相机和接触照相记录了X 射线脉冲信号。实验装置示意图如图4所示。用于驱动X 射线二极管产生超短X 射线脉冲的可见光脉冲是主被动锁模的YA G 激光器的二次谐波(波长0.53Λm ，能量
约7m J ，脉冲半宽度约40p s )经后向受激喇曼散射压缩而产生的(波长0.63Λm ，能量约102ΛJ ,
光斑直径为4mm )。经可见光的扫描相机测定其脉宽约为5p s [11]。
在送入X 射线二极管阴极之前，经过一个20p s 的F —P 标准具作为时间标准。利用我们研制的X 射线扫描变像管相机[12]作为X 射线的探测、测量设备，它使用C s I 阴极，时间分辨率可达2p s (理论值)，动态空间分辨
率为20lp mm ，狭缝宽度100Λm ，电子增益为104。
相机作成可拆卸的，利用一个由机械泵和涡轮分子泵组成的真空机组提供真空工作环境。X 射线光源阳极电压10kV 。图5是X
射线信号
F ig .4 Illu strati on of the experi m en tal tup
图4
实验装置示意图
F ig .5 Pho tograph of X 2ray slit i m age火锅 英语
a .non 2streaked
b .streaked
图5 X 射线条纹像照片(a .非扫描 b .扫描
)F ig .6 P rofile of X 2ray pu l reco rded by streak cam era 图6 扫描相机记录的X 射线脉冲轮廓
571第2期李冀等：一种激光驱动的超短X 射线光源
671强激光与粒子束第10卷的非扫描和扫描图象。可以观察到X射线脉冲宽度约为5p s，如图6所示。
4 结 论
给出了一种产生X射线超短脉冲的新方法，研制了体积小、结构简单、使用方便的X射线二极管，对该管的性能进行了初步实验研究，并获得了脉冲宽度约为5p s的X射线脉冲。在实验中该二极管输出的重复性主要与激光的稳定性有关。受限实验条件，该X射线二极管输出的光谱特性、光阴极的损伤阈值以及激光强度与X射线强度的关系将在以后进一步研究。
致 谢 中国科学院西安光学精密机械研究所光电子部电子物理组的提供了工艺上的大力帮助，深表谢意。
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AN UL TRASHORT PUL SED X-RAY
S OURCE D R IVEN B Y LASER
L i J i,N iu H anben,Zhang H uanw en,Yang Q in lao,and Song Zongx ian
X i,an Institu te of Op tics and P recision M echan ics,A cad e m ia S in ica,X i’an710068
ABSTRACT A new m ethod to generate u ltrasho rt X2ray pu l has been p ren ted.T he m ain po in t of th is m ethod is to bom bard a heavy m etal target w ith an u ltrasho rt electron beam.O n the basis of the ideal a new pu ld soft X2ray di ode w ith m u ltialkali pho tocathode and go ld target depo sited on a Be ou tpu t w indow has been developed.W ith the aid of an u ltrasho rt visib le ligh t pu l p roduced by sti m u lated R am aan back scattering of frequency doub led mode2locked YA G lar,the soft X2ray pu l has been generated by th is new2 ly developed soft X2ray di ode and m easu red w ith ou r ready2m ade soft X2ray streak cam era.T he pu l w idth of5p s has been ob tained by the experi m en t.
KEY WOR D S X2ray p roducti on X2ray tubes X2ray b rem sstrah lung
