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1、第10卷 第2期强 激 光 与 粒 子 束Vol.10,No.21998年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,1998X一种激光驱动的超短X射线光源李 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射线扫描相机测量了该管的X
2、射线输出,获得了5ps的X射线脉冲。这种光源可方便地用来标定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 TN248 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[1～3]X射线辐射是目前产生超短的X射线脉冲的主要方法。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
3、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。[4] 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:2e¨v2WX=2()XSn14PE0cc(1)WX≈0XSm1式中¨v是辐射过程中粒子动能的改变量;X为辐射频率;S是辐射过程的时间。对于数仟eV-14的X射线,辐射过程S为10s,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
4、子束的切伦科夫效应(Cerenkoveffect)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:222SX=Se+Sp(2)式中SX、Se、Sp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-1[5]-2[6]电子在金内的
5、射程约为10Lm,而该能量时X射线的产生深度约在10Lm,显然电子在X1998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©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.174强激光与粒子束第10卷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。Fig.1SchematicofthepulsedX2raydiode.Fig.2Schemeofspecialphotocathode图1
6、 脉冲X射线二极管原理示意图图2X射线二极管专用阴极示意图 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[7]寿命。光电阴极存在一个破坏阈值,限制了输入激光的强度。B.VanWonter2ghem等在类似的工作中建议放弃半导体阴极的[8]使用,而采用金属阴极如Ta,Au等,其2破坏阈值为5mJöcm,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
7、极低1～2个量级,并具有较大的功函数(4eV以上),这就涉及Fig.3PhotographofthepulsedX2raydiode图3 脉冲X射线二极管照片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ömm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
8、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
