基于自生磁场约束效应的脉冲调制X射线源用转换靶

冯兆鹏， 汤晓斌， 刘云鹏， 田 锋， 苗 恺， 赖 生

(1. 南京航空航天大学 核科学与技术系; 2. 空间核技术应用与辐射防护工业和信息化部重点实验室： 南京 211106；3. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室， 西安 710024)

X射线广泛应用于辐照加工、无损检测、工业探伤[1-2]及生物医学研究[3]等领域。随着X射线脉冲技术的进步，脉冲X射线的时间分辨率可达到fs量级[4]，经调制的脉冲X射线序列可作为信息载体，用于空间[5-6]及特殊屏蔽环境下的通信[7]；高时间分辨率的X射线脉冲可对高速运动和快速变化的物体进行实时的内部结构成像[8]，为医学、工业和科学研究中的实时诊断和连续观测[9-10]提供有效手段。

当前，单色性好及强度高的短脉冲调制X射线源是X射线光源研究的重点方向之一。实验使用的调制X射线源主要包括真空热阴极X射线管[11]和大型X射线科学研究装置[10]。前者出射的X射线亮度小，产生效率小于1%，调制频率最大仅为百千赫兹量级，难以满足工业生产或科学研究的需求；后者以先进的第3代同步辐射光源和X射线自由电子激光为代表，受体积大及价格高等因素的限制，难以在实验室中普及。综上，亟需探索新型台面式 X 射线脉冲调制发射技术。

得益于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，CPA)技术[12]的发展，如今台面式超快激光驱动光源的峰值亮度可达到第3代光源的水平。本文研究团队基于激光等离子体相互作用的机理，提出了一种基于材料数密度梯度和电阻率梯度诱导界面自生磁场约束效应的新型激光等离子体调制的脉冲X射线源方案[13]，产生的脉冲X射线具有时间分辨率高及光子产额大等特点，是一种结构简单及体积小的台面式X射线光源。在前期研究中，借助日本大阪大学激光工程研究所的LFEX激光装置开展了验证性试验[13]。在此基础上，本文根据激光等离子相互作用时产生的聚焦电子束特性的测量结果，研究了聚焦电子束与X射线转换靶作用产生X射线的过程，提出了高性能调制X射线源的设计方案，并对阳极转换靶的材料和结构进行了优化。

1 基于自生磁场约束效应的调制X射线源设计

基于自生磁场约束效应的调制X射线源主要分为激光源和结构靶2部分。利用高亮脉冲激光源照射结构靶，在结构靶中激发快电子并诱发自生磁场，获得自聚焦电子束脉冲，电子束与金属靶材相互作用产生轫致辐射，发射X射线。

图1为结构靶模型，主体分为前端的自聚焦靶和后端的金属转换靶2部分。

X射线源的调制过程其实就是对电子输运的控制过程。超短超强激光与等离子体固体靶相互作用过程中会产生大量快电子，并使靶材迅速升温，然后快电子进一步向靶内输运，最终与金属转换靶作用，以轫致辐射的方式产生连续分布的X射线。因此，通过调控调制激光的强度和脉冲周期等参数，便可控制输出 X 射线的光子数和脉冲周期等关键性参数，产生调制X射线[13]。

自聚焦靶整体由金锥和自聚焦结构组成，自聚焦结构连接在开口金锥的后面，用于将大多数激光能量沉积到锥尖，与靶区作用产生快电子。在金锥顶尖后面连接着插入铝(Al)块中的塑料(CH)结构，铝和塑料形成材料数密度梯度和电阻率梯度，诱导产生巨大的自生磁场[13-14]，实现对快电子的自聚焦。当一束波长λ= 1.053 μm，能量E=350 J，焦斑大小r=30 μm(半高宽)，脉冲宽度τ= 1.5 ps(半高宽)，时间与空间均为高斯分布的LFEX激光入射时，测量获得自聚焦电子束的横向空间分布尺寸为76.3±4.1 μm(半高宽)[13]。较小的电子束空间尺寸保证了后端产生X射线的微焦点特性，而ps量级的脉冲宽度使调制X射线源的理论调制速率可达到GHz量级。后端的X射线转换靶用于将前端产生的自聚焦电子束转换为X射线射出，X射线强度的大小主要由电子束能量、转换靶材质及转换靶结构决定。通过对后端转换靶的材质和厚度进行优化，可提升射线源的X射线发射强度[15-16]。鉴于前端自聚焦靶产生的电子束能量较高，采用反射式阳极靶的设计存在散热困难和X射线产额低等问题，本文将金属转换靶选为透射结构，利用金刚石高硬度和快散热的特性，将金属阳极镀于300 μm厚的金刚石片上，以满足阳极靶的结构强度和散热需求。

2 金属转换靶设计

2.1 最佳靶厚

对于透射式转换靶而言，转换靶的材料和厚度是决定X射线产额和空间分布的关键因素。因此，本文首先对快电子在转换靶中的输运过程进行蒙特卡罗模拟。本文采用MCNP程序，建立了基于自生磁场约束效应的调制X射线源后端转换靶仿真模型。在仿真过程中，电子源根据实验测量获得的快电子参数进行简化设置，在出射平面上为平面高斯分布，半高宽为76.3 μm，电子能量为4.855 MeV[13]，出射方向垂直于转换靶的靶面。将转换靶的材料和厚度选取为可控变量，计算二者对X射线产额、空间分布和焦斑大小等性能参数的影响。表1列出了本文考虑的9种常见金属转换靶材料。

表1 常见X射线转换靶材料Tab.1 Common X-ray conversion target material

MCNP会对光子计数的结果进行归一化，因此，X射线光子数的统计计算结果即为相同电子源条件下的X射线光子产额。图2为不同转换靶材料下，X射线产额Y随转换靶厚度H的变化关系。X射线产额为产生的X射线光子数与入射电子数的比值，已由MCNP自动归一化处理。由图2可见，不同转换靶的仿真结果具有相同的规律：随着转换靶厚度的上升，产生X射线的强度出现先上升后下降的趋势；转换靶的原子序数越大，X射线产额峰值就越高，达到X射线产额峰值时的转换靶厚度越小。将获得X射线光子产额峰值时对应的转换靶厚度称为该种靶材的最佳靶厚Hopt，其中，金靶的Hopt最小，为576 μm，铜靶的Hopt最大，为1 596 μm。此外，得益于较高的电子束能量，转换靶在最佳靶厚下得到的X射线光子产额比传统小型实验室调制X射线源(Y<1%)最大提高了约60倍。

在MCNP中划分能量箱，对处于最佳靶厚下的9种转换靶产生的X射线光子能量EX进行统计，统计结果如图3所示。由图3可见，基于自生磁场约束效应的调制X射线源产生的X射线光子能量主要分布在1 MeV以下，该能段的光子数占能谱内总光子数的75%以上，其中：Rh，Pd，Ag，Cd 4种材料在20～30 keV能段上出现了明显的Kα和Kβ特征谱线；W，Au 2种材料的转换靶Kα和Kβ特征谱线能量在55～80 keV能段；Cr,Ni,Cu 3种材料转换靶产生的特征谱线强度较低，仅为W靶的1/50。此外，在0.511 MeV处，存在正负电子湮灭产生的X射线离散谱，强度与靶材的原子序数正相关。

2.2 X射线的空间分布

在垂直于转换靶靶面的平面上，以转换靶出射面中心为圆心，环绕转换靶以5°为间隔放置一周探测计数器，记录靶厚为Hopt时转换靶产生X射线的空间分布情况。图4为探测器记录得到的X射线产额Y随角度θ的变化关系。由图4可见，由于自聚焦靶产生的电子能量在MeV量级，且金属转换靶采用了透射式设计，所以产生的X射线具有较好的前向性；对比各种材料的金属转换靶，在最佳靶厚条件下，原子序数越小的材料，X射线出射的轴向强度越大，而原子序数越大，大角度X射线产额就越高。

2.3 X射线焦点大小

电子束轰击透射型靶时，入射电子与靶材内部原子间发生碰撞及散射等多种能量传递过程。电子束的直径随着穿透深度的增大而增加，导致电子能量沉积的范围随深度增大逐渐扩张，与电子束面积相比，产生X射线焦点的面积有所增加。本文在转换靶的X射线出射平面上，划分计数网格，记录出射平面上的X射线分布情况，如图5所示。由图5可见，X射线在出射平面上呈典型的高斯分布，不同的转换靶材料在最佳靶厚下的X射线相对峰值强度及半高宽(full width at half maximum，FWHM)呈现出明显的差异性。整体来看，与入射电子焦斑相比，X射线焦斑宽度增大，转换靶材料的Z越大，对应的X射线焦斑宽度越小，产生的X射线相对峰值强度越高。

结合X射线转换靶的散热及熔点等因素，在后端X射线转换靶的设计中，采用603 μm厚的W靶设计可在获得最大X射线产额的情况下，将X射线焦斑宽度r限制在百微米量级。

2.4 特征X射线信噪比

在等离子体诊断和材料分析等应用场景中，通常需要将射线源和单色晶体配合使用，获得单能X射线光子，这对射线源产生的特征X射线强度及特征信噪比(characteristic signal-to-noise ratio，CSNR)ηCSNR提出了较高的要求。射线源的ηCSNR为某种特征X射线的产额和X射线总产额的比值。为使本文提出的X射线源具有较好的单色性，对比了几种靶材料的转换靶在不同厚度下产生的Kα特征X射线的峰值强度及ηCSNR。

图6为转换靶厚度不同时的X射线能谱。由图6可见，当靶厚为Hopt时，X射线总产额可达到最大，但特征X射线的产额却并非最大。因此，需要针对不同的靶材料，选择对应的厚度，使特征X射线产额最大。

图7为Kα特征X射线产额与ηCSNR随转换靶厚度的变化关系。X射线总产额、特征X射线产额和CSNR最大时的转换靶厚度列于表2，分别以Hopt，Hchr，HCSNR表示。由图7和表2可见，Kα特征X射线产额受转换靶厚度的影响程度主要与靶材料的原子序数有关。对于Cu,Ni 2种低Z材料，达到特征X射线产额峰值时对应的转换靶厚度Hchr小于50 μm，特征X射线的产额和CSNR皆随转换靶厚度的增加而减小，特征X射线产额比高Z材料较小。另一种低Z材料Cr的特征谱线极不明显，本文不做考虑。对于原子序数相近的Rh，Pd，Ag，Cd 4种材料，特征X射线的产额随厚度增大呈先增大后减小的趋势，ηCSNR随厚度的增大而递减，且Z越大，Hchr越大。对于高Z材料W和Au，Hchr与Hopt在数值上相近，随转换靶厚度的增大皆呈先增大后减小的变化趋势。

由表2可知，Hopt与Hchr随原子序数Z的变化趋势出现极大差异，这主要是由不同靶材的特征X射线的能量及能量分布差异所致。低Z材料产生的Kα特征谱线能量较小，随着转换靶厚度增大，转换靶对特征X射线的吸收作用占据主导地位，导致CSNR降低；对于高Z材料，Kα特征谱线能量较高，穿透性更强，因此特征X射线受到传输靶吸收作用相对较小，特征X射线产额与总产额随转换靶厚度的变化趋势相近。

3 总结与展望

本文研究了基于自生磁场约束效应的脉冲调制X射线源金属转换靶，利用MCNP模拟了电子束在后端转换靶中的输运过程，计算了几种常用转换靶材料对应的最佳靶厚，分析了产生X射线的空间角度分布及X射线焦斑宽度，探究了特征X射线的CSNR和产额随转换靶厚度的变化关系。与当前的实验室所用小型调制X射线源相比，基于自生磁场约束效应的调制X射线源具有调制速率快、光子产额高及焦斑尺寸小等优点，结合单色晶体使用，可获得强度高和单色性好的X射线。根据本文研究结果，对转换靶的材质和结构尺寸进行调整，满足不同X射线能段需求，可广泛应用于材料分析、等离子体诊断及X射线通信等场景中。