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        X射線是波長介于紫外線和γ射線 間的電磁輻射，波長很短，約為（20～0.06）×10-8厘米之間，具有很高的穿透本領(lǐng)，能透過許多對可見光不透明的物質(zhì)，如墨紙、木料等。而隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，激光X射線源開始出現(xiàn)在科學(xué)領(lǐng)域的研究范圍內(nèi)，但是由于各方面的限制，激光X射線的研究和應(yīng)用大大受阻，就在近日，中國科學(xué)院物理研究所傳來可喜消息，激光X射線研究有了新的進(jìn)展。

　  飛秒脈沖強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生的超熱電子通過K殼層電離輻射等方式產(chǎn)生硬X射線。 由于這種X射線源具有超快的特點，非常適合對物質(zhì)進(jìn)行飛秒時間分辨的動力學(xué)探針，加上其微米尺度的源尺寸、極低的成本和比擬甚至高于同步輻射源的源峰值亮度，具有在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)等方面極大的應(yīng)用前景。但是現(xiàn)有的激光X射線源的信噪比低、光子總額少、時間寬度大、空間相干性差等不足，使其在實際應(yīng)用中受到極大限制。

    中國科學(xué)院物理研究所光物理重點實驗室激光高能量密度物理研究組 陳黎明 研究員及所屬團(tuán)隊，在激光X射線研究方面取得系列重要進(jìn)展：首先利用高對比度激光與固體靶相互作用產(chǎn)生了低本底、高轉(zhuǎn)換效率的Ka射線源[Phys. Rev. Lett. 100, 045004(2008)]； 然后為了進(jìn)一步提高上述各種參數(shù)以產(chǎn)生更強(qiáng)，單色性更好的X射線源，采用了高對比度的飛秒脈沖與小尺寸氣體團(tuán)簇相互作用，將光子產(chǎn)額有提高了一個量級，實現(xiàn)了單發(fā)脈沖無聚焦X射線成像，所產(chǎn)生的X射線源具有10飛秒量級的時間分辨，比較徹底地克服了前述激光X射線源的不利因素[Phys. Rev. Lett. 104, 215004(2010)]。這些成果極大地推動此領(lǐng)域的發(fā)展并確立基于激光的X射線源在超快研究中真正的實際應(yīng)用價值和地位，著名學(xué)者V. Malka將這些成果歸結(jié)為“第二代”Ka射線源。

    激光驅(qū)動的超快硬X射線光源除了上述內(nèi)殼層電離產(chǎn)生的Kα單色源（發(fā)散度較大）外，近年國際上還出現(xiàn)了臺面Betatron輻射源（發(fā)散度小、寬譜）。它是由超強(qiáng)超短激光在低密度等離子體中激發(fā)尾波場，注入離子“空泡”中的電子在被縱向加速的同時會以等離子體尺度為周期進(jìn)行橫向的波蕩，從而產(chǎn)生類似同步輻射的Betatron輻射。作為等離子體中電子加速重要的“伴生”過程，該輻射的品質(zhì)由被加速電子的行為來決定。但目前由于電子加速中能量和電荷量之間，以及電子品質(zhì)和波蕩幅度之間存在著相互制約的矛盾，使Betatron輻射的產(chǎn)額受到極大限制，國際上報道最好的研究組利用40TW激光產(chǎn)生了5x107/發(fā) [見：Nature Physics 6, 989(2010)]。該研究團(tuán)隊與上海交大張杰院士、盛政明教授團(tuán)隊合作開展高度準(zhǔn)直的臺面Betatron輻射光源的研究。他們在實驗中利用僅僅3TW的飛秒激光與氣體Ar團(tuán)簇相互作用，由于團(tuán)簇的介入激發(fā)了通常用PW裝置才能驅(qū)動的“激光直接加速”（DLA）機(jī)制，在獲得nC量級大電荷量電子加速的基礎(chǔ)上，增大了電子的波蕩振幅，成功獲得超強(qiáng)的Betatron輻射。單發(fā)激光獲得能量2.4keV以上的X射線光子數(shù)大于2x108/發(fā)，且具有很小的空間發(fā)散角~10mrad。這個結(jié)果將目前報道最好的Betatron輻射的轉(zhuǎn)換效率提高了40倍，能利用小能量、高重頻激光器突破目前輻射源低平均流強(qiáng)的發(fā)展瓶頸。

    這項進(jìn)展發(fā)表在[L. M. Chen et al, Scientific Reports. 3, 1912(2013)]上，本研究得到科技部973A類項目、科技部國家重大儀器專項、863高技術(shù)研究計劃以及國家自然科學(xué)基金的支持。

圖1.實驗從團(tuán)簇(a)和氣體(b)獲得的Betatron輻射及能譜(c)

圖2.和氣體靶相比，團(tuán)簇更利于大電荷量的產(chǎn)生（50倍）

圖3.模擬顯示和氣體靶比較而言團(tuán)簇中有更多電子介入加速過程

圖4.模擬顯示團(tuán)簇使DLA機(jī)制得以激發(fā)，電子從橫向獲得能量和很大波蕩幅度，利于betatron輻射產(chǎn)額的提升

    中國科學(xué)院物理研究所成功將Betatron輻射的轉(zhuǎn)換效率提高了40倍，通過能小能量、高重頻激光器突破目前輻射源低平均流強(qiáng)的發(fā)展瓶頸，真正確立了基于激光的X射線源在超快研究中真正的實際應(yīng)用價值和地位。