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    產(chǎn)生X射線(xiàn)的主要方式

    2018/1/10 10:36:22

    產(chǎn)生X射線(xiàn)的方式主要有以下四種:X射線(xiàn)管、激光等離子體、同步輻射和X射線(xiàn)激光。
      
      X射線(xiàn)管
      
      

      
      
    X射線(xiàn)管是利用高速電子撞擊金屬靶面產(chǎn)生X射線(xiàn)的電子器件,分為充氣管和真空管兩類(lèi)。1895年倫琴發(fā)現X射線(xiàn)時(shí)使用的克魯克斯管就是最早的充氣X射線(xiàn)管。
    1913年考林杰發(fā)明的真空X射線(xiàn)管的最大特點(diǎn)是鎢燈絲加熱到白熾狀態(tài)以提供管電流所需的電子,調節燈絲的加熱溫度就可以控制管電流,可提高影像質(zhì)量。
    1913年發(fā)明了在陽(yáng)極靶面與陰極之間裝有控制柵極的X射線(xiàn)管,在控制柵上施加脈沖調制,以控制X射線(xiàn)的輸出和調整定時(shí)重復曝光,部分地消除了散射線(xiàn),提高了影像的質(zhì)量。
    1914年制成了鎢酸鎘熒光屏,開(kāi)始了X射線(xiàn)透視的應用。
    1923年發(fā)明了雙焦點(diǎn)X射線(xiàn)管,X射線(xiàn)管的功率可達幾千瓦,矩形焦點(diǎn)的邊長(cháng)僅為幾毫米,X射線(xiàn)影像質(zhì)量大大提高。同時(shí),造影劑的逐漸應用,使X射線(xiàn)的診斷范圍也不斷擴大。X射線(xiàn)管還廣泛用于零件的無(wú)損檢測,物質(zhì)結構分析、光譜分析等方面。
    2002年,美國北卡羅來(lái)納大學(xué)的華裔科學(xué)家盧健平等人為X射線(xiàn)源找到了新的方法。這種方法用碳納米管制成“場(chǎng)發(fā)射陰極射線(xiàn)管”來(lái)發(fā)射高能電子,無(wú)須利用高溫產(chǎn)生高能電子束,便能產(chǎn)生X射線(xiàn)。在室溫條件下,一薄層碳納米管就能產(chǎn)生高能電子束,一接通電源即可發(fā)射X射線(xiàn),沒(méi)有金屬絲的預熱過(guò)程。
      
      激光等離子體光源
      

      
    激光等離子體光屬于價(jià)格便宜、易于操作的光源,可以用于X射線(xiàn)顯微術(shù),象電子掃描顯微鏡一樣作為實(shí)驗室的常規分析工具。其基本原理是:當高強度(1014~1015 W/cm2)激光脈沖聚焦打在固體靶上時(shí),靶的表面迅速離化形成高溫高密度的等離子體,進(jìn)而發(fā)射X射線(xiàn)。它是一種具有足夠輻射強度的獨立點(diǎn)光源,所用泵浦激光器主要有Nd:YAG,釹玻璃和KrF等。X射線(xiàn)發(fā)射與靶材料有關(guān),由于濺射殘屑可能損傷和污染光學(xué)系統和樣品,若用氣體靶代替固體靶可以避免殘屑問(wèn)題。因此,需要進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)有效的、高重復頻率工作的、不產(chǎn)生殘屑的激光等離子體X射線(xiàn)光源。
      
      同步輻射光源
      

    速度接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中作圓周運動(dòng)時(shí),會(huì )沿著(zhù)偏轉軌道切線(xiàn)方向發(fā)射連續譜的電磁波(左圖)。1947年人類(lèi)在電子同步加速器上首次觀(guān)測到這種電磁波,并稱(chēng)其為同步輻射,后來(lái)又稱(chēng)為同步輻射光。同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的,后來(lái)成為一種從紅外到硬X射線(xiàn)范圍內有著(zhù)廣泛應用的高性能光源。同步輻射光源是開(kāi)展凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子技術(shù)等多學(xué)科交叉前沿研究的重要平臺。
    激光等離子體光屬于價(jià)格便宜、易于操作的光源,可以用于X射線(xiàn)顯微術(shù),象電子掃描顯微鏡一樣作為實(shí)驗室的常規分析工具。其基本原理是:當高強度(1014~1015 W/cm2)激光脈沖聚焦打在固體靶上時(shí),靶的表面迅速離化形成高溫高密度的等離子體,進(jìn)而發(fā)射X射線(xiàn)。它是一種具有足夠輻射強度的獨立點(diǎn)光源,所用泵浦激光器主要有Nd:YAG,釹玻璃和KrF等。X射線(xiàn)發(fā)射與靶材料有關(guān),由于濺射殘屑可能損傷和污染光學(xué)系統和樣品,若用氣體靶代替固體靶可以避免殘屑問(wèn)題。因此,需要進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)有效的、高重復頻率工作的、不產(chǎn)生殘屑的激光等離子體X射線(xiàn)光源。 同步輻射光源 速度接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中作圓周運動(dòng)時(shí),會(huì )沿著(zhù)偏轉軌道切線(xiàn)方向發(fā)射連續譜的電磁波(左圖)。1947年人類(lèi)在電子同步加速器上首次觀(guān)測到這種電磁波,并稱(chēng)其為同步輻射,后來(lái)又稱(chēng)為同步輻射光。同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的,后來(lái)成為一種從紅外到硬X射線(xiàn)范圍內有著(zhù)廣泛應用的高性能光源。同步輻射光源是開(kāi)展凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子技術(shù)等多學(xué)科交叉前沿研究的重要平臺。
      

      
      擁有近70條光束線(xiàn)的美國阿貢實(shí)驗室同步輻射光源
      
    同步輻射光源的主體是電子儲存環(huán),30多年來(lái)已經(jīng)歷了三代的發(fā)展。第一代同步輻射光源的電子儲存環(huán)是為高能物理實(shí)驗而設計的,只是“寄生”地利用從偏轉磁鐵引出的同步輻射光,故又稱(chēng)“兼用光源”;第二代同步輻射光源的電子儲存環(huán)則是專(zhuān)門(mén)為使用同步輻射光而設計的,主要從偏轉磁鐵引出同步輻射光;第三代同步輻射光源的電子儲存環(huán)對電子束發(fā)射度和大量使用插入件進(jìn)行了優(yōu)化設計,使電子束發(fā)射度比第二代小得多,同步輻射光的亮度大大提高,如加入波蕩器等插入件可引出高亮度、部分相干的準單色光。
    同步輻射光具有頻譜寬且連續可調(具有從遠紅外、可見(jiàn)光、紫外直到X射線(xiàn)范圍內的連續光譜)、亮度高(第三代同步輻射光源的X射線(xiàn)亮度是X光機的上億倍)、高準直度、高偏振性、高純凈性、窄脈沖、精確度高以及高穩定性、高通量、微束徑、準相干等獨特的性能。
      

      
      設計有30個(gè)光引出口的英國DIAMOND同步輻射光源
      
    世界上有近40臺同步輻射光源正在運行,還有幾十臺在設計、建造中。我國的北京同步輻射裝置(BSRF)、合肥中國科技大學(xué)同步輻射裝置(NSRL)和臺灣新竹的同步輻射裝置(SRRC)分別屬于第一、第二和第三代光源,正在建造的上海光源(SSRF)屬第三代光源。   
      
      

    BSRF平面圖
      
      

    SSRF平面圖
      
      

     
    建在BSRF的我國大陸第一條中能X射線(xiàn)雙晶單色器光束線(xiàn),該光束線(xiàn)用于中等能區X射線(xiàn)范圍(1.2keV-6.0keV)的計量學(xué)、探測器標定、光學(xué)元件性能測試及吸收譜學(xué)等方面的研究,具有重要的科學(xué)意義
      

    北京同步輻射裝置4W1A光束線(xiàn)形貌學(xué)實(shí)驗站上能量為24keV的X射線(xiàn)拍攝的肝樣品圖像
      
    X射線(xiàn)激光
    正因為X射線(xiàn)的應用越來(lái)越廣泛,科學(xué)家著(zhù)重研究增加X(jué)射線(xiàn)的強度。世界上第一個(gè)紅寶石激光1960年問(wèn)世以來(lái),在X射線(xiàn)波段實(shí)現激光輻射就一直是激光研究的重要目標。X射線(xiàn)激光除了具有普通激光方向性強、發(fā)散度小的特點(diǎn)外,其單光子能量比傳統的光學(xué)激光高上千倍,具有極強的穿透力。
    1981年,美國在地下核試驗中進(jìn)行核泵浦X射線(xiàn)激光實(shí)驗獲得成功,極大地推動(dòng)了開(kāi)展實(shí)驗室X射線(xiàn)激光的研究。水窗的飽和X射線(xiàn)激光是目前唯一能夠對生物活體細胞進(jìn)行無(wú)損傷三維全息成像和顯微成像的光源,借助于它有可能解開(kāi)生命之謎。美、英、日、法、德、俄羅斯和中國等國的許多著(zhù)名實(shí)驗室都相繼作了部署。1994年,美國利弗莫爾實(shí)驗室用世界上功率最大的激光器的3000焦激光能量泵浦釔靶,產(chǎn)生了波長(cháng)15.5納米的飽和X射線(xiàn)激光。1996年底,中國旅英青年學(xué)者張杰領(lǐng)導的聯(lián)合研究組,在英國盧瑟福實(shí)驗室利用多路激光器轟擊釤靶,在泵浦能量?jì)H為150焦的情況下,成功地獲得了波長(cháng)為7.3納米的X射線(xiàn)激光飽和增益輸出,為在“水窗”波段實(shí)現增益飽和輸出的X射線(xiàn)激光帶來(lái)了巨大的希望。
    X射線(xiàn)自由電子激光
    自由電子激光是一種以相對論優(yōu)質(zhì)電子束為工作媒介、在周期磁場(chǎng)中以受激輻射方式放大短波電磁輻射的強相干光源(其“周期磁場(chǎng)”由波蕩器產(chǎn)生),具有波長(cháng)范圍大、波長(cháng)易調節、亮度高、相干性好、脈沖可超短等突出優(yōu)點(diǎn),尤其是高增益短波長(cháng)自由電子激光,普遍被看好是下一代光源的代表,具有巨大的發(fā)展潛力和重大的應用前景。(左圖為德國DESY自由電子激光器的波蕩器)
    目前,全世界有20多個(gè)能產(chǎn)生從紅外線(xiàn)到紫外線(xiàn)各種波長(cháng)激光的自由電子激光器已經(jīng)投入使用或正在研制中,F在科學(xué)家正試圖讓其波長(cháng)范圍延伸到X射線(xiàn)。X射線(xiàn)自由電子激光能產(chǎn)生波長(cháng)可調的,極高強度的飛秒相干光,可為各種體系的高空間分辨和時(shí)間分辨的動(dòng)力學(xué)研究提供強有力的手段,將給物理、化學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)、生命科學(xué)和醫學(xué)等多個(gè)學(xué)科的前沿研究帶來(lái)突破,為人類(lèi)對自然的認識打開(kāi)全新的視野。利用它可對活細胞進(jìn)行無(wú)損傷立體成像,直接觀(guān)察細胞中的生命過(guò)程,為揭開(kāi)生命之謎提供重要的工具。利用它進(jìn)行顯微和光刻,可以大幅度地提高分辨率和精度。同時(shí),也將對軍事與工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)深遠的影響。發(fā)展X射線(xiàn)自由電子激光具有前瞻性及戰略意義。
    世界各科技強國均將X射線(xiàn)自由電子激光的研究列入了未來(lái)科技發(fā)展計劃的重要內容,正在加緊研制的X射線(xiàn)自由電子激光器的能量將是現有設備的100億倍。美國斯坦福直線(xiàn)加速器中心將于2009年率先推出“直線(xiàn)加速器相干光源(LCLS)”(右圖),這個(gè)項目預算為3.79億美元。位于漢堡的德國電子同步回旋加速器研究中心已研制出先進(jìn)的紫外線(xiàn)自由電子激光器,并計劃到2012年時(shí)推出歐洲的X射線(xiàn)自由電子激光器,預計成本為9.08億歐元。日本也在開(kāi)展類(lèi)似的項目。如何用盡可能小的輸入能量在盡可能短的波長(cháng)上產(chǎn)生高增益X射線(xiàn)激光是當今各科技大國在該領(lǐng)域競爭的主要焦點(diǎn)。
    楊振寧先生從1997年5月開(kāi)始先后8次給我國有關(guān)部門(mén)和有關(guān)領(lǐng)導寫(xiě)信,呼吁中國盡快開(kāi)展X射線(xiàn)自由電子激光的預研究,我國政府和科學(xué)界對此給予了高度關(guān)注。
    高能所曾在1994年研制成功中紅外波段的北京自由電子激光裝置,在亞洲第一個(gè)實(shí)現了飽和出光(左圖為北京自由電子激光裝置)。自2000年起,在中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委的先后支持下,上海應用物理所、高能所和中國科技大學(xué)以及北京大學(xué)已聯(lián)合開(kāi)展深紫外自由電子激光的前期和預制研究工作。這些部署對于發(fā)展X射線(xiàn)自由電子激光仍過(guò)于薄弱,我國要跨越發(fā)展到X射線(xiàn)自由電子激光,還存在很多技術(shù)空白和技術(shù)難點(diǎn),為了能在2015年左右建成我國的X射線(xiàn)自由電子激光裝置,各項關(guān)鍵技術(shù)的研究及裝置建設的方案論證工作正在進(jìn)行中,裝置的建設即將正式啟動(dòng)。

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