CC BY
8
УДК 53.08
Гарматина А.А., Коршунов А.А., Можаева М.Д., Асадчиков В.Е., Бузмаков А.В., Дьячкова И.Г., Дымшиц Ю.М., Баранов А.И., Мясников Д.В., Минаев Н.В., Гордиенко В.М.
МИКРОФОКУСНЫЙ ИСТОЧНИК ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА ДЛЯ РАДИОГРАФИИ
Гарматина Алена Андреевна, лаборант-исследователь, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182 Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, alga009@mail.ru Коршунов Артем Аркадьевич, студент 2 курса «МИФИ»,
Можаева Мария Дмитриевна, студент 2 курса, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, шоссе Каширское, д. 31.
Асадчиков Виктор Евгеньевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник;
Бузмаков Алексей Владимирович, кандидат физико-математических наук, с.н.с.
Дьячкова Ирина Геннадьевна, кандидат физико-математических наук, с.н.с.,
Дымшиц Юрий Меерович, заместитель начальника опытно-экспериментального отдела,
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 119333, Москва, Ленинский проспект, дом 59.
Баранов Андрей Игоревич, научный сотрудник, начальник сектора разработки медицинских лазерных аппаратов,
отдел научно-исследовательских разработок, ООО НТО "ИРЭ-Полюс",.
Мясников Даниил Владимирович, кандидат физико-математических наук, заместитель генерального директора по перспективным исследованиям и разработкам, ООО НТО "ИРЭ-Полюс", Фрязино, Московская область, площадь Введенского, 3, стр. 5.
Минаев Никита Владимирович, кандидат физико-математических наук, с.н.с., заведующий лаборатории "Лазерная наноинженерия", Институт фотонных технологий ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН, г. Троицк, Пионерская ул., 2.
Гордиенко Вячеслав Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор по специальности Лазерная физика, зав. лаб., МГУ им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, Отделение радиофизики, Кафедра общей физики и волновых процессов, 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы.
Разработана схема микрофокусного рентгеновского источника характеристического рентгеновского излучения (линия меди, 8 кэВ) для получения рентгеновских изображений на основе низкоэнергетичного фемтосекундного высокочастотного волоконного лазера. Достигнута спектральная яркость источника порядка 1011 фотон/с/мм2/мрад2 (0.1% BW) при потоке фотонов более 108 фотон/с в 2п. Размер полученного источника оказывается не более 5 мкм, что является минимальным среди известных микрофокусных источников. Ключевые слова: фемтосекундное лазерное излучение, рентгеновское излучение, волоконный лазер, радиография.
A MICROFOCUS SOURCE OF CHARACTERISTIC X-RAY RADIATION BASED ON A FEMTOSECOND FIBER LASER FOR RADIOGRAPHY
Garmatina A.A.1, Korshunov A.A.2, Mozhaeva M.D.2, Asadchikov V.E.3, Buzmakov A.V.3, Dyachkova I.G.3, Dymshits Yu.M.3, Baranov A.I.4, Myasnikov D.V.4, Minaev N.V.3, Gordienko V.M.5 1NRC "Kurchatov Institute", Moscow, Russian Federation.
2National Research Nuclear University MEPHI, Moscow Engineering Physics Institute, Moscow, Russian Federation. 3FSRC "Crystallography and photonics" RAS, Moscow, Russian Federation. 4NTO "IRE-Polus", Fryazino, Moscow region, Russian Federation. 5Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russian Federation.
A scheme of a microfocus X-ray source of characteristic X-ray radiation (Copper line, 8 keV) for obtaining X-ray images based on a low-energy femtosecond high-frequency fiber laser has been developed. A spectral brightness of the source of the order oflO11 photons/mm2/mrad2 (0.1% BW) with a photon flux of more than 108 photons/s in 2к is achieved. The size of the resulting source turns out to be no more than 5 fim, which is minimal among the known microfocus sources. Key words: femtosecond laser radiation, X-ray radiation, fiber laser, radiography.
Введение
Рентгеновское излучение широко используется в задачах получения изображений внутренней структуры объектов: радиографии и получения фазо-контрастных изображений с микронным разрешением [1]. Самыми мощными источниками для таких задач являются синхротронные источники, спектральная яркость которых достигает 1018 фотон/с/мм2/мрад2 (0.1% В^). Однако такие источники достаточно громоздки, сложны
в использовании и являются малораспространенным уникальным оборудованием [1,2]. Альтернативой им являются микрофокусные рентгеновские трубки, которые достаточно хорошо подходят для лабораторного применения, спектральная яркость которых достигает 1011 фотон/с/мм2/мрад2 (0.1% В^). При характерном размере источника 7-20 мкм [3]. Однако, в настоящее время активно развиваются системы, основанные на фемтосекундных лазерах, в
которых рентгеновские импульсы рождаются за счет проникновения в материал мишени горячих электронов, образованных в высокотемпературной плазме возникающей в области воздействия сфокусированного лазерного излучения (с интенсивностью порядка 1014 -1018 Вт/см2) на мишень. В таких системах достигаются потоки фотонов до 1011 фотон/с со спектральной яркостью до 1018 фотон/с/мм2/мрад2 (0.1% Б^), сравниваясь с синхротронными источниками. Причем размер источника, который важен в задачах получения фазо-контрастных изображений, зависит от остроты фокусировки и может достигать размера порядка десяти мкм [4,5].
Перспективными кандидатами для создания такого источника являются фемтосекундные волоконные лазеры - компактные установки, позволяющие работать с большой частотой следования импульсов (более 100 кГц) при малой энергии в импульсе (десятки мкДж). Средняя мощность в таких системах ограничена на уровне 20-40 Вт. При острой фокусировке таких лазерных пучков на мишень (ЫА>0,3), достигается интенсивность порядка 1014 - 1015 Вт/см2, достаточная для генерации рентгеновского излучения. Первые эксперименты по регистрации характеристического рентгеновского излучения при фокусировке такого излучения на мишени с различными атомными номерами были продемонстрированы в [6]. Хотя выход рентгеновского излучения за импульс в таких условиях будет небольшой, за счет большой частоты следования импульсов, можно ожидать, что воздействие волоконного лазера на мишень позволит получить поток фотонов в секунду сравнимый с источниками, использующими миллиджоульные лазерные системы, при диаметре рентгеновского источника сопоставимого с лазерной перетяжкой.
Целью нашей работы являлось исследование возможности создания лазерно-плазменного микрофокусного рентгеновского источника на базе высокочастотного низкоэнергетического
фемтосекундного волоконного лазера и демонстрация его пригодности для получения рентгеновских изображений.
Экспериментальная установка
В экспериментах использовался фемтосекундный иттербиевый волоконный лазер YLPF-10-400-20-R (НТО "ИРЭ-Полюс", Фрязино, Россия) с центральной длиной волны 1030 нм, частотой следования импульсов - от 100 кГц до 2 МГц. Максимальная энергия в импульсе до 20 мкДж, средняя мощность ограничена на уровне 20 Вт, длительность импульсов - 330 фс, качество излучения М2 = 1.5, а также система АОТАиБ-10'^40и/250К («Авеста-проект», Троицк, Россия) с аналогичной длиной волны излучения, максимальной энергией в импульсе до 40 мкДж, средней мощностью до 10 Вт, минимальной длительностью импульсов 280 фс, качество излучения М2 = 1.2. Излучение фокусировалось микроскопическим объективом с фокусным расстоянием f = 10 мм на торец
вращающегося и циклично перемещаемого по вертикали с постоянной скоростью медного цилиндра (диаметром 50 мм, толщиной 10 мм, угловая скорость вращения порядка 2500 об/с), расположенного в воздухе. Рентгеновское излучение регистрировалось с помощью спектрометра Amptek Х-123, а также одноканального сцинтилляционного детектора Радикон SCSD-4. Изображение тестового объекта (медной проволоки толщиной 1 мм) производилось с помощью камеры CMOS, расположенной на расстоянии 30 см от источника рентгеновского излучения. Проволока располагалась непосредственно перед камерой. Фото установки приведено на рис. 1. Экспериментальные результаты На первом этапе были проведены измерения с лазером YLPF-10-400-20-R (лазер 1). Выход характеристического рентгеновского излучения возрастал в зависимости от лазерной энергии в одиночном импульсе до 10 мкДж, дальше сигнал насыщался и измерения не проводились.
Рис. 1. Фото установки: 1 медная мишень, на которую фокусируется лазерное излучение, 2 - рентгеновский детектор, 3 - диафрагма в алюминиевой стенке, 4 -рентгеновская камера.
На рис. 2 приведены зависимости сигнала от лазерной энергии для различных частотных режимов лазерного воздействия. Было установлено что при частоте 100 кГц, выход рентгеновского излучения достигает порядка 106 фот/с в 2 п при максимальной средней мощности лазера 1 Вт (рис. 2, кривая 1). Увеличение частоты до 1.5 МГц сопровождающееся увеличением средней мощности до 10 раз привело к соответствующему увеличению выхода сигнала - примерно в 10 раз (рис. 2, кривая 2). На следующем этапе был использован режим генерации лазером пачек из 16 импульсов с временным интервалом 70 нс между импульсами. При использовании режима генерации пачек, с частотой 100 кГц, выход рентгеновского излучения оказался примерно в 2 раза выше, чем при генерации одиночных импульсов с частотой 1.5 МГц при сопоставимой средней мощности (рис. 2, кривая 3). Этот режим сопровождался сильным плазмообразованием и значительно увеличил эффективность процесса абляции
мишени. Увеличение частоты следования пачек до 170 кГц привело к увеличению максимального выхода до 10 раз и выход таким образом составим порядка 108 фот/с в 2 п, что соответствовало спектральной яркости источника порядка 1011 фотон/с/мм2/мрад2 (0.1% В^) (рис. 2, кривая 4). Были проведены измерения размера кратеров, образованных в мишени за счет абляции. Их размер оказался не более 5 мкм, что свидетельствует о том, что размер рентгеновского источника оказывается также не более 5 мкм, что является минимальным среди известных микрофокусных источников.
« 5 10 15 20 25 30
Е, мкДж
Рис. 2. Зависимость потока рентгеновских фотонов от лазерной энергии при использовании разных лазеров и разными частотными режимами: 1-4 данные полученные с лазером 1:1 — частота 100 кГц, 2 — частота 1,5 МГц, 3 — режим пачек (16 имп. в пачке) с частотой следования 100 кГц, 4 — режим пачек (16 имп. в пачке) с частотой следования 170 кГц, 5,6 — данные получены с лазером 2:5 - частота 100 кГц, 6 — частота 200 кГц.
На следующем этапе были проведены эксперименты с лазерной системой АША^-10'^40и/250К (лазер 2), в котором было возможно увеличение энергии в импульсе до 30 мкДж (и соответствующее увеличение интенсивности на мишени до 3 раз интенсивность, а выход рентгеновского излучения зависит примерно квадратично от интенсивности). Зависимости от лазерной энергии в режиме 100 кГц и 200 кГц представлены на рис. 2 (кривые 5, 6). За счет большей энергии в импульсе, и, следовательно, большей лазерной интенсивности на мишени (порядка 1015 Вт/см2) в этом режиме удалось достичь потока фотонов порядка 4108 фот/имп в 2 п, что отвечает спектральной яркости порядка 5 1011 фотон/с/мм2/мрад2 (0.1% BW) и оказывается сопоставимым с результатами, полученными с помощью миллиджоульного лазерного источника [5]. Перспективы дальнейшего увеличения потока фотонов связываются нами с использованием режима пачек импульсов при большей энергии в импульсе.
Рис. 3 Рентгеновское изображение медной проволоки.
Нами были проведены эксперименты по получению изображения тестового объекта (медной проволоки толщиной порядка 1 мм) на рентгеновской камере. Рентгеновская камера располагалась на расстоянии 30 см от рентгеновского источника, рентгеновский сигнал ограничивался диафрагмой размером 1 см, установленной на расстоянии около 15 см от источника. Проволока располагалась непосредственно перед рентгеновской камерой. Время экспозиции составило 15 секунд. Полученное изображение представлено на рис 3. Заключение
Проведенные эксперименты свидетельствуют о том, что созданный микрофокусный источник можно использовать для практических приложений.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по гранту № 075-15-2021-1362.
Список литературы
1. Fetisov G. V. X-ray diffraction methods for structural diagnostics of materials: progress and achievements // Physics-Uspekhi. Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) Journal, 2020. Vol. 63, № 1. P. 2-32.
2. Lovric, G., Mokso, R., Schleptitz, C. M., & Stampanoni, M. (2016). A multi-purpose imaging endstation for high-resolution micrometer-scaled sub-second tomography. Physica Medica, 32(12), 1771-1778.
3. Larsson D.H., Takman P.A., Lundstrom U. et al. // Review of Scientific Instruments. 2011. V. 82. P. 123701. DOI: https://doi.org/10.1063/L3664870
4. Huang K., Li M.H., Yan W.C. et al. // Rev Sci Instrum. 2014. V. 85. P. 113304. DOI: 10.1063/1.4901519
5. Martin L., Benlliure J., Cortina-Gil D. et al. // Physica Medica. 2021. V. 82. P. 163. D0I:10.1016/j.ejmp.2020.12.023
6. Garmatina A.A., Shubnyi A.G., Asadchikov V.E. et al. // Journal of Physics Conference Series. 2021. V. 2036. P. 012037. D0I:10.1088/1742-6596/2036/1/012037
