近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员通过向多孔银靶材发射激光脉冲，制造出了迄今为止最亮的X射线源，并将产出效率提高了一倍。这一成果为激光聚变研究提供了强大的工具，相关研究已发表在《Physical Review E》上，标题为“Brighter X Rays from Ultralight Silver Material”。
在激光聚变实验中，物理学家依赖高强度的高能X射线脉冲来观察聚变实验的进展，并探测在极端温度和压力条件下物质的动态行为。目前，产生此类X射线脉冲的常用技术是将激光脉冲照射到材料靶上。然而，传统方法中只有少量激光能量能够转化为可用的X射线，这限制了脉冲的能量和强度。
LLNL的研究人员通过使用低密度金属泡沫靶材，成功解决了这一难题。当强大的激光脉冲击中银等材料的箔片时，激光会剥离电子，暴露出高电荷的原子核。随后，周围的电子回落到最低能级，从而产生高能X射线。然而，在这一过程中，大部分激光能量可能会损失，靶材的性质对整体效率影响很大。通常，固体靶的效率较低，因为X射线仅从表面附近的小体积区域产生。而低密度材料可以让激光脉冲完全穿透样品，从而从更大比例的靶材中产生X射线。
过去，研究人员曾探索使用低密度靶材（如气体和多孔材料气凝胶）进行X射线产生实验。然而，气体只能在有限的频率下产生X射线，而气凝胶由于内含金属量较少，产生X射线的效率也比较低。
现在，LLNL的研究人员通过新型靶材技术实现了高能X射线产生效率的显著提升。这种靶材是一种主要由金属和空隙组成的低密度泡沫，研究人员利用模具和银纳米线（每根纳米线长约150微米，直径为30纳米）制造了直径为4毫米的圆柱形靶材。
金属原子的原子序数越高，它产生的X射线能量就越高。银的原子序数是47，虽然这在所有元素中并不算特别高，但在金属元素中属于中等偏上的水平。该团队选择银是因为他们希望制造出能量大于20,000电子伏特的X射线。
LLNL的研究员表示：“我们在模具中将悬浮在溶液中的纳米线冷冻，然后应用超临界干燥工艺去除溶液，留下低密度多孔金属泡沫。我们制造的银泡沫密度约为固体密度的1/1000（比空气的密度略高）。在这种泡沫中，国家点火装置（NIF）的激光可以加热更大体积的材料，热量传播速度比在固体中要快得多，整个泡沫圆柱能在大约15亿分之一秒内被加热。”
在测试中，研究人员证明了靶材密度是均匀的，不存在大的空洞。制造过程中会向材料中添加碳、氮和氧等有机化学物质，但靶材中原子的52%是银，这一比例远高于之前的气凝胶靶材。
LLNL的研究人员使用国家点火装置（NIF）进行惯性约束聚变实验，结果表明，这些靶材在X射线产生效率方面有显著提升。研究人员使用相同的激光照射多个金属泡沫靶材，每个脉冲都会使靶材爆炸，产生的等离子体会在几十皮秒内加热。
研究人员随后测量了产生的X射线光谱，记录了五次激光射击的结果。当靶材密度约为9.6 mg/cm³时，X射线产生效率达到最大值0.8%（此前使用薄金属腔靶材的实验效率不超过0.35%），这表明金属泡沫靶材将转化为X射线的激光能量比例提高了一倍以上。
研究人员还将实验测量结果与激光-等离子体相互作用及X射线产生过程的模拟结果进行了比较，他们希望通过观察到的差异来改进模型，从而指导未来的研究。
日本大阪大学激光工程研究所主任Ryosuke Kodama表示，几十年前纳米线曾被探索用于低能X射线。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的这项工作通过对多种技术的巧妙结合，在产生特定激光-等离子体X射线方面实现了更高的效率，这是一个杰出的成就。
参考链接：
- https://physics.aps.org/articles/v18/2
- https://www.llnl.gov/article/52321/llnl-creates-worlds-brightest-x-ray-source-nif-novel-metal-foams
- https://interestingengineering.com/energy/world-brightest-xray-for-fusion