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X射線的產(chǎn)生方式 產(chǎn)生X射線的方式主要有以下四種：X射線管、激光等離子體、同步輻射和X射線激光。 X射線管 X射線管是利用高速電子撞擊金屬靶面產(chǎn)生X射線的電子器件，分為充氣管和真空管兩類。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)使用的克魯克斯管就是最早的充氣X射線管。 1913年考林杰發(fā)明的真空X射線管的最大特點(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(diào)節(jié)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)明了在陽極靶面與陰極之間裝有控制柵極的X射線管，在控制柵上施加脈沖調(diào)制，以控制X射線的輸出和調(diào)整定時(shí)重復(fù)曝光，部分地消除了散射線，提高了影像的質(zhì)量。 1914年制成了鎢酸鎘熒光屏，開始了X射線透視的應(yīng)用。 1923年發(fā)明了雙焦點(diǎn)X射線管，X射線管的功率可達(dá)幾千瓦，矩形焦點(diǎn)的邊長(zhǎng)僅為幾毫米，X射線影像質(zhì)量大大提高。同時(shí)，造影劑的逐漸應(yīng)用，使X射線的診斷范圍也不斷擴(kuò)大。X射線管還廣泛用于零件的無損檢測(cè)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、光譜分析等方面。 2002年，美國(guó)北卡羅來納大學(xué)的華裔科學(xué)家盧健平等人為X射線源找到了新的方法。這種方法用碳納米管制成“場(chǎng)發(fā)射陰極射線管”來發(fā)射高能電子，無須利用高溫產(chǎn)生高能電子束，便能產(chǎn)生X射線。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，沒有金屬絲的預(yù)熱過程。  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射線顯微術(shù)，象電子掃描顯微鏡一樣作為實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)分析工具。其基本原理是：當(dāng)高強(qiáng)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。它是一種具有足夠輻射強(qiáng)度的獨(dú)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(tǒng)和樣品，若用氣體靶代替固體靶可以避免殘屑問題。因此，需要進(jìn)一步研究開發(fā)有效的、高重復(fù)頻率工作的、不產(chǎn)生殘屑的激光等離子體X射線光源。  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(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)譜的電磁波。1947年人類在電子同步加速器上首次觀測(cè)到這種電磁波，并稱其為同步輻射，后來又稱為同步輻射光。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，后來成為一種從紅外到硬X射線范圍內(nèi)有著廣泛應(yīng)用的高性能光源。同步輻射光源是開展凝聚態(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(tái)。  同步輻射光源的主體是電子儲(chǔ)存環(huán)，30多年來已經(jīng)歷了三代的發(fā)展。第一代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)是為高能物理實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，只是“寄生”地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光，故又稱“兼用光源”；第二代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)則是專門為使用同步輻射光而設(shè)計(jì)的，主要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光；第三代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)對(duì)電子束發(fā)射度和大量使用插入件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(zhǔn)單色光。 同步輻射光具有頻譜寬且連續(xù)可調(diào)（具有從遠(yuǎn)紅外、可見光、紫外直到X射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜）、亮度高（第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機(jī)的上億倍）、高準(zhǔn)直度、高偏振性、高純凈性、窄脈沖、精確度高以及高穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準(zhǔn)相干等獨(dú)特的性能。（左圖為設(shè)計(jì)有30個(gè)光引出口的英國(guó)DIAMOND同步輻射光源） 世界上有近40臺(tái)同步輻射光源正在運(yùn)行，還有幾十臺(tái)在設(shè)計(jì)、建造中。我國(guó)的北京同步輻射裝置（BSRF）、合肥中國(guó)科技大學(xué)同步輻射裝置（NSRL）和臺(tái)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，上海的同步輻射光源（SSRF）屬第三代光源。  X射線激光 正因?yàn)閄射線的應(yīng)用越來越廣泛，科學(xué)家著重研究增加X射線的強(qiáng)度。世界上第一個(gè)紅寶石激光1960年問世以來，在X射線波段實(shí)現(xiàn)激光輻射就一直是激光研究的重要目標(biāo)。Ｘ射線激光除了具有普通激光方向性強(qiáng)、發(fā)散度小的特點(diǎn)外，其單光子能量比傳統(tǒng)的光學(xué)激光高上千倍，具有極強(qiáng)的穿透力。 1981年，美國(guó)在地下核試驗(yàn)中進(jìn)行核泵浦X射線激光實(shí)驗(yàn)獲得成功，極大地推動(dòng)了開展實(shí)驗(yàn)室X射線激光的研究。水窗的飽和X射線激光是目前唯一能夠?qū)ι锘铙w細(xì)胞進(jìn)行無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生命之謎。美、英、日、法、德、俄羅斯和中國(guó)等國(guó)的許多著名實(shí)驗(yàn)室都相繼作了部署。1994年，美國(guó)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)15.5納米的飽和X射線激光。1996年底，中國(guó)旅英青年學(xué)者張杰領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究組，在英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室利用多路激光器轟擊釤靶，在泵浦能量?jī)H為150焦的情況下，成功地獲得了波長(zhǎng)為7.3納米的X射線激光飽和增益輸出，為在“水窗”波段實(shí)現(xiàn)增益飽和輸出的X射線激光帶來了巨大的希望。  X射線自由電子激光 |
