十年磨一剑：自由电子X射线光源

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撰稿 | Blair（西湖大学 博士生）

自从X射线在1895年由德国物理学家伦琴（Wilhelm Rntgen）发现以来，X射线在医学影像技术、晶体材料分析、产业探伤、车站安检等诸多方面得到了广泛的应用（图1），变革了人类生活的诸多领域。

图1. X射线的波长范围和应用领域。

图源：Wikipedia

图译：撰稿人 Blair

这一方面得益于X射线的波长可以与固体物质中原子的间距相称甚至更小，另一方面是因为X射线对固体有极强的穿透力。X射线不仅极大地便利了人类出产生活，而且也成为了推动基础物质科学研究提高和突破的重要工具。伦琴本人也因这一伟大发现于1901年荣获首届诺贝尔物理学奖。

传统上，人们产生X射线有三种方法（图2）：

方法1，放射性物质（如：镭）；

方法2，真空放电管(X-ray Tube)；

方法3，现代同步辐射光源（Synchrotron Radiation）。

图2. 三种产生X射线的方式。

(a)真空放电管

(b)位于上海张江高科技园区的第三代同步辐射光源

(c)自然放射核素

图源：(a)Wikipedia；(b)中国科学院上海应用物理研究所；(c)长春光机所，Light学术出版中央，新媒体工作组

1896年法国物理学家贝克勒尔发现了自然放射性，但是这种放射性来自于物质原子核内部的核衰变反应，这些核反应往往伴随着其他对人体有巨大危害的电离辐射（如α，β或γ射线），因此难以直接实际应用；

X射线真空放电管基于阴极射线（电子）轰击靶材来产生X射线，其本钱不高、体积轻便，是伦琴当时首次发现X射线是所用的装置，也是目前病院、安检中X光机的核心器件。但是其产生的X射线强度低、方向性差、可调性较差；

同步辐射光源能够产生高质量、高强度、高可调性的X射线，但是其对电子速度的要求很高，要达到GeV以上，需要巨大的电子加速装置，并且其建设本钱高、周期长、体积巨大，难以便携化使用。

因此，寻找能够以低成本、集成化的方式产生高质量、高强度、高可调性的小型X射线光源是学术界和工业界长久以来共同的需求。

艺术插图/来源：长春光机所，Light学术出版中央，新媒体工作组

近期，来自以色列理工学院（Technion）的Ido Kaminer研究团队提出了一种基于范德瓦尔斯异质结(van der Waals materials)的新型自由电子X射线光源。

这种光源对自由电子能量的要求只需要在60keV到300keV之间，极大地减小了X射线光源所需的体积和本钱，同时具有高强度和高度可调性，为新一代X射线光源的实现提供了全新的思路。

该成果以Tunable free-electron X-ray radiation from van der Waals materials为题发表在Nature Photonics上（1）。

图3.高速自由电子穿过范德瓦尔斯材料激发产生X射线。

图源：Physics.org

从石墨烯于2004年被英国物理学家 Andre Geim和Konstantin Novoselov发现以来，得益于二维材料及其范德瓦尔斯异质结优良的电磁性质和易于集成的特点，它们不仅为实现光与物质的强相互作用提供了一个新的平台，同时也为设计新型便携可集成的小型X射线辐射光源提供了很多新的可能性。

也恰是在2010年左右，Ido Kaminer开始思索如何利用二维材料的这些优良性质来产生X射线。当时Ido正在MIT做博士后，经由细致的思索与耐心的探索，2014年Ido Kaminer与他当时在MIT的导师Marin Soljacic和John Joannopoulos一起在理论上提出了利用二维材料产生X射线的新方法，并以Towards graphene plasmon-based
free-electron infrared to X-ray sources为题发表在Nature Photonics上（2），并从这篇文章开始逐步建立并完善了相应的理论框架和基础。

当高速自由电子在晶体中运动时，晶格中的原子核和束缚电子会受到自由电子的影响而振荡，从而产生X射线辐射。这样产生的X射线辐射是一种空间相干、可调、单色（窄频）的辐射，其能量可以通过晶体的空间取向和电子的能量来调控。加速带电粒子在晶体中运动时会产生两种辐射，分别是参数X射线辐射(Parametric X-ray Radiation)和相干韧致辐射(Coherent
bremsstrahlung)（如图4）。

图4.电子与范德瓦尔斯材料相互作用产生X射线的机制。

图源：Nature Photonics 14, 686 (2020). (Fig. 1)

图译：撰稿人 Blair

当电子达到相对论速度时，电子的波长会小于晶体的晶格常数，因为电子与晶格的周期性相互作用，其产生的相干韧致辐射会在由原子平面决定的特定方向上产生。其辐射的方向角由电子的运动速度、材料晶体结构的参数和辐射光的频率共同决定。

在最近发表的论文Tunable free-electron X-ray radiation from van der Waals materials中，Ido
Kaminer教授团队在实验上丈量了不同高速电子穿过WSe2，MnPS3，CrPS4，FePS3，CoPS3和NiPS3等不同二维材料组合成的范德瓦尔斯异质结的X射线能谱曲线，证实了该研究团队在过去十多年间一系列理论工作的正确性，并为这种新型X射线产生机制的进一步推广应用提供了概念验证。

重要的是，研究职员发现，如图5所示，不同于传统上产生X射线的装置，这种基于范德瓦尔斯材料产生X射线的机制所需的电子能量只需在60 keV 到 300 keV（通常的透射式电子显微镜即可达到），比同步辐射光源对电子能量的要求降低了3~4个数量级，但是却可以产生光子能量在0.6keV到1.2keV之间的X射线，其峰值亮度可以达到109 光子数 mrad2 mm2 s1 0.001 BW1。

图5.不同种类X射线光源电子能量和洛伦兹因子的比较。

图源：3图译：撰稿人 Blair

因为X射线光源设备的体积主要取决于电子源的体积，这种方法有望在未来大幅提高X射线辐射源的小型化和集成化。进一步地，因为范德瓦尔斯异质结是不同二维材料的组合，基于范德瓦尔斯异质结来产生X射线可以提供除了电子运动速度以外更大的灵活度和可调性。

Ido Kaminer教授在接受媒体采访时表示，“我们这里所发展的产生X射线的理论和实验新方法不仅会有助于加深人们对光与物质相互作用的理解，同时对未来新型医学X射线成像，X射线材料表征以及量子X射线光源的实现有重要意义”。

参考文献

1 Shentcis, M., Budniak, A.K., Shi, X. et al. Tunable free-electron X-ray radiation from van der Waals materials. Nat. Photonics 14, 686–692 (2020).

2 L. Wong, I. Kaminer, O. Ilic, J. D. Joannopoulos and M. Soljai, Towards graphene plasmon-based free-electron infrared to X-ray sources. Nature Photonics 10, 46 (2016).

3 Uschmann, I. A free-electron laboratory coherent X-ray source. Nat. Photonics 14, 655–656 (2020).

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