江蘇鐳射聯盟導讀：在現有的元素表徵技術當中，粒子誘導的X射線發射和能譜儀（energy-dispersive x-ray (EDX)）是兩個最常用的應用在不同的科學和技術領域中的分析技術。在這裡，我們為大家展示了第一個定量的鐳射驅動的X射線發射分析儀和鐳射驅動的能譜儀實驗研究，該實驗在薩拉曼卡脈衝鐳射中心完成的，得益於該儀器所具有的潛在的結構緊湊型和便攜性，鐳射驅動粒子源在材料科學應用方面具有非常吸引人的潛力，尤其是在材料分析技術領域。我們為大家展示了透過電子和質子協同發射產生X射線來識別樣品中的元素的探究實驗，我們可以成功的透過鐳射驅動的獲得X射線發射分析來獲得了樣品的量化資訊。這些結果為發展結構緊湊和多功能的基於鐳射粒子驅動源的用於材料的元素分析的儀器開闢了道路。

圖解：(A)LD-EDX裝置的示意圖. (B) LD-PIXE 裝置的示意圖　. (C) 照射樣品的橫截面的掃描電鏡圖（Scanning electron microscope (SEM)）. (D) 用於Ｘ射線探測所記錄的電荷耦合器件（(CCD）影象的詳細資訊，單個畫素時間給予了顯示　. (E) LD-PIXE實驗裝置的頂部視覺圖的示意圖 　. (F) 質子能譜隨著飛行時間分光儀來進行記錄。在垂直軸吳決定校準進行提供。連續的黑色線是光譜的平均光譜。紫色的區域代表的是統計學上的不確定性 (即, ±SD)，作為兩個分離的狀態的疊加態來提供：任何能量值訊號的不確定和最大質子能量的不確定性。 (G) 透過飛行時間記錄儀測量的最大質子能量的絕對頻率分佈。垂直的線表示均值，而紫色的頻頻寬度是SD的兩倍。　

X射線發射光譜分析技術在材料科學的許多領域都扮演著非常重要的角色。該分析技術依靠離子化樣品的發射和探測發射物質的特徵X射線來完成分析的。元素的識別是依據X射線的能量，其濃度透過檢索計數的數量來完成。一個特定技術的分析能力取決於激發粒子的型別。例如，一個非常常見的技術，X射線熒光分析法(XRF)，是利用一個X射線源來誘導特徵X射線的二次發射。XRF是一種在同一個均勻樣品中進行多元素分析的技術。另外一個廣泛應用的技術可以快速的提供固態材料成分的技術是X射線能譜儀（energy-dispersive x-ray (EDX) spectroscopy）分析技術。傳統的EDX技術是在真空中完成分析的，並且探測的厚度為微米級。另外一個功能強大的無損探測技術是粒子誘導X射線發射技術（particle-induced x-ray emission (PIXE）。利用質子能量MeV，PIXE可以提供均勻樣品的元素濃度和複雜的人工製品中的地層結構（精度為幾個微米級）。同EDX所不同的是，PIXE同時可以在空氣中進行分析測試。自從該裝置問世以來，PIXE的廣泛應用受制於大型加速器。EDX和PIXE均廣泛的應用於半導體工業，環境檢測和文化遺產的保護等領域。這些場合可以可持續的得益於不同能力的X射線發射光譜的柔性的，多粒子工具的能力。

圖２　鐳射驅動的電子EDX/PIXE的結果

圖解：(A)採用LD-EDX 裝置得到的光譜　.紅色的點是Ｘ射線強度在每一個光子能量上的平均值，而誤差表的長度是SD的兩倍。藍色線是擬合的光譜。填充藍色曲線峰值的高斯曲線。 (B) 記錄的Ｘ射線線位置和Cr與Cu峰值的強度比值的總結。第一排是來自文獻的Ｘ射線能量。第二排是採用校準的CCD獲得的相對的Ｘ射線光譜，而最後兩排給出的是在光譜中的峰值位置，用擬合的高斯中心來表示。　(C) 採用 LD-PIXE實驗裝置記錄的光譜　. 填充的藍色曲線是峰值的高斯擬合曲線。T　(D) LD-PIXE 底層分析的結果　. 紅色和黃色線取自LD-PIXE測量的屈強比結果。紅色線是假設一個100%的Cr薄膜時的厚度。黃色線是假設93% Cr和 7% O薄膜時的厚度。藍色線是利用 LD-EDX進行測量，假設93% Cr和 7% O薄膜時的厚度。填充顏色的區域代表統計學的不確定。　

鐳射驅動的光源對於材料科學應用來說是值得考慮的一個解決方案。一個常見的加速策略利用超短（幾十ｆｓ）和超強（I > 10ｅｘｐ（１８） W/cm2）鐳射脈衝以及微米尺度的固態靶材來加速電子和質子來使得能量範圍從幾MeV到幾百MeV。電子和質子同時在一個超快的動力學環境中被加速，並且他們的能量光譜範圍比較寬。由於他們的特色，結構緊湊（只有幾米的尺寸）鐳射驅動加速器可以用於EDX和PIXE。一個原理證明的元素PIXE分析均勻樣品的樣機（即識別樣品中的元素成分）利用一個鐳射驅動的粒子源來實現的，已經被Barberio給予了證實。由於在固體中MeV能量電子為幾個毫米，同KeV的電子相比較，他們可以用來探測樣品一定深度的元素。而且，MeV的電子可以在空氣中傳播數百個釐米的距離，這就使得非原位EDX在大型的表面進行分析成為可能。此外，當前的鐳射技術提供了桌面型的具有TW的鐳射光源，這就可以加速質子大PIXE所需要的能量。

圖３　LD-EDX/PIXE 的有限元模擬和蒙特卡羅模擬結果

　圖解：(A和 B) 　LD-EDX 和 LD-PIXE 蒙特卡羅模擬結果的簡要說明　. (C) 在 LD-PIXE實驗裝置中，採用FEM分析模擬得到的磁場強度，而頂部的切片取自平行於頂部的檢視和穿過磁性的中心。在第一個平面內， S1 和 S2 切片的位置給予了標示，而頂部的切片取自頂部的檢視和穿過磁性的中心。　 (D 和 E)基於電子的初始溫度為 0.67 MeV時作為初始粒子，蒙特卡羅模擬 LD-EDX和 LD-PIXE的輸出結果，填充的紅色區域是電子在樣品表面激發的能量光譜。填充的藍色曲線是Ｘ射線衍射場。插入的圖片分別是採用 LD-EDX 和 LD-PIXE實驗裝置模擬的電子在以上裝置中的Ｘ射線光譜的模擬結果。　(F和d G) 模擬的峰值和採用 LD-EDX 和 LD-PIXE實驗裝置進行實驗得到的結果的比較。插入的圖形比較了模擬和採用 LD-EDX 和 LD-PIXE進行實驗所得到的Ｘ射線的產出比　

在這一工作中，我們實驗了利用鐳射驅動的光源對一個非均勻樣品的元素分析。結果，我們為大家展示了首個元素鐳射驅動的EDX（L-EDX）和第一個定量的鐳射驅動的PIXE（LD-PIXE）分析儀。實驗是在薩拉曼卡脈衝鐳射中心的Vega-2鐳射中完成的。

我們期望這兩套裝置可以充分利用鐳射驅動的粒子源，要麼在同時具有質子和電子（圖1Ａ）或只有質子（圖１Ｂ）的時候實現樣品的發射。我們的結果顯示透過電子發射誘導的Ｘ射線場在定義一個構建裝置中佔據主導地位（此處稱之為 LD-EDX裝置），並且它可以利用來有效的識別元素。在第二個發射的條件下（LD-PIXE裝置），我們實際上顯示了一個LD-PIXE訊號可以用來找回定量的關於樣品結構的地層資訊。同時我們還利用蒙特卡羅模擬結果來驗證了我們的兩套實驗裝置的結果的準確性。

圖４　蒙特卡羅模擬 測量的不確定性評估

圖解：(A)對於誤差計算採用蒙特卡羅模擬所得到的厚度的頻率分佈。插入的圖片為厚度測量的相關不穩定性結果。　 (B) 熱圖散亂資料結果。提取強度比在Ｘ軸給予了報道，而厚度則在Y軸給予了報道。顏色尺度同發生的數量相關聯。紅色的點由固定質子光譜作為平均數而獲得。綠色的點則透過固定強度比作為平均值而獲得。　

這一研究成果發表在近日出版的頂刊《Science Advances》上。

圖５　鐳射驅動的Ｘ射線和質子微源在同步單點雙模成像（左圖）和相位對比增強成像（右圖）上的應用

文章來源：Integrated quantitative PIXE analysis and EDX spectroscopy using a laser-driven particle source，Science Advances 15 Jan 2021:Vol. 7, no. 3, eabc8660，DOI: 10.1126/sciadv.abc8660，

參考文獻：Ostermayr, T.M., Kreuzer, C., Englbrecht, F.S. et al. Laser-driven x-ray and proton micro-source and application to simultaneous single-shot bi-modal radiographic imaging. Nat Commun 11, 6174 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19838-y