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Laboratory for Ultrafast Nonlinear Optics

Laser-induced X-ray

Femtosecond laser-induced X-ray generation and measurement of the X-ray fluorescence

List of Researchers

Jungu Kang

국문요약

X-선 광원은 짧은 파장, 높은 에너지 및 물질을 관통하는 특성으로 인해 다양한 분야에서 사용되고 있다. 다양한 X-선 광원 중, Micro X-선은 높은 해상도를 필요로 하는 연구에 주로 사용된다. Micro X-선 광원 중, 가장 널리 사용되는 Micro X- tube는 폴리 모세관을 별도로 설치해야 하고, 액체 금속 제트 기반 X-선은 잔해물 배출이 많고, 안정적이지 않다는 단점이 있다. 레이저 유도 X-선 광원은 기존의 Micro X-선 광원의 단점들을 보완하는 동시에, 레이저 광원의 특성을 따라가기에, 피코 초 단위의 짧은 펄스 폭, 높은 반복률을 지닌다는 장점이 있다. 이와 같은 이점을 이용, 레이저 유도 X-선 광원은 X-선 흡수 및 분광, 회절, 방사선 촬영, 현미경 및 위상차이미징에 응용 가능하다.


레이저 유도X-선 광원의 휘도 및 변환 효율은 레이저 광원의 물리적 매개변수들의 영향을 받는다. 다양한 연구진이 레이저 광원의 세기, 반복률, 펄스폭, 파장, 명암비, 입사 각도, 집속 위치 및 타겟 물질의 성분, 구성, 두께 등을 변경시켜 가며 레이저 유도 X-선 광원의 변환 효율을 최적화 시키는 연구를 수행 중이다. 우리 연구실에서는 여러 물리적 매개변수를 조절하여 레이저 유도 X-선 광원을 최적화 하는 동시에, K alpha 특성 방출 외에도 Bremsstrahlung 방출을 최적화하여, K alpha 특성 방출, Bremsstrahlung 방출, 전자 source 등을 모두 이용 가능한 multiple X-ray source를 개발한다.




기존의 X-선 형광 측정 광원은 펄스 형태가 아니기에, detector-gating을 이용한 S/N 비 개선 및 비파괴 측정이 불가능하다. 레이저 유도 X-선 광원 기반 X-선 형광 측정 기술 개발을 통해, 펄스 형태의 X-선 광원 기반 detector-gating 방식의 형광 측정으로 S/N 비를 개선하고, 피코초 단위 gating 조절로 비파괴 측정 또한 가능할 것으로 예상된다. 레이저 유도 X-선 광원 기반 X-선 형광에 주로 사용되는 Bremsstrahlung 방출의 최적화 조건을 기반으로, 다양한 metal 함유 물질들의 형광을 측정하고, 이를 통해 detector-gating 형광 측정의 기초 기술을 개발할 수 있다.

Our research

The X-ray light sources are being used in various fields due to their short wavelength, high energy and the property of the material penetration. Among the various X-ray light sources, the Microfocus X-ray source is essential for the X-ray research requiring the high resolution. The Micro X-ray tube mainly used in high resolution research, but it requires the poly capillary tube. And the liquid metal jet X-ray source has a disadvantage of a lot of debris and unstable source. The laser-induced X-ray source has the advantage of having a short pulse width and a high repetition rate. And it also compensating for the disadvantages of the existing micro X-ray light source. This laser-induced X-ray light source is applicable to X-ray absorption and spectroscopy, diffraction, radiography, microscopy and phase contrast imaging.


The X-ray flux and the conversion efficiency of the laser-induced X-ray source is affected by the physical parameters of the femtosecond laser source. Various research groups are in the process of optimizing the conversion efficiency of a laser-induced X-ray source by changing the laser intensity, repetition rate, pulse width, wavelength, contrast ratio, angle of the incidence, focal position, target composition and target thickness. Our research groups optimized the laser-induced X-ray source by adjusting the aforementioned physical parameters. Our research group develop the multiple X-ray source that use all of the K alpha characteristic emission, Bremsstrahlung emission, and electron source.




Since the conventional X-ray fluorescence measurement X-ray is not a pulse source. Therefore, it is impossible to improve the signal to noise ratio by using the non-destructive measurement using detector-gating. Our research group studies the laser-induced X-rays fluorescence measurement based on the laser-induced X-ray. By using laser-induced X-ray, the signal to noise ratio can be improved. And it is expected that non-destructive measurement will be possible with the detector-gating adjustment in picosecond units. Based on the optimal conditions for Bremsstrahlung emission, the X-ray fluorescence of various metal-containing materials ware measured. The techniques of the detector-gated X-ray fluorescence measurements can be developed in the future.

Publication

[1] J. Kang and D.-K. Ko, Femtosecond laser-induced X-ray fluorescence measurement of metal-protein compounds. Radiat. Phys. Chem. 181, 109334 (2020).
[2] JG. Son, BJ. Hwang, O. Seo, JM Kim, DY Noh, and D.-K. Ko, A monochromatic soft X-ray generation from femtosecond laser-produced plasma with aluminum. J. Korean. Phys. Soc. 73, 1834-1839 (2018).

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