文/Patricia Panchak

圖1：用于時域脈沖壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置。

XProLas是由通快公司（TRUMPF）牽頭、德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的一項(xiàng)研究計(jì)劃，旨在利用激光驅(qū)動的X射線源，徹底改變電動汽車電池的研發(fā)過程。該項(xiàng)目將開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、高亮度的下一代激光驅(qū)動的X射線源和演示系統(tǒng)，供制造商用于改善電池的耐用性及性能。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)想推出一款移動家用式設(shè)備，使制造商能夠在現(xiàn)場進(jìn)行電池測試，從而加快電池的研發(fā)速度并降低成本。目前，行業(yè)研究人員必須花費(fèi)寶貴的時間在同步加速器設(shè)備上對電池內(nèi)部的化學(xué)過程進(jìn)行可視化觀察，以了解反復(fù)充電循環(huán)如何影響電池的物理結(jié)構(gòu)，以及隨著時間的推移電池容量如何降低。

XProLas的項(xiàng)目目標(biāo)是在 2026 年之前建造第一套應(yīng)用示范系統(tǒng)。

TRUMPF公司產(chǎn)品經(jīng)理Torsten Mans是該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，詳細(xì)介紹了該項(xiàng)目的起源、需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)以及其他受益的應(yīng)用。

XProLas 項(xiàng)目的起源

Mans介紹說，這項(xiàng)工作始于兩年前，當(dāng)時BMBF呼吁提出探索開發(fā)高輻射源的項(xiàng)目提案。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了需要TRUMPF 提供一款高功率激光器外，還需要解決一些其他難題。他解釋說，“首先需要選擇一種合適的靶材料產(chǎn)生X 射線源，然后需要集成商對X射線源進(jìn)行集成及應(yīng)用，此外還需要提供待測樣品的合作伙伴，利用X射線源的對樣品進(jìn)行測量。”為此他與TRUMPF可以合作的多家公司進(jìn)行了洽談。“幸運(yùn)的是，我們找到了愿意并有能力一起攻克技術(shù)難題的公司。”

XProLas 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

目前，七家公司和三個學(xué)術(shù)中心為該項(xiàng)目的開發(fā)做出了貢獻(xiàn)：

・TRUMPF公司：擁有新型高功率、超短脈沖激光系統(tǒng)，其激光參數(shù)創(chuàng)世界紀(jì)錄，將成為未來X 射線源的泵浦前端；

・BASF和 Cellforce：提供用于測試的電池材料及組件；

・德國 Ushio 公司和 Excillum公司：提供靶材料產(chǎn)生X 射線源；

・Bruker和Viscom 公司：系統(tǒng)集成、建造及 X 射線應(yīng)用；

・Hannover大學(xué)以及位于Aachen 和 Jena的Fraunhofer研究所：學(xué)術(shù)項(xiàng)目開發(fā)基地。

XProLas項(xiàng)目由TRUMPF公司的二次光源計(jì)劃發(fā)展而來。當(dāng)時的TRUMPF首席技術(shù)官、現(xiàn)任監(jiān)事會主席Peter Leibinger提出了這個想法，并為此推動了多年。Mans說，“這個想法與我們一直在推行的二次光源計(jì)劃非常吻合。”

“TRUMPF向ASML提供的EUV（極紫外光源）技術(shù)是藍(lán)圖，ASML是唯一一家生產(chǎn)和銷售用于大批量半導(dǎo)體制造的EUV系統(tǒng)的公司。”Mans解釋說，“我們提供激光驅(qū)動器來產(chǎn)生這種極紫外光。我們稱之為第一個商業(yè)上成功的二次光源，它就是這個項(xiàng)目的核心。”

在激光技術(shù)中，二次光源指的是通過與主激光束相互作用，而產(chǎn)生二次輻射或發(fā)射（如光、X 射線或電子）的設(shè)備或組件。

在XProLas的裝置中，高強(qiáng)度激光束與真空中的靶材料（通常是Ga、In或Sn等金屬）相互作用，產(chǎn)生等離子體，并發(fā)射 X 射線作為其能量輸出的一部分。

另外，Mans解釋說，改變靶材料會產(chǎn)生“不同的二次輻射，這種輻射具有獨(dú)特的性質(zhì)，可以有其他應(yīng)用。例如，還可以產(chǎn)生粒子輻射，”他補(bǔ)充道，“我們有一個正在運(yùn)行的項(xiàng)目，用于激光加速電子。”

圖2：脈沖壓縮室中的光束路徑，通過氣體介質(zhì)肉眼可見。

技術(shù)挑戰(zhàn)

Mans表示，要實(shí)現(xiàn)XProLas項(xiàng)目的目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)必須解決幾個科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。首要目標(biāo)是““創(chuàng)建一個X射線源，與目前的技術(shù)水平相比，它的亮度要高出大約一個數(shù)量級。”Mans解釋道。X 射線是分析和確定電動汽車電池正極材料成分的必要光源，對電池的性能和可靠性至關(guān)重要。Mans補(bǔ)充說，目前進(jìn)行此類研究的同步加速器可以產(chǎn)生最亮的X射線源，以此開發(fā)出了新的 X 射線技術(shù)，“但對于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用，同步加速器并不適合”。

XProLas 項(xiàng)目要研發(fā)的 X 射線源的亮度仍將大大低于同步加速器產(chǎn)生的亮度，但 “比除同步加速器之外的目前所能獲得的X射線亮度高 10 倍”。

Mans解釋說，“隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，我們需要創(chuàng)造相對論強(qiáng)度（約1018W/cm2或更高）的激光源來加速靶材料內(nèi)部的電子。同時，我們將在千瓦級功率水平上完成這項(xiàng)工作，這在以前從未有過，所以這是一項(xiàng)科學(xué)挑戰(zhàn)。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，TRUMPF 計(jì)劃首先使用一個平均功率為千瓦的激光源，其脈沖持續(xù)時間將要達(dá)到皮秒，但這對于產(chǎn)生相對論強(qiáng)度來說太長了。“因此，我們將增加一個Herriott單元，這是一種光譜展寬技術(shù)，可以產(chǎn)生更短的脈沖持續(xù)時間。”Mans說道。

他補(bǔ)充說，使用脈沖激光器產(chǎn)生X射線源是一種獨(dú)特方法，研究團(tuán)隊(duì)可能會因此遇到與脈沖激光器以及探測器相關(guān)的諸多技術(shù)問題。

另一個面臨的挑戰(zhàn)是靶材料的研發(fā)。在相對論強(qiáng)度和千瓦級的平均功率下，靶材料會立即蒸發(fā)。“靶材料的蒸發(fā)會隨之帶來嚴(yán)重的污染問題，因此需要保護(hù)好聚焦光學(xué)元件和窗片，以便讓激光進(jìn)入，X射線出射。”Mans解釋說，“此外，光束定位也是個大問題。需要有個非常穩(wěn)定的液態(tài)金屬表面，而它會被100kHz重復(fù)頻率的高平均功率激光所干擾。”

此外，對于X射線的眾多應(yīng)用而言，開發(fā)能夠充分利用高亮度的新型 X 射線光學(xué)元件，也是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。

“因此，在供應(yīng)鏈的每一個環(huán)節(jié)，都存在著巨大的挑戰(zhàn)。但我認(rèn)為XProLas項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)非常優(yōu)秀，每個人都非常有信心解決自己的那部分技術(shù)問題。”Mans總結(jié)說，“不可否認(rèn)的是，XProLas仍然是一個高風(fēng)險的研究項(xiàng)目。”

不僅僅限于電動汽車電池測試

雖然 XProLas 項(xiàng)目最初側(cè)重于電池生產(chǎn)中的應(yīng)用，但它也可擴(kuò)展到其他應(yīng)用。例如可用于需要更精細(xì)分辨率的藥物研發(fā)，以及尋求優(yōu)化生產(chǎn)流程的半導(dǎo)體制造。

此外，通過向制造商提供緊湊型X射線源，該項(xiàng)目會將傳統(tǒng)上僅限于同步加速器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到各個公司的實(shí)驗(yàn)室，研究人員可以在這些實(shí)驗(yàn)室中以很小的規(guī)模和成本進(jìn)行深入分析，從而加快創(chuàng)新步伐。