飞秒激光冲击铜的温度测量：基于X射线热漫散射强度的研究
学术背景
在极端条件下（如高压、高温）研究材料的行为是凝聚态物理和材料科学中的重要课题。激光冲击技术能够在纳秒时间尺度上对材料施加极高的压力，而X射线衍射技术则可以在飞秒时间尺度上捕捉材料的结构变化。然而，在这些动态压缩实验中，温度的测量一直是一个难题。传统的测温技术（如热辐射测量）在如此短的时间尺度和小尺度目标上难以实现。因此，开发一种能够在单次实验中精确测量动态压缩材料温度的方法具有重要意义。
本文的研究团队利用X射线自由电子激光（X-ray Free-Electron Laser, XFEL）和激光冲击技术，提出了一种基于X射线热漫散射（Thermal Diffuse Scattering, TDS）强度的温度测量方法。该方法通过测量铜箔在激光冲击下的X射线热漫散射强度，推导出材料的温度，为动态压缩实验中的温度测量提供了一种新的解决方案。
论文来源
本文由J. S. Wark等来自多个国际研究机构的学者共同撰写，研究团队包括来自英国牛津大学、美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室、德国欧洲XFEL等机构的科研人员。论文于2025年4月21日发表在《Journal of Applied Physics》上，文章编号为137, 155904，DOI为10.1063⁄5.0256844。
研究流程
1. 实验设计与目标
研究的主要目标是通过测量激光冲击铜箔的X射线热漫散射强度，推导出材料的温度。实验在位于德国Schenefeld的欧洲XFEL高能量密度科学仪器（High Energy Density, HED）上进行。研究团队使用了Dipole 100-X激光系统对铜箔进行冲击，并通过XFEL产生的单次X射线脉冲对样品进行衍射测量。
2. 样品制备与激光冲击
实验使用的样品为25微米厚的铜箔，表面覆盖了50微米的聚酰亚胺（Kapton）作为烧蚀层。激光冲击通过10纳秒的脉冲激光实现，激光能量最高可达40焦耳，聚焦在500微米或250微米的驱动点上。激光脉冲的强度在最高压力实验中进行了线性调制，以防止烧蚀压力的衰减。
3. X射线衍射测量
在激光冲击的同时，研究团队使用XFEL产生的18 keV X射线脉冲对样品进行衍射测量。X射线脉冲的持续时间为50飞秒，入射角度为22.5度。衍射信号由一对对称放置的Varex探测器记录，探测器的位置通过标准CeO2粉末样品的衍射图案进行精确校准。
4. 数据处理与分析
衍射数据经过一系列处理步骤，包括归一化到入射X射线通量、扣除烧蚀层的散射信号、扣除铜的康普顿散射（Compton scattering）以及考虑X射线在样品中的吸收效应。通过比较冲击前后的衍射信号，研究团队推导出铜箔的X射线德拜-沃勒因子（Debye-Waller factor），进而计算出材料的温度。
主要结果
1. 热漫散射强度的变化
实验结果显示，随着激光冲击压力的增加，铜箔的X射线热漫散射强度显著增强。在相对体积比（v/v0）为0.7时，热漫散射强度增加了2到3倍。这一变化表明，材料的温度随着冲击压力的增加而显著升高。
2. 德拜-沃勒因子的推导
通过拟合Warren模型，研究团队推导出了铜箔在不同冲击压力下的德拜-沃勒因子。该因子与材料的温度密切相关，研究结果表明，在相对体积比为0.7时，铜箔的温度超过了3000 K。
3. 与理论模型的比较
研究团队将实验结果与SESAME 3336和LEOS 290两种热状态方程（Equation of State, EOS）的预测进行了比较。结果显示，实验数据与理论模型的预测在误差范围内一致，验证了该方法的可靠性。
结论与意义
本研究通过测量激光冲击铜箔的X射线热漫散射强度，成功推导出了材料的温度。这一方法为动态压缩实验中的温度测量提供了一种新的解决方案，具有重要的科学和应用价值。实验结果表明，该方法能够在单次实验中精确测量材料的温度，为极端条件下材料行为的研究提供了有力工具。
研究亮点
- 创新性方法：本研究首次利用X射线热漫散射强度在单次实验中测量了激光冲击铜箔的温度，为动态压缩实验中的温度测量提供了一种新的方法。
- 高精度测量：通过精确的X射线衍射测量和数据处理，研究团队能够在飞秒时间尺度上捕捉材料的结构和温度变化。
- 理论验证：实验结果与两种热状态方程的预测一致，验证了该方法的可靠性和准确性。
其他有价值的信息
研究团队还讨论了该方法的局限性和未来改进方向。例如，目前的主要误差来源是入射X射线通量的测量精度，未来可以通过改进探测器设计来减少误差。此外，该方法还可以应用于其他材料的研究，为极端条件下材料行为的研究提供更多数据支持。
本研究为动态压缩实验中的温度测量提供了一种新的方法，具有重要的科学和应用价值。未来，随着技术的改进，该方法有望在更多领域得到应用。