文/Patricia Panchak

圖1：用于時域脈沖壓縮的實驗裝置。

XProLas是由通快公司（TRUMPF）牽頭、德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的一項研究計劃，旨在利用激光驅動的X射線源，徹底改變電動汽車電池的研發(fā)過程。該項目將開發(fā)一種結構緊湊、高亮度的下一代激光驅動的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。

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

XProLas的項目目標是在 2026 年之前建造第一套應用示范系統(tǒng)。

TRUMPF公司產品經理Torsten Mans是該項目的負責人，詳細介紹了該項目的起源、需要克服的技術挑戰(zhàn)以及其他受益的應用。

XProLas 項目的起源

Mans介紹說，這項工作始于兩年前，當時BMBF呼吁提出探索開發(fā)高輻射源的項目提案。為了實現(xiàn)這一目標，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生X 射線源，然后需要集成商對X射線源進行集成及應用，此外還需要提供待測樣品的合作伙伴，利用X射線源的對樣品進行測量。”為此他與TRUMPF可以合作的多家公司進行了洽談。“幸運的是，我們找到了愿意并有能力一起攻克技術難題的公司。”

XProLas 項目團隊

目前，七家公司和三個學術中心為該項目的開發(fā)做出了貢獻：

・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：提供靶材料產生X 射線源；

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

・Hannover大學以及位于Aachen 和 Jena的Fraunhofer研究所：學術項目開發(fā)基地。

XProLas項目由TRUMPF公司的二次光源計劃發(fā)展而來。當時的TRUMPF首席技術官、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劃非常吻合。”

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

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

在XProLas的裝置中，高強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，改變靶材料會產生“不同的二次輻射，這種輻射具有獨特的性質，可以有其他應用。例如，還可以產生粒子輻射，”他補充道，“我們有一個正在運行的項目，用于激光加速電子。”

圖2：脈沖壓縮室中的光束路徑，通過氣體介質肉眼可見。

技術挑戰(zhàn)

Mans表示，要實現(xiàn)XProLas項目的目標，團隊必須解決幾個科學和技術挑戰(zhàn)。首要目標是““創(chuàng)建一個X射線源，與目前的技術水平相比，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重要。Mans補充說，目前進行此類研究的同步加速器可以產生最亮的X射線源，以此開發(fā)出了新的 X 射線技術，“但對于大多數(shù)實際應用，同步加速器并不適合”。

XProLas 項目要研發(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，“隨著激光技術的進步，我們需要創(chuàng)造相對論強度（約1018W/cm2或更高）的激光源來加速靶材料內部的電子。同時，我們將在千瓦級功率水平上完成這項工作，這在以前從未有過，所以這是一項科學挑戰(zhàn)。”

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

他補充說，使用脈沖激光器產生X射線源是一種獨特方法，研究團隊可能會因此遇到與脈沖激光器以及探測器相關的諸多技術問題。

另一個面臨的挑戰(zhàn)是靶材料的研發(fā)。在相對論強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)會隨之帶來嚴重的污染問題，因此需要保護好聚焦光學元件和窗片，以便讓激光進入，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重復頻率的高平均功率激光所干擾。”

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

“因此，在供應鏈的每一個環(huán)節(jié)，都存在著巨大的挑戰(zhàn)。但我認為XProLas項目團隊非常優(yōu)秀，每個人都非常有信心解決自己的那部分技術問題。”Mans總結說，“不可否認的是，XProLas仍然是一個高風險的研究項目。”

不僅僅限于電動汽車電池測試

雖然 XProLas 項目最初側重于電池生產中的應用，但它也可擴展到其他應用。例如可用于需要更精細分辨率的藥物研發(fā)，以及尋求優(yōu)化生產流程的半導體制造。

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