预算1500万欧元的激光驱动X射线光源-XProLas项目-推动动力电池的性能改进
图一 时域脉冲压缩实验室装置 图片：TRUMPF Scientific Lasers
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XproLas项目简介
XProLas是德国联邦教育与研究部资助的一个研究计划，旨在利用激光驱动的X射线源的能力，彻底改变电动汽车电池的研发过程。该项目将开发一种结构紧凑的、实验室级别的高亮度下一代激光驱动的X射线源和演示系统，以改善电池的耐用性及性能。电池制造商可以用它来生产现场来进行电池测试，从而加快电池的研发速度并降低成本。
目前，行业研究人员必须在机时非常宝贵且极难获取的同步加速器设备上对电池内部的化学过程进行可视化观察，以了解反复充电循环如何影响电池的物理结构，以及随着时间的推移电池容量如何降低。
XProLas项目简执行时间
2024年1月1日 – 2026年12月31日，共计三年
XProLas项目团队
此研究团队目前由七家公司和三个学术研究机构组成。分别是：
德国通快(TRUMPF公司)：拥有新型高功率、超短脉冲激光系统，其激光参数创世界纪录，将成为未来X 射线源的泵浦前端；值得一提的是目前ASML最先进的极紫外EUV光刻机的前段泵浦激光器也是通快公司提供。
BASF和 Cellforce：提供用于测试的电池材料及组件；
德国 Ushio 公司和 Excillum公司：提供以用于产生X 射线靶材;
Bruker和Viscom 公司：负责系统集成、建造及 X 射线应用；
戈特弗里德·威廉·莱布尼茨汉诺威大学以及位于Aachen 和 Jena的Fraunhofer研究所：学术项目开发基地。
项目技术方案及指标
根据披露的有限信息，该团队将使用飞秒激光驱动液态金属流（（通常是Ga、In或Sn等金属）相互作用）的方式来生产高亮的X射线二次辐射源。如下图二，相对论强度（约10^18W/cm2或更高）的激光与金属靶材相互作用时，先打出低密度等离子体，然后激光继续将能量沉积到等离子体中，提高等离子体密度，获得大量的热电子。同时，激光会先在靶表面会形成一个极高电场梯度的电场，对热电子进行加速，热电子和靶进行碰撞后，实现能量的转换，辐射出超快壳层辐射，产生的X射线通常有百飞秒量级的脉宽，光谱方面包括了金属的特征辐射线和韧致辐射。
图二 激光器驱动X射线源原理
XProLas项目负责人Torsten Mans说到，所计划建造的射线源，与目前的技术水平相比，它的亮度要高出大约一个数量级。但值得认识的是，此光源的亮度仍将大大低于同步加速器产生的亮度，比除同步加速器之外的目前所能获得的X射线亮度高10倍-即是10^11 到10^12ph/s/mrad2/mm2/line.
技术挑战
Mans表示，要实现XProLas项目的目标，团队必须解决几个科学和技术挑战。
为了实现这一目标，TRUMPF 计划首先使用一个平均功率为千瓦的激光源，其脉冲持续时间为皮秒级别，但这对于产生相对论强度来说太长了。因此，将计划增加一个Herriott型时域脉冲压缩系统，这是一种光谱展宽技术（如图一、三），可以产生更短的脉冲持续时间。
图三 脉冲压缩室中的光束路径，通过气体介质肉眼可见及其原理图
Mans解释说，“随着激光技术的进步，我们需要创造相对论强度（约1018W/cm2或更高）的激光源来加速靶材料内部的电子。同时，我们将在千瓦级平均功率水平上完成这项工作，这在以前从未有过，所以这是一项科学挑战。
他补充说，使用脉冲激光器产生X射线源是一种独特方法，研究团队可能会因此遇到与脉冲激光器以及探测器相关的诸多技术问题。
另一个面临的挑战是靶材的研发。在相对论强度和千瓦级的平均功率的激光器作用下，靶材料会立即蒸发。Mans解释到，“靶材料的蒸发会随之会带来严重的污染问题，因此需要保护好聚焦光学元件和和使得激光进入靶室和X设出射的窗口”，“此外，光束定位也是个大问题。需要有个非常稳定的液态金属表面，而它会被100kHz重复频率的高平均功率激光所干扰。”
“因此，在供应链的每一个环节，都存在着巨大的挑战。但我认为XProLas项目团队非常优秀，每个人都非常有信心解决自己的那部分技术问题。”Mans总结说，“不可否认的是，XProLas仍然是一个高风险的研究项目。”
不仅仅限于电动汽车电池测试
虽然 XProLas 项目最初侧重于电池生产中的应用，但它也可扩展到其他应用。例如可用于需要更精细分辨率的药物研发，以及寻求优化生产流程的半导体制造。
此外，通过向制造商提供紧凑型X射线源，该项目会将传统上仅限于同步加速器进行的实验转移到各个公司的实验室，研究人员可以在这些实验室中以很小的规模和成本进行深入分析，从而加快创新步伐。
参考信息：
https://www.laserfocusworld.com/laser-processing/article/14310544/trumpf-inc-enabling-better-ev-battery-technology
https://www.photonikforschung.de/projekte/lasertechnik/projekt/xprolas.html
https://cdn.top-unistar.com/uploadf/students/2018/reports/XiaoweiGe.PDF
审核 凯文
编辑 小乔
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