預(yù)算1500萬歐元的激光驅(qū)動X射線光源-XProLas項目-推動動力電池的性能改進
圖一 時域脈沖壓縮實驗室裝置 圖片：TRUMPF Scientific Lasers
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XproLas項目簡介
XProLas是德國聯(lián)邦教育與研究部資助的一個研究計劃，旨在利用激光驅(qū)動的X射線源的能力，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(jié)構(gòu)緊湊的、實驗室級別的高亮度下一代激光驅(qū)動的X射線源和演示系統(tǒng)，以改善電池的耐用性及性能。電池制造商可以用它來生產(chǎn)現(xiàn)場來進行電池測試，從而加快電池的研發(fā)速度并降低成本。
目前，行業(yè)研究人員必須在機時非常寶貴且極難獲取的同步加速器設(shè)備上對電池內(nèi)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(jié)構(gòu)，以及隨著時間的推移電池容量如何降低。
XProLas項目簡執(zhí)行時間
2024年1月1日 – 2026年12月31日，共計三年
XProLas項目團隊
此研究團隊目前由七家公司和三個學術(shù)研究機構(gòu)組成。分別是：
德國通快(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；值得一提的是目前ASML最先進的極紫外EUV光刻機的前段泵浦激光器也是通快公司提供。
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：提供以用于產(chǎn)生X 射線靶材;
Bruker和Viscom 公司：負責系統(tǒng)集成、建造及 X 射線應(yīng)用；
戈特弗里德·威廉·萊布尼茨漢諾威大學以及位于Aachen 和 Jena的Fraunhofer研究所：學術(shù)項目開發(fā)基地。
項目技術(shù)方案及指標
根據(jù)披露的有限信息，該團隊將使用飛秒激光驅(qū)動液態(tài)金屬流（（通常是Ga、In或Sn等金屬）相互作用）的方式來生產(chǎn)高亮的X射線二次輻射源。如下圖二，相對論強度（約10^18W/cm2或更高）的激光與金屬靶材相互作用時，先打出低密度等離子體，然后激光繼續(xù)將能量沉積到等離子體中，提高等離子體密度，獲得大量的熱電子。同時，激光會先在靶表面會形成一個極高電場梯度的電場，對熱電子進行加速，熱電子和靶進行碰撞后，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，輻射出超快殼層輻射，產(chǎn)生的X射線通常有百飛秒量級的脈寬，光譜方面包括了金屬的特征輻射線和韌致輻射。
圖二 激光器驅(qū)動X射線源原理
XProLas項目負責人Torsten Mans說到，所計劃建造的射線源，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。但值得認識的是，此光源的亮度仍將大大低于同步加速器產(chǎn)生的亮度，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-即是10^11 到10^12ph/s/mrad2/mm2/line.
技術(shù)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(shù)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)時間為皮秒級別，但這對于產(chǎn)生相對論強度來說太長了。因此，將計劃增加一個Herriott型時域脈沖壓縮系統(tǒng)，這是一種光譜展寬技術(shù)（如圖一、三），可以產(chǎn)生更短的脈沖持續(xù)時間。
圖三 脈沖壓縮室中的光束路徑，通過氣體介質(zhì)肉眼可見及其原理圖
Mans解釋說，“隨著激光技術(shù)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(nèi)部的電子。同時，我們將在千瓦級平均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)。
他補充說，使用脈沖激光器產(chǎn)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(guān)的諸多技術(shù)問題。
另一個面臨的挑戰(zhàn)是靶材的研發(fā)。在相對論強度和千瓦級的平均功率的激光器作用下，靶材料會立即蒸發(fā)。Mans解釋到，“靶材料的蒸發(fā)會隨之會帶來嚴重的污染問題，因此需要保護好聚焦光學元件和和使得激光進入靶室和X設(shè)出射的窗口”，“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?！?/p>
“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(shù)問題?！盡ans總結(jié)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(cè)重于電池生產(chǎn)中的應(yīng)用，但它也可擴展到其他應(yīng)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(chǎn)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(zhuǎn)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。
參考信息：
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
審核 凱文
編輯 小喬
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