Koks yra rentgeno lazerio veikimo principas? Dėl didelio generavimo terpės stiprinimo, trumpo viršutinės būsenos eksploatavimo trukmės (1–100 ps) ir problemų, susijusių su veidrodžių, galinčių atspindėti spindulius, statyba, šie lazeriai paprastai veikia be veidrodžių. Rentgeno spindulys generuojamas vienu praėjimu per stiprinimo terpę. Išspinduliuota spinduliuotė, pagrįsta sustiprintu spontanišku pluoštu, turi santykinai mažą erdvinę darną. Perskaitykite straipsnį iki galo ir suprasite, kad tai yra rentgeno lazeris. Šis įrenginys yra labai praktiškas ir unikalus savo struktūra.
Branduoliai mechanizmo struktūroje
Kadangi įprasti lazeriniai perėjimai tarp matomų ir elektroninių arba vibracinių būsenų atitinka energiją iki 10 eV, rentgeno lazeriams reikalingos skirtingos aktyvios terpės. Vėlgi, tam gali būti naudojami įvairūs aktyvaus krūvio branduoliai.
Ginklai
1978–1988 m. „Excalibur“projekteJAV kariuomenė bandė sukurti branduolinį sprogstamąjį rentgeno lazerį raketinei gynybai, vykdydama „Star Wars Strategic Defense Initiative“(SDI) dalį. Tačiau projektas pasirodė per brangus, užsitęsė ir galiausiai buvo atidėtas.
Plazminė laikmena lazerio viduje
Dažniausiai naudojamos terpės apima labai jonizuotą plazmą, susidariusią kapiliarinio išlydžio metu arba kai tiesiškai fokusuotas optinis impulsas pasiekia kietą taikinį. Pagal Saha jonizacijos lygtį stabiliausios elektronų konfigūracijos yra neoninės, kai liko 10 elektronų, ir nikelio tipo, turinčios 28 elektronus. Elektronų perėjimai labai jonizuotose plazmose paprastai atitinka šimtus elektronų voltų (eV).
Alternatyvi stiprinimo terpė yra rentgeno laisvųjų elektronų lazerio reliatyvistinis elektronų pluoštas, kuriame vietoj standartinės spinduliuotės naudojama stimuliuojama Komptono sklaida.
Programa
Koherentinės rentgeno priemonės apima koherentinį difrakcijos vaizdą, tankią plazmą (nepermatomą matomai spinduliuotei), rentgeno mikroskopiją, fazės skiriamąjį medicininį vaizdą, medžiagos paviršiaus tyrimą ir ginklavimą.
Lengvesnė lazerio versija gali būti naudojama abliaciniam lazerio judėjimui.
Rentgeno lazeris: kaip tai veikia
Kaip veikia lazeriai? Dėl to, kad fotonaspataiko į atomą su tam tikra energija, galite priversti atomą išspinduliuoti fotoną su ta energija procese, vadinamame stimuliuota emisija. Kartodami šį procesą dideliu mastu, sulauksite grandininės reakcijos, kurios rezultatas – lazeris. Tačiau dėl kai kurių kvantinių mazgų šis procesas sustoja, nes kartais fotonas sugeriamas išvis neišspinduliuojantis. Tačiau siekiant užtikrinti maksimalias galimybes, fotonų energijos lygis padidinamas, o veidrodžiai statomi lygiagrečiai šviesos keliui, kad padėtų išsklaidytiems fotonams sugrįžti į žaidimą. O esant didelei rentgeno spindulių energijai, nustatomi specialūs fiziniai dėsniai, būdingi šiam konkrečiam reiškiniui.
Istorija
Aštuntojo dešimtmečio pradžioje rentgeno lazeris atrodė nepasiekiamas, nes dauguma to meto lazerių pasiekė aukščiausią tašką ties 110 nm, tai yra gerokai žemiau didžiausių rentgeno spindulių. Taip buvo todėl, kad stimuliuojamai medžiagai pagaminti reikalingas energijos kiekis buvo toks didelis, kad ji turėjo būti tiekiama greitu impulsu, o tai dar labiau apsunkino atspindėjimą, reikalingą galingam lazeriui sukurti. Todėl mokslininkai pažvelgė į plazmą, nes ji atrodė kaip gera laidžioji terpė. 1972 m. mokslininkų komanda pareiškė, kad pagaliau pavyko panaudoti plazmą kuriant lazerius, tačiau kai jie bandė atkurti ankstesnius rezultatus, jiems dėl tam tikrų priežasčių nepavyko.
Devintajame dešimtmetyje prie tyrinėtojų komandos prisijungė vienas svarbus žaidėjas iš viso pasaulioMokslas – Livermoras. Tuo tarpu mokslininkai ilgus metus žengė nedidelius, bet svarbius žingsnius, tačiau Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūrai (DARPA) nustojus mokėti už rentgeno tyrimus, Livermoras tapo mokslinės grupės vadovu. Jis vadovavo kelių tipų lazerių kūrimui, įskaitant tuos, kurie pagrįsti sinteze. Jų branduolinių ginklų programa buvo daug žadanti, nes aukšti energijos rodikliai, kuriuos mokslininkai pasiekė šios programos metu, sufleravo apie galimybę sukurti kokybišką impulsinį mechanizmą, kuris būtų naudingas konstruojant rentgeno laisvųjų elektronų lazerį.
Projektas pamažu artėjo prie pabaigos. Mokslininkai George'as Chaplinas ir Lowellas Woodas pirmą kartą ištyrė sintezės technologiją rentgeno lazeriams aštuntajame dešimtmetyje, o tada perėjo prie branduolinės galimybės. Kartu jie sukūrė tokį mechanizmą ir buvo pasirengę bandymui 1978 m. rugsėjo 13 d., tačiau įrangos gedimas jį nutraukė. Bet galbūt tai buvo geriausia. Ištyręs ankstesnį mechanizmą, Peteris Hagelsteinas sukūrė kitokį požiūrį, o 1980 m. lapkričio 14 d. du eksperimentai įrodė, kad rentgeno lazerio prototipas veikė.
Žvaigždžių karų projektas
Netrukus projektu susidomėjo JAV gynybos departamentas. Taip, panaudoti branduolinio ginklo galią sufokusuotame spindulyje yra per daug pavojinga, bet ta galia gali būti panaudota sunaikinant tarpžemynines balistines raketas (ICBM) ore. Panašų mechanizmą būtų patogiausia naudoti artimoje žemėjeOrbita. Visas pasaulis žino šią programą „Žvaigždžių karai“. Tačiau projektas panaudoti rentgeno lazerį kaip ginklą niekada nebuvo įgyvendintas.
1981 m. vasario 23 d. leidinyje „Aviation Week and Space Engineering“pateikiami pirmųjų projekto bandymų rezultatai, įskaitant lazerio spindulį, kuris pasiekė 1,4 nanometro ir pataikė į 50 skirtingų taikinių.
1983 m. kovo 26 d. atlikti bandymai nieko nedavė dėl jutiklio gedimo. Tačiau šie 1983 m. gruodžio 16 d. bandymai parodė tikrąsias jo galimybes.
Tolimesnis projekto likimas
Hagelsteinas numatė dviejų pakopų procesą, kurio metu lazeris sukurs plazmą, kuri išskirs įkrautus fotonus, kurie susidurtų su elektronais kitoje medžiagoje ir skleistų rentgeno spindulius. Buvo išbandytos kelios sąrankos, tačiau galiausiai manipuliavimas jonais pasirodė esąs geriausias sprendimas. Plazma pašalino elektronus, kol liko tik 10 vidinių, kur tada fotonai juos įkrauna iki 3p būsenos, taip išlaisvindami „minkštą“spindulį. 1984 m. liepos 13 d. atliktas eksperimentas įrodė, kad tai buvo daugiau nei teorija, kai spektrometras išmatavo stiprią emisiją ties 20,6 ir 20,9 nanometrų seleno (į neoną panašaus jono). Tada pasirodė pirmasis laboratorinis (ne karinis) rentgeno lazeris pavadinimu Novette.
Novette likimas
Šį lazerį sukūrė Jimas Dunnas ir jo fizinius aspektus patikrino Al Osterheld ir Slava Shlyaptsev. Naudojant greitai(beveik nanosekundės) didelės energijos šviesos impulsas, įkraunantis daleles, kad išskleistų rentgeno spindulius, Novett taip pat naudojo stiklo stiprintuvus, kurie pagerina efektyvumą, bet taip pat greitai įkaista, o tai reiškia, kad jis gali veikti tik 6 kartus per dieną tarp atvėsinimų. Tačiau kai kurie darbai parodė, kad jis gali sukelti pikosekundės impulsą, o suspaudimas grįžta į nanosekundės impulsą. Priešingu atveju stiklo stiprintuvas bus sunaikintas. Svarbu pažymėti, kad Novette ir kiti „staliniai“rentgeno lazeriai gamina „minkštus“rentgeno spindulius, kurių bangos ilgis yra ilgesnis, todėl pluoštas neprasiskverbia per daugelį medžiagų, tačiau leidžia suprasti lydinius ir plazmą, nes jis lengvai persišviečia pro juos.
Kiti naudojimo būdai ir veikimo ypatybės
Tai kam gali būti naudojamas šis lazeris? Anksčiau buvo pastebėta, kad trumpesnis bangos ilgis gali palengvinti kai kurių medžiagų tyrimą, tačiau tai nėra vienintelis pritaikymas. Impulsui pataikius į taikinį, jis tiesiog sunaikinamas į atomines daleles, o temperatūra tuo pat metu vos per trilijonąją sekundės dalį pasiekia milijonus laipsnių. Ir jei šios temperatūros pakanka, lazeris paskatins elektronų lupimąsi iš vidaus. Taip yra todėl, kad žemiausias elektronų orbitalių lygis reiškia, kad yra bent du elektronai, kurie išstumiami iš rentgeno spindulių generuojamos energijos.
Laikas, kurio reikia atomuiprarado visus savo elektronus, yra maždaug kelių femtosekundžių. Gauta šerdis ilgai neužsibūna ir greitai pereina į plazmos būseną, vadinamą „šilta tankia medžiaga“, kuri dažniausiai randama branduoliniuose reaktoriuose ir didelių planetų branduoliuose. Eksperimentuodami su lazeriu galime susidaryti supratimą apie abu procesus, kurie yra skirtingos branduolių sintezės formos.
Rentgeno lazerio naudojimas yra tikrai universalus. Kita naudinga šių rentgeno spindulių savybė yra jų naudojimas su sinchrotronais arba dalelėmis, greitėjančiomis per visą greitintuvo kelią. Atsižvelgiant į tai, kiek energijos reikia šiam keliui nutiesti, dalelės gali skleisti spinduliuotę. Pavyzdžiui, sužadinti elektronai skleidžia rentgeno spindulius, kurių bangos ilgis yra maždaug atomo dydžio. Tada galėtume ištirti šių atomų savybes sąveikaudami su rentgeno spinduliais. Be to, galime pakeisti elektronų energiją ir gauti įvairaus ilgio rentgeno spindulių bangas, todėl analizės gylis yra didesnis.
Tačiau labai sunku sukurti rentgeno lazerį savo rankomis. Jo struktūra yra nepaprastai sudėtinga net patyrusių fizikų požiūriu.
Biologijoje
Net biologai galėjo pasinaudoti rentgeno lazeriais (branduoliniais siurbliais). Jų spinduliuotė gali padėti atskleisti mokslui anksčiau nežinomus fotosintezės aspektus. Jie užfiksuoja subtilius augalų lapų pokyčius. Ilgi minkštųjų rentgeno lazerio spindulių bangos leidžia tyrinėti nesunaikinant viskovyksta augalo viduje. Nanokristalinis purkštukas suaktyvina I fotoelementą – b altymo raktą, reikalingą fotosintezei, reikalingą jam suaktyvinti. Tai sulaiko rentgeno spindulių lazerio spindulys, dėl kurio kristalas tiesiogine prasme sprogsta.
Jei pirmiau minėti eksperimentai ir toliau bus sėkmingi, žmonės galės įminti gamtos paslaptis, o dirbtinė fotosintezė gali tapti realybe. Tai taip pat kels klausimą dėl galimybės efektyviau naudoti saulės energiją, o tai paskatins mokslinių projektų atsiradimą daugeliui metų į priekį.
Magnetai
O kaip elektroninis magnetas? Mokslininkai išsiaiškino, kad didelės galios rentgeno spindulių paveikti ksenono atomai ir riboto jodo turinčios molekulės atomai išmetė savo vidinius elektronus, sukurdami tuštumą tarp branduolio ir atokiausių elektronų. Patrauklios jėgos pajudina šiuos elektronus. Paprastai tai neturėtų atsitikti, tačiau dėl elektronų kritimo staigumo atominiame lygmenyje susidaro pernelyg „įkrauta“situacija. Mokslininkai mano, kad lazeris gali būti naudojamas vaizdo apdorojimui.
Giant rentgeno lazeris Xfel
Šis 3500 pėdų lazeris, veikiantis JAV nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje, ypač Linac, naudoja kelis išradingus įrenginius, kad pataikytų į taikinius stipriais rentgeno spinduliais. Štai keletas vieno iš galingiausių lazerių komponentų (santrumpos ir anglicizmai reiškia mechanizmo komponentus):
- Drive Laser – kuriaultravioletinis impulsas, kuris pašalina elektronus iš katodo. Valdydamas elektrinį lauką, išskiria elektronus iki 12 milijardų eW energijos lygio. Judėjimo viduje taip pat yra S formos greitintuvas, vadinamas Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 – tokia pati koncepcija kaip ir 1 grupės, bet ilgesnė S formos struktūra, padidinta dėl didesnės energijos.
- Transporto salė – leidžia įsitikinti, kad elektronai yra tinkami impulsams fokusuoti naudojant magnetinius laukus.
- Undulator Hall – susideda iš magnetų, dėl kurių elektronai juda pirmyn ir atgal, taip generuodami didelės energijos rentgeno spindulius.
- Beam Dump yra magnetas, kuris pašalina elektronus, bet praleidžia rentgeno spindulius nejudėdamas.
- LCLS eksperimentinė stotis yra speciali kamera, kurioje fiksuojamas lazeris ir kuri yra pagrindinė erdvė su juo susijusiems eksperimentams. Šio įrenginio generuojami spinduliai sukuria 120 impulsų per sekundę, o kiekvienas impulsas trunka 1/10000000000 sekundės.
- Kapiliarinė plazmos iškrovimo terpė. Šioje sąrankoje kelių centimetrų ilgio kapiliaras, pagamintas iš stabilios medžiagos (pvz., aliuminio oksido), riboja didelio tikslumo submikrosekundės elektrinį impulsą žemo slėgio dujose. Lorenco jėga sukelia tolesnį plazmos iškrovos suspaudimą. Be to, dažnai naudojamas išankstinis jonizacijos elektrinis arba optinis impulsas. Pavyzdys yra kapiliarinis neoninis Ar8 + lazeris (kuris generuoja spinduliuotę esant 47nm).
- Tvirtos plokštės tikslinė terpė – po optinio impulso smūgio taikinys skleidžia labai sužadintą plazmą. Vėlgi, plazmai sukurti dažnai naudojamas ilgesnis „išankstinis impulsas“, o plazmai toliau šildyti naudojamas antras, trumpesnis ir energingesnis impulsas. Trumpam eksploatavimo laikotarpiui gali prireikti pakeisti pagreitį. Dėl plazmos lūžio rodiklio gradiento sustiprintas impulsas nukrypsta nuo tikslinio paviršiaus, nes esant dažniams, viršijantiems rezonansą, lūžio rodiklis mažėja didėjant medžiagos tankiui. Tai galima kompensuoti naudojant kelis taikinius vienu metu, kaip Europos rentgeno laisvųjų elektronų lazeryje.
- Plazma, sužadinta optinio lauko – esant pakankamai dideliam optiniam tankiui, kad būtų galima efektyviai tuneluoti elektronus ar net slopinti potencialo barjerą (> 1016 W / cm2), galima stipriai jonizuoti dujas be sąlyčio su kapiliaru arba taikinys. Paprastai impulsams sinchronizuoti naudojamas kolinearinis nustatymas.
Apskritai šio mechanizmo struktūra yra panaši į Europos rentgeno laisvųjų elektronų lazerį.
