Jaka jest zasada działania lasera rentgenowskiego? Ze względu na duże wzmocnienie w medium generującym, krótkie czasy życia w stanie górnym (1-100 ps) i problemy związane z budowaniem luster, które mogą odbijać wiązki, lasery te zwykle działają bez luster. Wiązka promieniowania rentgenowskiego jest generowana przez jednokrotne przejście przez ośrodek wzmacniający. Emitowane promieniowanie oparte na wzmocnionej wiązce spontanicznej ma stosunkowo niską spójność przestrzenną. Przeczytaj artykuł do końca, a zrozumiesz, że to laser rentgenowski. To urządzenie jest bardzo praktyczne i unikatowe w swojej konstrukcji.
Jądra w strukturze mechanizmu
Ponieważ konwencjonalne przejścia między stanami widzialnymi i elektronowymi lub wibracyjnymi odpowiadają energii do 10 eV, do laserów rentgenowskich potrzebne są różne media aktywne. Ponownie, można do tego użyć różnych aktywnych jąder naładowanych.
Broń
W latach 1978-1988 w projekcie ExcaliburWojsko Stanów Zjednoczonych próbowało opracować laserowy rentgenowski wybuchowy jądrowy do obrony przeciwrakietowej w ramach Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Projekt okazał się jednak zbyt kosztowny, przeciągnięty i ostatecznie został odłożony na półkę.
Nośniki plazmowe w laserze
Najczęściej używane media to wysoce zjonizowana plazma powstająca w wyniku wyładowania kapilarnego lub gdy liniowo skupiony impuls optyczny uderza w stały cel. Zgodnie z równaniem jonizacji Saha, najbardziej stabilne konfiguracje elektronów to neon, z pozostałymi 10 elektronami, i podobny do niklu, z 28 elektronami. Przejścia elektronowe w wysoce zjonizowanej plazmie zazwyczaj odpowiadają energiom rzędu setek elektronowoltów (eV).
Alternatywnym medium wzmacniającym jest relatywistyczna wiązka elektronów rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach, który wykorzystuje stymulowane rozpraszanie Comptona zamiast standardowego promieniowania.
Aplikacja
Koherentne zastosowania promieniowania rentgenowskiego obejmują obrazowanie koherentnej dyfrakcji, gęstą plazmę (nieprzezroczystą dla promieniowania widzialnego), mikroskopię rentgenowską, obrazowanie medyczne z rozdzielczością fazową, badanie powierzchni materiału i uzbrojenie.
Lżejsza wersja lasera może być używana do ruchu lasera ablacyjnego.
Laser rentgenowski: jak to działa
Jak działają lasery? Ze względu na fakt, że fotonuderzy w atom z określoną energią, możesz sprawić, że atom wyemituje foton o tej energii w procesie zwanym emisją wymuszoną. Powtarzając ten proces na dużą skalę, uzyskasz reakcję łańcuchową, w wyniku której powstaje laser. Jednak niektóre węzły kwantowe powodują zatrzymanie tego procesu, ponieważ foton jest czasami pochłaniany bez emisji. Ale aby zapewnić maksymalne szanse, poziomy energii fotonów są zwiększane, a lustra są umieszczane równolegle do ścieżki światła, aby pomóc rozproszonym fotonom wrócić do gry. A przy wysokich energiach promieniowania rentgenowskiego można znaleźć specjalne prawa fizyczne, które są nieodłącznie związane z tym konkretnym zjawiskiem.
Historia
We wczesnych latach 70. laser rentgenowski wydawał się być poza zasięgiem, ponieważ większość laserów tego dnia osiągnęła szczytową wartość 110 nm, znacznie poniżej największych promieni rentgenowskich. Wynikało to z faktu, że ilość energii wymagana do wytworzenia stymulowanego materiału była tak duża, że musiała być dostarczana w szybkim impulsie, co dodatkowo komplikowało współczynnik odbicia potrzebny do wytworzenia silnego lasera. Dlatego naukowcy spojrzeli na plazmę, ponieważ wyglądała jak dobre medium przewodzące. Zespół naukowców w 1972 roku twierdził, że w końcu udało mu się wykorzystać plazmę w tworzeniu laserów, ale kiedy próbowali odtworzyć swoje poprzednie wyniki, z jakiegoś powodu nie udało im się.
W latach 80. do zespołu badawczego dołączył jeden z głównych graczy na świecieNauka - Livermore. Tymczasem naukowcy od lat robią małe, ale ważne kroki, ale po tym, jak Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) przestała płacić za badania rentgenowskie, Livermore został liderem zespołu naukowego. Kierował rozwojem kilku rodzajów laserów, w tym opartych na fuzji. Ich program broni jądrowej był obiecujący, ponieważ wskaźniki wysokich energii, które naukowcy osiągnęli podczas tego programu, wskazywały na możliwość stworzenia wysokiej jakości mechanizmu impulsowego, który byłby przydatny w konstrukcji rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach.
Projekt stopniowo zbliżał się do końca. Naukowcy George Chaplin i Lowell Wood po raz pierwszy zbadali technologię syntezy jądrowej dla laserów rentgenowskich w latach 70., a następnie przeszli na opcję jądrową. Wspólnie opracowali taki mechanizm i byli gotowi do testów 13 września 1978 r., ale przerwała go awaria sprzętu. Ale może tak było najlepiej. Peter Hagelstein stworzył inne podejście po zbadaniu poprzedniego mechanizmu, a 14 listopada 1980 r. dwa eksperymenty dowiodły, że prototyp lasera rentgenowskiego działa.
Projekt Gwiezdnych Wojen
Bardzo szybko projekt zainteresował się Departament Obrony USA. Tak, używanie mocy broni jądrowej w skoncentrowanej wiązce jest zbyt niebezpieczne, ale ta moc może zostać wykorzystana do niszczenia międzykontynentalnych rakiet balistycznych (ICBM) w powietrzu. Najwygodniej byłoby zastosować podobny mechanizm w pobliżu Ziemiorbita. Cały świat zna ten program o nazwie Gwiezdne Wojny. Jednak projekt wykorzystania lasera rentgenowskiego jako broni nigdy nie doszedł do skutku.
W wydaniu Aviation Week and Space Engineering z 23 lutego 1981 r. przedstawiono wyniki pierwszych testów projektu, w tym wiązki laserowej, która osiągnęła 1,4 nanometra i trafiła w 50 różnych celów.
Testy przeprowadzone 26 marca 1983 r. nic nie dały z powodu awarii czujnika. Jednak następujące testy przeprowadzone 16 grudnia 1983 r. wykazały jego prawdziwe możliwości.
Dalsze losy projektu
Hagelstein przewidział dwuetapowy proces, w którym laser wytworzy plazmę uwalniającą naładowane fotony, które zderzają się z elektronami w innym materiale i powodują emisję promieni rentgenowskich. Wypróbowano kilka konfiguracji, ale ostatecznie manipulacja jonami okazała się najlepszym rozwiązaniem. Plazma usuwała elektrony, aż pozostało tylko 10 wewnętrznych, po czym fotony ładowały je do stanu 3p, uwalniając w ten sposób „miękką” wiązkę. Eksperyment z 13 lipca 1984 r. dowiódł, że to więcej niż teoria, kiedy spektrometr zmierzył silne emisje przy 20,6 i 20,9 nanometrów selenu (jonu podobnego do neonu). Wtedy pojawił się pierwszy laboratoryjny (nie wojskowy) laser rentgenowski o nazwie Novette.
Los Novette
Ten laser został zaprojektowany przez Jima Dunna, a aspekty fizyczne zweryfikowali Al Osterheld i Slava Shlyaptsev. Korzystanie z szybkiego(prawie nanosekundowy) impuls wysokoenergetycznego światła, który ładuje cząstki, aby uwolnić promieniowanie rentgenowskie, Novett zastosował również szklane wzmacniacze, które poprawiają wydajność, ale także szybko się nagrzewają, co oznacza, że może działać tylko 6 razy dziennie między kolejnymi ochłodzeniami. Jednak niektóre prace wykazały, że może wystrzelić pikosekundowy impuls, podczas gdy kompresja powraca do impulsu nanosekundowego. W przeciwnym razie szklany wzmacniacz zostanie zniszczony. Należy zauważyć, że Novette i inne „biurkowe” lasery rentgenowskie wytwarzają „miękkie” wiązki promieniowania rentgenowskiego o większej długości fali, co zapobiega przechodzeniu wiązki przez wiele materiałów, ale daje wgląd w stopy i plazmę, ponieważ łatwo przez nie prześwituje.
Inne zastosowania i cechy działania
Więc do czego może być używany ten laser? Wcześniej zauważono, że krótsza długość fali może ułatwić badanie niektórych materiałów, ale nie jest to jedyne zastosowanie. Gdy w cel trafi impuls, zostaje on po prostu rozbity na cząstki atomowe, a temperatura w tym samym czasie osiąga miliony stopni w zaledwie jedną bilionową sekundy. A jeśli ta temperatura wystarczy, laser spowoduje oderwanie się elektronów od środka. Dzieje się tak, ponieważ najniższy poziom orbitali elektronowych implikuje obecność co najmniej dwóch elektronów, które są wyrzucane z energii generowanej przez promieniowanie rentgenowskie.
Czas potrzebny atomowi dostracił wszystkie swoje elektrony, jest rzędu kilku femtosekund. Powstały rdzeń nie utrzymuje się długo i szybko przechodzi w stan plazmy znany jako „ciepła, gęsta materia”, który znajduje się głównie w reaktorach jądrowych i jądrach dużych planet. Eksperymentując z laserem, możemy uzyskać wyobrażenie o obu procesach, które są różnymi formami syntezy jądrowej.
Zastosowanie lasera rentgenowskiego jest naprawdę uniwersalne. Inną użyteczną cechą tych promieni rentgenowskich jest ich wykorzystanie z synchrotronami lub cząstkami przyspieszającymi wzdłuż całej ścieżki akceleratora. W zależności od ilości energii potrzebnej do przebycia tej ścieżki, cząstki mogą emitować promieniowanie. Na przykład elektrony, gdy są wzbudzone, emitują promieniowanie rentgenowskie o długości fali wielkości atomu. Następnie moglibyśmy badać właściwości tych atomów poprzez interakcję z promieniami rentgenowskimi. Ponadto możemy zmieniać energię elektronów i uzyskiwać różne długości fal promieniowania rentgenowskiego, uzyskując większą głębokość analizy.
Jednak bardzo trudno jest stworzyć laser rentgenowski własnymi rękami. Jego struktura jest niezwykle złożona nawet z punktu widzenia doświadczonych fizyków.
W biologii
Nawet biolodzy odnieśli korzyści z laserów rentgenowskich (pompowanych jądrowo). Ich promieniowanie może pomóc w ujawnieniu aspektów fotosyntezy wcześniej nieznanych nauce. Wychwytują subtelne zmiany w liściach roślin. Długie fale miękkich wiązek lasera rentgenowskiego pozwalają na eksplorację bez niszczenia wszystkiego, coodbywa się wewnątrz zakładu. Wtryskiwacz nanokrystaliczny uruchamia fotokomórkę I, białko będące kluczem do fotosyntezy potrzebnej do jej aktywacji. Jest to przechwytywane przez wiązkę laserową promieni rentgenowskich, co powoduje, że kryształ dosłownie eksploduje.
Jeżeli powyższe eksperymenty nadal będą się udać, ludzie będą mogli rozwikłać tajemnice natury, a sztuczna fotosynteza może stać się rzeczywistością. Poruszy również kwestię możliwości bardziej efektywnego wykorzystania energii słonecznej, prowokując powstawanie projektów naukowych na wiele lat.
Magnesy
Co powiesz na elektroniczny magnes? Naukowcy odkryli, że gdy atomy ksenonu i molekuły z ograniczoną zawartością jodu zostały trafione promieniowaniem rentgenowskim o dużej mocy, atomy odrzuciły swoje wewnętrzne elektrony, tworząc pustkę między jądrem a elektronami zewnętrznymi. Siły przyciągające wprawiają te elektrony w ruch. Zwykle tak się nie powinno, ale z powodu gwałtownego spadku elektronów, na poziomie atomowym pojawia się sytuacja nadmiernie „naładowanego”. Naukowcy uważają, że laser może być używany do przetwarzania obrazu.
Gigantyczny laser rentgenowski Xfel
Utrzymywany w amerykańskim National Accelerator Laboratory, a konkretnie w akceleratorze, ten laser o długości 3500 stóp wykorzystuje kilka pomysłowych urządzeń do uderzania w cele twardymi promieniami rentgenowskimi. Oto niektóre elementy jednego z najpotężniejszych laserów (skróty i anglicyzmy oznaczają elementy mechanizmu):
- Drive Laser - tworzyimpuls ultrafioletowy, który usuwa elektrony z katody. Emituje elektrony do poziomu energii 12 miliardów eW, manipulując polem elektrycznym. Wewnątrz mechanizmu znajduje się również akcelerator w kształcie litery S o nazwie Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - ta sama koncepcja co Bunch 1, ale dłuższa struktura w kształcie litery S, zwiększona ze względu na wyższe energie.
- Hala transportowa - pozwala upewnić się, że elektrony są odpowiednie do ogniskowania impulsów za pomocą pól magnetycznych.
- Sala undulatora - składa się z magnesów, które powodują ruch elektronów w przód iw tył, generując w ten sposób wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie.
- Beam Dump to magnes, który usuwa elektrony, ale przepuszcza promieniowanie rentgenowskie bez ruchu.
- Stacja Doświadczalna LCLS to specjalna komora, w której zamocowany jest laser i która jest główną przestrzenią do eksperymentów z nią związanych. Wiązki generowane przez to urządzenie wytwarzają 120 impulsów na sekundę, przy czym każdy impuls trwa 1/10000000000 sekundy.
- Medium do kapilarnego wyładowania plazmowego. W tym układzie kapilara o długości kilku centymetrów, wykonana ze stabilnego materiału (np. tlenku glinu), ogranicza precyzyjny, submikrosekundowy impuls elektryczny w gazie o niskim ciśnieniu. Siła Lorentza powoduje dalszą kompresję wyładowania plazmowego. Ponadto często stosuje się prejonizacyjny impuls elektryczny lub optyczny. Przykładem jest kapilarny neonowy laser Ar8+ (generujący promieniowanie o temperaturze 47nm).
- Ośrodek docelowy w postaci litej płyty - po trafieniu impulsem optycznym, cel emituje silnie wzbudzoną plazmę. Ponownie, dłuższy „impuls wstępny” jest często używany do wytworzenia plazmy, a drugi, krótszy i bardziej energetyczny impuls jest używany do dalszego podgrzewania plazmy. W przypadku krótkich okresów życia może być wymagana zmiana pędu. Gradient współczynnika załamania plazmy powoduje, że wzmocniony impuls odgina się od powierzchni docelowej, ponieważ przy częstotliwościach powyżej rezonansu współczynnik załamania zmniejsza się wraz z gęstością materii. Można to skompensować, używając wielu celów w serii, tak jak w europejskim laserze rentgenowskim na swobodnych elektronach.
- Plazma wzbudzana polem optycznym - przy gęstościach optycznych wystarczająco wysokich, aby skutecznie tunelować elektrony lub nawet stłumić barierę potencjału (> 1016 W/cm2), możliwa jest silna jonizacja gazu bez kontaktu z kapilarą lub cel. Zazwyczaj do synchronizacji impulsów używane jest współliniowe ustawienie.
Ogólnie rzecz biorąc, struktura tego mechanizmu jest podobna do europejskiego lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach.
