Aký je princíp fungovania röntgenového lasera? Kvôli vysokému zisku vo generačnom médiu, krátkej životnosti v hornom stave (1-100 ps) a problémom spojeným s budovaním zrkadiel, ktoré môžu odrážať lúče, tieto lasery zvyčajne pracujú bez zrkadiel. Röntgenový lúč je generovaný jediným prechodom cez médium zosilnenia. Vyžarované žiarenie na báze zosilneného spontánneho lúča má relatívne nízku priestorovú koherenciu. Prečítajte si článok až do konca a pochopíte, že ide o röntgenový laser. Toto zariadenie je veľmi praktické a jedinečné svojou štruktúrou.
Jadrá v štruktúre mechanizmu
Keďže konvenčné laserové prechody medzi viditeľnými a elektronickými alebo vibračnými stavmi zodpovedajú energiám do 10 eV, pre röntgenové lasery sú potrebné rôzne aktívne médiá. Opäť sa na to dajú použiť rôzne aktívne nabité jadrá.
Zbrane
V rokoch 1978 až 1988 v projekte ExcaliburAmerická armáda sa pokúsila vyvinúť nukleárny výbušný röntgenový laser na protiraketovú obranu ako súčasť strategickej obrannej iniciatívy Star Wars (SDI). Projekt sa však ukázal byť príliš drahý, naťahoval sa a nakoniec bol odložený.
Plazmové médium v laseri
Medzi najčastejšie používané médiá patrí vysoko ionizovaná plazma vytvorená v kapilárnom výboji alebo keď lineárne zaostrený optický impulz zasiahne pevný cieľ. Podľa Sahaovej ionizačnej rovnice sú najstabilnejšie elektrónové konfigurácie neónové so zostávajúcimi 10 elektrónmi a niklové s 28 elektrónmi. Elektrónové prechody vo vysoko ionizovanej plazme zvyčajne zodpovedajú energiám rádovo stoviek elektrónvoltov (eV).
Alternatívnym zosilňovacím médiom je relativistický elektrónový lúč röntgenového voľného elektrónového lasera, ktorý namiesto štandardného žiarenia využíva stimulovaný Comptonov rozptyl.
Aplikácia
Koherentné röntgenové aplikácie zahŕňajú koherentné difrakčné zobrazovanie, hustú plazmu (nepriehľadnú pre viditeľné žiarenie), röntgenovú mikroskopiu, medicínske zobrazovanie s fázovým rozlíšením, skúmanie povrchu materiálu a zbrane.
Na ablačný pohyb lasera je možné použiť ľahšiu verziu lasera.
Röntgenový laser: ako to funguje
Ako fungujú lasery? Vzhľadom k tomu, že fotónzasiahne atóm určitou energiou, môžete prinútiť atóm vyžarovať fotón s touto energiou v procese nazývanom stimulovaná emisia. Opakovaním tohto procesu vo veľkom rozsahu získate reťazovú reakciu, ktorej výsledkom je laser. Niektoré kvantové uzly však spôsobujú zastavenie tohto procesu, pretože fotón je niekedy absorbovaný bez toho, aby bol vôbec emitovaný. Aby sa však zabezpečili maximálne šance, úrovne energie fotónov sa zvýšia a zrkadlá sú umiestnené paralelne so svetelnou dráhou, aby sa rozptýlené fotóny mohli vrátiť do hry. A pri vysokých energiách röntgenových lúčov sa nachádzajú špeciálne fyzikálne zákony, ktoré sú vlastné tomuto konkrétnemu javu.
História
Začiatkom 70. rokov sa röntgenový laser zdal byť nedosiahnuteľný, pretože väčšina laserov tej doby dosahovala maximum pri 110 nm, teda hlboko pod najväčšími röntgenovými lúčmi. Bolo to preto, že množstvo energie potrebnej na výrobu stimulovaného materiálu bolo také vysoké, že ho bolo potrebné dodať rýchlym pulzom, čo ešte viac skomplikovalo odrazivosť potrebnú na vytvorenie výkonného lasera. Vedci sa preto pozreli na plazmu, pretože vyzerala ako dobré vodivé médium. Tím vedcov v roku 1972 tvrdil, že konečne dosiahli použitie plazmy na vytvorenie laserov, ale keď sa pokúsili reprodukovať svoje predchádzajúce výsledky, z nejakého dôvodu zlyhali.
V osemdesiatych rokoch sa k výskumnému tímu pripojil významný svetový hráčVeda - Livermore. Vedci medzitým už roky robia malé, no dôležité kroky, no po tom, čo Agentúra pre obranné pokročilé výskumné projekty (DARPA) prestala platiť za röntgenový výskum, Livermore sa stal vedúcim vedeckého tímu. Viedol vývoj niekoľkých typov laserov, vrátane tých, ktoré sú založené na fúzii. Ich program jadrových zbraní bol sľubný, pretože vysokoenergetické ukazovatele, ktoré vedci dosiahli počas tohto programu, naznačovali možnosť vytvorenia vysokokvalitného pulzného mechanizmu, ktorý by bol užitočný pri konštrukcii röntgenového laseru s voľnými elektrónmi.
Projekt sa postupne blížil ku koncu. Vedci George Chaplin a Lowell Wood prvýkrát preskúmali technológiu fúzie pre röntgenové lasery v 70. rokoch minulého storočia a potom prešli na jadrovú možnosť. Spoločne vyvinuli takýto mechanizmus a boli pripravené na testovanie 13. septembra 1978, ale zlyhanie zariadenia to skrátilo. Ale možno to bolo najlepšie. Peter Hagelstein po preštudovaní predchádzajúceho mechanizmu vytvoril odlišný prístup a 14. novembra 1980 dva experimenty dokázali, že prototyp röntgenového lasera funguje.
Projekt Star Wars
Veľmi skoro sa o projekt začalo zaujímať ministerstvo obrany USA. Áno, použitie sily jadrovej zbrane v sústredenom lúči je príliš nebezpečné, ale táto sila by sa dala použiť na zničenie medzikontinentálnych balistických rakiet (ICBM) vo vzduchu. Najpohodlnejšie by bolo použiť podobný mechanizmus na blízkej Zemiobežná dráha. Tento program s názvom Star Wars pozná celý svet. Projekt využitia röntgenového lasera ako zbrane sa však nikdy neuskutočnil.
Číslo časopisu Aviation Week and Space Engineering z 23. februára 1981 uvádza výsledky prvých testov projektu vrátane laserového lúča, ktorý dosiahol 1,4 nanometra a zasiahol 50 rôznych cieľov.
Testy z 26. marca 1983 nepriniesli nič kvôli poruche snímača. Nasledujúce testy 16. decembra 1983 však ukázali jeho skutočné schopnosti.
Ďalší osud projektu
Hagelstein si predstavoval dvojkrokový proces, v ktorom by laser vytvoril plazmu, ktorá by uvoľnila nabité fotóny, ktoré by sa zrazili s elektrónmi v inom materiáli a spôsobili by emitovanie röntgenových lúčov. Vyskúšalo sa niekoľko nastavení, ale nakoniec sa ako najlepšie riešenie ukázala manipulácia s iónmi. Plazma odstraňovala elektróny, až ostalo len 10 vnútorných, kde ich potom fotóny nabili až do stavu 3p, čím sa uvoľnil „mäkký“lúč. Experiment z 13. júla 1984 dokázal, že to bolo viac ako teória, keď spektrometer nameral silné emisie selénu s veľkosťou 20,6 a 20,9 nanometrov (neónový ión). Potom sa objavil prvý laboratórny (nie vojenský) röntgenový laser s názvom Novette.
Osud Novette
Tento laser navrhol Jim Dunn a jeho fyzické aspekty overili Al Osterheld a Slava Shlyaptsev. Rýchle používanie(takmer nanosekundy) pulzu vysokoenergetického svetla, ktoré nabilo častice na uvoľnenie röntgenových lúčov, Novett tiež použil sklenené zosilňovače, ktoré zlepšujú účinnosť, ale tiež sa rýchlo zahrievajú, čo znamená, že medzi chladeniami môže bežať iba 6-krát denne. Niektoré práce však ukázali, že dokáže spustiť pikosekundový impulz, zatiaľ čo kompresia sa vráti na nanosekundový impulz. V opačnom prípade sa sklenený zosilňovač zničí. Je dôležité poznamenať, že Novette a ďalšie „stolové“röntgenové lasery produkujú „mäkké“röntgenové lúče, ktoré majú väčšiu vlnovú dĺžku, čo bráni lúču prechádzať mnohými materiálmi, ale umožňuje nahliadnuť do zliatin a plazmy, pretože ľahko cez ne presvitá.
Iné použitia a funkcie prevádzky
Na čo teda možno tento laser použiť? Už skôr bolo poznamenané, že kratšia vlnová dĺžka môže uľahčiť skúmanie niektorých materiálov, ale toto nie je jediná aplikácia. Keď cieľ zasiahne impulz, jednoducho sa zničí na atómové častice a teplota zároveň dosiahne milióny stupňov len za bilióninu sekundy. A ak je táto teplota dostatočná, laser spôsobí odlupovanie elektrónov zvnútra. Je to preto, že najnižšia úroveň elektrónových orbitálov znamená prítomnosť aspoň dvoch elektrónov, ktoré sú vyvrhnuté z energie generovanej röntgenovým žiarením.
Čas, ktorý potrebuje atómstratil všetky svoje elektróny, je rádovo niekoľko femtosekúnd. Výsledné jadro nezostáva dlho a rýchlo prechádza do plazmového stavu známeho ako „teplá hustá hmota“, ktorý sa väčšinou nachádza v jadrových reaktoroch a jadrách veľkých planét. Experimentovaním s laserom môžeme získať predstavu o oboch procesoch, čo sú rôzne formy jadrovej fúzie.
Použitie röntgenového lasera je skutočne univerzálne. Ďalšou užitočnou vlastnosťou týchto röntgenových lúčov je ich použitie so synchrotrónmi alebo časticami urýchľujúcimi pozdĺž celej dráhy urýchľovača. Na základe toho, koľko energie je potrebné na uskutočnenie tejto cesty, môžu častice vyžarovať žiarenie. Napríklad elektróny, keď sú excitované, vyžarujú röntgenové lúče, ktoré majú vlnovú dĺžku približne veľkú ako atóm. Potom by sme mohli študovať vlastnosti týchto atómov prostredníctvom interakcie s röntgenovými lúčmi. Okrem toho môžeme zmeniť energiu elektrónov a získať rôzne vlnové dĺžky röntgenových lúčov, čím sa dosiahne väčšia hĺbka analýzy.
Je však veľmi ťažké vytvoriť röntgenový laser vlastnými rukami. Jeho štruktúra je mimoriadne zložitá aj z pohľadu skúsených fyzikov.
V biológii
Dokonca aj biológovia dokázali ťažiť z röntgenových laserov (jadrových čerpadiel). Ich žiarenie môže pomôcť odhaliť aspekty fotosyntézy, ktoré veda predtým nepoznala. Zachytávajú jemné zmeny v listoch rastlín. Dlhé vlnové dĺžky mäkkých röntgenových laserových lúčov vám umožňujú skúmať bez toho, aby ste všetko zničiliprebieha vo vnútri rastliny. Injektor nanokryštálov spúšťa fotobunku I, proteínový kľúč k fotosyntéze potrebný na jej aktiváciu. Toto je zachytené laserovým lúčom röntgenových lúčov, čo spôsobí, že kryštál doslova exploduje.
Ak budú vyššie uvedené experimenty naďalej úspešné, ľudia budú môcť odhaliť tajomstvá prírody a umelá fotosyntéza sa môže stať realitou. Nastolí tiež otázku možnosti efektívnejšieho využívania slnečnej energie, čo podnieti vznik vedeckých projektov na mnoho rokov dopredu.
Magnety
A čo elektronický magnet? Vedci zistili, že keď na atómy xenónu a molekuly s obmedzeným množstvom jódu zasiahli vysokovýkonné röntgenové lúče, atómy odhodili svoje vnútorné elektróny, čím sa vytvorila medzera medzi jadrom a najvzdialenejšími elektrónmi. Príťažlivé sily uvádzajú tieto elektróny do pohybu. Za normálnych okolností by sa to nemalo stať, ale kvôli náhlemu poklesu elektrónov nastáva na atómovej úrovni príliš "nabitá" situácia. Vedci si myslia, že laser by sa dal použiť pri spracovaní obrazu.
Obrovský röntgenový laser Xfel
Tento 3500-stopový laser, ktorý je umiestnený v americkom národnom laboratóriu urýchľovačov, konkrétne v linac, využíva niekoľko dômyselných zariadení na zasiahnutie cieľov tvrdými röntgenovými lúčmi. Tu sú niektoré zo súčastí jedného z najvýkonnejších laserov (skratky a anglicizmy znamenajú súčasti mechanizmu):
- Drive Laser – vytváraultrafialový impulz, ktorý odstraňuje elektróny z katódy. Manipuláciou elektrického poľa emituje elektróny až do energetickej úrovne 12 miliárd eW. Vo vnútri strojčeka je tiež akcelerátor v tvare S s názvom Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 – rovnaký koncept ako Bunch 1, ale dlhšia štruktúra v tvare S, zvýšená vďaka vyšším energiám.
- Prepravná hala – umožňuje vám uistiť sa, že elektróny sú vhodné na zaostrovanie impulzov pomocou magnetických polí.
- Undulator Hall – Pozostáva z magnetov, ktoré spôsobujú pohyb elektrónov tam a späť, čím vytvárajú röntgenové lúče s vysokou energiou.
- Beam Dump je magnet, ktorý odstraňuje elektróny, no prepúšťa röntgenové lúče bez pohybu.
- LCLS Experimental Station je špeciálna komora, v ktorej je upevnený laser a ktorá je hlavným priestorom pre experimenty s ním súvisiace. Lúče generované týmto zariadením vytvárajú 120 impulzov za sekundu, pričom každý impulz trvá 1/10000000000 sekundy.
- Kapilárne plazmové výbojové médium. V tomto usporiadaní niekoľko centimetrov dlhá kapilára vyrobená zo stabilného materiálu (napr. oxidu hlinitého) obmedzuje vysoko presný submikrosekundový elektrický impulz v plyne s nízkym tlakom. Lorentzova sila spôsobuje ďalšie stlačenie plazmového výboja. Okrem toho sa často používa predionizačný elektrický alebo optický impulz. Príkladom je kapilárny neónový Ar8 + laser (ktorý generuje žiarenie pri 47nm).
- Cieľové médium pevnej dosky – po zasiahnutí optickým impulzom terč vyžaruje vysoko excitovanú plazmu. Na vytvorenie plazmy sa opäť často používa dlhší „predpulz“a na ďalšie ohrievanie plazmy sa používa druhý, kratší a energetickejší pulz. Pre krátke životnosti môže byť potrebný posun hybnosti. Gradient indexu lomu plazmy spôsobí, že sa zosilnený impulz odkloní od cieľového povrchu, pretože pri frekvenciách nad rezonanciou index lomu klesá s hustotou hmoty. Toto možno kompenzovať použitím viacerých cieľov v výbuchu, ako je to v európskom röntgenovom laseri s voľnými elektrónmi.
- Plazma excitovaná optickým poľom - pri dostatočne vysokých optických hustotách na efektívne tunelovanie elektrónov alebo dokonca na potlačenie potenciálovej bariéry (> 1016 W / cm2) je možné silne ionizovať plyn bez kontaktu s kapilárou resp. cieľ. Na synchronizáciu impulzov sa zvyčajne používa kolineárne nastavenie.
Vo všeobecnosti je štruktúra tohto mechanizmu podobná európskemu röntgenovému laseru s voľnými elektrónmi.
