Mis on röntgenlaseri tööpõhimõte? Põllunduskeskkonna suure võimenduse, lühikese ülemise oleku eluea (1–100 ps) ja kiiri peegeldavate peeglite ehitamisega seotud probleemide tõttu töötavad need laserid tavaliselt ilma peegliteta. Röntgenikiir genereeritakse ühekordsel läbimisel võimenduskandja. Võimendatud spontaansel kiirel põhinev kiirgav kiirgus on suhteliselt madala ruumilise koherentsiga. Lugege artikkel lõpuni ja saate aru, et tegemist on röntgenlaseriga. See seade on oma ülesehituselt väga praktiline ja ainulaadne.
Tuumad mehhanismi struktuuris
Kuna tavapärased lasersiirded nähtava ja elektroonilise või vibratsiooni oleku vahel vastavad energiale kuni 10 eV, on röntgenlaserite jaoks vaja erinevaid aktiivmeediume. Jällegi saab selleks kasutada erinevaid aktiivse laenguga tuumasid.
Relvad
Aastatel 1978–1988 Excaliburi projektisUSA sõjavägi püüdis Star Warsi strateegilise kaitse algatuse (SDI) raames välja töötada tuumalõhkeaine röntgenlaserit raketitõrjeks. Projekt osutus aga liiga kalliks, venis ja jäi lõpuks riiulile.
Plasmakandja laseris
Kõige sagedamini kasutatavad kandjad hõlmavad tugev alt ioniseeritud plasmat, mis tekib kapillaarlahendusel või siis, kui lineaarselt fokusseeritud optiline impulss tabab tahket sihtmärki. Saha ionisatsioonivõrrandi järgi on kõige stabiilsemad elektronide konfiguratsioonid neoon, millest on jäänud 10 elektroni, ja niklitaoline, milles on 28 elektroni. Elektronide üleminekud tugev alt ioniseeritud plasmas vastavad tavaliselt sadade elektronvoltide (eV) suurusjärgus olevatele energiatele.
Alternatiivne võimenduskeskkond on röntgenivaba elektronlaseri relativistlik elektronkiir, mis kasutab standardkiirguse asemel stimuleeritud Comptoni hajumist.
Rakendus
Koherentsete röntgenirakenduste hulka kuuluvad koherentne difraktsioonkujutis, tihe plasma (nähtavale kiirgusele läbipaistmatu), röntgenmikroskoopia, faasilahutusega meditsiiniline pildistamine, materjali pinna uuring ja relvastus.
Laseri kergemat versiooni saab kasutada laseri ablatiivseks liigutamiseks.
Röntgenlaser: kuidas see töötab
Kuidas laserid töötavad? Tulenev alt sellest, et footontabab aatomit teatud energiaga, saate panna aatomi kiirgama selle energiaga footoni protsessis, mida nimetatakse stimuleeritud emissiooniks. Korrates seda protsessi suures mahus, saate ahelreaktsiooni, mille tulemuseks on laser. Kuid mõned kvantsõlmed põhjustavad selle protsessi peatumise, kuna footon neeldub mõnikord ilma üldse kiirgamata. Kuid maksimaalsete võimaluste tagamiseks suurendatakse footonite energiataset ja peeglid asetatakse paralleelselt valguse teega, et aidata hajutatud footonitel uuesti mängu tulla. Röntgenikiirguse kõrge energia korral leitakse spetsiaalsed füüsikalised seadused, mis on omased sellele konkreetsele nähtusele.
Ajalugu
1970. aastate alguses tundus röntgenlaser kättesaamatu, kuna enamik tolleaegseid lasereid saavutas haripunkti lainepikkusel 110 nm, mis on tunduv alt madalam kui suurimad röntgenikiirgused. Põhjus oli selles, et stimuleeritud materjali tootmiseks vajalik energiahulk oli nii suur, et see tuli edastada kiire impulsiga, mis raskendas veelgi võimsa laseri loomiseks vajalikku peegeldust. Seetõttu uurisid teadlased plasmat, kuna see nägi välja hea juhtiva keskkonnana. 1972. aastal väitis teadlaste meeskond, et nad on lõpuks saavutanud plasma kasutamise laserite loomisel, kuid kui nad üritasid oma varasemaid tulemusi reprodutseerida, ebaõnnestusid nad mingil põhjusel.
1980ndatel liitus uurimismeeskonnaga üks suur tegija maailmastTeadus – Livermore. Teadlased on vahepeal teinud väikseid, kuid olulisi edusamme juba aastaid, kuid pärast seda, kui Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) lõpetas röntgenuuringute eest tasumise, sai Livermore'ist teadusrühma juht. Ta juhtis mitut tüüpi laserite, sealhulgas termotuumasünteesil põhinevate laserite väljatöötamist. Nende tuumarelvaprogramm oli paljulubav, sest kõrged energianäitajad, mille teadlased selle programmi jooksul saavutasid, viitasid võimalusele luua kvaliteetne impulssmehhanism, mis oleks kasulik röntgenivaba elektronlaseri ehitamisel.
Projekt hakkas järk-järgult lõppema. Teadlased George Chaplin ja Lowell Wood uurisid 1970. aastatel esmakordselt röntgenlaserite termotuumasünteesi tehnoloogiat ja läksid seejärel tuumaenergia valikule. Koos töötati välja selline mehhanism ja 13. septembril 1978 olid nad katsetamiseks valmis, kuid seadme rike katkestas selle. Aga võib-olla oli see parim. Peter Hagelstein lõi pärast eelmise mehhanismi uurimist teistsuguse lähenemisviisi ja 14. novembril 1980 tõestasid kaks katset, et prototüübi röntgenlaser töötab.
Tähesõdade projekt
Üsna pea hakkas USA kaitseministeerium projekti vastu huvi tundma. Jah, tuumarelva jõu kasutamine fokuseeritud kiires on liiga ohtlik, kuid seda võimsust saaks kasutada mandritevaheliste ballistiliste rakettide (ICBM) hävitamiseks õhus. Kõige mugavam oleks kasutada sarnast mehhanismi Maa-lähedasel pinnalorbiit. Kogu maailm teab seda programmi nimega Star Wars. Projekt kasutada röntgenlaserit relvana ei saanud aga kunagi teoks.
Aviation Week and Space Engineeringi 23. veebruari 1981. aasta väljaandes avaldatakse projekti esimeste katsete tulemused, sealhulgas laserkiir, mis ulatus 1,4 nanomeetrini ja tabas 50 erinevat sihtmärki.
26. märtsil 1983 dateeritud testid anduri rikke tõttu ei andnud midagi. Kuid järgmised testid 16. detsembril 1983 näitasid selle tõelisi võimeid.
Projekti edasine saatus
Hagelstein nägi ette kaheetapilise protsessi, mille käigus laser loob plasma, mis vabastaks laetud footonid, mis põrkaksid kokku elektronidega teises materjalis ja põhjustaksid röntgenikiirguse kiirgamist. Prooviti mitmeid seadistusi, kuid lõpuks osutus ioonide manipuleerimine parimaks lahenduseks. Plasma eemaldas elektronid, kuni alles jäi vaid 10 sisemist, kus footonid laadisid need seejärel kuni 3p olekuni, vabastades nii "pehme" kiire. 13. juulil 1984 tehtud katse tõestas, et see oli enamat kui teooria, kui spektromeeter mõõtis tugevaid emissioone 20,6 ja 20,9 nanomeetrisel seleenil (neoonilaadne ioon). Siis ilmus esimene laboratoorne (mitte sõjaline) röntgenlaser nimega Novette.
Novette'i saatus
Selle laseri kujundas Jim Dunn ning selle füüsilisi aspekte kontrollisid Al Osterheld ja Slava Shlyaptsev. Kiire kasutamine(peaaegu nanosekundiline) suure energiaga valgusimpulss, mis laadis osakesed röntgenikiirguse vabastamiseks, kasutas Novett ka klaasvõimendeid, mis parandavad tõhusust, kuid ka kuumenevad kiiresti, mis tähendab, et see võib jahtumise vahel töötada ainult 6 korda päevas. Kuid mõned tööd on näidanud, et see võib vallandada pikosekundilise impulsi, samal ajal kui kompressioon naaseb nanosekundiliseks impulsiks. Vastasel juhul hävib klaasivõimendi. Oluline on märkida, et Novette ja teised lauaarvuti röntgenlaserid toodavad "pehmeid" röntgenkiirte, millel on pikem lainepikkus, mis ei lase tal läbida paljusid materjale, kuid annab ülevaate sulamitest ja plasmast, kuna see paistab neist kergesti läbi.
Muud kasutusvõimalused ja tööfunktsioonid
Milleks siis seda laserit kasutada? Varem on märgitud, et lühem lainepikkus võib hõlbustada mõne materjali uurimist, kuid see pole ainus rakendus. Kui sihtmärk tabab impulsi, hävib see lihts alt aatomiosakesteks ja temperatuur jõuab samal ajal miljonite kraadideni vaid triljondiku sekundiga. Ja kui sellest temperatuurist piisab, paneb laser elektronid seestpoolt maha kooruma. Seda seetõttu, et elektronide orbitaalide madalaim tase eeldab vähem alt kahe elektroni olemasolu, mis paiskuvad välja röntgenikiirguse tekitatud energiast.
Aeg, mis kulub aatomilon kaotanud kõik oma elektronid, on mõne femtosekundi suurusjärgus. Saadud tuum ei püsi kaua ja läheb kiiresti üle plasmaolekusse, mida tuntakse "sooja tiheda ainena", mida leidub enamasti tuumareaktorites ja suurte planeetide tuumades. Laseriga katsetades saame aimu mõlemast protsessist, mis on tuumasünteesi erinevad vormid.
Röntgenlaseri kasutamine on tõeliselt universaalne. Nende röntgenikiirte teine kasulik omadus on nende kasutamine sünkrotronide või osakestega, mis kiirendavad kogu kiirendi teekonnal. Sõltuv alt sellest, kui palju energiat selle tee tegemiseks kulub, võivad osakesed kiirata kiirgust. Näiteks elektronid kiirgavad ergastamisel röntgenikiirgust, mille lainepikkus on umbes aatomisuurune. Seejärel saaksime uurida nende aatomite omadusi interaktsiooni kaudu röntgenikiirgusega. Lisaks saame muuta elektronide energiat ja saada erineva lainepikkusega röntgenikiirgust, saavutades suurema analüüsisügavuse.
Samas on väga raske oma kätega röntgenlaserit luua. Selle struktuur on isegi kogenud füüsikute seisukohast äärmiselt keeruline.
Bioloogias
Isegi bioloogid on saanud kasu röntgenlaseritest (tuumapumbaga). Nende kiirgus võib aidata paljastada fotosünteesi aspekte, mida teadusele varem ei tundnud. Nad püüavad kinni peened muutused taimelehtedes. Pehmete röntgen-laserkiirte pikad lainepikkused võimaldavad teil uurida kõike seda hävitamatatoimub taime sees. Nanokristallinjektor käivitab fotoelemendi I, selle aktiveerimiseks vajaliku fotosünteesi valgu võtme. Selle püüab kinni röntgenkiirte laserkiir, mis põhjustab kristalli sõna otseses mõttes plahvatuse.
Kui ül altoodud katsed on jätkuv alt edukad, suudavad inimesed lahti harutada looduse saladusi ja kunstlik fotosüntees võib saada reaalsuseks. See tõstatab ka küsimuse päikeseenergia tõhusama kasutamise võimaluse kohta, provotseerides paljude aastate jooksul teadusprojektide esilekerkimist.
Magnetid
Aga elektrooniline magnet? Teadlased leidsid, et kui suure võimsusega röntgenikiirgus tabas neil ksenooni aatomeid ja piiratud joodisisaldusega molekule, paiskasid aatomid välja oma sisemised elektronid, luues tuuma ja välimiste elektronide vahele tühimiku. Atraktiivsed jõud panevad need elektronid liikuma. Tavaliselt ei tohiks see juhtuda, kuid elektronide langemise äkilisuse tõttu tekib aatomitasandil liiga "laetud" olukord. Teadlased arvavad, et laserit saab kasutada pilditöötluses.
Hiiglaslik röntgenlaser Xfel
USA riiklikus kiirendilaboris, täpsem alt Linac'is majutatud 3500 jala pikkune laser kasutab mitmeid geniaalseid seadmeid, et tabada sihtmärke tugevate röntgenikiirtega. Siin on mõned ühe võimsaima laseri komponendid (lühendid ja anglitsismid tähistavad mehhanismi komponente):
- Drive Laser – loobultraviolettimpulss, mis eemaldab katoodilt elektronid. Elektriväljaga manipuleerides kiirgab elektrone kuni 12 miljardi eW energiatasemeni. Liikumise sees on ka S-kujuline kiirendi nimega Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 – sama kontseptsioon nagu 1. kobaral, kuid pikem S-kujuline struktuur, suurenenud tänu suuremale energiale.
- Transpordihall – võimaldab veenduda, et elektronid sobivad magnetväljade abil impulsside teravustamiseks.
- Undulator Hall – koosneb magnetitest, mis panevad elektronid edasi-tagasi liikuma, tekitades seeläbi suure energiaga röntgenikiirgust.
- Beam Dump on magnet, mis eemaldab elektronid, kuid laseb röntgenikiirgust liigutamata läbi.
- LCLS katsejaam on spetsiaalne kamber, milles laser on fikseeritud ja mis on peamine ruum sellega seotud katseteks. Selle seadme genereeritud kiired tekitavad 120 impulssi sekundis, kusjuures iga impulss kestab 1/10000000000 sekundit.
- Kapillaarne plasmalahenduskeskkond. Selle seadistuse korral piirab mitme sentimeetri pikkune kapillaar, mis on valmistatud stabiilsest materjalist (nt alumiiniumoksiid), madala rõhuga gaasis ülitäpset, alla mikrosekundi pikkust elektriimpulsi. Lorentzi jõud põhjustab plasmalahenduse edasise kokkusurumise. Lisaks kasutatakse sageli eelionisatsiooni elektrilist või optilist impulssi. Näiteks on kapillaarneoonilaadne Ar8 + laser (mis genereerib kiirgust temperatuuril 47nm).
- Tahke plaadi sihtkeskkond – pärast optilise impulsi tabamist kiirgab sihtmärk tugev alt erutatud plasmat. Jällegi kasutatakse plasma loomiseks sageli pikemat "eelpulssi" ja plasma edasiseks soojendamiseks teist, lühemat ja energilisemat impulssi. Lühikese kasutusea korral võib osutuda vajalikuks hoo muutmine. Plasma murdumisnäitaja gradient põhjustab võimendatud impulsi sihtpinnast eemale paindumise, kuna resonantsist kõrgematel sagedustel väheneb murdumisnäitaja aine tihedusega. Seda saab kompenseerida, kasutades mitut sihtmärki sarivõttes, nagu Euroopa röntgenivaba elektronlaseri puhul.
- Optilise välja poolt ergastatud plasma – piisav alt kõrge optilise tiheduse korral, et tõhus alt tunneldada elektrone või isegi summutada potentsiaalset barjääri (> 1016 W / cm2), on võimalik gaasi tugev alt ioniseerida ilma kapillaari või kapillaariga kokku puutumata. sihtmärk. Tavaliselt kasutatakse impulsside sünkroonimiseks kollineaarset seadistust.
Üldiselt on selle mehhanismi struktuur sarnane Euroopa röntgenivaba elektronlaseriga.
