Mikä on röntgenlaserin toimintaperiaate? Sukupolviväliaineen suuren vahvistuksen, lyhyiden ylemmän tilan käyttöiän (1-100 ps) ja säteitä heijastavien peilien rakentamiseen liittyvien ongelmien vuoksi nämä laserit toimivat tyypillisesti ilman peilejä. Röntgensäde tuotetaan yhdellä läpikäynnillä vahvistusvälineen läpi. Vahvistettuun spontaaniin säteeseen perustuvalla säteilyllä on suhteellisen alhainen tilakoherenssi. Lue artikkeli loppuun ja ymmärrät, että tämä on röntgenlaser. Tämä laite on erittäin käytännöllinen ja rakenteeltaan ainutlaatuinen.
Ytimet mekanismirakenteessa
Koska perinteiset lasersiirtymät näkyvän ja elektronisen tai värähtelytilan välillä vastaavat jopa 10 eV:n energioita, röntgenlasereita varten tarvitaan erilaisia aktiivisia väliaineita. Tässäkin voidaan käyttää erilaisia aktiivisia varautuneita ytimiä.
Aseet
Vuosina 1978-1988 Excalibur-projektissaYhdysv altain armeija yritti kehittää ydinräjähdysainetta sisältävän röntgenlaserin ohjuspuolustukseen osana Star Wars Strategic Defence Initiativea (SDI). Projekti osoittautui kuitenkin liian kalliiksi, pitkittyi ja lopulta hylättiin.
Plasmamateriaali laserin sisällä
Yleimmin käytettyjä väliaineita ovat voimakkaasti ionisoitunut plasma, joka syntyy kapillaaripurkauksessa tai kun lineaarisesti fokusoitu optinen pulssi osuu kiinteään kohteeseen. Sahan ionisaatioyhtälön mukaan stabiileimpia elektronikonfiguraatioita ovat neon, jossa on 10 elektronia jäljellä, ja nikkelimäiset, joissa on 28 elektronia. Elektronisiirrot erittäin ionisoiduissa plasmassa vastaavat tyypillisesti satojen elektronivolttien (eV) luokkaa olevia energioita.
Vaihtoehtoinen vahvistusväliaine on röntgenvapaan elektronilaserin relativistinen elektronisuihku, joka käyttää stimuloitua Compton-sirontaa normaalin säteilyn sijaan.
Hakemus
Koherentit röntgensovellukset sisältävät koherentin diffraktiokuvauksen, tiheän plasman (näkyvälle säteilylle läpäisemättömän), röntgenmikroskoopin, vaiheerotteisen lääketieteellisen kuvantamisen, materiaalin pinnan tutkimuksen ja aseistuksen.
Laserin kevyempää versiota voidaan käyttää ablatiiviseen laserliikkeeseen.
Röntgenlaser: miten se toimii
Kuinka laserit toimivat? Johtuen siitä, että fotoniosuu atomiin tietyllä energialla, voit saada atomin lähettämään fotonin tällä energialla prosessissa, jota kutsutaan stimuloiduksi emissioniksi. Toistamalla tämä prosessi suuressa mittakaavassa, saat ketjureaktion, joka johtaa laseriin. Jotkut kvanttisolmut kuitenkin pysäyttävät tämän prosessin, koska fotoni imeytyy toisinaan ilman, että se emittoi ollenkaan. Mutta maksimaalisten mahdollisuuksien varmistamiseksi fotonien energiatasoja nostetaan ja peilit sijoitetaan valopolun suuntaisesti, jotta hajallaan olevat fotonit palaavat peliin. Ja suurilla röntgensäteiden energioilla havaitaan erityisiä fysikaalisia lakeja, jotka ovat luontaisia tälle ilmiölle.
Historia
1970-luvun alussa röntgenlaser näytti olevan ulottumattomissa, sillä useimmat nykyiset laserit saavuttivat huippunsa 110 nm:ssä, selvästi alle suurimman röntgensäteen. Tämä johtui siitä, että stimuloidun materiaalin tuottamiseen tarvittava energiamäärä oli niin suuri, että se piti toimittaa nopealla pulssilla, mikä vaikeutti entisestään tehokkaan laserin luomiseen tarvittavaa heijastavuutta. Siksi tutkijat katsoivat plasmaa, koska se näytti hyvältä johtav alta väliaineelta. Tiedemiesryhmä väitti vuonna 1972, että he olivat vihdoin saavuttaneet plasman käytön laserien luomisessa, mutta kun he yrittivät toistaa aikaisemmat tulokset, he epäonnistuivat jostain syystä.
1980-luvulla merkittävä toimija maailmasta liittyi tutkimusryhmäänTiede - Livermore. Tiedemiehet ovat puolestaan ottaneet pieniä, mutta tärkeitä harppauksia vuosia, mutta kun Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) lopetti maksamisen röntgentutkimuksesta, Livermoresta tuli tieteellisen ryhmän johtaja. Hän johti useiden lasertyyppien kehitystä, mukaan lukien fuusiopohjaiset. Heidän ydinaseohjelmansa oli lupaava, koska korkeat energiaindikaattorit, jotka tiedemiehet saavuttivat tämän ohjelman aikana, vihjasivat mahdollisuudesta luoda korkealaatuinen pulssimekanismi, joka olisi hyödyllinen röntgenvapaan elektronilaserin rakentamisessa.
Projekti oli vähitellen valmistumassa. Tiedemiehet George Chaplin ja Lowell Wood tutkivat ensin röntgenlaserien fuusioteknologiaa 1970-luvulla ja siirtyivät sitten ydinvoimaan. Yhdessä he kehittivät sellaisen mekanismin ja olivat valmiita testattavaksi 13. syyskuuta 1978, mutta laitevika katkaisi sen. Mutta ehkä se oli parasta. Peter Hagelstein loi toisenlaisen lähestymistavan tutkittuaan edellistä mekanismia, ja 14. marraskuuta 1980 kaksi koetta osoitti prototyypin röntgenlaserin toimivan.
Star Wars -projekti
Hyvin pian Yhdysv altain puolustusministeriö kiinnostui projektista. Kyllä, ydinaseen voiman käyttäminen kohdistetussa säteessä on liian vaarallista, mutta sitä voimaa voitaisiin käyttää mannertenvälisten ballististen ohjusten (ICBM) tuhoamiseen ilmassa. Olisi kätevintä käyttää samanlaista mekanismia lähellä maapalloakiertoradalla. Koko maailma tuntee tämän Star Wars -nimisen ohjelman. Projekti käyttää röntgenlaseria aseena ei kuitenkaan koskaan toteutunut.
Aviation Week and Space Engineeringin 23. helmikuuta 1981 ilmestyvä numero raportoi projektin ensimmäisten testien tulokset, mukaan lukien lasersäteen, joka saavutti 1,4 nanometrin ja osui 50 eri kohteeseen.
26. maaliskuuta 1983 päivätyt testit eivät tuottaneet mitään anturivian vuoksi. Seuraavat testit 16. joulukuuta 1983 osoittivat kuitenkin sen todelliset ominaisuudet.
Projektin tuleva kohtalo
Hagelstein visioi kaksivaiheisen prosessin, jossa laser loisi plasman, joka vapauttaisi varautuneita fotoneja, jotka törmäävät toisessa materiaalissa olevien elektronien kanssa ja aiheuttaisivat röntgensäteitä. Useita asetuksia kokeiltiin, mutta lopulta ionikäsittely osoittautui parhaaksi ratkaisuksi. Plasma poisti elektroneja, kunnes jäljellä oli vain 10 sisempää, missä fotonit sitten varasivat ne 3p-tilaan, vapauttaen näin "pehmeän" säteen. Heinäkuun 13. päivänä 1984 tehty koe osoitti, että tämä oli enemmän kuin teoria, kun spektrometri mittasi voimakkaita päästöjä 20,6 ja 20,9 nanometrillä seleeniä (neonin k altainen ioni). Sitten ilmestyi ensimmäinen laboratorion (ei sotilaallinen) röntgenlaser nimeltä Novette.
Novetten kohtalo
Tämän laserin on suunnitellut Jim Dunn, ja sen fyysiset ominaisuudet ovat tarkistaneet Al Osterheld ja Slava Shlyaptsev. Nopea käyttö(lähes nanosekuntia) korkean energian valopulssi, joka latasi hiukkaset vapauttamaan röntgensäteitä. Novett käytti myös lasivahvistimia, jotka parantavat tehokkuutta mutta myös lämpenevät nopeasti, eli se voi toimia vain 6 kertaa päivässä jäähtymisen välillä. Mutta jotkut työt ovat osoittaneet, että se voi laukaista pikosekunnin pulssin, kun taas pakkaus palaa nanosekunnin pulssiin. Muuten lasivahvistin tuhoutuu. On tärkeää huomata, että Novette ja muut "työpöytäröntgenlaserit" tuottavat "pehmeitä" röntgensäteitä, joiden aallonpituus on pidempi, mikä estää sädettä kulkemasta monien materiaalien läpi, mutta antaa käsityksen seoksista ja plasmasta, koska se paistaa helposti niiden läpi.
Muut käyttötavat ja toiminnan ominaisuudet
Mihin tätä laseria voidaan käyttää? Aiemmin on todettu, että lyhyempi aallonpituus voi helpottaa joidenkin materiaalien tutkimista, mutta tämä ei ole ainoa sovellus. Kun impulssi osuu kohteeseen, se yksinkertaisesti tuhoutuu atomihiukkasiksi ja samalla lämpötila saavuttaa miljoonia asteita vain sekunnin biljoonassa osassa. Ja jos tämä lämpötila on riittävä, laser saa elektronit kuorimaan irti sisältä. Tämä johtuu siitä, että elektronien kiertoradan alin taso merkitsee vähintään kahden elektronin läsnäoloa, jotka sinkoutuvat röntgensäteiden tuottamasta energiasta.
Ajo, joka atomilta kuluuon menettänyt kaikki elektroninsa, on muutaman femtosekunnin luokkaa. Tuloksena oleva ydin ei viipyy pitkään ja siirtyy nopeasti plasmatilaan, joka tunnetaan nimellä "lämmin tiheä aine", jota esiintyy enimmäkseen ydinreaktoreissa ja suurten planeettojen ytimissä. Laserilla kokeilemalla saamme käsityksen molemmista prosesseista, jotka ovat erilaisia ydinfuusion muotoja.
Röntgenlaserin käyttö on todella yleistä. Toinen näiden röntgensäteiden hyödyllinen ominaisuus on niiden käyttö synkrotronien tai hiukkasten kanssa, jotka kiihtyvät koko kiihdytinpolulla. Sen perusteella, kuinka paljon energiaa tämän polun tekemiseen kuluu, hiukkaset voivat lähettää säteilyä. Esimerkiksi elektronit lähettävät virittyessään röntgensäteitä, joiden aallonpituus on suunnilleen atomin kokoinen. Sitten voisimme tutkia näiden atomien ominaisuuksia vuorovaikutuksen kautta röntgensäteiden kanssa. Lisäksi voimme muuttaa elektronien energiaa ja saada erilaisia röntgensäteiden aallonpituuksia, jolloin saadaan suurempi analyysisyvyys.
On kuitenkin erittäin vaikeaa luoda röntgenlaseria omin käsin. Sen rakenne on erittäin monimutkainen jopa kokeneiden fyysikkojen näkökulmasta.
Biologiassa
Jopa biologit ovat voineet hyötyä röntgenlasereista (ydinpumppaus). Niiden säteily voi auttaa paljastamaan tieteelle aiemmin tuntemattomia fotosynteesin piirteitä. Ne tallentavat hienovaraisia muutoksia kasvien lehtiin. Pehmeiden röntgensäteiden lasersäteiden pitkät aallonpituudet mahdollistavat tutkimisen tuhoamatta kaikkeatapahtuu kasvin sisällä. Nanokiteinen injektori laukaisee valokennon I, proteiinin avaimen fotosynteesiin, jota tarvitaan sen aktivoimiseksi. Tämän sieppaa röntgensäteiden lasersäde, joka saa kiteen kirjaimellisesti räjähtämään.
Jos yllä olevat kokeet onnistuvat edelleen, ihmiset voivat selvittää luonnon mysteerit ja keinotekoinen fotosynteesistä voi tulla todellisuutta. Se herättää myös kysymyksen aurinkoenergian tehokkaamman käytön mahdollisuudesta, mikä provosoi tieteellisten hankkeiden syntymistä monien vuosien ajan.
Magneetit
Entä elektroninen magneetti? Tiedemiehet havaitsivat, että kun heillä oli ksenonatomeja ja jodirajoitettuja molekyylejä, jotka osuivat suuritehoiseen röntgensäteeseen, atomit heittivät irti sisäiset elektroninsa ja loivat tyhjiön ytimen ja uloimpien elektronien väliin. Houkuttelevat voimat saavat nämä elektronit liikkeelle. Normaalisti näin ei pitäisi tapahtua, mutta elektronien putoamisen äkillisyydestä johtuen atomitasolla syntyy liian "varautunut" tilanne. Tutkijat uskovat, että laseria voitaisiin käyttää kuvankäsittelyssä.
Jättiläinen röntgenlaser Xfel
Yhdysv altain National Accelerator Laboratoryssa, erityisesti Linacissa, isännöity 3500 jalan laser käyttää useita nerokkaita laitteita osumaan kohteisiin kovilla röntgensäteillä. Tässä on joitain yhden tehokkaimmista lasereista (lyhenteet ja anglicismit tarkoittavat mekanismin osia):
- Drive Laser - luoultraviolettipulssi, joka poistaa elektroneja katodista. Säteilee elektroneja 12 miljardin eW:n energiatasoon asti manipuloimalla sähkökenttää. Liikkeen sisällä on myös S-muotoinen kiihdytin nimeltä Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - sama konsepti kuin Bunch 1, mutta pidempi S-muotoinen rakenne, lisääntynyt korkeampien energioiden ansiosta.
- Liikennehalli - voit varmistaa, että elektronit sopivat pulssien tarkentamiseen magneettikenttien avulla.
- Undulator Hall - Koostuu magneeteista, jotka saavat elektronit liikkumaan edestakaisin ja synnyttävät näin suurienergisiä röntgensäteitä.
- Beam Dump on magneetti, joka poistaa elektroneja, mutta päästää röntgensäteet läpi liikkumatta.
- LCLS Experimental Station on erityinen kammio, johon laser on kiinnitetty ja joka on siihen liittyvien kokeiden päätila. Tämän laitteen tuottamat säteet luovat 120 pulssia sekunnissa, ja jokainen pulssi kestää 1/10000000000 sekuntia.
- Kapillaarinen plasmapurkausaine. Tässä asetelmassa useita senttejä pitkä kapillaari, joka on valmistettu stabiilista materiaalista (esim. alumiinioksidi), rajoittaa korkean tarkkuuden, alle mikrosekunnin sähköpulssin matalapaineisessa kaasussa. Lorentzin voima aiheuttaa plasmapurkauksen lisäpuristumisen. Lisäksi käytetään usein esiionisoitua sähköistä tai optista pulssia. Esimerkki on kapillaari neonin k altainen Ar8 + laser (joka tuottaa säteilyä 47 °C:ssanm).
- Kiinteän laatan kohdeväliaine – optisen pulssin osumisen jälkeen kohde lähettää erittäin virittyneen plasman. Jälleen pidempää "esipulssia" käytetään usein plasman luomiseen, ja toista, lyhyempää ja energisempaa pulssia käytetään plasman edelleen lämmittämiseen. Lyhyen käyttöiän ajaksi voi olla tarpeen muuttaa vauhtia. Plasman taitekerroingradientti saa vahvistetun pulssin taipumaan pois kohdepinnasta, koska resonanssin yläpuolella olevilla taajuuksilla taitekerroin pienenee aineen tiheyden mukana. Tämä voidaan kompensoida käyttämällä useita kohteita purskeessa, kuten eurooppalaisessa röntgenvapaan elektronilaserissa.
- Plasma, joka virittyy optisella kentällä - riittävän suurilla optisilla tiheyksillä tunneloimaan tehokkaasti elektroneja tai jopa tukahduttamaan potentiaaliesteen (> 1016 W / cm2), on mahdollista ionisoida kaasu voimakkaasti ilman kosketusta kapillaariin tai kohde. Tyypillisesti kollineaarista asetusta käytetään pulssien synkronointiin.
Yleensä tämän mekanismin rakenne on samanlainen kuin eurooppalaisen röntgenvapaan elektronilaserin.
