Kakšen je princip delovanja rentgenskega laserja? Zaradi velikega dobička v mediju generacije, kratke življenjske dobe zgornjega stanja (1-100 ps) in težav, povezanih z gradnjo ogledal, ki lahko odbijajo žarke, ti laserji običajno delujejo brez ogledal. Rentgenski žarek nastane z enim prehodom skozi ojačevalni medij. Oddano sevanje na podlagi ojačanega spontanega žarka ima relativno nizko prostorsko koherenco. Preberite članek do konca in razumeli boste, da je to rentgenski laser. Ta naprava je zelo praktična in edinstvena po svoji strukturi.
Jedrca v strukturi mehanizma
Ker običajni laserski prehodi med vidnim in elektronskim ali vibracijskim stanjem ustrezajo energijam do 10 eV, so za rentgenske laserje potrebni različni aktivni mediji. Za to lahko spet uporabimo različna aktivna nabita jedra.
orožje
Med letoma 1978 in 1988 v projektu ExcaliburAmeriška vojska je v okviru Strateške obrambne pobude Vojne zvezd (SDI) poskušala razviti jedrski eksplozivni rentgenski laser za protiraketno obrambo. Vendar se je izkazalo, da je projekt predrag, zavlekel se je in je bil na koncu odložen.
Plazma medij v laserju
Najpogosteje uporabljeni mediji vključujejo visoko ionizirano plazmo, ki nastane v kapilarnem izpustu ali ko linearno fokusiran optični impulz zadene trdno tarčo. Po Saha ionizacijski enačbi sta najbolj stabilna elektronska konfiguracija neonska z 10 preostalimi elektroni in niklju podobna z 28 elektroni. Prehodi elektronov v visoko ionizirani plazmi običajno ustrezajo energijam reda več sto elektron voltov (eV).
Alternativni ojačevalni medij je relativistični elektronski žarek laserskega laserja brez rentgenskih žarkov, ki uporablja stimulirano Comptonovo sipanje namesto standardnega sevanja.
Prijava
Koherentne rentgenske aplikacije vključujejo koherentno difrakcijsko slikanje, gosto plazmo (prozorno za vidno sevanje), rentgensko mikroskopijo, fazno ločljivo medicinsko slikanje, pregled površine materiala in orožje.
Lažja različica laserja se lahko uporablja za ablativno lasersko premikanje.
Rentgenski laser: kako deluje
Kako delujejo laserji? Zaradi dejstva, da fotonzadene atom z določeno energijo, lahko povzročite, da atom odda foton s to energijo v procesu, imenovanem stimulirana emisija. Če ta postopek ponovite v velikem obsegu, boste dobili verižno reakcijo, ki povzroči laser. Vendar pa nekateri kvantni vozli povzročijo, da se ta proces ustavi, saj se foton včasih absorbira, ne da bi ga sploh oddajal. Toda za zagotovitev največjih možnosti se povečajo ravni energije fotonov in zrcala so nameščena vzporedno s svetlobno potjo, da pomagajo razpršenim fotonom, da se vrnejo v igro. In pri visokih energijah rentgenskih žarkov se odkrijejo posebni fizikalni zakoni, ki so neločljivi v tem posebnem pojavu.
Zgodovina
V zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja se je zdelo, da je rentgenski laser nedosegljiv, saj je večina laserjev tistega dne dosegla najvišjo dolžino 110 nm, kar je precej pod največjimi rentgenskimi žarki. To je bilo zato, ker je bila količina energije, potrebna za proizvodnjo stimuliranega materiala, tako visoka, da jo je bilo treba dostaviti v hitrem impulzu, kar je dodatno zapletlo odbojnost, potrebno za ustvarjanje močnega laserja. Zato so znanstveniki pogledali plazmo, ker je bila videti kot dober prevodni medij. Skupina znanstvenikov je leta 1972 trdila, da so končno dosegli uporabo plazme pri ustvarjanju laserjev, a ko so poskušali reproducirati svoje prejšnje rezultate, jim iz nekega razloga ni uspelo.
V osemdesetih letih prejšnjega stoletja se je raziskovalni skupini pridružil velik igralec iz svetaZnanost - Livermore. Medtem znanstveniki že leta delajo majhne, a pomembne korake, a potem, ko je Agencija za obrambne napredne raziskovalne projekte (DARPA) prenehala plačevati raziskave z rentgenskimi žarki, je Livermore postal vodja znanstvene ekipe. Vodil je razvoj več vrst laserjev, vključno s tistimi, ki temeljijo na fuziji. Njihov program jedrskega orožja je bil obetaven, saj so visoki energijski kazalniki, ki so jih znanstveniki dosegli med tem programom, namigovali na možnost ustvarjanja visokokakovostnega impulznega mehanizma, ki bi bil uporaben pri izdelavi laserskega laserja brez rentgenskih žarkov.
Projekt se je postopoma bližal zaključku. Znanstvenika George Chaplin in Lowell Wood sta najprej raziskovala fuzijsko tehnologijo za rentgenske laserje v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, nato pa sta prešla na jedrsko možnost. Skupaj so razvili tak mehanizem in bili pripravljeni za testiranje 13. septembra 1978, vendar je okvara opreme prekinila. Ampak morda je bilo tako najbolje. Peter Hagelstein je po preučevanju prejšnjega mehanizma ustvaril drugačen pristop in 14. novembra 1980 sta dva eksperimenta dokazala, da je prototip rentgenskega laserja deloval.
Projekt Vojne zvezd
Kmalu se je za projekt začelo zanimati ameriško ministrstvo za obrambo. Da, uporaba moči jedrskega orožja v fokusiranem žarku je prenevarna, vendar bi to moč lahko uporabili za uničenje medcelinskih balističnih raket (ICBM) v zraku. Najbolj priročno bi bilo uporabiti podoben mehanizem na blizu Zemljeorbita. Ves svet pozna ta program, imenovan Vojna zvezd. Vendar se projekt uporabe rentgenskega laserja kot orožja nikoli ni uresničil.
Izdaja Aviation Week and Space Engineering od 23. februarja 1981 poroča o rezultatih prvih testov projekta, vključno z laserskim žarkom, ki je dosegel 1,4 nanometra in zadel 50 različnih ciljev.
Preizkusi z dne 26. marca 1983 niso dali ničesar zaradi okvare senzorja. Vendar so naslednji testi 16. decembra 1983 pokazali njegove resnične zmogljivosti.
Nadaljnja usoda projekta
Hagelstein si je zamislil dvostopenjski postopek, v katerem bi laser ustvaril plazmo, ki bi sprostila nabite fotone, ki bi trčili z elektroni v drugem materialu in povzročili oddajanje rentgenskih žarkov. Preizkušenih je bilo več nastavitev, vendar se je na koncu za najboljšo rešitev izkazala ionska manipulacija. Plazma je odstranila elektrone, dokler ni ostalo le 10 notranjih, kjer so jih fotoni nato napolnili do 3p stanja in s tem sprostili "mehak" žarek. Eksperiment 13. julija 1984 je pokazal, da je bilo to več kot le teorija, ko je spektrometer meril močne emisije pri 20,6 in 20,9 nanometra selena (neonu podoben ion). Nato se je pojavil prvi laboratorijski (ne vojaški) rentgenski laser z imenom Novette.
Usoda Novette
Ta laser je zasnoval Jim Dunn, fizične vidike pa sta preverila Al Osterheld in Slava Shlyaptsev. Hitra uporaba(skoraj nanosekundni) impulz visokoenergijske svetlobe, ki je napolnil delce za sproščanje rentgenskih žarkov, je Novett uporabil tudi steklene ojačevalnike, ki izboljšajo učinkovitost, a se tudi hitro segrejejo, kar pomeni, da lahko deluje le 6-krat na dan med ohlajanjem. Toda nekatera dela so pokazala, da lahko sproži pikosekundni impulz, medtem ko se stiskanje vrne v nanosekundni impulz. V nasprotnem primeru se stekleni ojačevalnik uniči. Pomembno je omeniti, da Novette in drugi "namizni" rentgenski laserji proizvajajo "mehke" rentgenske žarke, ki imajo daljšo valovno dolžino, kar preprečuje prehod žarka skozi številne materiale, daje pa vpogled v zlitine in plazmo, saj zlahka sije skozi njih.
Druge uporabe in značilnosti delovanja
Za kaj se torej lahko uporablja ta laser? Že prej je bilo omenjeno, da lahko krajša valovna dolžina olajša preučevanje nekaterih materialov, vendar to ni edina uporaba. Ko tarčo zadene impulz, se ta preprosto uniči v atomske delce, temperatura pa hkrati doseže milijone stopinj v samo trilijonki sekunde. In če je ta temperatura dovolj, bo laser povzročil, da se elektroni odlepijo od znotraj. To je zato, ker najnižja raven elektronskih orbital pomeni prisotnost vsaj dveh elektronov, ki se izločata iz energije, ki jo ustvarijo rentgenski žarki.
Čas, ki je potreben za atomje izgubila vse svoje elektrone, je na vrsti nekaj femtosekund. Nastalo jedro se ne zadržuje dolgo in hitro preide v stanje plazme, znano kot "topla gosta snov", ki jo večinoma najdemo v jedrskih reaktorjih in jedrih velikih planetov. Z eksperimentiranjem z laserjem lahko dobimo predstavo o obeh procesih, ki sta različni obliki jedrske fuzije.
Uporaba rentgenskega laserja je resnično univerzalna. Druga uporabna lastnost teh rentgenskih žarkov je njihova uporaba s sinhrotroni ali delci, ki pospešujejo vzdolž celotne poti pospeševalnika. Glede na to, koliko energije je potrebno za to pot, lahko delci oddajajo sevanje. Na primer, elektroni, ko so vzbujeni, oddajajo rentgenske žarke, ki imajo valovno dolžino približno velikost atoma. Potem bi lahko preučevali lastnosti teh atomov z interakcijo z rentgenskimi žarki. Poleg tega lahko spremenimo energijo elektronov in pridobimo različne valovne dolžine rentgenskih žarkov, s čimer dosežemo večjo globino analize.
Vendar je zelo težko ustvariti rentgenski laser z lastnimi rokami. Njegova struktura je izredno zapletena tudi z vidika izkušenih fizikov.
V biologiji
Tudi biologi so imeli koristi od rentgenskih laserjev (jedrsko črpane). Njihovo sevanje lahko pomaga razkriti vidike fotosinteze, ki so bile znanosti prej neznane. Zajamejo subtilne spremembe na listih rastlin. Dolge valovne dolžine mehkih rentgenskih laserskih žarkov vam omogočajo raziskovanje, ne da bi uničili vse topoteka znotraj rastline. Nanokristalni injektor sproži fotocelico I, proteinski ključ za fotosintezo, ki je potrebna za njeno aktiviranje. To prestreže laserski žarek rentgenskih žarkov, ki povzroči, da kristal dobesedno eksplodira.
Če bodo zgornji poskusi še naprej uspešni, bodo ljudje lahko razkrili skrivnosti narave in umetna fotosinteza lahko postane resničnost. Postavilo bo tudi vprašanje možnosti učinkovitejše rabe sončne energije, kar bo povzročilo nastanek znanstvenih projektov še vrsto let.
magneti
Kaj pa elektronski magnet? Znanstveniki so ugotovili, da so atomi ksenona in molekule, omejene z jodom, udarili z rentgenskim žarkom velike moči, odvrgli svoje notranje elektrone in ustvarili praznino med jedrom in najbolj oddaljenimi elektroni. Privlačne sile spravljajo te elektrone v gibanje. Običajno se to ne bi smelo zgoditi, vendar se zaradi nenadnega padanja elektronov na atomski ravni pojavi preveč "nabita" situacija. Znanstveniki menijo, da bi laser lahko uporabili pri obdelavi slik.
Ogromni rentgenski laser Xfel
Ta 3500-metrski laser, ki gostuje v ameriškem nacionalnem laboratoriju za pospeševanje, natančneje v Linac, uporablja več iznajdljivih naprav za zadetek ciljev s trdimi rentgenskimi žarki. Tukaj je nekaj sestavnih delov enega najmočnejših laserjev (okrajšave in anglicizme pomenijo komponente mehanizma):
- Drive Laser - ustvarjaultravijolični impulz, ki odstranjuje elektrone s katode. Oddaja elektrone do energetske ravni 12 milijard eW z manipuliranjem električnega polja. V gibanju je tudi pospeševalnik v obliki črke S, imenovan Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - enak koncept kot Bunch 1, vendar daljša struktura v obliki črke S, povečana zaradi višjih energij.
- Transport Hall - omogoča, da se prepričate, da so elektroni primerni za fokusiranje impulzov z uporabo magnetnih polj.
- Undulator Hall - Sestoji iz magnetov, ki povzročajo premikanje elektronov naprej in nazaj in s tem ustvarjajo visokoenergijske rentgenske žarke.
- Beam Dump je magnet, ki odstranjuje elektrone, vendar prepušča rentgenske žarke brez premikanja.
- LCLS Experimental Station je posebna komora, v kateri je laser fiksiran in ki je glavni prostor za eksperimente, povezane z njim. Žarki, ki jih ustvari ta naprava, ustvarijo 120 impulzov na sekundo, pri čemer vsak impulz traja 1/10000000000 sekunde.
- Medij za odvajanje kapilarne plazme. V tej postavitvi nekaj centimetrov dolga kapilara, izdelana iz stabilnega materiala (npr. glinice), omejuje visoko natančen, podmikrosekundni električni impulz v nizkotlačnem plinu. Lorentzova sila povzroči nadaljnje stiskanje plazemskega izpusta. Poleg tega se pogosto uporablja predionizacijski električni ali optični impulz. Primer je kapilarni neonski Ar8 + laser (ki ustvarja sevanje pri 47nm).
- Ciljni medij iz trdne plošče - po udarcu optičnega impulza tarča oddaja močno vzbujeno plazmo. Spet se za ustvarjanje plazme pogosto uporablja daljši "predpulz", za nadaljnje segrevanje plazme pa drugi, krajši in bolj energični impulz. Za kratke življenjske dobe bo morda potreben premik zagona. Gradient lomnega količnika plazme povzroči, da se ojačani impulz upogne stran od ciljne površine, saj se pri frekvencah nad resonanco lomni količnik zmanjšuje z gostoto snovi. To je mogoče kompenzirati z uporabo več tarč v zaporedju, kot pri evropskem laserju z elektronskimi brez rentgenskih žarkov.
- Plazma, vzbujena z optičnim poljem - pri dovolj visoki optični gostoti, da učinkovito tunelira elektrone ali celo zatre potencialno pregrado (> 1016 W / cm2), je mogoče močno ionizirati plin brez stika s kapilaro oz. cilj. Običajno se za sinhronizacijo impulzov uporablja kolinearna nastavitev.
Na splošno je struktura tega mehanizma podobna evropskemu laserju brez rentgenskih žarkov.
