Hva er arbeidsprinsippet til røntgenlaser? På grunn av den høye forsterkningen i generasjonsmediet, den korte øvre tilstandslevetiden (1-100 ps) og problemene forbundet med å bygge speil som kan reflektere strålene, fungerer disse laserne vanligvis uten speil. Røntgenstrålen genereres av en enkelt passering gjennom forsterkningsmediet. Den utsendte strålingen basert på den forsterkede spontane strålen har en relativt lav romlig koherens. Les artikkelen til slutten og du vil forstå at dette er en røntgenlaser. Denne enheten er veldig praktisk og unik i sin struktur.
Kjerner i mekanismestrukturen
Siden konvensjonelle laseroverganger mellom synlige og elektroniske eller vibrasjonstilstander tilsvarer energier opp til 10 eV, er det nødvendig med forskjellige aktive medier for røntgenlasere. Igjen kan forskjellige aktive ladede kjerner brukes til dette.
våpen
Mellom 1978 og 1988 i Excalibur-prosjektetDet amerikanske militæret forsøkte å utvikle en kjernefysisk eksplosiv røntgenlaser for missilforsvar som en del av Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Prosjektet viste seg imidlertid å være for dyrt, trakk ut og ble til slutt skrinlagt.
Plasmamedier i en laser
De mest brukte mediene inkluderer høyt ionisert plasma som dannes i en kapillærutladning eller når en lineært fokusert optisk puls treffer et fast mål. I følge Saha-ioniseringsligningen er de mest stabile elektronkonfigurasjonene neon, med 10 elektroner igjen, og nikkellignende, med 28 elektroner. Elektronoverganger i høyt ioniserte plasmaer tilsvarer vanligvis energier i størrelsesorden hundrevis av elektronvolt (eV).
Et alternativt forsterkermedium er den relativistiske elektronstrålen til en røntgenfri elektronlaser, som bruker stimulert Compton-spredning i stedet for standardstråling.
Application
Koherente røntgenapplikasjoner inkluderer koherent diffraksjonsavbildning, tett plasma (ugjennomsiktig for synlig stråling), røntgenmikroskopi, faseoppløst medisinsk bildebehandling, materialoverflateundersøkelse og våpenisering.
Lettere versjon av laseren kan brukes til ablativ laserbevegelse.
Røntgenlaser: hvordan det fungerer
Hvordan fungerer lasere? På grunn av det faktum at fotonettreffer et atom med en viss energi, kan du få atomet til å sende ut et foton med den energien i en prosess som kalles stimulert emisjon. Ved å gjenta denne prosessen i stor skala vil du få en kjedereaksjon som resulterer i en laser. Noen kvanteknuter får imidlertid denne prosessen til å stoppe, ettersom et foton noen ganger blir absorbert uten å bli sendt ut i det hele tatt. Men for å sikre maksimale sjanser, økes fotonenerginivåene og speil plasseres parallelt med lysbanen for å hjelpe de spredte fotonene med å komme tilbake i spill. Og ved høye energier av røntgenstråler finner man spesielle fysiske lover som er iboende i dette spesielle fenomenet.
Historie
På begynnelsen av 1970-tallet virket røntgenlaseren utenfor rekkevidde, da de fleste dagens lasere nådde en topp på 110 nm, godt under de største røntgenstrålene. Dette var fordi mengden energi som kreves for å produsere det stimulerte materialet var så høy at det måtte leveres i en rask puls, noe som ytterligere kompliserte reflektiviteten som trengs for å lage en kraftig laser. Derfor så forskerne på plasmaet, fordi det så ut som et godt ledende medium. Et team av forskere i 1972 hevdet at de endelig hadde oppnådd bruken av plasma til å lage lasere, men da de prøvde å reprodusere sine tidligere resultater, mislyktes de av en eller annen grunn.
På 1980-tallet ble en stor aktør fra verden med i forskerteametVitenskap - Livermore. Forskere har i mellomtiden gjort små, men viktige fremskritt i årevis, men etter at Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sluttet å betale for røntgenforskning, ble Livermore leder for det vitenskapelige teamet. Han ledet utviklingen av flere typer lasere, inkludert de som er basert på fusjon. Atomvåpenprogrammet deres var lovende, fordi høyenergiindikatorene som forskerne oppnådde under dette programmet antydet muligheten for å lage en pulserende mekanisme av høy kvalitet som ville være nyttig i konstruksjonen av en røntgenfri elektronlaser.
Prosjektet nærmet seg gradvis ferdigstillelse. Forskerne George Chaplin og Lowell Wood utforsket først fusjonsteknologi for røntgenlasere på 1970-tallet og byttet deretter til et kjernefysisk alternativ. Sammen utviklet de en slik mekanisme og var klare for testing 13. september 1978, men utstyrssvikt avbrøt det. Men det var kanskje til det beste. Peter Hagelstein skapte en annen tilnærming etter å ha studert den forrige mekanismen, og 14. november 1980 beviste to eksperimenter at prototypen røntgenlaser fungerte.
Star Wars Project
Svært snart ble det amerikanske forsvarsdepartementet interessert i prosjektet. Ja, å bruke kraften til et atomvåpen i en fokusert stråle er for farlig, men den kraften kan brukes til å ødelegge interkontinentale ballistiske missiler (ICBM) i luften. Det ville være mest praktisk å bruke en lignende mekanisme på nær-jordenbane. Hele verden kjenner til dette programmet som heter Star Wars. Prosjektet med å bruke røntgenlaseren som våpen ble imidlertid aldri realisert.
23. februar 1981-utgaven av Aviation Week and Space Engineering rapporterer resultatene av de første testene av prosjektet, inkludert en laserstråle som nådde 1,4 nanometer og traff 50 forskjellige mål.
Tester datert 26. mars 1983 ga ingenting på grunn av sensorfeil. De følgende testene 16. desember 1983 demonstrerte imidlertid dens sanne kapasitet.
Prosjektets videre skjebne
Hagelstein så for seg en to-trinns prosess der en laser ville lage et plasma som ville frigjøre ladede fotoner som ville kollidere med elektroner i et annet materiale og forårsake røntgenstråler. Flere oppsett ble prøvd, men ionemanipulasjon viste seg til slutt å være den beste løsningen. Plasmaet fjernet elektronene til bare 10 indre var igjen, hvor fotonene deretter ladet dem opp til 3p-tilstanden, og dermed frigjorde den "myke" strålen. Et eksperiment 13. juli 1984 beviste at dette var mer enn teori da et spektrometer målte sterke utslipp på 20,6 og 20,9 nanometer selen (et neonlignende ion). Da dukket den første laboratoriet (ikke militær) røntgenlaseren opp med navnet Novette.
Novettes skjebne
Denne laseren ble designet av Jim Dunn og hadde fysiske aspekter verifisert av Al Osterheld og Slava Shlyaptsev. Bruker raskt(nær nanosekund) puls av høyenergilys som ladet partiklene for å frigjøre røntgenstråler, Novett brukte også glassforsterkere, som forbedrer effektiviteten, men som også varmes opp raskt, noe som betyr at den bare kan kjøre 6 ganger om dagen mellom nedkjøling. Men noe arbeid har vist at den kan avfyre en pikosekundpuls mens kompresjonen går tilbake til en nanosekundspuls. Ellers vil glassforsterkeren bli ødelagt. Det er viktig å merke seg at Novette og andre "desktop" røntgenlasere produserer "myke" røntgenstråler, som har lengre bølgelengde, som hindrer strålen i å passere gjennom mange materialer, men gir innsikt i legeringer og plasma, siden det skinner lett gjennom dem.
Andre bruksområder og funksjoner for driften
Så hva kan denne laseren brukes til? Det har tidligere vært bemerket at en kortere bølgelengde kan gjøre det lettere å undersøke enkelte materialer, men dette er ikke den eneste applikasjonen. Når et mål blir truffet av en impuls, blir det rett og slett ødelagt til atompartikler, og temperaturen når samtidig millioner av grader på bare en trilliondels sekund. Og hvis denne temperaturen er nok, vil laseren få elektronene til å flasse av fra innsiden. Dette er fordi det laveste nivået av elektronorbitaler innebærer tilstedeværelsen av minst to elektroner, som kastes ut fra energien som genereres av røntgenstråler.
Tiden det tar for et atomhar mistet alle elektronene sine, er i størrelsesorden noen få femtosekunder. Den resulterende kjernen henger ikke lenge og går raskt over i en plasmatilstand kjent som "varm tett materie", som for det meste finnes i atomreaktorer og kjernene til store planeter. Ved å eksperimentere med laseren kan vi få en ide om begge prosessene, som er forskjellige former for kjernefysisk fusjon.
Bruken av røntgenlaseren er virkelig universell. En annen nyttig funksjon ved disse røntgenstrålene er deres bruk med synkrotroner eller partikler som akselererer langs hele akseleratorens bane. Basert på hvor mye energi det tar å lage denne banen, kan partiklene sende ut stråling. For eksempel sender elektroner, når de er opphisset, røntgenstråler, som har en bølgelengde omtrent på størrelse med et atom. Deretter kunne vi studere egenskapene til disse atomene gjennom interaksjon med røntgenstråler. I tillegg kan vi endre energien til elektronene og oppnå forskjellige bølgelengder av røntgenstråler, og oppnå større analysedybde.
Det er imidlertid veldig vanskelig å lage en røntgenlaser med egne hender. Strukturen er ekstremt kompleks selv fra synspunktet til erfarne fysikere.
I biologi
Selv biologer har kunnet dra nytte av røntgenlasere (atompumpet). Strålingen deres kan bidra til å avsløre aspekter ved fotosyntesen som tidligere var ukjent for vitenskapen. De fanger opp subtile endringer i planteblader. Lange bølgelengder av myke røntgenlaserstråler lar deg utforske uten å ødelegge alt detforegår inne i anlegget. Nanokrystallinjektoren utløser fotocelle I, proteinnøkkelen til fotosyntesen som trengs for å aktivere den. Dette blir fanget opp av en laserstråle av røntgenstråler, som får krystallen til å bokstavelig t alt eksplodere.
Hvis de ovennevnte eksperimentene fortsetter å lykkes, vil folk være i stand til å avdekke naturens mysterier, og kunstig fotosyntese kan bli en realitet. Det vil også reise spørsmålet om muligheten for mer effektiv bruk av solenergi, og provosere frem fremveksten av vitenskapelige prosjekter i mange år fremover.
Magnet
Hva med en elektronisk magnet? Forskerne fant ut at når de fikk xenonatomer og jodbegrensede molekyler truffet av en røntgenstråle med høy effekt, kastet atomene av seg sine indre elektroner, og skapte et tomrom mellom kjernen og de ytterste elektronene. Tiltrekningskrefter setter disse elektronene i bevegelse. Norm alt bør dette ikke skje, men på grunn av plutselige fall av elektroner, oppstår en altfor "ladet" situasjon på atomnivå. Forskere tror laseren kan brukes i bildebehandling.
Giant X-ray laser Xfel
Vert ved US National Accelerator Laboratory, nærmere bestemt ved linac, bruker denne 3500 fots laseren flere geniale enheter for å treffe mål med harde røntgenstråler. Her er noen av komponentene til en av de kraftigste laserne (forkortelser og anglisismer står for komponentene i mekanismen):
- Drive Laser - skaperen ultrafiolett puls som fjerner elektroner fra katoden. Sender ut elektroner opp til et energinivå på 12 milliarder eW ved å manipulere det elektriske feltet. Det er også en S-formet akselerator inne i bevegelsen k alt Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - samme konsept som Bunch 1, men lengre S-formet struktur, økt på grunn av høyere energier.
- Transport Hall - lar deg forsikre deg om at elektronene er egnet til å fokusere pulser ved hjelp av magnetiske felt.
- Undulator Hall - Består av magneter som får elektroner til å bevege seg frem og tilbake, og dermed generere høyenergi røntgenstråler.
- Beam Dump er en magnet som fjerner elektroner, men slipper gjennom røntgenstråler uten å bevege seg.
- LCLS Experimental Station er et spesielt kammer der laseren er festet og som er hovedrommet for eksperimenter relatert til den. Strålene generert av denne enheten skaper 120 pulser per sekund, med hver puls som varer 1/10000000000 av et sekund.
- Kapillært plasmautladningsmedium. I dette oppsettet begrenser en flere centimeter lang kapillær, laget av et stabilt materiale (f.eks. alumina), en høypresisjon, sub-mikrosekunders elektrisk puls i en lavtrykksgass. Lorentz-kraften forårsaker ytterligere kompresjon av plasmautladningen. I tillegg brukes ofte en pre-ionisering elektrisk eller optisk puls. Et eksempel er en kapillær neonlignende Ar8 + laser (som genererer stråling ved 47nm).
- Målmedium av en solid plate - etter å ha blitt truffet av en optisk puls, sender målet ut et svært eksitert plasma. Igjen brukes ofte en lengre "prepulse" for å lage plasmaet, og en andre, kortere og mer energisk puls brukes for å varme opp plasmaet ytterligere. For korte levetider kan det være nødvendig med et momentumskifte. Brytningsindeksgradienten til plasmaet får den forsterkede pulsen til å bøye seg bort fra måloverflaten, siden ved frekvenser over resonans avtar brytningsindeksen med tettheten til stoffet. Dette kan kompenseres for ved å bruke flere mål i en serie, som i den europeiske røntgenfrie elektronlaseren.
- Plasma eksitert av et optisk felt - ved optiske tettheter høye nok til å effektivt tunnelere elektroner eller til og med undertrykke en potensiell barriere (> 1016 W/cm2), er det mulig å sterkt ionisere en gass uten kontakt med en kapillær- eller mål. Vanligvis brukes en kollineær innstilling for å synkronisere pulsene.
Generelt er strukturen til denne mekanismen lik den europeiske røntgenfrie elektronlaseren.
