Care este principiul de funcționare al laserului cu raze X? Din cauza câștigului mare în mediul de generație, a duratelor de viață superioare scurte (1-100 ps) și a problemelor asociate cu construirea de oglinzi care pot reflecta fasciculele, aceste lasere funcționează de obicei fără oglinzi. Fascicul de raze X este generat printr-o singură trecere prin mediul de câștig. Radiația emisă pe baza fasciculului spontan amplificat are o coerență spațială relativ scăzută. Citiți articolul până la sfârșit și veți înțelege că acesta este un laser cu raze X. Acest dispozitiv este foarte practic și unic în structura sa.
Nuezuri în structura mecanismului
Deoarece tranzițiile laser convenționale între stările vizibile și electronice sau vibraționale corespund energiilor de până la 10 eV, sunt necesare diferite medii active pentru laserele cu raze X. Din nou, diferite nuclee încărcate active pot fi folosite pentru aceasta.
Arme
Între 1978 și 1988 în proiectul ExcaliburArmata SUA a încercat să dezvolte un laser cu raze X exploziv nuclear pentru apărarea antirachetă, ca parte a Inițiativei de Apărare Strategică a Războiului Stelelor (SDI). Totuși, proiectul s-a dovedit a fi prea scump, a continuat și a fost în cele din urmă abandonat.
Media cu plasmă în interiorul unui laser
Mediile cel mai frecvent utilizate includ plasmă puternic ionizată creată într-o descărcare capilară sau atunci când un impuls optic focalizat liniar lovește o țintă solidă. Conform ecuației de ionizare Saha, cele mai stabile configurații de electroni sunt neonul, cu 10 electroni rămași, și nichelul, cu 28 de electroni. Tranzițiile electronilor în plasmele puternic ionizate corespund de obicei unor energii de ordinul a sute de electroni volți (eV).
Un mediu de amplificare alternativ este fasciculul de electroni relativist al unui laser cu raze X cu electroni liberi, care utilizează împrăștierea Compton stimulată în loc de radiația standard.
Aplicație
Aplicațiile coerente cu raze X includ imagistica de difracție coerentă, plasmă densă (opacă la radiații vizibile), microscopia cu raze X, imagistica medicală cu rezoluție în fază, examinarea suprafeței materialelor și armamentul.
Versiunea mai ușoară a laserului poate fi folosită pentru mișcarea ablativă cu laser.
Laser cu raze X: cum funcționează
Cum funcționează laserele? Datorită faptului că fotonullovește un atom cu o anumită energie, poți face ca atomul să emită un foton cu acea energie într-un proces numit emisie stimulată. Repetând acest proces pe scară largă, veți obține o reacție în lanț care are ca rezultat un laser. Cu toate acestea, unele noduri cuantice fac ca acest proces să se oprească, deoarece un foton este uneori absorbit fără a fi emis deloc. Dar pentru a asigura șanse maxime, nivelurile de energie fotonică sunt crescute și oglinzile sunt plasate paralel cu calea luminii pentru a ajuta fotonii împrăștiați să revină în joc. Și la energii mari ale razelor X, se găsesc legi fizice speciale care sunt inerente acestui fenomen particular.
Istorie
La începutul anilor 1970, laserul cu raze X părea inaccesibil, deoarece majoritatea laserelor din acea zi atingeau vârful la 110 nm, cu mult sub cele mai mari raze X. Acest lucru se datorează faptului că cantitatea de energie necesară pentru a produce materialul stimulat a fost atât de mare încât a trebuit să fie livrat într-un impuls rapid, complicând și mai mult reflectivitatea necesară pentru a crea un laser puternic. Prin urmare, oamenii de știință s-au uitat la plasmă, pentru că arăta ca un mediu bun conducător. O echipă de oameni de știință în 1972 a susținut că au reușit în sfârșit să folosească plasmă în crearea laserelor, dar când au încercat să reproducă rezultatele lor anterioare, din anumite motive au eșuat.
În anii 1980, un jucător important din lume s-a alăturat echipei de cercetareȘtiință - Livermore. Oamenii de știință, între timp, au făcut pași mici, dar importanți de ani de zile, dar după ce Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată a Apărării (DARPA) a încetat să plătească pentru cercetarea cu raze X, Livermore a devenit liderul echipei științifice. El a condus dezvoltarea mai multor tipuri de lasere, inclusiv cele bazate pe fuziune. Programul lor de arme nucleare era promițător, deoarece indicatorii de energie ridicată pe care oamenii de știință i-au obținut în timpul acestui program sugerau posibilitatea de a crea un mecanism pulsat de în altă calitate, care să fie util în construirea unui laser cu electroni liberi cu raze X.
Proiectul se apropia treptat de finalizare. Oamenii de știință George Chaplin și Lowell Wood au explorat pentru prima dată tehnologia de fuziune pentru laserele cu raze X în anii 1970 și apoi au trecut la o opțiune nucleară. Împreună au dezvoltat un astfel de mecanism și au fost gata pentru testare pe 13 septembrie 1978, dar defecțiunea echipamentului a întrerupt-o. Dar poate că era în bine. Peter Hagelstein a creat o abordare diferită după ce a studiat mecanismul anterior, iar pe 14 noiembrie 1980, două experimente au demonstrat că prototipul laser cu raze X a funcționat.
Proiect Star Wars
Foarte curând, Departamentul de Apărare al SUA a devenit interesat de proiect. Da, folosirea puterii unei arme nucleare într-un fascicul focalizat este prea periculoasă, dar această putere ar putea fi folosită pentru a distruge rachetele balistice intercontinentale (ICBM) în aer. Cel mai convenabil ar fi să folosiți un mecanism similar în apropierea Pământuluiorbită. Întreaga lume cunoaște acest program numit Star Wars. Cu toate acestea, proiectul de a utiliza laserul cu raze X ca armă nu a ajuns niciodată la bun sfârșit.
Numărul din 23 februarie 1981 a revistei Aviation Week and Space Engineering raportează rezultatele primelor teste ale proiectului, inclusiv un fascicul laser care a atins 1,4 nanometri și a atins 50 de ținte diferite.
Testele din 26 martie 1983 nu au dat rezultate din cauza defecțiunii senzorului. Cu toate acestea, următoarele teste din 16 decembrie 1983 au demonstrat adevăratele sale capacități.
Soarta ulterioară a proiectului
Hagelstein a imaginat un proces în două etape în care un laser ar crea o plasmă care ar elibera fotoni încărcați care ar intra în coliziune cu electronii dintr-un alt material și ar provoca emisia de raze X. Au fost încercate mai multe configurații, dar în cele din urmă manipularea ionilor s-a dovedit a fi cea mai bună soluție. Plasma a îndepărtat electronii până au rămas doar 10 interiori, unde fotonii i-au încărcat apoi până la starea 3p, eliberând astfel fasciculul „moale”. Un experiment din 13 iulie 1984 a demonstrat că aceasta a fost mai mult decât o teorie atunci când un spectrometru a măsurat emisii puternice la 20,6 și 20,9 nanometri de seleniu (un ion asemănător neonului). Apoi a apărut primul laser cu raze X de laborator (nu militar) cu numele Novette.
Soarta lui Novette
Acest laser a fost proiectat de Jim Dunn și avea aspecte fizice verificate de Al Osterheld și Slava Shlyaptsev. Folosind rapid(aproape de nanosecunde) puls de lumină de în altă energie care a încărcat particulele pentru a elibera raze X, Novett a folosit și amplificatoare de sticlă, care îmbunătățesc eficiența, dar și se încălzesc rapid, ceea ce înseamnă că poate rula doar de 6 ori pe zi între răciri. Dar unele lucrări au arătat că poate declanșa un impuls de picosecundă în timp ce compresia revine la un impuls de nanosecundă. În caz contrar, amplificatorul de sticlă va fi distrus. Este important de menționat că Novette și alte lasere cu raze X „de birou” produc fascicule de raze X „moale”, care au o lungime de undă mai mare, ceea ce împiedică fasciculul să treacă prin multe materiale, dar oferă o perspectivă asupra aliajelor și plasmei, deoarece strălucește ușor prin ele.
Alte utilizări și caracteristici de operare
La ce poate fi folosit acest laser? Sa observat anterior că o lungime de undă mai scurtă poate facilita examinarea unor materiale, dar aceasta nu este singura aplicație. Când o țintă este lovită de un impuls, ea este pur și simplu distrusă în particule atomice, iar temperatura atinge în același timp milioane de grade în doar o trilionime de secundă. Și dacă această temperatură este suficientă, laserul va face ca electronii să se desprindă din interior. Acest lucru se datorează faptului că cel mai scăzut nivel de orbitali de electroni implică prezența a cel puțin doi electroni, care sunt ejectați din energia generată de razele X.
Timpul necesar unui atomși-a pierdut toți electronii, este de ordinul câtorva femtosecunde. Miezul rezultat nu persistă mult timp și trece rapid într-o stare de plasmă cunoscută sub numele de „materie densă caldă”, care se găsește mai ales în reactoarele nucleare și în nucleele planetelor mari. Experimentând cu laserul, ne putem face o idee despre ambele procese, care sunt diferite forme de fuziune nucleară.
Utilizarea laserului cu raze X este cu adevărat universală. O altă caracteristică utilă a acestor raze X este utilizarea lor cu sincrotroni sau particule care accelerează de-a lungul întregii trasee a acceleratorului. Pe baza energiei necesare pentru a parcurge această cale, particulele pot emite radiații. De exemplu, electronii, atunci când sunt excitați, emit raze X, care au o lungime de undă aproximativ de dimensiunea unui atom. Apoi am putea studia proprietățile acestor atomi prin interacțiunea cu razele X. În plus, putem modifica energia electronilor și obținem diferite lungimi de undă de raze X, realizând o mai mare profunzime de analiză.
Cu toate acestea, este foarte dificil să creezi un laser cu raze X cu propriile mâini. Structura sa este extrem de complexă chiar și din punctul de vedere al fizicienilor experimentați.
În biologie
Chiar și biologii au putut beneficia de lasere cu raze X (pompate nucleare). Radiațiile lor pot ajuta la dezvăluirea aspectelor fotosintezei necunoscute anterior științei. Ele captează modificări subtile ale frunzelor plantelor. Lungimile de undă lungi ale fasciculelor laser cu raze X moi vă permit să explorați fără a distruge tot ceea ce esteare loc în interiorul plantei. Injectorul de nanocristale declanșează fotocelula I, cheia proteinei pentru fotosinteză necesară pentru a o activa. Acesta este interceptat de un fascicul laser de raze X, care face ca cristalul să explodeze literalmente.
Dacă experimentele de mai sus continuă să aibă succes, oamenii vor putea dezvălui misterele naturii, iar fotosinteza artificială poate deveni realitate. De asemenea, va ridica problema posibilității unei utilizări mai eficiente a energiei solare, provocând apariția unor proiecte științifice pentru mulți ani de acum înainte.
Magneți
Ce zici de un magnet electronic? Oamenii de știință au descoperit că atunci când au avut atomi de xenon și molecule limitate de iod loviți de o rază X de mare putere, atomii și-au aruncat electronii interiori, creând un gol între nucleu și electronii cei mai exteriori. Forțele atractive pun acești electroni în mișcare. În mod normal, acest lucru nu ar trebui să se întâmple, dar din cauza caderii bruște a electronilor, apare o situație prea „încărcată” la nivel atomic. Oamenii de știință cred că laserul ar putea fi folosit în procesarea imaginilor.
Laser cu raze X gigant Xfel
Găzduit la Laboratorul Național de Accelerator al SUA, în special la Linac, acest laser de 3.500 de picioare folosește mai multe dispozitive ingenioase pentru a lovi ținte cu raze X dure. Iată câteva dintre componentele unuia dintre cele mai puternice lasere (abrevierile și anglicismele reprezintă componentele mecanismului):
- Drive Laser - creeazăun impuls ultraviolet care elimină electronii din catod. Emite electroni până la un nivel de energie de 12 miliarde eW prin manipularea câmpului electric. Există, de asemenea, un accelerator în formă de S în interiorul mișcării numit Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - același concept ca Bunch 1, dar structură mai lungă în formă de S, crescută datorită energiilor mai mari.
- Sala de transport - vă permite să vă asigurați că electronii sunt potriviți pentru focalizarea impulsurilor folosind câmpuri magnetice.
- Sala ondulatoare - Constă din magneți care fac ca electronii să se miște înainte și înapoi, generând astfel raze X de în altă energie.
- Beam Dump este un magnet care elimină electronii, dar lasă razele X să treacă fără să se miște.
- LCLS Experimental Station este o cameră specială în care este fixat laserul și care este spațiul principal pentru experimentele legate de acesta. Fasciculele generate de acest dispozitiv creează 120 de impulsuri pe secundă, fiecare impuls durând 1/10000000000 de secundă.
- Mediu de descărcare cu plasmă capilară. În această configurație, un capilar lung de câțiva centimetri, realizat dintr-un material stabil (de exemplu, alumină), limitează un impuls electric de în altă precizie, sub microsecunde, într-un gaz de joasă presiune. Forța Lorentz determină o comprimare suplimentară a descărcării de plasmă. În plus, este adesea folosit un impuls electric sau optic de preionizare. Un exemplu este un laser capilar de tip neon Ar8 + (care generează radiații la 47nm).
- Mediul țintă al unei plăci solide - după ce a fost lovită de un impuls optic, ținta emite o plasmă foarte excitată. Din nou, un „prepuls” mai lung este adesea folosit pentru a crea plasmă, iar un al doilea puls, mai scurt și mai energetic este folosit pentru a încălzi și mai mult plasma. Pentru perioade scurte de viață, poate fi necesară o schimbare a impulsului. Gradientul indicelui de refracție al plasmei face ca pulsul amplificat să se îndoaie departe de suprafața țintă, deoarece la frecvențe peste rezonanță indicele de refracție scade odată cu densitatea materiei. Acest lucru poate fi compensat prin utilizarea mai multor ținte într-o explozie, ca în laserul european cu electroni liberi cu raze X.
- Plasmă excitată de un câmp optic - la densități optice suficient de mari pentru a tunel electronii în mod eficient sau chiar pentru a suprima o barieră de potențial (> 1016 W / cm2), este posibil să ionizezi puternic un gaz fără contact cu un capilar sau ţintă. De obicei, o setare coliniară este utilizată pentru a sincroniza impulsurile.
În general, structura acestui mecanism este similară cu laserul european cu electroni liberi cu raze X.
