Koji je princip rada rendgenskog lasera? Zbog visokog dobitka u mediju generiranja, kratkog životnog vijeka gornjeg stanja (1-100 ps) i problema povezanih s izgradnjom zrcala koja mogu reflektirati zrake, ovi laseri obično rade bez zrcala. Snop X-zraka generira se jednim prolazom kroz medij za pojačanje. Emitirano zračenje na temelju pojačanog spontanog snopa ima relativno nisku prostornu koherenciju. Pročitajte članak do kraja i shvatit ćete da se radi o rendgenskom laseru. Ovaj uređaj je vrlo praktičan i jedinstven po svojoj strukturi.
Jezgra u strukturi mehanizma
Budući da konvencionalni laserski prijelazi između vidljivih i elektroničkih ili vibracijskih stanja odgovaraju energijama do 10 eV, za rendgenske lasere su potrebni različiti aktivni mediji. Opet, za to se mogu koristiti razne aktivne nabijene jezgre.
Oružje
Između 1978. i 1988. u projektu ExcaliburAmerička vojska pokušala je razviti nuklearni eksplozivni rendgenski laser za proturaketnu obranu u sklopu Strateške obrambene inicijative Ratova zvijezda (SDI). Projekt se, međutim, pokazao preskupim, odugovlačio se i na kraju je odložen.
Plazma medij unutar lasera
Najčešće korišteni mediji uključuju visoko ioniziranu plazmu stvorenu u kapilarnom pražnjenju ili kada linearno fokusirani optički impuls pogodi čvrstu metu. Prema Saha ionizacijskoj jednadžbi, najstabilnije konfiguracije elektrona su neonske, s preostalih 10 elektrona, i nalik niklu, s 28 elektrona. Prijelazi elektrona u visoko ioniziranoj plazmi obično odgovaraju energijama reda stotine elektron volti (eV).
Alternativni medij za pojačavanje je relativistički snop elektrona laserskog lasera bez rendgenskih zraka, koji koristi stimulirano Comptonovo raspršenje umjesto standardnog zračenja.
Prijava
Koherentne primjene X-zraka uključuju koherentnu difrakcijsku sliku, gustu plazmu (neprozirna za vidljivo zračenje), rendgensku mikroskopiju, fazno razlučeno medicinsko snimanje, ispitivanje površine materijala i naoružanje.
Lakša verzija lasera može se koristiti za ablativno lasersko kretanje.
Rentgenski laser: kako radi
Kako rade laseri? Zbog činjenice da je fotonpogodi atom s određenom energijom, možete natjerati atom da emitira foton s tom energijom u procesu koji se zove stimulirana emisija. Ponavljanjem ovog procesa u velikim razmjerima, dobit ćete lančanu reakciju koja rezultira laserom. Međutim, neki kvantni čvorovi uzrokuju zaustavljanje ovog procesa, budući da se foton ponekad apsorbira, a da ga uopće ne emitira. Ali kako bi se osigurale maksimalne šanse, razine energije fotona se povećavaju i zrcala se postavljaju paralelno sa svjetlosnom putanjom kako bi se raspršeni fotoni vratili u igru. A pri visokim energijama rendgenskih zraka, pronalaze se posebni fizikalni zakoni koji su inherentni ovom posebnom fenomenu.
Povijest
Početkom 1970-ih, činilo se da je rendgenski laser nedostižan, jer je većina lasera tog dana dostizala vrhunac na 110 nm, znatno ispod najvećih X-zraka. To je bilo zato što je količina energije potrebna za proizvodnju stimuliranog materijala bila toliko visoka da je morala biti isporučena u brzom impulsu, dodatno komplicirajući refleksivnost potrebnu za stvaranje snažnog lasera. Stoga su znanstvenici pogledali plazmu, jer je izgledala kao dobar vodljivi medij. Tim znanstvenika 1972. godine tvrdio je da su konačno postigli korištenje plazme u stvaranju lasera, ali kada su pokušali reproducirati svoje prethodne rezultate, iz nekog razloga nisu uspjeli.
Osamdesetih godina prošlog stoljeća, glavni igrač iz svijeta pridružio se istraživačkom timuZnanost - Livermore. U međuvremenu, znanstvenici već godinama rade male, ali važne korake, no nakon što je Agencija za napredne obrambene istraživačke projekte (DARPA) prestala plaćati istraživanje X-zrakama, Livermore je postao vođa znanstvenog tima. Vodio je razvoj nekoliko vrsta lasera, uključujući i one temeljene na fuziji. Njihov program nuklearnog oružja bio je obećavajući, jer su visoki energetski pokazatelji koje su znanstvenici postigli tijekom ovog programa nagovještavali mogućnost stvaranja visokokvalitetnog impulsnog mehanizma koji bi bio koristan u konstrukciji laserskog lasera bez rendgenskih zraka.
Projekt se postupno bližio završetku. Znanstvenici George Chaplin i Lowell Wood prvi su istraživali fuzijsku tehnologiju za rendgenske lasere 1970-ih, a zatim su se prebacili na nuklearnu opciju. Zajedno su razvili takav mehanizam i bili spremni za testiranje 13. rujna 1978., no kvar opreme ga je prekinuo. Ali možda je tako bilo i najbolje. Peter Hagelstein stvorio je drugačiji pristup nakon proučavanja prethodnog mehanizma, a 14. studenog 1980. dva su eksperimenta dokazala da prototip rendgenskog lasera radi.
Projekt Ratovi zvijezda
Vrlo brzo, Ministarstvo obrane SAD-a se zainteresiralo za projekt. Da, korištenje snage nuklearnog oružja u fokusiranom snopu je preopasno, ali ta bi se snaga mogla koristiti za uništavanje interkontinentalnih balističkih projektila (ICBM) u zraku. Bilo bi najzgodnije koristiti sličan mehanizam na bliskoj Zemljiorbita. Cijeli svijet poznaje ovaj program pod nazivom Ratovi zvijezda. Međutim, projekt korištenja rendgenskog lasera kao oružja nikada nije ostvaren.
Izdanje Aviation Week and Space Engineering od 23. veljače 1981. izvještava o rezultatima prvih testova projekta, uključujući lasersku zraku koja je dosegla 1,4 nanometra i pogodila 50 različitih ciljeva.
Testovi od 26. ožujka 1983. nisu dali ništa zbog kvara senzora. Međutim, sljedeći testovi 16. prosinca 1983. pokazali su njegove prave sposobnosti.
Daljnja sudbina projekta
Hagelstein je zamislio proces u dva koraka u kojem bi laser stvorio plazmu koja bi oslobodila nabijene fotone koji bi se sudarili s elektronima u drugom materijalu i uzrokovali emitiranje X-zraka. Isprobano je nekoliko postavki, ali se na kraju ionska manipulacija pokazala kao najbolje rješenje. Plazma je uklonila elektrone sve dok nije ostalo samo 10 unutarnjih, gdje su ih fotoni zatim napunili do 3p stanja, oslobađajući tako "meki" snop. Eksperiment 13. srpnja 1984. dokazao je da je to bilo više od teorije kada je spektrometar izmjerio jake emisije na 20,6 i 20,9 nanometara selena (ion sličan neonu). Tada se pojavio prvi laboratorijski (ne vojni) rendgenski laser pod imenom Novette.
Sudbina Novette
Ovaj laser dizajnirao je Jim Dunn, a fizičke aspekte su provjerili Al Osterheld i Slava Shlyaptsev. Korištenje brzo(skoro nanosekundni) puls visokoenergetske svjetlosti koja je punila čestice za oslobađanje X-zraka, Novett je također koristio staklena pojačala, koja poboljšavaju učinkovitost, ali se i brzo zagrijavaju, što znači da može raditi samo 6 puta dnevno između hlađenja. No neki radovi su pokazali da može pokrenuti pikosekundni impuls dok se kompresija vraća na nanosekundni puls. U suprotnom će stakleno pojačalo biti uništeno. Važno je napomenuti da Novette i drugi "desktop" rendgenski laseri proizvode "meke" rendgenske zrake, koje imaju veću valnu duljinu, što onemogućuje prolazak snopa kroz mnoge materijale, ali daje uvid u legure i plazmu, jer lako svijetli kroz njih.
Ostale namjene i značajke rada
Za što se ovaj laser može koristiti? Ranije je napomenuto da kraća valna duljina može olakšati ispitivanje nekih materijala, ali to nije jedina primjena. Kada metu pogodi impuls, ona se jednostavno uništi u atomske čestice, a temperatura u isto vrijeme doseže milijune stupnjeva u samo trilijunti dio sekunde. A ako je ova temperatura dovoljna, laser će uzrokovati da se elektroni odlijepe iznutra. To je zato što najniža razina elektronskih orbitala podrazumijeva prisutnost najmanje dva elektrona, koji su izbačeni iz energije generirane X-zrakama.
Vrijeme koje je potrebno atomu daje izgubio sve svoje elektrone, reda je nekoliko femtosekundi. Rezultirajuća jezgra ne zadržava se dugo i brzo prelazi u stanje plazme poznato kao "topla gusta tvar", koja se uglavnom nalazi u nuklearnim reaktorima i jezgrama velikih planeta. Eksperimentirajući s laserom, možemo dobiti ideju o oba procesa, koji su različiti oblici nuklearne fuzije.
Upotreba rendgenskog lasera je uistinu univerzalna. Još jedna korisna značajka ovih X-zraka je njihova upotreba sa sinkrotronima ili česticama koje ubrzavaju duž cijele putanje akceleratora. Na temelju toga koliko je energije potrebno da se napravi ovaj put, čestice mogu emitirati zračenje. Na primjer, elektroni, kada su pobuđeni, emitiraju X-zrake, koje imaju valnu duljinu otprilike veličine atoma. Tada bismo mogli proučavati svojstva ovih atoma kroz interakciju s X-zrakama. Osim toga, možemo promijeniti energiju elektrona i dobiti različite valne duljine X-zraka, postižući veću dubinu analize.
Međutim, vrlo je teško napraviti rendgenski laser vlastitim rukama. Njegova je struktura iznimno složena čak i sa stajališta iskusnih fizičara.
U biologiji
Čak su i biolozi mogli imati koristi od rendgenskih lasera (nuklearnih pumpi). Njihovo zračenje može pomoći u otkrivanju aspekata fotosinteze koji su dosad bili nepoznati znanosti. Zahvaćaju suptilne promjene na listovima biljaka. Duge valne duljine mekih rendgenskih laserskih zraka omogućuju vam istraživanje bez uništavanja svega togaodvija se unutar biljke. Nanokristalni injektor pokreće fotoćeliju I, proteinski ključ fotosinteze koji je potreban za njeno aktiviranje. To presreće laserska zraka X-zraka, što uzrokuje da kristal doslovno eksplodira.
Ako gore navedeni eksperimenti nastave biti uspješni, ljudi će moći razotkriti misterije prirode, a umjetna fotosinteza može postati stvarnost. Postavit će i pitanje mogućnosti učinkovitijeg korištenja sunčeve energije, izazivajući pojavu znanstvenih projekata za dugi niz godina.
Magneti
Što kažete na elektronički magnet? Znanstvenici su otkrili da kada su atomi ksenona i molekule ograničene jodom pogođene rendgenskim zrakama velike snage, atomi su odbacili svoje unutarnje elektrone, stvarajući prazninu između jezgre i najudaljenijih elektrona. Privlačne sile pokreću te elektrone. Obično se to ne bi smjelo dogoditi, ali zbog naglog pada elektrona dolazi do pretjerano "nabijene" situacije na atomskoj razini. Znanstvenici misle da bi se laser mogao koristiti za obradu slika.
Divovski rendgenski laser Xfel
Smješten u američkom Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju, točnije u Linac-u, ovaj laser od 3500 stopa koristi nekoliko genijalnih uređaja za pogađanje ciljeva tvrdim X-zrakama. Ovdje su neke od komponenti jednog od najmoćnijih lasera (kratice i anglicizmi označavaju komponente mehanizma):
- Drive Laser - stvaraultraljubičasti impuls koji uklanja elektrone s katode. Manipulirajući električnim poljem emitira elektrone do razine energije od 12 milijardi eW. Unutar mehanizma nalazi se i akcelerator u obliku slova S koji se zove Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - isti koncept kao Bunch 1, ali duža struktura u obliku slova S, povećana zbog veće energije.
- Transport Hall - omogućuje vam da provjerite jesu li elektroni prikladni za fokusiranje impulsa pomoću magnetskih polja.
- Undulator Hall - Sastoji se od magneta koji uzrokuju pomicanje elektrona naprijed-nazad, stvarajući na taj način visokoenergetske x-zrake.
- Beam Dump je magnet koji uklanja elektrone, ali propušta X-zrake bez kretanja.
- LCLS Eksperimentalna stanica je posebna komora u kojoj je laser fiksiran i koja je glavni prostor za eksperimente vezane uz njega. Zrake koje generira ovaj uređaj stvaraju 120 impulsa u sekundi, pri čemu svaki impuls traje 1/10000000000 sekunde.
- Kapilarni medij za pražnjenje plazme. U ovoj postavci, kapilara duga nekoliko centimetara, izrađena od stabilnog materijala (npr. glinice), ograničava visokoprecizan, sub-mikrosekundni električni impuls u niskotlačnom plinu. Lorentzova sila uzrokuje daljnju kompresiju pražnjenja plazme. Osim toga, često se koristi predionizacijski električni ili optički impuls. Primjer je kapilarni neonski Ar8 + laser (koji stvara zračenje na 47nm).
- Ciljani medij čvrste ploče - nakon što je pogođen optičkim impulsom, meta emitira visoko pobuđenu plazmu. Opet, za stvaranje plazme često se koristi duži "predpuls", a za daljnje zagrijavanje plazme drugi, kraći i energičniji impuls. Za kratki vijek trajanja može biti potreban pomak zamaha. Gradijent indeksa loma plazme uzrokuje savijanje pojačanog impulsa od ciljne površine, budući da na frekvencijama iznad rezonancije indeks loma opada s gustoćom materije. To se može nadoknaditi korištenjem više meta u rafalu, kao u europskom laseru bez rendgenskih elektrona.
- Plazma pobuđena optičkim poljem - pri optičkim gustoćama dovoljno visokim da učinkovito tunelira elektrone ili čak da potisne potencijalnu barijeru (> 1016 W / cm2), moguće je snažno ionizirati plin bez kontakta s kapilarom ili cilj. Obično se kolinearna postavka koristi za sinkronizaciju impulsa.
Općenito, struktura ovog mehanizma slična je europskom laseru bez rendgenskih elektrona.
