Koji je princip rada rendgenskog lasera? Zbog visokog dobitka u medijumu za generisanje, kratkog životnog veka gornjeg stanja (1-100 ps) i problema povezanih sa izgradnjom ogledala koja mogu da reflektuju zrake, ovi laseri obično rade bez ogledala. Rendgenski snop se generiše jednim prolazom kroz medij za pojačanje. Emitovano zračenje zasnovano na pojačanom spontanom snopu ima relativno nisku prostornu koherentnost. Pročitajte članak do kraja i shvatit ćete da je ovo rendgenski laser. Ovaj uređaj je veoma praktičan i jedinstven po svojoj strukturi.
Jezgra u strukturi mehanizma
Pošto konvencionalni laserski prelazi između vidljivih i elektronskih ili vibracionih stanja odgovaraju energijama do 10 eV, za rendgenske lasere su potrebni različiti aktivni mediji. Opet, razna aktivna nabijena jezgra se mogu koristiti za ovo.
Oružje
Između 1978. i 1988. u projektu ExcaliburAmerička vojska pokušala je da razvije nuklearni eksplozivni rendgenski laser za raketnu odbranu kao dio Strateške odbrambene inicijative Ratova zvijezda (SDI). Projekat se, međutim, pokazao preskupim, odugovlačio se i na kraju je odložen.
Plazma medij unutar lasera
Najčešće korišteni mediji uključuju visoko joniziranu plazmu stvorenu u kapilarnom pražnjenju ili kada linearno fokusirani optički impuls pogodi čvrstu metu. Prema Saha jonizacijskoj jednadžbi, najstabilnije elektronske konfiguracije su neonske, sa 10 preostalih elektrona, i niklu, sa 28 elektrona. Prijelazi elektrona u visoko joniziranoj plazmi tipično odgovaraju energijama reda stotine elektron volti (eV).
Alternativni medij za pojačavanje je relativistički snop elektrona laserskog lasera bez rendgenskih zraka, koji koristi stimulirano Comptonovo raspršivanje umjesto standardnog zračenja.
Prijava
Koherentne rendgenske aplikacije uključuju koherentnu difrakcijsku sliku, gustu plazmu (neprozirna za vidljivo zračenje), rendgensku mikroskopiju, fazno razlučivo medicinsko snimanje, ispitivanje površine materijala i oružje.
Lakša verzija lasera se može koristiti za ablativno lasersko kretanje.
Rentgenski laser: kako radi
Kako rade laseri? Zbog činjenice da je fotonudari atom određenom energijom, možete natjerati atom da emituje 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, jer se foton ponekad apsorbira, a da se uopće ne emituje. Ali da bi se osigurale maksimalne šanse, nivoi energije fotona se povećavaju i ogledala se postavljaju paralelno sa putanjom svjetlosti kako bi se raspršeni fotoni vratili u igru. A pri visokim energijama rendgenskih zraka, pronalaze se posebni fizikalni zakoni koji su svojstveni ovom posebnom fenomenu.
Historija
Početkom 1970-ih, činilo se da je rendgenski laser nedostižan, jer je većina lasera tog dana dostizala vrhunac na 110 nm, znatno ispod najvećih rendgenskih zraka. To je zato što je količina energije potrebna za proizvodnju stimuliranog materijala bila toliko visoka da je morala biti isporučena u brzom impulsu, što je dodatno komplikovalo refleksivnost potrebnu za stvaranje snažnog lasera. Stoga su naučnici pogledali plazmu, jer je izgledala kao dobar provodni medij. Tim naučnika je 1972. godine tvrdio da su konačno postigli upotrebu plazme u stvaranju lasera, ali kada su pokušali da reproduciraju svoje prethodne rezultate, iz nekog razloga nisu uspjeli.
Osamdesetih godina prošlog vijeka, veliki igrač iz svijeta pridružio se istraživačkom timuNauka - Livermor. Naučnici su, u međuvremenu, godinama pravili male, ali važne korake, ali nakon što je Agencija za napredne odbrambene istraživačke projekte (DARPA) prestala da plaća istraživanje rendgenskih zraka, Livermore je postao vođa naučnog tima. Vodio je razvoj nekoliko vrsta lasera, uključujući i one zasnovane na fuziji. Njihov program nuklearnog oružja bio je obećavajući, jer su visoki energetski pokazatelji koje su naučnici postigli tokom ovog programa nagovještavali mogućnost stvaranja visokokvalitetnog impulsnog mehanizma koji bi bio koristan u konstrukciji laserskog lasera bez rendgenskih zraka.
Projekat se postepeno približavao završetku. Naučnici George Chaplin i Lowell Wood prvi su istraživali tehnologiju fuzije za rendgenske lasere 1970-ih, a zatim su prešli na nuklearnu opciju. Zajedno su razvili takav mehanizam i bili spremni za testiranje 13. septembra 1978. godine, ali ga je kvar opreme prekinuo. Ali možda je tako bilo i najbolje. Peter Hagelstein je stvorio drugačiji pristup nakon proučavanja prethodnog mehanizma, a 14. novembra 1980. dva eksperimenta su dokazala da prototip rendgenskog lasera radi.
Projekat Ratovi zvijezda
Vrlo brzo se Ministarstvo odbrane SAD zainteresovalo za projekat. Da, korištenje snage nuklearnog oružja u fokusiranom snopu je previše opasno, ali ta snaga bi se 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, projekat upotrebe rendgenskog lasera kao oružja nikada nije ostvaren.
Izdanje Aviation Week and Space Engineering od 23. februara 1981. izvještava o rezultatima prvih testova projekta, uključujući laserski snop koji je dostigao 1,4 nanometra i pogodio 50 različitih ciljeva.
Testovi od 26. marta 1983. nisu dali ništa zbog kvara senzora. Međutim, sljedeći testovi 16. decembra 1983. pokazali su njegove prave sposobnosti.
Dalja sudbina projekta
Hagelstein je zamislio proces u dva koraka u kojem bi laser stvorio plazmu koja bi oslobodila nabijene fotone koji bi se sudarali s elektronima u drugom materijalu i uzrokovali emitovanje rendgenskih zraka. Isprobano je nekoliko podešavanja, ali se na kraju pokazalo da je manipulacija ionima najbolje rješenje. Plazma je uklonila elektrone sve dok nije ostalo samo 10 unutrašnjih, gdje su ih fotoni zatim napunili do 3p stanja, oslobađajući tako "meki" snop. Eksperiment od 13. jula 1984. je dokazao da je to bilo više od teorije kada je spektrometar izmjerio jake emisije na 20,6 i 20,9 nanometara selena (jon sličan neonu). Tada se pojavio prvi laboratorijski (ne vojni) rendgenski laser pod imenom Novette.
Sudbina Novete
Ovaj laser je dizajnirao Jim Dunn, a fizičke aspekte su verificirali Al Osterheld i Slava Shlyaptsev. Upotreba brzo(skoro nanosekundnog) pulsa visokoenergetske svjetlosti koja je punila čestice za oslobađanje rendgenskih zraka, Novett je također koristio staklena pojačala, koja poboljšavaju efikasnost, ali se i brzo zagrijavaju, što znači da može raditi samo 6 puta dnevno između hlađenja. Ali neki radovi su pokazali da može pokrenuti pikosekundni impuls dok se kompresija vraća na nanosekundni puls. U suprotnom, stakleno pojačalo će biti uništeno. Važno je napomenuti da Novette i drugi "desktop" rendgenski laseri proizvode "meke" rendgenske zrake, koje imaju veću talasnu dužinu, što sprečava prolazak zraka kroz mnoge materijale, ali daje uvid u legure i plazmu, jer lako sija kroz njih.
Druge upotrebe i karakteristike rada
Za šta se ovaj laser može koristiti? Ranije je napomenuto da kraća talasna dužina može olakšati ispitivanje nekih materijala, ali to nije jedina primena. Kada metu pogodi impuls, ona se jednostavno uništava u atomske čestice, a temperatura u isto vrijeme dostiže milione stepeni za samo trilionti dio sekunde. A ako je ova temperatura dovoljna, laser će uzrokovati da se elektroni odlijepe iznutra. To je zato što najniži nivo elektronskih orbitala implicira prisustvo najmanje dva elektrona, koji su izbačeni iz energije generisane rendgenskim zracima.
Vrijeme koje je potrebno atomu daje izgubio sve svoje elektrone, reda je nekoliko femtosekundi. Nastala jezgra se ne zadržava dugo i brzo prelazi u stanje plazme poznato kao "topla gusta materija", koja se uglavnom nalazi u nuklearnim reaktorima i jezgrama velikih planeta. Eksperimentiranjem s laserom možemo dobiti ideju o oba procesa, koji su različiti oblici nuklearne fuzije.
Upotreba rendgenskog lasera je zaista univerzalna. Još jedna korisna karakteristika ovih rendgenskih zraka je njihova upotreba sa sinhrotronima ili česticama koje ubrzavaju duž cijele putanje akceleratora. Na osnovu toga koliko je energije potrebno da se napravi ovaj put, čestice mogu emitovati zračenje. Na primjer, elektroni, kada su pobuđeni, emituju X-zrake, čija je talasna dužina približno jednaka veličini atoma. Tada bismo mogli proučavati svojstva ovih atoma kroz interakciju sa rendgenskim zracima. Osim toga, možemo promijeniti energiju elektrona i dobiti različite talasne dužine rendgenskih zraka, postižući veću dubinu analize.
Međutim, vrlo je teško napraviti rendgenski laser vlastitim rukama. Njegova struktura je izuzetno složena čak i sa stanovišta 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 nauci. Oni bilježe suptilne promjene na listovima biljaka. Duge talasne dužine mekih rendgenskih laserskih zraka omogućavaju vam da istražujete bez uništavanja svega togaodvija se unutar postrojenja. Nanokristalni injektor pokreće fotoćeliju I, proteinski ključ fotosinteze koji je potreban da se ona aktivira. Ovo je presreće laserski snop rendgenskih zraka, što uzrokuje da kristal bukvalno eksplodira.
Ako gore navedeni eksperimenti nastave da budu uspešni, ljudi će moći da razotkriju misterije prirode, a veštačka fotosinteza može postati stvarnost. Postaviće se i pitanje mogućnosti efikasnijeg korišćenja solarne energije, izazivajući pojavu naučnih projekata za dugi niz godina.
Magneti
Šta kažete na elektronski magnet? Naučnici su otkrili da kada su atomi ksenona i molekule ograničene jodom pogođene rendgenskim zracima velike snage, atomi su odbacili svoje unutrašnje elektrone, stvarajući prazninu između jezgra i najudaljenijih elektrona. Privlačne sile pokreću ove elektrone. Obično se to ne bi trebalo dogoditi, ali zbog iznenadnog pada elektrona dolazi do prenabijene situacije na atomskom nivou. Naučnici misle da bi se laser mogao koristiti u obradi slike.
Džinovski rendgenski laser Xfel
Smešten u Nacionalnoj akceleratorskoj laboratoriji SAD, tačnije u Linac-u, ovaj laser od 3500 stopa koristi nekoliko genijalnih uređaja da pogodi mete čvrstim rendgenskim zracima. Evo nekih od komponenti jednog od najmoćnijih lasera (skraćenice i anglicizmi označavaju komponente mehanizma):
- Drive Laser - kreiraultraljubičasti impuls koji uklanja elektrone sa katode. Emituje elektrone do nivoa energije od 12 milijardi eW manipulisanjem električnim poljem. Unutar pokreta postoji i akcelerator u obliku slova S koji se zove Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - isti koncept kao Grupa 1, ali duža struktura u obliku slova S, povećana zbog veće energije.
- Transport Hall - omogućava vam da budete sigurni da su elektroni pogodni za fokusiranje impulsa pomoću magnetnih polja.
- Undulator Hall - Sastoji se od magneta koji uzrokuju da se elektroni pomiču naprijed-nazad, čime se stvaraju visokoenergetske rendgenske 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 za njega. Zraci koje generiše ovaj uređaj stvaraju 120 impulsa u sekundi, pri čemu svaki impuls traje 1/10000000000 sekunde.
- Medijum za kapilarno pražnjenje plazme. U ovoj postavci, kapilara duga nekoliko centimetara, napravljena od stabilnog materijala (npr. glinice), ograničava visoku preciznost, sub-mikrosekundni električni impuls u gasu niskog pritiska. Lorentzova sila uzrokuje daljnju kompresiju pražnjenja plazme. Osim toga, često se koristi električni ili optički impuls predjonizacije. Primjer je kapilarni neonski Ar8 + laser (koji generiše zračenje na 47nm).
- Ciljni medij čvrste ploče - nakon što je pogođen optičkim impulsom, meta emituje visoko pobuđenu plazmu. Opet, duži "predpuls" se često koristi za stvaranje plazme, a drugi, kraći i energičniji impuls se koristi za dalje zagrijavanje plazme. Za kratki vijek trajanja može biti potrebno mijenjanje momenta. Gradijent indeksa prelamanja plazme uzrokuje da se pojačani impuls savija od površine mete, budući da na frekvencijama iznad rezonancije indeks loma opada sa gustinom materije. Ovo se može nadoknaditi upotrebom više meta u rafalu, kao u evropskom laseru bez rendgenskih elektrona.
- Plazma pobuđena optičkim poljem - pri optičkim gustoćama dovoljno visokim da efikasno tunelira elektrone ili čak da potisne potencijalnu barijeru (> 1016 W / cm2), moguće je snažno jonizirati plin bez kontakta sa kapilarom ili cilj. Obično se kolinearna postavka koristi za sinhronizaciju impulsa.
Uopšteno govoreći, struktura ovog mehanizma je slična evropskom laseru bez rendgenskih elektrona.
