Kāds ir rentgenstaru lāzera darbības princips? Tā kā ģenerēšanas vidē ir liels pastiprinājums, īss augšējā stāvokļa kalpošanas laiks (1–100 ps) un problēmas, kas saistītas ar spoguļu izveidi, kas var atspoguļot starus, šie lāzeri parasti darbojas bez spoguļiem. Rentgenstaru staru kūli ģenerē, vienreiz izejot caur pastiprināšanas vidi. Izstarotajam starojumam, kas balstīts uz pastiprinātu spontāno staru kūli, ir salīdzinoši zema telpiskā koherence. Izlasi rakstu līdz galam un sapratīsi, ka šis ir rentgena lāzers. Šī ierīce ir ļoti praktiska un unikāla savā struktūrā.
Kodoli mehānisma struktūrā
Tā kā parastās lāzera pārejas starp redzamajiem un elektroniskajiem vai vibrācijas stāvokļiem atbilst enerģijām līdz 10 eV, rentgena lāzeriem ir nepieciešami dažādi aktīvie mediji. Atkal šim nolūkam var izmantot dažādus aktīvus lādētus kodolus.
Ieroči
No 1978. līdz 1988. gadam Excalibur projektāZvaigžņu karu stratēģiskās aizsardzības iniciatīvas (SDI) ietvaros ASV militārpersonas mēģināja izstrādāt kodolsprādzienbīstamu rentgenstaru lāzeru pretraķešu aizsardzībai. Tomēr projekts izrādījās pārāk dārgs, ievilkās un galu galā tika atlikts.
Plazmas datu nesējs lāzera iekšpusē
Visbiežāk izmantotie datu nesēji ietver ļoti jonizētu plazmu, kas rodas kapilārā izlādes rezultātā vai tad, kad lineāri fokusēts optiskais impulss sasniedz cietu mērķi. Saskaņā ar Saha jonizācijas vienādojumu visstabilākās elektronu konfigurācijas ir neona ar atlikušajiem 10 elektroniem un niķelim līdzīgas ar 28 elektroniem. Elektronu pārejas ļoti jonizētās plazmās parasti atbilst enerģijām simtiem elektronu voltu (eV).
Alternatīva pastiprināšanas vide ir rentgenstaru brīvo elektronu lāzera relativistiskais elektronu stars, kas standarta starojuma vietā izmanto stimulētu Komptona izkliedi.
Pieteikums
Koherentie rentgenstaru lietojumi ietver koherentu difrakcijas attēlveidošanu, blīvu plazmu (necaurredzamu redzamam starojumam), rentgena mikroskopiju, fāzes izšķirtspējas medicīnisko attēlveidošanu, materiāla virsmas pārbaudi un ieroču izmantošanu.
Lāzera vieglāko versiju var izmantot ablatīvai lāzera kustībai.
Rentgena lāzers: kā tas darbojas
Kā darbojas lāzeri? Sakarā ar to, ka fotonstrāpa atomam ar noteiktu enerģiju, jūs varat likt atomam izstarot fotonu ar šo enerģiju procesā, ko sauc par stimulēto emisiju. Atkārtojot šo procesu lielā mērogā, jūs iegūsit ķēdes reakciju, kuras rezultāts ir lāzers. Tomēr daži kvantu mezgli izraisa šī procesa apstāšanos, jo dažkārt fotons tiek absorbēts bez izstarošanas. Bet, lai nodrošinātu maksimālu iespēju, fotonu enerģijas līmenis tiek palielināts un spoguļi tiek novietoti paralēli gaismas ceļam, lai palīdzētu izkliedētajiem fotoniem atgriezties spēlē. Un pie lielām rentgenstaru enerģijām tiek atklāti īpaši fiziski likumi, kas ir raksturīgi šai parādībai.
Vēsture
70. gadu sākumā rentgenstaru lāzers šķita nepieejams, jo lielākā daļa mūsdienu lāzeru sasniedza maksimumu pie 110 nm, kas ir krietni zem lielākajiem rentgena stariem. Tas notika tāpēc, ka stimulētā materiāla ražošanai nepieciešamais enerģijas daudzums bija tik liels, ka tas bija jāpiegādā ātrā impulsā, vēl vairāk sarežģījot jaudīga lāzera izveidošanai nepieciešamo atstarošanu. Tāpēc zinātnieki aplūkoja plazmu, jo tā izskatījās pēc labas vadošas vides. Zinātnieku komanda 1972. gadā apgalvoja, ka viņi beidzot ir panākuši plazmas izmantošanu lāzeru izveidē, taču, mēģinot reproducēt savus iepriekšējos rezultātus, viņiem kaut kādu iemeslu dēļ tas neizdevās.
Astoņdesmitajos gados pētnieku komandai pievienojās nozīmīgs spēlētājs no pasaulesZinātne – Livermora. Tikmēr zinātnieki gadiem ilgi ir guvuši nelielus, bet nozīmīgus soļus, taču pēc tam, kad Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra (DARPA) pārtrauca maksāt par rentgena pētījumiem, Livermors kļuva par zinātniskās komandas vadītāju. Viņš vadīja vairāku veidu lāzeru izstrādi, tostarp tos, kuru pamatā ir kodolsintēze. Viņu kodolieroču programma bija daudzsološa, jo augstie enerģētiskie rādītāji, ko zinātnieki sasniedza šīs programmas laikā, liecināja par iespēju izveidot augstas kvalitātes impulsa mehānismu, kas būtu noderīgs rentgena brīvo elektronu lāzera konstruēšanā.
Projekts pamazām tuvojās noslēgumam. Zinātnieki Džordžs Čaplins un Louels Vuds 1970. gados pirmo reizi pētīja kodolsintēzes tehnoloģiju rentgenstaru lāzeriem un pēc tam pārgāja uz kodolenerģiju. Kopā viņi izstrādāja šādu mehānismu un bija gatavi testēšanai 1978. gada 13. septembrī, taču iekārtu kļūme to pārtrauca. Bet varbūt tas bija par labu. Pīters Hagelšteins pēc iepriekšējā mehānisma izpētes radīja atšķirīgu pieeju, un 1980. gada 14. novembrī divi eksperimenti pierādīja, ka rentgena lāzera prototips darbojas.
Zvaigžņu karu projekts
Pavisam drīz par projektu sāka interesēties ASV Aizsardzības ministrija. Jā, kodolieroča jaudas izmantošana fokusētā starā ir pārāk bīstama, taču šo spēku varētu izmantot, lai iznīcinātu starpkontinentālās ballistiskās raķetes (ICBM) gaisā. Visērtāk būtu izmantot līdzīgu mehānismu uz Zemes tuvumāorbītā. Visa pasaule zina šo programmu ar nosaukumu Zvaigžņu kari. Tomēr projekts par rentgena lāzera izmantošanu kā ieroci nekad netika īstenots.
Aviācijas nedēļas un kosmosa inženierijas 1981. gada 23. februāra numurā ir ziņots par projekta pirmo testu rezultātiem, tostarp par lāzera staru, kas sasniedza 1,4 nanometrus un trāpīja 50 dažādos mērķos.
Pārbaudes, kas veiktas 1983. gada 26. martā, neko nedeva sensora kļūmes dēļ. Tomēr šādi testi 1983. gada 16. decembrī parādīja tā patiesās spējas.
Projekta tālākais liktenis
Hagelšteins paredzēja divpakāpju procesu, kurā lāzers radīs plazmu, kas atbrīvotu lādētus fotonus, kas sadurtos ar elektroniem citā materiālā un izraisītu rentgenstaru izstarošanos. Tika izmēģināti vairāki iestatījumi, taču galu galā vislabākais risinājums izrādījās manipulācijas ar jonu. Plazma noņēma elektronus, līdz palika tikai 10 iekšējie, kur fotoni pēc tam tos uzlādēja līdz 3p stāvoklim, tādējādi atbrīvojot "mīksto" staru. Eksperiments 1984. gada 13. jūlijā pierādīja, ka tas ir vairāk nekā teorija, kad spektrometrs mērīja spēcīgu emisiju pie 20,6 un 20,9 nanometriem selēna (neonam līdzīga jona). Tad parādījās pirmais laboratorijas (ne militārais) rentgena lāzers ar nosaukumu Novette.
Novette liktenis
Šo lāzeru izstrādāja Džims Danns, un tā fiziskos aspektus pārbaudīja Al Osterheld un Slava Shlyaptsev. Izmantojot ātri(gandrīz nanosekundes) augstas enerģijas gaismas impulss, kas uzlādēja daļiņas, lai atbrīvotu rentgena starus, Novett izmantoja arī stikla pastiprinātājus, kas uzlabo efektivitāti, bet arī ātri uzsilst, kas nozīmē, ka tas var darboties tikai 6 reizes dienā starp atdzišanu. Bet daži darbi ir parādījuši, ka tas var aktivizēt pikosekundes impulsu, kamēr kompresija atgriežas nanosekundes impulsā. Pretējā gadījumā stikla pastiprinātājs tiks iznīcināts. Ir svarīgi atzīmēt, ka Novette un citi "galda" rentgena lāzeri rada "mīkstus" rentgena starus, kuriem ir garāks viļņa garums, kas neļauj staram iziet cauri daudziem materiāliem, bet sniedz ieskatu sakausējumos un plazmā, jo tas viegli spīd tiem cauri.
Citi lietojumi un darbības līdzekļi
Kam var izmantot šo lāzeru? Iepriekš tika atzīmēts, ka īsāks viļņa garums var atvieglot dažu materiālu pārbaudi, taču tas nav vienīgais pielietojums. Kad mērķis tiek trāpīts ar impulsu, tas vienkārši tiek iznīcināts atomu daļiņās, un temperatūra tajā pašā laikā sasniedz miljoniem grādu tikai sekundes triljonajā daļā. Un, ja ar šo temperatūru ir pietiekami, lāzers izraisīs elektronu nolobīšanos no iekšpuses. Tas ir tāpēc, ka zemākais elektronu orbitāļu līmenis nozīmē vismaz divu elektronu klātbūtni, kas tiek izmesti no rentgenstaru radītās enerģijas.
Laiks, kas nepieciešams atomamir zaudējis visus savus elektronus, ir apmēram dažas femtosekundes. Iegūtais kodols ilgstoši neuzkavējas un ātri pāriet plazmas stāvoklī, kas pazīstams kā "siltā blīvā viela", kas galvenokārt atrodas kodolreaktoros un lielu planētu serdeņos. Eksperimentējot ar lāzeru, mēs varam gūt priekšstatu par abiem procesiem, kas ir dažādas kodolsintēzes formas.
Rentgena lāzera izmantošana ir patiesi universāla. Vēl viena noderīga šo rentgenstaru īpašība ir to izmantošana ar sinhrotroniem vai daļiņām, kas paātrinās visā akseleratora ceļā. Pamatojoties uz to, cik daudz enerģijas ir nepieciešams, lai izveidotu šo ceļu, daļiņas var izstarot starojumu. Piemēram, elektroni, kad tos ierosina, izstaro rentgena starus, kuru viļņa garums ir aptuveni atoma lielums. Tad mēs varētu izpētīt šo atomu īpašības, mijiedarbojoties ar rentgena stariem. Turklāt mēs varam mainīt elektronu enerģiju un iegūt dažādus rentgenstaru viļņu garumus, panākot lielāku analīzes dziļumu.
Tomēr ir ļoti grūti izveidot rentgena lāzeru ar savām rokām. Tā struktūra ir ārkārtīgi sarežģīta pat no pieredzējušu fiziķu viedokļa.
Bioloģijā
Pat biologi ir varējuši gūt labumu no rentgena lāzeriem (kodolsūknēšanas). Viņu starojums var palīdzēt atklāt zinātnei iepriekš nezināmus fotosintēzes aspektus. Tie uztver smalkas izmaiņas augu lapās. Mīksto rentgena lāzera staru garie viļņu garumi ļauj izpētīt, neiznīcinot visu, kasnotiek auga iekšpusē. Nanokristālu inžektors iedarbina fotoelementu I, kas ir proteīna atslēga fotosintēzei, kas nepieciešama, lai to aktivizētu. To pārtver rentgenstaru lāzera stars, kas liek kristālam burtiski eksplodēt.
Ja iepriekš minētie eksperimenti turpinās gūt panākumus, cilvēki varēs atšķetināt dabas noslēpumus, un mākslīgā fotosintēze var kļūt par realitāti. Tas arī aktualizēs jautājumu par iespēju efektīvāk izmantot saules enerģiju, provocējot zinātnisku projektu rašanos daudzus gadus uz priekšu.
Magnēti
Kā būtu ar elektronisko magnētu? Zinātnieki atklāja, ka tad, kad tiem bija ksenona atomi un molekulas ar ierobežotu joda saturu, ko skāra lielas jaudas rentgena starojums, atomi izmeta savus iekšējos elektronus, radot tukšumu starp kodolu un visattālākajiem elektroniem. Pievilcīgi spēki iekustina šos elektronus. Parasti tam nevajadzētu notikt, bet pēkšņas elektronu krišanas dēļ atomu līmenī rodas pārāk "uzlādēta" situācija. Zinātnieki domā, ka lāzeru varētu izmantot attēlu apstrādē.
Milzu rentgena lāzers Xfel
Šis 3500 pēdu lāzers, kas atrodas ASV Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā, īpaši Linac, izmanto vairākas ģeniālas ierīces, lai sasniegtu mērķus ar spēcīgiem rentgena stariem. Šeit ir daži no viena no jaudīgākajiem lāzeriem (saīsinājumi un anglicismi apzīmē mehānisma sastāvdaļas):
- Drive Laser - radaultravioletais impulss, kas noņem elektronus no katoda. Izstaro elektronus līdz 12 miljardu eW enerģijas līmenim, manipulējot ar elektrisko lauku. Kustības iekšpusē ir arī S formas paātrinātājs ar nosaukumu Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - tāda pati koncepcija kā 1. grupai, bet garāka S formas struktūra, palielināta, pateicoties lielākai enerģijai.
- Transporta halle - ļauj pārliecināties, vai elektroni ir piemēroti impulsu fokusēšanai, izmantojot magnētiskos laukus.
- Undulator Hall - sastāv no magnētiem, kas liek elektroniem kustēties uz priekšu un atpakaļ, tādējādi radot augstas enerģijas rentgena starus.
- Beam Dump ir magnēts, kas noņem elektronus, bet izlaiž cauri rentgenstarus, nekustoties.
- LCLS eksperimentālā stacija ir īpaša kamera, kurā tiek fiksēts lāzers un kas ir galvenā ar to saistīto eksperimentu telpa. Šīs ierīces ģenerētie stari rada 120 impulsus sekundē, un katrs impulss ilgst 1/10000000000 sekundes.
- Kapilārā plazmas izlādes vide. Šajā iestatījumā vairākus centimetrus garš kapilārs, kas izgatavots no stabila materiāla (piemēram, alumīnija oksīda), ierobežo augstas precizitātes submikrosekundes elektrisko impulsu zema spiediena gāzē. Lorenca spēks izraisa turpmāku plazmas izlādes saspiešanu. Turklāt bieži tiek izmantots pirmsjonizācijas elektriskais vai optiskais impulss. Piemērs ir kapilārais neonam līdzīgs Ar8 + lāzers (kas rada starojumu pie 47nm).
- Cietas plātnes mērķa vide - pēc optiskā impulsa sitiena mērķis izstaro ļoti ierosinātu plazmu. Atkal, plazmas izveidošanai bieži tiek izmantots garāks "priekšpulss", bet otrs, īsāks un enerģiskāks impulss tiek izmantots plazmas tālākai karsēšanai. Īsam kalpošanas laikam var būt nepieciešama impulsa maiņa. Plazmas refrakcijas indeksa gradients liek pastiprinātajam impulsam noliekties prom no mērķa virsmas, jo frekvencēs virs rezonanses refrakcijas indekss samazinās līdz ar matērijas blīvumu. To var kompensēt, izmantojot vairākus mērķus vienā sērijā, kā tas ir Eiropas rentgenstaru brīvo elektronu lāzerā.
- Plazma, ko ierosina optiskais lauks - pie pietiekami liela optiskā blīvuma, lai efektīvi tuneļotu elektronus vai pat nomāktu potenciāla barjeru (> 1016 W / cm2), ir iespējams spēcīgi jonizēt gāzi bez saskares ar kapilāru vai mērķis. Parasti impulsu sinhronizēšanai izmanto kolineāru iestatījumu.
Kopumā šī mehānisma struktūra ir līdzīga Eiropas rentgenstaru brīvo elektronu lāzeram.
