Mi a röntgenlézer működési elve? A generáló közeg nagy nyeresége, a rövid felső állapot-élettartamok (1-100 ps) és a nyalábokat visszaverő tükrök építésével kapcsolatos problémák miatt ezek a lézerek jellemzően tükrök nélkül működnek. A röntgensugarat az erősítő közegen történő egyszeri áthaladás hozza létre. A felerősített spontán nyaláb alapján kibocsátott sugárzás térbeli koherenciája viszonylag alacsony. Olvassa el a cikket a végéig, és meg fogja érteni, hogy ez egy röntgenlézer. Ez az eszköz nagyon praktikus és egyedi a felépítésében.
Kernelek a mechanizmus szerkezetében
Mivel a hagyományos lézeres átmenetek látható és elektronikus vagy rezgési állapotok között 10 eV-ig terjedő energiáknak felelnek meg, a röntgenlézerekhez különböző aktív közegekre van szükség. Ehhez ismét különféle aktív töltésű atommagok használhatók.
Fegyverek
1978 és 1988 között az Excalibur projektbenAz amerikai hadsereg a Star Wars Stratégiai Védelmi Kezdeményezés (SDI) részeként kísérletet tett egy atomrobbanó röntgenlézer kifejlesztésére rakétavédelemhez. A projekt azonban túl drágának bizonyult, elhúzódott, és végül félbemaradt.
Plazmahordozó lézerben
A leggyakrabban használt közegek közé tartozik az erősen ionizált plazma, amely kapilláriskisülésben keletkezik, vagy amikor egy lineárisan fókuszált optikai impulzus szilárd célpontot talál. A Saha ionizációs egyenlet szerint a legstabilabb elektronkonfiguráció a neon, 10 elektronnal, és a nikkelszerű, 28 elektronnal. Az erősen ionizált plazmák elektronátmenetei általában több száz elektronvolt (eV) nagyságrendű energiáknak felelnek meg.
Egy alternatív erősítő közeg egy röntgen-szabadelektron-lézer relativisztikus elektronsugara, amely standard sugárzás helyett stimulált Compton-szórást használ.
Alkalmazás
A koherens röntgenalkalmazások közé tartozik a koherens diffrakciós képalkotás, a sűrű plazma (látható sugárzással átlátszatlan), a röntgenmikroszkópia, a fázisfelbontású orvosi képalkotás, az anyagfelszín vizsgálata és a fegyverezés.
A lézer könnyebb változata használható ablatív lézermozgatáshoz.
Röntgenlézer: hogyan működik
Hogyan működnek a lézerek? Annak a ténynek köszönhetően, hogy a fotoneltalál egy atomot egy bizonyos energiával, akkor az atomot ezzel az energiával fotont bocsáthatja ki egy stimulált emissziónak nevezett folyamat során. Ha ezt a folyamatot nagy léptékben megismételjük, akkor láncreakciót kapunk, amely lézert eredményez. Egyes kvantumcsomók azonban leállítják ezt a folyamatot, mivel a foton néha úgy nyelődik el, hogy egyáltalán nem bocsát ki. De a maximális esélyek biztosítása érdekében a foton energiaszintjét megnövelik, és a tükröket a fény útjával párhuzamosan helyezik el, hogy segítsék a szórt fotonok visszatérését. A röntgensugárzás nagy energiáinál pedig speciális fizikai törvények találhatók, amelyek ebben a jelenségben rejlenek.
Előzmények
Az 1970-es évek elején a röntgenlézer elérhetetlennek tűnt, mivel a legtöbb korabeli lézer 110 nm-en érte el a csúcsot, jóval a legnagyobb röntgensugárzás alatt. Ennek az az oka, hogy a stimulált anyag előállításához szükséges energiamennyiség olyan magas volt, hogy azt gyors impulzussal kellett leadni, ami tovább bonyolította az erős lézer létrehozásához szükséges visszaverőképességet. Ezért a tudósok a plazmát vizsgálták, mert jó vezető közegnek tűnt. Egy tudóscsoport 1972-ben azt állította, hogy végre elérte a plazma felhasználását a lézerek létrehozásában, de amikor megpróbálták reprodukálni korábbi eredményeiket, valamiért kudarcot vallottak.
Az 1980-as években a világ egyik jelentős szereplője csatlakozott a kutatócsoporthozTudomány – Livermore. Eközben a tudósok évek óta apró, de fontos lépéseket tettek, de miután a Védelmi Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége (DARPA) leállította a röntgenkutatások kifizetését, Livermore lett a tudományos csapat vezetője. Többféle lézer kifejlesztését vezette, köztük a fúzión alapulókat is. Atomfegyver-programjuk ígéretes volt, mert a magas energiamutatók, amelyeket a tudósok e program során értek el, egy jó minőségű impulzusmechanizmus létrehozásának lehetőségére ut altak, amely hasznos lehet egy röntgensugár-mentes elektronlézer felépítésében.
A projekt fokozatosan a befejezéshez közeledett. George Chaplin és Lowell Wood tudósok először az 1970-es években vizsgálták a röntgenlézerek fúziós technológiáját, majd nukleáris megoldásra váltottak. Együtt fejlesztettek ki egy ilyen mechanizmust, és 1978. szeptember 13-án készen álltak a tesztelésre, de a berendezés meghibásodása véget vetett. De talán ez volt a legjobb. Peter Hagelstein egy másik megközelítést dolgozott ki az előző mechanizmus tanulmányozása után, és 1980. november 14-én két kísérlet is bebizonyította, hogy a prototípus röntgenlézer működik.
Star Wars Project
Hamarosan az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma érdeklődött a projekt iránt. Igen, egy nukleáris fegyver erejét fókuszált sugárban használni túl veszélyes, de ez az erő felhasználható interkontinentális ballisztikus rakéták (ICBM) levegőben történő megsemmisítésére. A legkényelmesebb lenne hasonló mechanizmust használni a Föld-közeli területenpálya. Az egész világ ismeri ezt a Star Wars nevű programot. A röntgenlézer fegyverként való használatára vonatkozó projekt azonban soha nem valósult meg.
Az Aviation Week and Space Engineering 1981. február 23-i száma beszámol a projekt első tesztjeinek eredményeiről, köztük egy lézersugárról, amely elérte az 1,4 nanométert és 50 különböző célpontot talált el.
Az 1983. március 26-án kelt tesztek nem vezettek eredményre az érzékelő meghibásodása miatt. A következő, 1983. december 16-i tesztek azonban bizonyították valódi képességeit.
A projekt további sorsa
Hagelstein egy kétlépéses folyamatot képzelt el, amelyben a lézer plazmát hoz létre, amely töltött fotonokat szabadít fel, amelyek egy másik anyag elektronjaival ütköznek, és röntgensugárzást bocsátanak ki. Több beállítást is kipróbáltak, de végül az ionmanipuláció bizonyult a legjobb megoldásnak. A plazma addig távolította el az elektronokat, amíg csak 10 belső maradt, ahol aztán a fotonok feltöltötték őket 3p állapotig, így felszabadul a "puha" nyaláb. Egy 1984. július 13-i kísérlet bebizonyította, hogy ez több volt, mint elmélet, amikor egy spektrométer erős emissziót mért 20,6 és 20,9 nanométer szelén (egy neonszerű ion) mellett. Aztán megjelent az első laboratóriumi (nem katonai) röntgenlézer Novette néven.
A Novette sorsa
Ezt a lézert Jim Dunn tervezte, és a fizikai szempontokat Al Osterheld és Slava Shlyaptsev ellenőrizte. Gyors használata(közel nanoszekundum) nagy energiájú fényimpulzus, amely feltöltötte a részecskéket a röntgensugárzás kibocsátásához, Novett üvegerősítőket is használt, amelyek javítják a hatékonyságot, de gyorsan felmelegednek is, vagyis a lehűlések között naponta csak 6-szor tud működni. Egyes munkák azonban kimutatták, hogy pikoszekundumos impulzust tud kiváltani, miközben a tömörítés visszaáll nanoszekundumos impulzusra. Ellenkező esetben az üvegerősítő tönkremegy. Fontos megjegyezni, hogy a Novette és más "asztali" röntgenlézerek "puha" röntgensugarakat állítanak elő, amelyek hullámhossza hosszabb, ami megakadályozza, hogy a nyaláb áthaladjon sok anyagon, de betekintést enged az ötvözetekbe és a plazmába, mivel könnyen átsüt rajtuk.
Egyéb felhasználási módok és működési jellemzők
Mire használható ez a lézer? Korábban már megjegyezték, hogy a rövidebb hullámhossz megkönnyítheti egyes anyagok vizsgálatát, de nem ez az egyetlen alkalmazás. Amikor egy impulzus eltalál egy célpontot, az egyszerűen atomi részecskékre bomlik, és a hőmérséklet egyidejűleg a másodperc billiód része alatt eléri a több millió fokot. És ha ez a hőmérséklet elegendő, a lézer hatására az elektronok belülről lehámlanak. Ennek az az oka, hogy az elektronpályák legalacsonyabb szintje legalább két elektron jelenlétét feltételezi, amelyek a röntgensugárzás által generált energiából kilökődnek.
Az idő, ami alatt az atom felépülelvesztette az összes elektronját, néhány femtoszekundum nagyságrendű. Az így létrejövő mag nem marad el sokáig, és gyorsan átmegy a "meleg sűrű anyag" néven ismert plazmaállapotba, amely többnyire az atomreaktorokban és a nagy bolygók magjában található. A lézerrel való kísérletezéssel képet kaphatunk mindkét folyamatról, amelyek a magfúzió különböző formái.
A röntgenlézer használata valóban univerzális. Ezeknek a röntgensugaraknak egy másik hasznos tulajdonsága, hogy szinkrotronokkal vagy a gyorsító teljes útja mentén gyorsuló részecskékkel használják. Attól függően, hogy mennyi energiára van szükség ennek az útnak a megtételéhez, a részecskék sugárzást bocsáthatnak ki. Például az elektronok gerjesztésekor röntgensugarakat bocsátanak ki, amelyek hullámhossza körülbelül egy atom méretű. Ezután tanulmányozhattuk ezen atomok tulajdonságait a röntgensugárzással való kölcsönhatás révén. Ezenkívül megváltoztathatjuk az elektronok energiáját, és különböző hullámhosszúságú röntgensugarakat kaphatunk, így nagyobb mélységű analízist érhetünk el.
Azonban nagyon nehéz röntgenlézert saját kezűleg létrehozni. Felépítése még a tapaszt alt fizikusok szemszögéből is rendkívül összetett.
Biológiában
Még a biológusok is profitálhattak a (nukleáris pumpás) röntgenlézerekből. Kisugárzásuk segíthet feltárni a fotoszintézis olyan aspektusait, amelyeket a tudomány korábban nem ismert. Megragadják a növényi levelek finom változásait. A lágy röntgen lézersugarak hosszú hullámhosszai lehetővé teszik a felfedezést anélkül, hogy mindent elpusztítanaa növény belsejében történik. A nanokristály-injektor aktiválja az I fotocellát, amely az aktiválásához szükséges fotoszintézis fehérje kulcsa. Ezt egy röntgensugár lézersugár fogja el, aminek hatására a kristály szó szerint felrobban.
Ha a fenti kísérletek továbbra is sikeresek lesznek, az emberek képesek lesznek megfejteni a természet titkait, és a mesterséges fotoszintézis valósággá válhat. Felveti majd a napenergia hatékonyabb felhasználásának lehetőségét is, ami hosszú évekre tudományos projektek megjelenését provokálja.
Mágnesek
Mit szólnál egy elektronikus mágneshez? A tudósok azt találták, hogy amikor xenonatomokat és jódszegény molekulákat találtak egy nagy teljesítményű röntgensugárzással, az atomok kidobták belső elektronjaikat, és űr keletkezett az atommag és a legkülső elektronok között. A vonzó erők mozgásba hozzák ezeket az elektronokat. Normális esetben ennek nem szabadna megtörténnie, de az elektronok leejtésének hirtelensége miatt atomi szinten túlságosan "töltött" helyzet lép fel. A tudósok úgy vélik, hogy a lézer felhasználható a képfeldolgozásban.
Óriás röntgenlézer Xfel
Az US National Accelerator Laboratory-ban, konkrétan a Linacban található 3500 méteres lézer számos ötletes eszközt használ, hogy kemény röntgensugárzással célokat találjon el. Íme az egyik legerősebb lézer néhány alkatrésze (a rövidítések és az anglicizmusok a mechanizmus összetevőit jelentik):
- Drive Laser – létrehozultraibolya impulzus, amely eltávolítja az elektronokat a katódról. Akár 12 milliárd eW energiaszintig bocsát ki elektronokat az elektromos mező manipulálásával. A szerkezeten belül egy S-alakú gyorsító is található, az úgynevezett Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - ugyanaz a koncepció, mint a Bunch 1, de hosszabb, S-alakú szerkezet, megnövelve a nagyobb energiák miatt.
- Közlekedési csarnok - lehetővé teszi, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az elektronok alkalmasak az impulzusok mágneses mezők segítségével történő fókuszálására.
- Undulator Hall – Mágnesekből áll, amelyek az elektronokat ide-oda mozgatják, ezáltal nagy energiájú röntgensugárzást generálnak.
- A Beam Dump egy mágnes, amely eltávolítja az elektronokat, de átengedi a röntgensugarakat anélkül, hogy elmozdulna.
- LCLS kísérleti állomás egy speciális kamra, amelyben a lézer rögzítve van, és amely a vele kapcsolatos kísérletek fő tere. Az eszköz által generált nyalábok másodpercenként 120 impulzust hoznak létre, és mindegyik impulzus 1/10000000000 másodpercig tart.
- Kapilláris plazma-kisülési közeg. Ebben az elrendezésben egy több centiméter hosszú, stabil anyagból (pl. alumínium-oxid) készült kapilláris korlátozza a nagy pontosságú, szubmikroszekundumos elektromos impulzust alacsony nyomású gázban. A Lorentz-erő a plazmakisülés további összenyomódását okozza. Ezenkívül gyakran alkalmaznak előionizációs elektromos vagy optikai impulzust. Példa erre a kapilláris neonszerű Ar8 + lézer (amely 47 °C-on sugárzást generálnm).
- Tömör födém célközege – miután optikai impulzus éri, a céltárgy erősen gerjesztett plazmát bocsát ki. Ismét egy hosszabb "előimpulzust" gyakran használnak a plazma létrehozásához, és egy második, rövidebb és energikusabb impulzust a plazma további melegítésére. Rövid élettartam esetén lendületváltásra lehet szükség. A plazma törésmutató-gradiense miatt az erősített impulzus elhajlik a célfelülettől, mivel a rezonancia feletti frekvenciákon a törésmutató az anyag sűrűségével csökken. Ez kompenzálható több célpont használatával egy sorozatban, mint az európai röntgen-szabadelektron-lézerben.
- Optikai térrel gerjesztett plazma - elég nagy optikai sűrűség esetén az elektronok hatékony alagútvezetéséhez vagy akár a potenciálgát elnyomásához (> 1016 W / cm2) lehetséges a gáz erős ionizálása anélkül, hogy érintkezésbe kerülne kapillárissal vagy cél. Általában egy kollineáris beállítást használnak az impulzusok szinkronizálására.
Általában ennek a mechanizmusnak a felépítése hasonló az európai röntgen-szabadelektron-lézeréhez.
