Jaký je princip činnosti rentgenového laseru? Kvůli vysokému zisku v generačním médiu, krátké životnosti v horním stavu (1-100 ps) a problémům spojeným se stavbou zrcadel, která mohou odrážet paprsky, tyto lasery obvykle pracují bez zrcadel. Rentgenový paprsek je generován jediným průchodem skrz zesilovací médium. Emitované záření založené na zesíleném spontánním paprsku má relativně nízkou prostorovou koherenci. Přečtěte si článek až do konce a pochopíte, že se jedná o rentgenový laser. Toto zařízení je velmi praktické a jedinečné ve své struktuře.
Jádra ve struktuře mechanismu
Protože konvenční laserové přechody mezi viditelným a elektronickým nebo vibračním stavem odpovídají energiím až 10 eV, jsou pro rentgenové lasery potřeba různá aktivní média. K tomu lze opět použít různá aktivní nabitá jádra.
Zbraně
V letech 1978 až 1988 v projektu ExcaliburAmerická armáda se pokusila vyvinout jaderný výbušný rentgenový laser pro protiraketovou obranu jako součást Strategické obranné iniciativy Star Wars (SDI). Projekt se však ukázal jako příliš drahý, vlekl se a nakonec byl odložen.
Plazmové médium uvnitř laseru
Mezi nejčastěji používaná média patří vysoce ionizovaná plazma vytvořená v kapilárním výboji nebo když lineárně zaostřený optický pulz zasáhne pevný cíl. Podle Sahaovy ionizační rovnice jsou nejstabilnější elektronové konfigurace neonové, se zbývajícími 10 elektrony, a niklové s 28 elektrony. Elektronové přechody ve vysoce ionizovaném plazmatu typicky odpovídají energiím v řádu stovek elektronvoltů (eV).
Alternativním zesilovacím médiem je relativistický elektronový paprsek rentgenového laseru s volnými elektrony, který místo standardního záření využívá stimulovaný Comptonův rozptyl.
Aplikace
Koherentní rentgenové aplikace zahrnují koherentní difrakční zobrazování, hustou plazmu (neprůhlednou pro viditelné záření), rentgenovou mikroskopii, lékařské zobrazování s fázovým rozlišením, zkoumání povrchu materiálu a zbrojení.
Lehší verzi laseru lze použít pro ablativní pohyb laseru.
Rentgenový laser: jak to funguje
Jak fungují lasery? Vzhledem k tomu, že fotonzasáhne atom určitou energií, můžete přimět atom emitovat foton s touto energií v procesu zvaném stimulovaná emise. Opakováním tohoto procesu ve velkém měřítku získáte řetězovou reakci, jejímž výsledkem je laser. Některé kvantové uzly však způsobí zastavení tohoto procesu, protože foton je někdy absorbován, aniž by byl vůbec emitován. Ale aby byla zajištěna maximální šance, energetické úrovně fotonů jsou zvýšeny a zrcadla jsou umístěna paralelně se světelnou dráhou, aby pomohla rozptýleným fotonům vrátit se do hry. A při vysokých energiích rentgenového záření jsou nalezeny speciální fyzikální zákony, které jsou tomuto konkrétnímu jevu vlastní.
Historie
Na začátku 70. let se rentgenový laser zdál nedosažitelný, protože většina laserů té doby dosahovala maxima na 110 nm, tedy hluboko pod největšími rentgenovými paprsky. Bylo to proto, že množství energie potřebné k výrobě stimulovaného materiálu bylo tak vysoké, že musel být dodán v rychlém pulzu, což dále komplikovalo odrazivost potřebnou k vytvoření výkonného laseru. Vědci se proto podívali na plazma, protože vypadala jako dobré vodivé médium. Tým vědců v roce 1972 tvrdil, že konečně dosáhli využití plazmatu při vytváření laserů, ale když se pokusili reprodukovat své předchozí výsledky, z nějakého důvodu selhali.
V 80. letech se k výzkumnému týmu připojil významný světový hráčVěda - Livermore. Vědci mezitím už léta dělají malé, ale důležité kroky, ale poté, co agentura DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) přestala platit za rentgenový výzkum, se Livermore stal vedoucím vědeckého týmu. Vedl vývoj několika typů laserů, včetně těch na bázi fúze. Jejich program jaderných zbraní byl slibný, protože ukazatele vysoké energie, kterých vědci během tohoto programu dosáhli, naznačovaly možnost vytvoření vysoce kvalitního pulzního mechanismu, který by byl užitečný při konstrukci rentgenového laseru s volnými elektrony.
Projekt se postupně blížil k dokončení. Vědci George Chaplin a Lowell Wood poprvé prozkoumali fúzní technologii pro rentgenové lasery v 70. letech a poté přešli na jadernou variantu. Společně takový mechanismus vyvinuli a byli připraveni k testování 13. září 1978, ale selhání zařízení to zkrátilo. Ale možná to bylo nejlepší. Peter Hagelstein po prostudování předchozího mechanismu vytvořil odlišný přístup a 14. listopadu 1980 dva experimenty prokázaly, že prototyp rentgenového laseru funguje.
Projekt Star Wars
Velmi brzy se o projekt začalo zajímat americké ministerstvo obrany. Ano, použití síly jaderné zbraně v soustředěném paprsku je příliš nebezpečné, ale tato síla by mohla být použita ke zničení mezikontinentálních balistických střel (ICBM) ve vzduchu. Nejpohodlnější by bylo použít podobný mechanismus na blízké Zemiobíhat. Tento program s názvem Star Wars zná celý svět. Projekt využití rentgenového laseru jako zbraně však nikdy nevyšel.
Číslo časopisu Aviation Week and Space Engineering z 23. února 1981 uvádí výsledky prvních testů projektu, včetně laserového paprsku, který dosáhl 1,4 nanometru a zasáhl 50 různých cílů.
Testy datované 26. března 1983 nepřinesly nic kvůli selhání senzoru. Následující testy 16. prosince 1983 však ukázaly jeho skutečné schopnosti.
Další osud projektu
Hagelstein si představil dvoustupňový proces, ve kterém by laser vytvořil plazmu, která by uvolnila nabité fotony, které by se srazily s elektrony v jiném materiálu a způsobily vyzařování rentgenového záření. Bylo vyzkoušeno několik nastavení, ale nakonec se jako nejlepší řešení ukázala manipulace s ionty. Plazma odebíralo elektrony, až zbylo jen 10 vnitřních, kde je pak fotony nabily až do stavu 3p a uvolnily tak „měkký“paprsek. Experiment z 13. července 1984 prokázal, že to bylo více než jen teorie, když spektrometr naměřil silné emise selenu o velikosti 20,6 a 20,9 nanometrů (iont podobný neonu). Poté se objevil první laboratorní (ne vojenský) rentgenový laser s názvem Novette.
Osud Novette
Tento laser navrhl Jim Dunn a jeho fyzické aspekty ověřili Al Osterheld a Slava Shlyaptsev. Rychlé používání(téměř nanosekundy) pulsu vysoce energetického světla, které nabíjelo částice, aby uvolnilo rentgenové záření, Novett také použil skleněné zesilovače, které zlepšují účinnost, ale také se rychle zahřívají, což znamená, že může běžet pouze 6krát denně mezi ochlazeními. Některé práce však ukázaly, že může vypálit pikosekundový pulz, zatímco komprese se vrátí na nanosekundový pulz. Jinak se skleněný zesilovač zničí. Je důležité poznamenat, že Novette a další „stolní“rentgenové lasery produkují „měkké“rentgenové paprsky, které mají delší vlnovou délku, což brání paprsku procházet mnoha materiály, ale umožňuje nahlédnout do slitin a plazmatu, protože snadno jimi prosvítá.
Další použití a funkce provozu
Na co tedy lze tento laser použít? Již dříve bylo uvedeno, že kratší vlnová délka může usnadnit zkoumání některých materiálů, ale toto není jediná aplikace. Když je cíl zasažen impulsem, je jednoduše zničen na atomární částice a teplota přitom dosáhne milionů stupňů za pouhou biliontinu sekundy. A pokud je tato teplota dostatečná, laser způsobí odloupnutí elektronů zevnitř. Je to proto, že nejnižší úroveň elektronových orbitalů implikuje přítomnost alespoň dvou elektronů, které jsou vyvrženy z energie generované rentgenovým zářením.
Čas, který atom potřebujeztratil všechny své elektrony, je v řádu několika femtosekund. Výsledné jádro dlouho neotálí a rychle přechází do plazmatického stavu známého jako „teplá hustá hmota“, který se většinou nachází v jaderných reaktorech a jádrech velkých planet. Experimentováním s laserem můžeme získat představu o obou procesech, což jsou různé formy jaderné fúze.
Použití rentgenového laseru je skutečně univerzální. Další užitečnou vlastností těchto rentgenových paprsků je jejich použití se synchrotrony nebo částicemi urychlujícími se po celé dráze urychlovače. Na základě toho, kolik energie je zapotřebí k vytvoření této cesty, mohou částice emitovat záření. Například elektrony při excitaci emitují rentgenové záření, které má vlnovou délku přibližně velikosti atomu. Pak bychom mohli studovat vlastnosti těchto atomů prostřednictvím interakce s rentgenovým zářením. Kromě toho můžeme změnit energii elektronů a získat různé vlnové délky rentgenového záření, čímž dosáhneme větší hloubky analýzy.
Je však velmi obtížné vytvořit rentgenový laser vlastníma rukama. Jeho struktura je extrémně složitá i z pohledu zkušených fyziků.
V biologii
Dokonce i biologové mohli těžit z rentgenových laserů (jaderně čerpaných). Jejich záření může pomoci odhalit aspekty fotosyntézy, které věda dosud neznala. Zachycují jemné změny v listech rostlin. Dlouhé vlnové délky měkkých rentgenových laserových paprsků vám umožní prozkoumat, aniž byste to všechno zničiliprobíhá uvnitř rostliny. Injektor nanokrystalů spouští fotobuňku I, proteinový klíč k fotosyntéze potřebný k její aktivaci. To je zachyceno laserovým paprskem rentgenových paprsků, což způsobí, že krystal doslova exploduje.
Pokud budou výše uvedené experimenty i nadále úspěšné, lidé budou schopni odhalit tajemství přírody a umělá fotosyntéza se může stát realitou. Nastolí také otázku možnosti efektivnějšího využití solární energie, což podnítí vznik vědeckých projektů na mnoho let dopředu.
Magnety
Co takhle elektronický magnet? Vědci zjistili, že když na atomy xenonu a molekuly omezené na jód zasáhl vysoce výkonný rentgenový paprsek, atomy odhodily své vnitřní elektrony a vytvořily prázdnotu mezi jádrem a nejvzdálenějšími elektrony. Přitažlivé síly uvádějí tyto elektrony do pohybu. Normálně by se to stávat nemělo, ale kvůli náhlému vypadnutí elektronů dochází na atomové úrovni k příliš „nabité“situaci. Vědci se domnívají, že laser by mohl být použit při zpracování obrazu.
Obří rentgenový laser Xfel
Tento 3500 stop dlouhý laser, který je hostován v americké národní laboratoři akcelerátorů, konkrétně v linacu, využívá několik důmyslných zařízení k zasažení cílů tvrdými rentgenovými paprsky. Zde jsou některé ze součástí jednoho z nejvýkonnějších laserů (zkratky a anglicismy znamenají součásti mechanismu):
- Drive Laser – vytváříultrafialový pulz, který odstraňuje elektrony z katody. Vyzařuje elektrony až do energetické úrovně 12 miliard eW manipulací s elektrickým polem. Uvnitř strojku je také urychlovač ve tvaru písmene S s názvem Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 – stejný koncept jako Bunch 1, ale delší struktura ve tvaru S, zvýšená díky vyšším energiím.
- Dopravní hala - umožňuje vám ujistit se, že elektrony jsou vhodné pro zaostřování pulzů pomocí magnetických polí.
- Undulator Hall – Skládá se z magnetů, které způsobují pohyb elektronů tam a zpět, čímž generují rentgenové záření s vysokou energií.
- Beam Dump je magnet, který odstraňuje elektrony, ale propouští rentgenové záření bez pohybu.
- LCLS Experimental Station je speciální komora, ve které je upevněn laser a která je hlavním prostorem pro experimenty s ním související. Paprsky generované tímto zařízením vytvářejí 120 pulzů za sekundu, přičemž každý pulz trvá 1/10000000000 sekundy.
- Kapilární plazmové výbojové médium. V tomto uspořádání omezuje kapilára dlouhá několik centimetrů, vyrobená ze stabilního materiálu (např. oxidu hlinitého), vysoce přesný submikrosekundový elektrický impuls v plynu o nízkém tlaku. Lorentzova síla způsobí další stlačení plazmového výboje. Kromě toho se často používá předionizační elektrický nebo optický impuls. Příkladem je kapilární neonový Ar8+ laser (který generuje záření při 47nm).
- Cílové médium pevné desky – po zasažení optickým pulzem cíl emituje vysoce excitované plazma. K vytvoření plazmatu se opět často používá delší "předpulz" a k dalšímu ohřevu plazmatu druhý, kratší a energetičtější pulz. Pro krátkou životnost může být vyžadován posun hybnosti. Gradient indexu lomu plazmy způsobí, že se zesílený pulz ohne od cílového povrchu, protože při frekvencích nad rezonancí index lomu klesá s hustotou hmoty. To lze kompenzovat použitím více cílů v záblesku, jako v evropském rentgenovém laseru s volnými elektrony.
- Plazma excitovaná optickým polem - při optických hustotách dostatečně vysokých k efektivnímu tunelování elektronů nebo dokonce k potlačení potenciálové bariéry (> 1016 W / cm2) je možné silně ionizovat plyn bez kontaktu s kapilárou popř. cílová. K synchronizaci pulzů se obvykle používá kolineární nastavení.
Obecně je struktura tohoto mechanismu podobná evropskému rentgenovému laseru s volnými elektrony.
