Какъв е принципът на работа на рентгеновия лазер? Поради високото усилване на генериращата среда, краткия живот на горното състояние (1-100 ps) и проблемите, свързани с изграждането на огледала, които могат да отразяват лъчите, тези лазери обикновено работят без огледала. Рентгеновият лъч се генерира чрез еднократно преминаване през усилващата среда. Излъчената радиация на базата на усилен спонтанен лъч има относително ниска пространствена кохерентност. Прочетете статията до края и ще разберете, че това е рентгенов лазер. Това устройство е много практично и уникално по своята структура.
Ядра в структурата на механизма
Тъй като конвенционалните лазерни преходи между видими и електронни или вибрационни състояния съответстват на енергии до 10 eV, за рентгеновите лазери са необходими различни активни среди. Отново, различни активни заредени ядра могат да се използват за това.
Оръжия
Между 1978 и 1988 г. в проекта ExcaliburАмериканските военни се опитаха да разработят ядрен експлозивен рентгенов лазер за противоракетна отбрана като част от Инициативата за стратегическа отбрана на Междузвездни войни (SDI). Проектът обаче се оказа твърде скъп, проточи се и в крайна сметка беше отложен.
Плазмен носител в лазер
Най-често използваната среда включва силно йонизирана плазма, създадена в капилярен разряд или когато линейно фокусиран оптичен импулс удари твърда цел. Според йонизационното уравнение на Саха най-стабилните електронни конфигурации са неонови, с оставащи 10 електрона, и подобни на никел, с 28 електрона. Електронните преходи в силно йонизирани плазми обикновено съответстват на енергии от порядъка на стотици електрон волта (eV).
Алтернативна усилваща среда е релативистичният електронен лъч на лазер без рентгенови лъчи, който използва стимулирано Комптоново разсейване вместо стандартно лъчение.
Заявление
Кохерентните рентгенови приложения включват кохерентно дифракционно изображение, плътна плазма (непрозрачна за видимото лъчение), рентгенова микроскопия, медицински изображения с фазово разделяне, изследване на повърхността на материала и въоръжение.
По-леката версия на лазера може да се използва за аблативно лазерно движение.
Рентгенов лазер: как работи
Как работят лазерите? Поради факта, че фотонътудари атом с определена енергия, можете да накарате атома да излъчва фотон с тази енергия в процес, наречен стимулирано излъчване. Повтаряйки този процес в голям мащаб, ще получите верижна реакция, която води до лазер. Някои квантови възли обаче причиняват спиране на този процес, тъй като фотон понякога се абсорбира, без изобщо да бъде излъчен. Но за да се гарантират максимални шансове, нивата на енергията на фотоните се увеличават и огледала се поставят успоредно на пътя на светлината, за да помогнат на разпръснатите фотони да се върнат в игра. И при високи енергии на рентгеновите лъчи се откриват специални физични закони, които са присъщи на това конкретно явление.
История
В началото на 70-те години на миналия век рентгеновият лазер изглеждаше недостъпен, тъй като повечето лазери на деня достигаха пик при 110 nm, много под най-големите рентгенови лъчи. Това се дължи на факта, че количеството енергия, необходимо за производството на стимулирания материал, беше толкова голямо, че трябваше да се доставя с бърз импулс, което допълнително усложнява отразяващата способност, необходима за създаване на мощен лазер. Затова учените разгледаха плазмата, тъй като тя изглеждаше като добра проводяща среда. Екип от учени през 1972 г. твърди, че най-накрая са постигнали използването на плазма при създаването на лазери, но когато се опитаха да възпроизведат предишните си резултати, те се провалиха по някаква причина.
През 80-те години на миналия век голям играч от света се присъедини към изследователския екипНаука - Ливърмор. Междувременно учените постигат малки, но важни крачки от години, но след като Агенцията за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната (DARPA) спря да плаща за рентгенови изследвания, Ливърмор стана лидер на научния екип. Той ръководи разработването на няколко вида лазери, включително тези, базирани на синтез. Тяхната програма за ядрени оръжия беше обещаваща, тъй като високите енергийни показатели, които учените постигнаха по време на тази програма, намекнаха за възможността за създаване на висококачествен импулсен механизъм, който би бил полезен при конструирането на лазер без рентгенови лъчи.
Проектът постепенно наближаваше завършване. Учените Джордж Чаплин и Лоуел Ууд първо изследват технологията за синтез на рентгенови лазери през 70-те години на миналия век и след това преминаха към ядрен вариант. Заедно те разработиха такъв механизъм и бяха готови за тестване на 13 септември 1978 г., но повредата на оборудването го прекъсна. Но може би беше за най-доброто. Питър Хагелщайн създава различен подход след изучаване на предишния механизъм и на 14 ноември 1980 г. два експеримента доказват, че прототипът на рентгенов лазер работи.
Проект "Междузвездни войни"
Много скоро Министерството на отбраната на САЩ се заинтересува от проекта. Да, използването на силата на ядрено оръжие в фокусиран лъч е твърде опасно, но тази мощност може да се използва за унищожаване на междуконтинентални балистични ракети (ICBM) във въздуха. Най-удобно би било да се използва подобен механизъм в близост до Земятаорбита. Целият свят познава тази програма, наречена Междузвездни войни. Проектът за използване на рентгеновия лазер като оръжие обаче така и не се реализира.
В изданието на Aviation Week and Space Engineering от 23 февруари 1981 г. се съобщават резултатите от първите тестове на проекта, включително лазерен лъч, който достигна 1,4 нанометра и порази 50 различни цели.
Тестовете от 26 март 1983 г. не дадоха нищо поради повреда на сензора. Въпреки това, следващите тестове на 16 декември 1983 г. демонстрират истинските му възможности.
По-нататъшна съдба на проекта
Хагелщайн си представя двуетапен процес, при който лазер ще създаде плазма, която ще освободи заредени фотони, които ще се сблъскат с електрони в друг материал и ще предизвикат излъчване на рентгенови лъчи. Бяха изпробвани няколко настройки, но в крайна сметка йонната манипулация се оказа най-доброто решение. Плазмата отстранява електроните, докато не останат само 10 вътрешни, където след това фотоните ги зареждат до 3p състояние, като по този начин освобождават "мекия" лъч. Експеримент от 13 юли 1984 г. доказва, че това е нещо повече от теория, когато спектрометър измерва силни емисии при 20,6 и 20,9 нанометра селен (йон, подобен на неон). Тогава се появява първият лабораторен (не военен) рентгенов лазер с името Novette.
Съдбата на Novette
Този лазер е проектиран от Джим Дън и има физически аспекти, проверени от Ал Остерхелд и Слава Шляпцев. Използване бързо(почти наносекунден) импулс на високоенергийна светлина, която зарежда частиците за освобождаване на рентгенови лъчи, Novett също използва стъклени усилватели, които подобряват ефективността, но също така се нагряват бързо, което означава, че може да работи само 6 пъти на ден между охлажданията. Но някои изследвания показват, че може да задейства пикосекунден импулс, докато компресията се връща до наносекунден импулс. В противен случай стъкленият усилвател ще бъде унищожен. Важно е да се отбележи, че Novette и други "настолни" рентгенови лазери произвеждат "меки" рентгенови лъчи, които имат по-голяма дължина на вълната, което предотвратява преминаването на лъча през много материали, но дава представа за сплави и плазма, т.к. лесно блести през тях.
Други употреби и функции на работа
И така, за какво може да се използва този лазер? По-рано беше отбелязано, че по-късата дължина на вълната може да улесни изследването на някои материали, но това не е единственото приложение. Когато целта е ударена от импулс, тя просто се разрушава на атомни частици, а температурата в същото време достига милиони градуса само за трилионна част от секундата. И ако тази температура е достатъчна, лазерът ще накара електроните да се отлепят отвътре. Това е така, защото най-ниското ниво на електронните орбитали предполага наличието на поне два електрона, които се изхвърлят от енергията, генерирана от рентгеновите лъчи.
Времето, необходимо на един атом дае загубил всичките си електрони, е от порядъка на няколко фемтосекунди. Полученото ядро не се задържа дълго и бързо преминава в плазмено състояние, известно като "топла плътна материя", което се намира най-вече в ядрените реактори и ядрата на големите планети. Експериментирайки с лазера, можем да добием представа и за двата процеса, които са различни форми на ядрен синтез.
Използването на рентгеновия лазер е наистина универсално. Друга полезна характеристика на тези рентгенови лъчи е използването им със синхротрони или частици, ускоряващи се по целия път на ускорителя. Въз основа на това колко енергия е необходима, за да се направи този път, частиците могат да излъчват радиация. Например, електроните, когато са възбудени, излъчват рентгенови лъчи, които имат дължина на вълната около размера на атом. Тогава бихме могли да изследваме свойствата на тези атоми чрез взаимодействие с рентгеновите лъчи. Освен това можем да променим енергията на електроните и да получим различни дължини на вълната на рентгеновите лъчи, постигайки по-голяма дълбочина на анализа.
Въпреки това е много трудно да създадете рентгенов лазер със собствените си ръце. Структурата му е изключително сложна дори от гледна точка на опитни физици.
По биология
Дори биолозите са успели да се възползват от рентгеновите лазери (ядрено изпомпване). Тяхното излъчване може да помогне да се разкрият аспекти на фотосинтезата, непознати досега на науката. Те улавят фините промени в листата на растенията. Дългите дължини на вълната на меките рентгенови лазерни лъчи ви позволяват да изследвате, без да унищожавате всичко товасе извършва вътре в растението. Нанокристалният инжектор задейства фотоклетка I, протеиновият ключ към фотосинтезата, необходим за активирането му. Това се прихваща от лазерен лъч рентгенови лъчи, което кара кристала буквално да експлодира.
Ако горните експерименти продължат да бъдат успешни, хората ще могат да разгадаят мистериите на природата и изкуствената фотосинтеза може да стане реалност. Това ще постави и въпроса за възможността за по-ефективно използване на слънчевата енергия, провокирайки появата на научни проекти за много години напред.
Магнити
Какво ще кажете за електронен магнит? Учените открили, че когато са имали ксенонови атоми и молекули, ограничени от йод, ударени от рентгеново лъч с висока мощност, атомите изхвърлили вътрешните си електрони, създавайки празнота между ядрото и най-външните електрони. Привличащите сили привеждат тези електрони в движение. Обикновено това не би трябвало да се случва, но поради внезапното изпускане на електрони, на атомно ниво възниква прекалено "заредена" ситуация. Учените смятат, че лазерът може да се използва за обработка на изображения.
Гигантски рентгенов лазер Xfel
Хостистван в Националната ускорителна лаборатория на САЩ, по-специално в линейния ускорител, този 3500-футов лазер използва няколко гениални устройства за поразяване на цели с твърди рентгенови лъчи. Ето някои от компонентите на един от най-мощните лазери (съкращенията и англицизмите означават компонентите на механизма):
- Drive Laser - създаваултравиолетов импулс, който отстранява електроните от катода. Излъчва електрони до енергийно ниво от 12 милиарда eW чрез манипулиране на електрическото поле. В движението има и S-образен ускорител, наречен Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - същата концепция като Bunch 1, но по-дълга S-образна структура, увеличена поради по-високи енергии.
- Transport Hall - позволява ви да се уверите, че електроните са подходящи за фокусиране на импулси с помощта на магнитни полета.
- Undulator Hall - Състои се от магнити, които карат електроните да се движат напред-назад, като по този начин генерират високоенергийни рентгенови лъчи.
- Beam Dump е магнит, който премахва електроните, но пропуска рентгенови лъчи, без да се движи.
- LCLS Experimental Station е специална камера, в която е фиксиран лазерът и която е основното пространство за експерименти, свързани с него. Лъчите, генерирани от това устройство, създават 120 импулса в секунда, като всеки импулс продължава 1/10000000000 от секундата.
- Капилярна плазмена разрядна среда. При тази настройка капиляра с дължина няколко сантиметра, направена от стабилен материал (напр. алуминиев оксид), ограничава високо прецизен електрически импулс под микросекунда в газ с ниско налягане. Силата на Лоренц причинява допълнително компресиране на плазмения разряд. Освен това често се използва електрически или оптичен импулс преди йонизация. Пример е капилярен неоновоподобен Ar8 + лазер (който генерира радиация при 47nm).
- Целева среда на твърда плоча - след като бъде ударена от оптичен импулс, целта излъчва силно възбудена плазма. Отново често се използва по-дълъг "предипулс" за създаване на плазмата, а втори, по-кратък и по-енергичен импулс се използва за допълнително загряване на плазмата. За кратък живот може да се наложи смяна на инерцията. Градиентът на индекса на пречупване на плазмата кара усиления импулс да се огъва от повърхността на мишената, тъй като при честоти над резонанса индексът на пречупване намалява с плътността на материята. Това може да бъде компенсирано чрез използване на множество мишени в един взрив, както при европейския лазер без рентгенови лъчи.
- Плазма, възбудена от оптично поле - при оптична плътност, достатъчно висока за ефективно тунелиране на електрони или дори за потискане на потенциална бариера (> 1016 W / cm2), е възможно силно йонизиране на газ без контакт с капиляра или цел. Обикновено за синхронизиране на импулсите се използва колинеарна настройка.
Като цяло структурата на този механизъм е подобна на европейския лазер без рентгенови лъчи.
