Рентгендік лазердің жұмыс істеу принципі қандай? Генерация ортасындағы жоғары күшейту, қысқа жоғарғы күйдің қызмет ету уақыттары (1-100 ps) және сәулелерді көрсете алатын айналар салумен байланысты мәселелерге байланысты бұл лазерлер әдетте айналарсыз жұмыс істейді. Рентген сәулесі күшейту ортасы арқылы бір рет өту арқылы жасалады. Күшейтілген спонтанды сәулеге негізделген сәулелену салыстырмалы түрде төмен кеңістіктік когеренттілікке ие. Мақаланы соңына дейін оқып шығыңыз және бұл рентгендік лазер екенін түсінесіз. Бұл құрылғы өте практикалық және құрылымы бойынша бірегей.
Механизм құрылымындағы ядролар
Көрінетін және электронды немесе діріл күйлері арасындағы кәдімгі лазерлік ауысулар 10 эВ дейінгі энергияларға сәйкес келетіндіктен, рентгендік лазерлер үшін әртүрлі белсенді орталар қажет. Бұл үшін тағы да әртүрлі белсенді зарядталған ядроларды пайдалануға болады.
Қарулар
1978 және 1988 жылдар аралығында Excalibur жобасындаАҚШ әскері Жұлдызды соғыстардың стратегиялық қорғаныс бастамасының (SDI) бөлігі ретінде зымыранға қарсы қорғаныс үшін ядролық жарылғыш рентгендік лазерді жасауға әрекет жасады. Алайда жоба тым қымбат болып шықты, кейінге қалдырылды және ақырында тоқтатылды.
Лазер ішіндегі плазмалық медиа
Ең жиі қолданылатын медиа капиллярлық разрядта немесе сызықты фокусталған оптикалық импульс қатты нысанаға тиген кезде пайда болатын жоғары иондалған плазманы қамтиды. Сахараның иондану теңдеуіне сәйкес ең тұрақты электрон конфигурациялары неон, 10 электроны қалған және никель тәрізді, 28 электроны бар. Жоғары иондалған плазмалардағы электронды ауысулар әдетте жүздеген электрон вольт (эВ) ретіндегі энергияларға сәйкес келеді.
Баламалы күшейткіш орта стандартты сәулеленудің орнына ынталандырылған Комптон шашырауын пайдаланатын рентгендік бос электронды лазердің релятивистік электронды сәулесі болып табылады.
Қолданба
Когерентті рентгендік қолданбаларға когерентті дифракциялық бейнелеу, тығыз плазма (көрінетін сәулелену үшін мөлдір емес), рентгендік микроскопия, фазалық шешілетін медициналық бейнелеу, материал бетін тексеру және қаруландыру жатады.
Лазердің жеңілірек нұсқасын абляциялық лазер қозғалысы үшін пайдалануға болады.
Рентгендік лазер: ол қалай жұмыс істейді
Лазерлер қалай жұмыс істейді? Фотонның болуына байланыстыбелгілі бір энергиясы бар атомды соқтырса, ынталандырылған эмиссия деп аталатын процесте атомды сол энергиямен фотонды шығаруға болады. Бұл процесті кең ауқымда қайталау арқылы сіз лазерге әкелетін тізбекті реакция аласыз. Дегенмен, кейбір кванттық түйіндер бұл процесті тоқтатуға әкеледі, өйткені фотон кейде мүлдем шығарылмай жұтылады. Бірақ максималды мүмкіндіктерді қамтамасыз ету үшін фотон энергиясының деңгейлері ұлғайып, шашыраңқы фотондардың қайта ойнауына көмектесу үшін жарық жолына параллель айналар орналастырылады. Ал рентген сәулелерінің жоғары энергияларында осы ерекше құбылысқа тән ерекше физикалық заңдылықтар табылады.
Тарих
1970 жылдардың басында рентгендік лазерге қол жетпейтін болып көрінді, өйткені күннің көптеген лазерлері ең үлкен рентген сәулелерінен әлдеқайда төмен, 110 нм шамасында болды. Бұл ынталандырылған материалды өндіруге қажетті энергия мөлшері соншалықты жоғары болғандықтан, оны жылдам импульспен жеткізуге тура келді, бұл қуатты лазер жасау үшін қажет шағылыстыруды одан әрі қиындатады. Сондықтан ғалымдар плазмаға қарады, өйткені ол жақсы өткізгіш ортаға ұқсайды. 1972 жылы ғалымдар тобы лазерлерді жасауда плазманы пайдалануға ақыры қол жеткіздік деп мәлімдеді, бірақ олар бұрынғы нәтижелерін шығаруға тырысқанда, қандай да бір себептермен сәтсіздікке ұшырады.
1980 жылдары зерттеу тобына әлемнің ірі ойыншысы қосылды. Ғылым - Ливермор. Ғалымдар болса, жылдар бойы шағын, бірақ маңызды қадамдар жасады, бірақ қорғаныстың жетілдірілген зерттеу жобалары агенттігі (DARPA) рентгендік зерттеулерге ақы төлеуді тоқтатқаннан кейін, Ливермор ғылыми топтың жетекшісі болды. Ол лазерлердің бірнеше түрін, соның ішінде термоядролық синтезге негізделгендерді әзірлеуге жетекшілік етті. Олардың ядролық қару бағдарламасы келешегі зор болды, өйткені осы бағдарлама барысында ғалымдар қол жеткізген жоғары энергетикалық көрсеткіштер рентгендік бос электрон лазерін жасауда пайдалы болатын жоғары сапалы импульстік механизм жасау мүмкіндігін меңзеді.
Жоба бірте-бірте аяқталуға жақын қалды. Ғалымдар Джордж Чаплин мен Лоуэлл Вуд алғаш рет 1970 жылдары рентгендік лазерлер үшін синтез технологиясын зерттеді, содан кейін ядролық опцияға көшті. Олар бірге осындай механизмді әзірледі және 1978 жылы 13 қыркүйекте сынақтан өтуге дайын болды, бірақ жабдықтың істен шығуы оны қысқартты. Бірақ, мүмкін, бұл ең жақсысы болды. Питер Хагельштейн алдыңғы механизмді зерттегеннен кейін басқа тәсілді жасады және 1980 жылы 14 қарашада екі эксперимент рентгендік лазердің прототипі жұмыс істейтінін дәлелдеді.
Жұлдызды соғыстар жобасы
Көп ұзамай АҚШ Қорғаныс министрлігі жобаға қызығушылық танытты. Иә, ядролық қарудың күшін бағытталған сәуледе пайдалану тым қауіпті, бірақ бұл қуатты ауадағы құрлықаралық баллистикалық зымырандарды (ICBM) жою үшін пайдалануға болады. Осыған ұқсас механизмді Жерге жақын жерде қолдану ең қолайлы болар едіорбита. Жұлдызды соғыстар деп аталатын бұл бағдарламаны бүкіл әлем біледі. Дегенмен, рентгендік лазерді қару ретінде пайдалану жобасы ешқашан жүзеге аспады.
Aviation Week and Space Engineering журналының 1981 жылғы 23 ақпандағы шығарылымында жобаның алғашқы сынақтарының нәтижелері, оның ішінде 1,4 нанометрге жеткен және 50 түрлі нысанаға тиген лазер сәулесі берілген.
1983 жылғы 26 наурыздағы сынақтар сенсордың ақаулығына байланысты еш нәтиже бермеді. Алайда 1983 жылы 16 желтоқсанда өткен келесі сынақтар оның шынайы мүмкіндіктерін көрсетті.
Жобаның одан әрі тағдыры
Хагельштейн лазер басқа материалдағы электрондармен соқтығысатын және рентген сәулелерінің шығарылуына әкелетін зарядталған фотондарды шығаратын плазманы жасайтын екі сатылы процесті қарастырды. Бірнеше орнатулар қолданылды, бірақ соңында иондық манипуляция ең жақсы шешім болып шықты. Плазма электрондарды тек 10 ішкі қалғанша алып тастады, онда фотондар оларды 3p күйіне дейін зарядтады, осылайша «жұмсақ» сәулені босатады. 1984 жылдың 13 шілдесіндегі эксперимент спектрометр 20,6 және 20,9 нанометр селеннің (неон тәрізді ион) күшті шығарындыларын өлшегенде, бұл теориядан да көп екенін дәлелдеді. Содан кейін Novette атты бірінші зертханалық (әскери емес) рентгендік лазер пайда болды.
Новетте тағдыры
Бұл лазерді Джим Данн жасаған және физикалық аспектілерін Аль Остерхельд пен Слава Шляпцев тексерген. Жылдам пайдалану(наносекундқа жуық) бөлшектерді рентген сәулелерін шығару үшін зарядтайтын жоғары энергиялы жарық импульсі, Новетт сонымен қатар тиімділікті арттыратын, сонымен бірге тез қызып кететін шыны күшейткіштерді пайдаланды, яғни ол салқындатулар арасында күніне 6 рет қана жұмыс істей алады. Бірақ кейбір жұмыстар сығымдау наносекундтық импульсқа оралған кезде оның пикосекундтық импульсті тудыруы мүмкін екенін көрсетті. Әйтпесе, шыны күшейткіш бұзылады. Novette және басқа да «үстелдік» рентгендік лазерлер «жұмсақ» рентген сәулелерін шығаратынын атап өткен жөн, олардың толқын ұзындығы ұзағырақ, бұл сәуленің көптеген материалдардан өтуіне жол бермейді, бірақ қорытпалар мен плазма туралы түсінік береді, өйткені олар арқылы оңай жарқырайды.
Басқа пайдалану және пайдалану мүмкіндіктері
Сонымен бұл лазерді не үшін қолдануға болады? Қысқа толқын ұзындығы кейбір материалдарды зерттеуді жеңілдететіні бұрын айтылған, бірақ бұл жалғыз қолданба емес. Нысанаға импульс түскенде, ол жай ғана атомдық бөлшектерге дейін жойылады және температура бір уақытта секундтың триллионнан бірінде миллиондаған градусқа жетеді. Ал егер бұл температура жеткілікті болса, лазер электрондардың ішінен жұлынып кетуіне әкеледі. Себебі электронды орбитальдардың ең төменгі деңгейі рентген сәулелері тудыратын энергиядан шығарылатын кемінде екі электронның болуын білдіреді.
Атомға кететін уақытбарлық электрондарын жоғалтты, бірнеше фемтосекундтар тәртібінде. Алынған ядро ұзақ уақытқа созылмайды және «жылы тығыз зат» деп аталатын плазмалық күйге тез ауысады, ол негізінен ядролық реакторларда және үлкен планеталардың ядроларында кездеседі. Лазермен тәжірибе жасау арқылы біз ядролық синтездің әртүрлі формалары болып табылатын екі процесс туралы да түсінік ала аламыз.
Рентгендік лазерді пайдалану шынымен әмбебап. Бұл рентгендік сәулелердің тағы бір пайдалы қасиеті - оларды үдеткіштің бүкіл жолында үдететін синхротрондармен немесе бөлшектермен пайдалану. Бұл жолды жасау үшін қанша энергия қажет екеніне байланысты бөлшектер сәуле шығаруы мүмкін. Мысалы, электрондар қозған кезде толқын ұзындығы атомның шамасындай рентген сәулелерін шығарады. Сонда біз бұл атомдардың қасиеттерін рентген сәулелерімен әрекеттесу арқылы зерттей аламыз. Сонымен қатар, біз электрондардың энергиясын өзгертіп, рентген сәулелерінің әртүрлі толқын ұзындығын ала аламыз, осылайша талдау тереңдігіне қол жеткіземіз.
Алайда, өз қолыңызбен рентгендік лазер жасау өте қиын. Оның құрылымы тіпті тәжірибелі физиктер тұрғысынан да өте күрделі.
Биологияда
Тіпті биологтар да рентгендік лазерлерден (ядролық айдалатын) пайда көре алды. Олардың сәулеленуі бұрын ғылымға белгісіз фотосинтез аспектілерін ашуға көмектеседі. Олар өсімдік жапырақтарындағы нәзік өзгерістерді ұстайды. Жұмсақ рентгендік лазер сәулелерінің ұзын толқын ұзындығы барлық нәрсені бұзбай зерттеуге мүмкіндік бередіөсімдік ішінде орын алады. Нанокристалды инжектор фотоэлемент I іске қосады, оны белсендіру үшін қажет фотосинтездің ақуыз кілті. Мұны рентген сәулелерінің лазерлік сәулесі ұстап, кристалды тура мағынада жарып жібереді.
Жоғарыдағы тәжірибелер сәтті жалғаса берсе, адамдар табиғаттың тылсым сырларын ашып, жасанды фотосинтез шындыққа айналуы мүмкін. Ол сондай-ақ күн энергиясын тиімдірек пайдалану мүмкіндігі туралы мәселені көтеріп, көптеген жылдар бойы ғылыми жобалардың пайда болуына себепші болады.
Магниттер
Электрондық магнит туралы не деуге болады? Ғалымдар оларда ксенон атомдары мен йодпен шектелген молекулалар жоғары қуатты рентген сәулесіне түскен кезде атомдар ішкі электрондарын лақтырып жіберіп, ядро мен ең сыртқы электрондар арасында бос орын тудыратынын анықтады. Тартымды күштер бұл электрондарды қозғалысқа келтіреді. Әдетте бұл болмауы керек, бірақ электрондардың кенеттен түсуіне байланысты атомдық деңгейде тым «зарядталған» жағдай орын алады. Ғалымдар лазерді кескіндерді өңдеуде қолдануға болады деп санайды.
Алып рентгендік лазер Xfel
АҚШ Ұлттық үдеткіш зертханасында, атап айтқанда linacта орналасқан, бұл 3500 футтық лазер қатты рентген сәулелерімен нысанаға дәл тигізу үшін бірнеше тапқыр құрылғыларды пайдаланады. Мұнда ең қуатты лазерлердің бірінің құрамдас бөліктері берілген (қысқартулар мен ағылшынизмдер механизмнің құрамдас бөліктерін білдіреді):
- Drive Laser - жасайдыкатодтан электрондарды алып тастайтын ультракүлгін импульс. Электр өрісін басқару арқылы 12 миллиард эВт энергия деңгейіне дейін электрондар шығарады. Қозғалыстың ішінде 1-топ компрессоры деп аталатын S-тәрізді үдеткіш бар.
- 2-топ компрессоры – 1-топтамамен бірдей концепция, бірақ S-тәрізді құрылымы ұзағырақ, жоғары энергияның арқасында ұлғайған.
- Транспорт залы - электрондардың магнит өрістерін пайдаланып импульстарды фокустау үшін жарамды екеніне көз жеткізуге мүмкіндік береді.
- Ундулятор залы - электрондардың алға-артқа жылжуына себепші болатын магниттерден тұрады, осылайша жоғары энергиялы рентген сәулелерін шығарады.
- Beam Dump - электрондарды алып тастайтын, бірақ рентген сәулелерін қозғалмай өткізетін магнит.
- LCLS эксперименттік станциясы – лазер бекітілген және оған қатысты эксперименттер үшін негізгі кеңістік болып табылатын арнайы камера. Бұл құрылғы шығаратын сәулелер секундына 120 импульс жасайды, әрбір импульс секундтың 1/10000000000 созылады.
- Капиллярлық плазмалық разрядты орта. Бұл қондырғыда тұрақты материалдан (мысалы, алюминий тотығы) жасалған ұзындығы бірнеше сантиметр болатын капилляр төмен қысымды газдағы жоғары дәлдіктегі, микросекундтан төмен электр импульсін шектейді. Лоренц күші плазмалық разрядтың одан әрі қысылуын тудырады. Сонымен қатар, ионизацияға дейінгі электрлік немесе оптикалық импульс жиі қолданылады. Мысал ретінде капиллярлық неон тәрізді Ar8 + лазерін келтіруге болады (ол 47-де сәулеленуді тудырады.нм).
- Қатты тақтаның мақсатты ортасы - оптикалық импульспен соғылғаннан кейін нысана қатты қозғалған плазманы шығарады. Тағы да, плазманы жасау үшін ұзағырақ «алдын ала импульс» жиі пайдаланылады, ал плазманы одан әрі қыздыру үшін екінші, қысқа және күшті импульс қолданылады. Қысқа өмір сүру үшін импульсті ауыстыру қажет болуы мүмкін. Плазманың сыну көрсеткішінің градиенті күшейтілген импульстің нысана бетінен иілуіне әкеледі, өйткені резонанстан жоғары жиіліктерде зат тығыздығына байланысты сыну көрсеткіші төмендейді. Бұны еуропалық рентгендік бос электронды лазердегідей бірнеше нысананы жарылыс кезінде пайдалану арқылы өтеуге болады.
- Оптикалық өріспен қоздырылған плазма - электрондарды тиімді туннельдеу үшін немесе тіпті потенциалды тосқауылды басу үшін жеткілікті жоғары оптикалық тығыздықта (> 1016 Вт/см2), капиллярмен немесе мақсат. Әдетте импульстарды синхрондау үшін коллинеарлық параметр пайдаланылады.
Жалпы, бұл механизмнің құрылымы еуропалық рентгендік бос электрон лазеріне ұқсас.
