Ποια είναι η αρχή λειτουργίας του λέιζερ ακτίνων Χ; Λόγω του υψηλού κέρδους στο μέσο παραγωγής, των σύντομων ζωών ανώτερης κατάστασης (1-100 ps) και των προβλημάτων που σχετίζονται με τους καθρέπτες κατασκευής που μπορούν να αντανακλούν τις δέσμες, αυτά τα λέιζερ λειτουργούν συνήθως χωρίς καθρέφτες. Η δέσμη ακτίνων Χ δημιουργείται από ένα μόνο πέρασμα μέσω του μέσου απολαβής. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία που βασίζεται στην ενισχυμένη αυθόρμητη δέσμη έχει σχετικά χαμηλή χωρική συνοχή. Διαβάστε το άρθρο μέχρι το τέλος και θα καταλάβετε ότι πρόκειται για λέιζερ ακτίνων Χ. Αυτή η συσκευή είναι πολύ πρακτική και μοναδική στη δομή της.
Πυρήνες στη δομή του μηχανισμού
Δεδομένου ότι οι συμβατικές μεταβάσεις λέιζερ μεταξύ ορατών και ηλεκτρονικών καταστάσεων ή δονήσεων αντιστοιχούν σε ενέργειες έως και 10 eV, απαιτούνται διαφορετικά ενεργά μέσα για λέιζερ ακτίνων Χ. Και πάλι, διάφοροι ενεργοί φορτισμένοι πυρήνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αυτό.
Όπλα
Μεταξύ 1978 και 1988 στο έργο ExcaliburΟ αμερικανικός στρατός προσπάθησε να αναπτύξει ένα πυρηνικό εκρηκτικό λέιζερ ακτίνων Χ για αντιπυραυλική άμυνα ως μέρος της Πρωτοβουλίας Στρατηγικής Άμυνας του Star Wars (SDI). Το έργο, ωστόσο, αποδείχθηκε πολύ ακριβό, καθυστερημένο και τελικά τέθηκε στο ράφι.
Μέσα πλάσματος μέσα σε λέιζερ
Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα μέσα περιλαμβάνουν εξαιρετικά ιονισμένο πλάσμα που δημιουργείται σε τριχοειδική εκκένωση ή όταν ένας γραμμικά εστιασμένος οπτικός παλμός χτυπά έναν στερεό στόχο. Σύμφωνα με την εξίσωση ιονισμού Saha, οι πιο σταθερές διαμορφώσεις ηλεκτρονίων είναι το νέον, με 10 ηλεκτρόνια να απομένουν, και το νικέλιο, με 28 ηλεκτρόνια. Οι μεταπτώσεις ηλεκτρονίων σε υψηλά ιονισμένα πλάσματα αντιστοιχούν συνήθως σε ενέργειες της τάξης των εκατοντάδων ηλεκτρονιοβολτ (eV).
Ένα εναλλακτικό μέσο ενίσχυσης είναι η σχετικιστική δέσμη ηλεκτρονίων ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ, που χρησιμοποιεί διεγερμένη σκέδαση Compton αντί για τυπική ακτινοβολία.
Αίτηση
Οι συνεκτικές εφαρμογές ακτίνων Χ περιλαμβάνουν συνεκτική απεικόνιση περίθλασης, πυκνό πλάσμα (αδιαφανές στην ορατή ακτινοβολία), μικροσκοπία ακτίνων Χ, ιατρική απεικόνιση με ανάλυση φάσης, εξέταση επιφάνειας υλικού και οπλισμό.
Ελαφρύτερη έκδοση του λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αφαιρετική κίνηση λέιζερ.
Λέιζερ ακτίνων Χ: πώς λειτουργεί
Πώς λειτουργούν τα λέιζερ; Λόγω του ότι το φωτόνιοχτυπά ένα άτομο με μια συγκεκριμένη ενέργεια, μπορείτε να κάνετε το άτομο να εκπέμπει ένα φωτόνιο με αυτήν την ενέργεια σε μια διαδικασία που ονομάζεται διεγερμένη εκπομπή. Επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία σε μεγάλη κλίμακα, θα λάβετε μια αλυσιδωτή αντίδραση που οδηγεί σε λέιζερ. Ωστόσο, ορισμένοι κβαντικοί κόμβοι προκαλούν τη διακοπή αυτής της διαδικασίας, καθώς ένα φωτόνιο μερικές φορές απορροφάται χωρίς να εκπέμπεται καθόλου. Αλλά για να διασφαλιστούν οι μέγιστες πιθανότητες, τα επίπεδα ενέργειας των φωτονίων αυξάνονται και οι καθρέφτες τοποθετούνται παράλληλα με τη διαδρομή του φωτός για να βοηθήσουν τα διάσπαρτα φωτόνια να επανέλθουν στο παιχνίδι. Και σε υψηλές ενέργειες ακτίνων Χ, εντοπίζονται ειδικοί φυσικοί νόμοι που είναι εγγενείς σε αυτό το συγκεκριμένο φαινόμενο.
Ιστορία
Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, το λέιζερ ακτίνων Χ φαινόταν απρόσιτο, καθώς τα περισσότερα λέιζερ της ημέρας κορυφώθηκαν στα 110 nm, πολύ κάτω από τις μεγαλύτερες ακτίνες Χ. Αυτό συνέβη επειδή η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή του διεγερμένου υλικού ήταν τόσο υψηλή που έπρεπε να παραδοθεί σε γρήγορο παλμό, περιπλέκοντας περαιτέρω την ανακλαστικότητα που απαιτείται για τη δημιουργία ενός ισχυρού λέιζερ. Επομένως, οι επιστήμονες εξέτασαν το πλάσμα, επειδή έμοιαζε με ένα καλό αγώγιμο μέσο. Μια ομάδα επιστημόνων το 1972 ισχυρίστηκε ότι είχε επιτύχει τελικά τη χρήση του πλάσματος στη δημιουργία λέιζερ, αλλά όταν προσπάθησαν να αναπαράγουν τα προηγούμενα αποτελέσματά τους, απέτυχαν για κάποιο λόγο.
Τη δεκαετία του 1980, ένας σημαντικός παίκτης από τον κόσμο εντάχθηκε στην ερευνητική ομάδαScience - Livermore. Οι επιστήμονες, εν τω μεταξύ, έκαναν μικρά αλλά σημαντικά βήματα εδώ και χρόνια, αλλά αφού η Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας (DARPA) σταμάτησε να πληρώνει για την έρευνα ακτίνων Χ, ο Λίβερμορ έγινε ο ηγέτης της επιστημονικής ομάδας. Ηγήθηκε στην ανάπτυξη πολλών τύπων λέιζερ, συμπεριλαμβανομένων αυτών που βασίζονται στη σύντηξη. Το πρόγραμμα πυρηνικών όπλων τους ήταν πολλά υποσχόμενο, επειδή οι δείκτες υψηλής ενέργειας που πέτυχαν οι επιστήμονες κατά τη διάρκεια αυτού του προγράμματος υποδήλωναν τη δυνατότητα δημιουργίας ενός υψηλής ποιότητας παλμικού μηχανισμού που θα ήταν χρήσιμος στην κατασκευή ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ.
Το έργο πλησίαζε σταδιακά στην ολοκλήρωση. Οι επιστήμονες Τζορτζ Τσάπλιν και Λόουελ Γουντ εξερεύνησαν για πρώτη φορά την τεχνολογία σύντηξης για λέιζερ ακτίνων Χ τη δεκαετία του 1970 και στη συνέχεια άλλαξαν σε μια πυρηνική επιλογή. Μαζί ανέπτυξαν έναν τέτοιο μηχανισμό και ήταν έτοιμοι για δοκιμή στις 13 Σεπτεμβρίου 1978, αλλά η βλάβη του εξοπλισμού το έκοψε. Αλλά ίσως ήταν για το καλύτερο. Ο Peter Hagelstein δημιούργησε μια διαφορετική προσέγγιση αφού μελέτησε τον προηγούμενο μηχανισμό, και στις 14 Νοεμβρίου 1980, δύο πειράματα απέδειξαν ότι το πρωτότυπο λέιζερ ακτίνων Χ λειτουργούσε.
Έργο Star Wars
Πολύ σύντομα, το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ ενδιαφέρθηκε για το έργο. Ναι, η χρήση της ισχύος ενός πυρηνικού όπλου σε μια εστιασμένη δέσμη είναι πολύ επικίνδυνη, αλλά αυτή η ισχύς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την καταστροφή διηπειρωτικών βαλλιστικών πυραύλων (ICBM) στον αέρα. Θα ήταν πιο βολικό να χρησιμοποιήσετε έναν παρόμοιο μηχανισμό στην περιοχή κοντά στη Γητροχιά. Όλος ο κόσμος γνωρίζει αυτό το πρόγραμμα που ονομάζεται Star Wars. Ωστόσο, το σχέδιο για τη χρήση του λέιζερ ακτίνων Χ ως όπλο δεν ολοκληρώθηκε ποτέ.
Το τεύχος της 23ης Φεβρουαρίου 1981 του Aviation Week and Space Engineering αναφέρει τα αποτελέσματα των πρώτων δοκιμών του έργου, συμπεριλαμβανομένης μιας δέσμης λέιζερ που έφτασε τα 1,4 νανόμετρα και χτύπησε 50 διαφορετικούς στόχους.
Δοκιμές με ημερομηνία 26 Μαρτίου 1983 δεν απέδωσαν τίποτα λόγω βλάβης του αισθητήρα. Ωστόσο, οι ακόλουθες δοκιμές στις 16 Δεκεμβρίου 1983 απέδειξαν τις πραγματικές του ικανότητες.
Περαιτέρω μοίρα του έργου
Hagelstein οραματίστηκε μια διαδικασία δύο σταδίων κατά την οποία ένα λέιζερ θα δημιουργούσε ένα πλάσμα που θα απελευθέρωνε φορτισμένα φωτόνια που θα συγκρούονταν με τα ηλεκτρόνια ενός άλλου υλικού και θα προκαλούσαν την εκπομπή ακτίνων Χ. Δοκιμάστηκαν αρκετές ρυθμίσεις, αλλά στο τέλος ο χειρισμός ιόντων αποδείχθηκε η καλύτερη λύση. Το πλάσμα αφαίρεσε τα ηλεκτρόνια μέχρι να μείνουν μόνο 10 εσωτερικά, όπου τα φωτόνια τα φόρτισαν στη συνέχεια μέχρι την κατάσταση 3p, απελευθερώνοντας έτσι την «μαλακή» δέσμη. Ένα πείραμα στις 13 Ιουλίου 1984 απέδειξε ότι αυτό ήταν κάτι περισσότερο από θεωρία όταν ένα φασματόμετρο μέτρησε ισχυρές εκπομπές σε 20,6 και 20,9 νανόμετρα σεληνίου (ένα ιόν που μοιάζει με νέον). Τότε εμφανίστηκε το πρώτο εργαστηριακό (όχι στρατιωτικό) λέιζερ ακτίνων Χ με το όνομα Novette.
Η μοίρα της Novette
Αυτό το λέιζερ σχεδιάστηκε από τον Jim Dunn και είχε φυσικές πτυχές που επαληθεύτηκαν από τους Al Osterheld και Slava Shlyaptsev. Γρήγορη χρήση(σχεδόν νανοδευτερόλεπτο) παλμό φωτός υψηλής ενέργειας που φόρτισε τα σωματίδια για να απελευθερώσει ακτίνες Χ, η Novett χρησιμοποίησε επίσης ενισχυτές γυαλιού, οι οποίοι βελτιώνουν την απόδοση αλλά και θερμαίνονται γρήγορα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να λειτουργεί μόνο 6 φορές την ημέρα μεταξύ των κρυώνων. Όμως, κάποιες εργασίες έχουν δείξει ότι μπορεί να εκτοξεύσει έναν παλμό πικοδευτερολέπτου ενώ η συμπίεση επιστρέφει σε παλμό νανοδευτερόλεπτου. Διαφορετικά, ο ενισχυτής γυαλιού θα καταστραφεί. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η Novette και άλλα «επιτραπέζια» λέιζερ ακτίνων Χ παράγουν «μαλακές» δέσμες ακτίνων Χ, οι οποίες έχουν μεγαλύτερο μήκος κύματος, το οποίο εμποδίζει τη διέλευση της δέσμης μέσα από πολλά υλικά, αλλά δίνει εικόνα για τα κράματα και το πλάσμα, καθώς λάμπει εύκολα μέσα από αυτά.
Άλλες χρήσεις και χαρακτηριστικά λειτουργίας
Λοιπόν, σε τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτό το λέιζερ; Έχει σημειωθεί παλαιότερα ότι ένα μικρότερο μήκος κύματος μπορεί να διευκολύνει την εξέταση ορισμένων υλικών, αλλά αυτή δεν είναι η μόνη εφαρμογή. Όταν ένας στόχος χτυπηθεί από μια ώθηση, απλώς καταστρέφεται σε ατομικά σωματίδια και η θερμοκρασία ταυτόχρονα φτάνει τους εκατομμύρια βαθμούς σε μόλις ένα τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου. Και αν αυτή η θερμοκρασία είναι αρκετή, το λέιζερ θα κάνει τα ηλεκτρόνια να αποκολληθούν από το εσωτερικό. Αυτό συμβαίνει επειδή το χαμηλότερο επίπεδο τροχιακών ηλεκτρονίων συνεπάγεται την παρουσία τουλάχιστον δύο ηλεκτρονίων, τα οποία εκτοξεύονται από την ενέργεια που παράγεται από τις ακτίνες Χ.
Ο χρόνος που χρειάζεται για ένα άτομοέχει χάσει όλα του τα ηλεκτρόνια, είναι της τάξεως λίγων femtoseconds. Ο πυρήνας που προκύπτει δεν παραμένει για πολύ και μεταβαίνει γρήγορα σε μια κατάσταση πλάσματος γνωστή ως «θερμή πυκνή ύλη», η οποία βρίσκεται κυρίως σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και τους πυρήνες μεγάλων πλανητών. Πειραματιζόμενοι με το λέιζερ, μπορούμε να πάρουμε μια ιδέα και για τις δύο διαδικασίες, οι οποίες είναι διαφορετικές μορφές πυρηνικής σύντηξης.
Η χρήση του λέιζερ ακτίνων Χ είναι πραγματικά καθολική. Ένα άλλο χρήσιμο χαρακτηριστικό αυτών των ακτίνων Χ είναι η χρήση τους με σύγχροτρα ή σωματίδια που επιταχύνονται σε όλη τη διαδρομή του επιταχυντή. Με βάση το πόση ενέργεια χρειάζεται για να γίνει αυτό το μονοπάτι, τα σωματίδια μπορούν να εκπέμπουν ακτινοβολία. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια, όταν διεγείρονται, εκπέμπουν ακτίνες Χ, οι οποίες έχουν μήκος κύματος περίπου όσο ένα άτομο. Στη συνέχεια θα μπορούσαμε να μελετήσουμε τις ιδιότητες αυτών των ατόμων μέσω αλληλεπίδρασης με ακτίνες Χ. Επιπλέον, μπορούμε να αλλάξουμε την ενέργεια των ηλεκτρονίων και να αποκτήσουμε διαφορετικά μήκη κύματος ακτίνων Χ, επιτυγχάνοντας μεγαλύτερο βάθος ανάλυσης.
Ωστόσο, είναι πολύ δύσκολο να δημιουργήσετε ένα λέιζερ ακτίνων Χ με τα χέρια σας. Η δομή του είναι εξαιρετικά περίπλοκη ακόμη και από την άποψη έμπειρων φυσικών.
Στη βιολογία
Ακόμη και οι βιολόγοι μπόρεσαν να επωφεληθούν από τα λέιζερ ακτίνων Χ (πυρηνικά αντλούμενα). Η ακτινοβολία τους μπορεί να βοηθήσει στην αποκάλυψη πτυχών της φωτοσύνθεσης που προηγουμένως ήταν άγνωστες στην επιστήμη. Καταγράφουν ανεπαίσθητες αλλαγές στα φύλλα των φυτών. Τα μεγάλα μήκη κύματος μαλακών ακτίνων λέιζερ ακτίνων Χ σάς επιτρέπουν να εξερευνάτε χωρίς να καταστρέφετε οτιδήποτελαμβάνει χώρα μέσα στο φυτό. Ο εγχυτήρας νανοκρυστάλλων ενεργοποιεί το φωτοκύτταρο Ι, το πρωτεϊνικό κλειδί για τη φωτοσύνθεση που απαιτείται για την ενεργοποίησή του. Αυτό αναχαιτίζεται από μια δέσμη λέιζερ ακτίνων Χ, η οποία προκαλεί τον κρύσταλλο να εκραγεί κυριολεκτικά.
Εάν τα παραπάνω πειράματα συνεχίσουν να είναι επιτυχημένα, οι άνθρωποι θα μπορέσουν να ξετυλίξουν τα μυστήρια της φύσης και η τεχνητή φωτοσύνθεση μπορεί να γίνει πραγματικότητα. Θα εγείρει επίσης το ζήτημα της δυνατότητας αποτελεσματικότερης χρήσης της ηλιακής ενέργειας, προκαλώντας την εμφάνιση επιστημονικών έργων για πολλά ακόμη χρόνια.
Μαγνήτες
Τι θα λέγατε για έναν ηλεκτρονικό μαγνήτη; Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όταν τα άτομα ξένον και μόρια περιορισμένα σε ιώδιο χτυπήθηκαν από ακτίνες Χ υψηλής ισχύος, τα άτομα πέταξαν τα εσωτερικά τους ηλεκτρόνια, δημιουργώντας ένα κενό μεταξύ του πυρήνα και των εξώτατων ηλεκτρονίων. Ελκτικές δυνάμεις θέτουν αυτά τα ηλεκτρόνια σε κίνηση. Κανονικά αυτό δεν θα έπρεπε να συμβαίνει, αλλά λόγω της ξαφνικής πτώσης ηλεκτρονίων, εμφανίζεται μια υπερβολικά «φορτισμένη» κατάσταση σε ατομικό επίπεδο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το λέιζερ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην επεξεργασία εικόνας.
Γιγάντιο λέιζερ ακτίνων Χ Xfel
Φιλοξενείται στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών των ΗΠΑ, συγκεκριμένα στο Linac, αυτό το λέιζερ μήκους 3.500 ποδιών χρησιμοποιεί πολλές έξυπνες συσκευές για να χτυπήσει στόχους με σκληρές ακτίνες Χ. Εδώ είναι μερικά από τα συστατικά ενός από τα πιο ισχυρά λέιζερ (οι συντομογραφίες και οι αγγλισμοί αντιπροσωπεύουν τα συστατικά μέρη του μηχανισμού):
- Drive Laser - δημιουργείένας υπεριώδης παλμός που αφαιρεί ηλεκτρόνια από την κάθοδο. Εκπέμπει ηλεκτρόνια έως ένα επίπεδο ενέργειας 12 δισεκατομμυρίων eW χειραγωγώντας το ηλεκτρικό πεδίο. Υπάρχει επίσης ένας επιταχυντής σχήματος S μέσα στην κίνηση που ονομάζεται συμπιεστής δέσμης 1.
- Bunch Compressor 2 - ίδια ιδέα με το Bunch 1 αλλά μεγαλύτερη δομή σε σχήμα S, αυξημένη λόγω υψηλότερων ενεργειών.
- Transport Hall - σας επιτρέπει να βεβαιωθείτε ότι τα ηλεκτρόνια είναι κατάλληλα για εστίαση παλμών χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία.
- Undulator Hall - Αποτελείται από μαγνήτες που προκαλούν τα ηλεκτρόνια να κινούνται εμπρός και πίσω, δημιουργώντας έτσι ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας.
- Το Beam Dump είναι ένας μαγνήτης που αφαιρεί ηλεκτρόνια αλλά αφήνει τις ακτίνες Χ να περάσουν χωρίς κίνηση.
- LCLS Experimental Station είναι ένας ειδικός θάλαμος στον οποίο στερεώνεται το λέιζερ και που αποτελεί τον κύριο χώρο για πειράματα που σχετίζονται με αυτό. Οι δέσμες που παράγονται από αυτήν τη συσκευή δημιουργούν 120 παλμούς ανά δευτερόλεπτο, με κάθε παλμό να διαρκεί 1/10000000000 του δευτερολέπτου.
- Μέσο τριχοειδούς εκκένωσης πλάσματος. Σε αυτή τη διάταξη, ένα τριχοειδές μήκους πολλών εκατοστών, κατασκευασμένο από σταθερό υλικό (π.χ. αλουμίνα), περιορίζει έναν ηλεκτρικό παλμό υψηλής ακρίβειας, κάτω του μικροδευτερόλεπτου σε ένα αέριο χαμηλής πίεσης. Η δύναμη Lorentz προκαλεί περαιτέρω συμπίεση της εκκένωσης του πλάσματος. Επιπλέον, χρησιμοποιείται συχνά ένας ηλεκτρικός ή οπτικός παλμός προιονισμού. Ένα παράδειγμα είναι ένα τριχοειδές νέο λέιζερ Ar8 + (το οποίο παράγει ακτινοβολία στο 47nm).
- Μέσο στόχου μιας συμπαγούς πλάκας - αφού χτυπηθεί από οπτικό παλμό, ο στόχος εκπέμπει ένα εξαιρετικά διεγερμένο πλάσμα. Και πάλι, ένας μακρύτερος «προπαλμός» χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία του πλάσματος και ένας δεύτερος, πιο σύντομος και πιο ενεργητικός παλμός χρησιμοποιείται για την περαιτέρω θέρμανση του πλάσματος. Για μικρές ζωές, μπορεί να απαιτείται αλλαγή ορμής. Η κλίση του δείκτη διάθλασης του πλάσματος προκαλεί τον ενισχυμένο παλμό να κάμπτεται μακριά από την επιφάνεια στόχο, καθώς σε συχνότητες πάνω από τον συντονισμό ο δείκτης διάθλασης μειώνεται με την πυκνότητα της ύλης. Αυτό μπορεί να αντισταθμιστεί με τη χρήση πολλαπλών στόχων σε μια έκρηξη, όπως στο ευρωπαϊκό λέιζερ ηλεκτρονίων χωρίς ακτίνες Χ.
- Πλάσμα διεγερμένο από ένα οπτικό πεδίο - σε οπτικές πυκνότητες αρκετά υψηλές ώστε να διοχετεύονται αποτελεσματικά ηλεκτρόνια ή ακόμη και να καταστέλλεται ένα φράγμα δυναμικού (> 1016 W / cm2), είναι δυνατός ο ισχυρός ιονισμός ενός αερίου χωρίς επαφή με ένα τριχοειδές ή στόχος. Συνήθως χρησιμοποιείται μια συγγραμμική ρύθμιση για τον συγχρονισμό των παλμών.
Το
Γενικά, η δομή αυτού του μηχανισμού είναι παρόμοια με το ευρωπαϊκό λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ.
