Рентген лазеринин иштөө принциби кандай? Муундун чөйрөсүндөгү жогорку пайда, кыска жогорку абалдын өмүрү (1-100 ps) жана нурларды чагылдыра алган күзгүлөрдү куруу менен байланышкан көйгөйлөрдөн улам, бул лазерлер адатта күзгүсүз иштешет. Рентген нуру пайда чөйрөсүнөн бир жолу өтүүдө пайда болот. Күчөтүлгөн спонтандык нурга негизделген нурлануу салыштырмалуу аз мейкиндик когеренттүүлүгүнө ээ. Макаланы аягына чейин окуп чыксаңыз, бул рентгендик лазер экенин түшүнөсүз. Бул түзмөк түзүлүшү боюнча абдан практикалык жана уникалдуу.
Механизм структурасындагы ядролор
Көрүнүүчү жана электрондук же титирөө абалдарынын ортосундагы кадимки лазердик өтүүлөр 10 эВге чейинки энергияга туура келгендиктен, рентген лазерлери үчүн ар кандай активдүү чөйрөлөр керектелет. Бул үчүн дагы ар кандай активдүү заряддуу ядролорду колдонсо болот.
Курал
1978-1988-жылдары Excalibur долбоорундаАмерикалык аскерлер Жылдыздар согушунун стратегиялык коргонуу демилгесинин (SDI) алкагында ракетадан коргонуу үчүн ядролук жарылуучу рентген лазерин иштеп чыгууга аракет кылышкан. Бирок долбоор өтө кымбат болуп, созулуп, акыры токтотулду.
Лазердин ичиндеги плазма медиа
Көбүнчө колдонулган медиа капиллярдык разрядда же сызыктуу фокусталган оптикалык импульс катуу бутага тийгенде түзүлгөн жогорку иондоштурулган плазманы камтыйт. Саха иондоштуруу теңдемесине ылайык, эң туруктуу электрон конфигурациялары неон, 10 электрону калган жана никель сымал, 28 электрон. Жогорку иондоштурулган плазмалардагы электрондордун өтүшү, адатта, жүздөгөн электрон вольт (эВ) даражасындагы энергияларга туура келет.
Альтернативалуу күчөтүүчү чөйрө – бул стандарттуу нурлануунун ордуна стимулдаштырылган Комптон чачыроосун колдонгон рентгендик эркин электрон лазеринин релятивисттик электрон нуру.
Колдонмо
Когеренттүү рентгендик колдонмолорго когеренттүү дифракциялык сүрөттөр, тыгыз плазма (көзгө көрүнгөн нурлануу үчүн тунук эмес), рентген-микроскопия, фаза менен чечилүүчү медициналык сүрөт, материалдын үстүн текшерүү жана куралдандыруу кирет.
Лазердин жеңилирээк версиясын абляциялык лазер кыймылы үчүн колдонсо болот.
Рентген лазери: ал кантип иштейт
Лазерлер кантип иштейт? фотон болгондугуна байланыштуубелгилүү бир энергия менен атомду сүзсө, стимулданган эмиссия деп аталган процессте атомду ошол энергия менен фотонду чыгара аласыз. Бул процессти чоң масштабда кайталоо менен, сиз лазерди пайда кылган чынжыр реакциясын аласыз. Бирок кээ бир кванттык түйүндөр бул процесстин токтоп калышына себеп болот, анткени фотон кээде таптакыр чыгарылбастан сиңип кетет. Бирок максималдуу мүмкүнчүлүктөрдү камсыз кылуу үчүн фотондун энергия деңгээли жогорулайт жана чачыранды фотондордун кайра оюнга келишине жардам берүү үчүн күзгүлөр жарык жолуна параллель жайгаштырылат. Ал эми рентген нурларынын жогорку энергияларында бул өзгөчө кубулушка мүнөздүү өзгөчө физикалык мыйзамдар табылат.
Тарых
1970-жылдардын башында рентгендик лазерге жетпегендей көрүнгөн, анткени күндүн көпчүлүк лазерлери эң чоң рентген нурларынан бир топ төмөн 110 нмге жеткен. Себеби стимулдаштырылган материалды өндүрүү үчүн талап кылынган энергиянын көлөмү өтө жогору болгондуктан, ал тез импульс менен жеткирилиши керек болчу, бул күчтүү лазерди түзүү үчүн зарыл болгон чагылтуучулукту ого бетер татаалдаштырды. Ошондуктан, окумуштуулар плазманы карап чыгышты, анткени ал жакшы өткөрүүчү чөйрөгө окшош. 1972-жылы илимпоздор тобу лазерди жасоодо акыры плазманы колдонууга жетиштик деп ырасташкан, бирок алар мурунку натыйжаларын кайра чыгарууга аракет кылганда, кандайдыр бир себептерден улам ишке ашпай калышкан.
1980-жылдары дүйнөнүн негизги оюнчусу изилдөө тобуна кошулганИлим - Ливермор. Илимпоздор болсо бир нече жылдар бою кичинекей, бирок маанилүү кадамдарды жасап келишет, бирок Коргонуунун өркүндөтүлгөн изилдөө долбоорлору боюнча агенттиги (DARPA) рентгендик изилдөөлөр үчүн төлөөнү токтоткондон кийин, Ливермор илимий топтун лидери болуп калды. Ал лазердин бир нече түрлөрүн, анын ичинде синтезге негизделгендерди иштеп чыгууну жетектеген. Алардын өзөктүк курал программасы келечектүү болгон, анткени бул программанын жүрүшүндө илимпоздор жетишкен жогорку энергетикалык көрсөткүчтөр рентген нурларынан эркин электрон лазерди курууда пайдалуу боло турган жогорку сапаттагы импульстук механизмди түзүү мүмкүнчүлүгүн кыйытты.
Долбоор акырындап аяктоо алдында турган. Окумуштуулар Жорж Чаплин жана Лоуэлл Вуд 1970-жылдары рентген лазерлери үчүн синтез технологиясын изилдеп, андан кийин өзөктүк вариантка өтүшкөн. Алар биргелешип ушундай механизмди иштеп чыгышып, 1978-жылдын 13-сентябрында сыноого даяр болушкан, бирок жабдуулардын иштебей калышы аны кыскартты. Бирок, балким, бул эң жакшы болгон. Питер Хагельштейн мурунку механизмди изилдегенден кийин башка ыкманы жараткан жана 1980-жылдын 14-ноябрында рентген лазеринин прототиби иштегенин эки эксперимент далилдеген.
Жылдыздар согушу долбоору
Жакында АКШнын Коргоо министрлиги долбоорго кызыгып калды. Ооба, өзөктүк куралдын күчүн багытталган нурда колдонуу өтө коркунучтуу, бирок бул күч континенттер аралык баллистикалык ракеталарды (ICBM) абада жок кылуу үчүн колдонулушу мүмкүн. Ушундай эле механизмди Жерге жакын жерде колдонуу эң ыңгайлуу болмокорбита. Жылдыздар согушу деп аталган бул программаны бүт дүйнө билет. Бирок рентгендик лазерди курал катары колдонуу долбоору эч качан ишке ашкан эмес.
Aviation Week and Space Engineering журналынын 1981-жылдын 23-февралындагы санында долбоордун алгачкы сыноолорунун натыйжалары, анын ичинде 1,4 нанометрге жеткен жана 50 түрдүү бутага тийген лазер нуру баяндалат.
1983-жылдын 26-мартындагы сыноолор сенсор иштебей калгандыктан эч нерсе берген жок. Бирок 1983-жылдын 16-декабрында болгон төмөнкү сыноолор анын чыныгы мүмкүнчүлүктөрүн көрсөттү.
Долбоордун мындан аркы тагдыры
Хагельштейн лазер башка материалдагы электрондор менен кагылышып, рентген нурларынын чыгышына себеп болгон заряддалган фотондорду бөлүп чыгарган плазманы түзө турган эки этаптуу процессти ойлогон. Бир нече орнотуулар аракет кылынды, бирок акырында иондук манипуляция эң жакшы чечим болуп чыкты. Плазма электрондорду 10 гана ички электрондор калганга чейин алып салды, ал жерде фотондор аларды 3p абалына чейин заряддап, "жумшак" нурду чыгарды. 1984-жылдын 13-июлундагы эксперимент спектрометр 20,6 жана 20,9 нанометр селендин (неон сымал ион) күчтүү эмиссиясын өлчөгөндө, бул теориядан да көп экенин далилдеди. Андан кийин биринчи лабораториялык (аскердик эмес) рентген лазери Novette деген аталыш менен пайда болгон.
Новетттин тагдыры
Бул лазер Джим Данн тарабынан иштелип чыккан жана физикалык аспектилери Аль Остерхельд менен Слава Шляпцев тарабынан текшерилген. Тез колдонуу(наносекундага жакын) бөлүкчөлөрдү рентген нурларын чыгаруу үчүн заряддаган жогорку энергиялуу жарыктын импульсу, Новетт айнек күчөткүчтөрдү да колдонду, алар эффективдүүлүктү жакшыртат, бирок ошол эле учурда тез ысыйт, башкача айтканда, муздатуулардын ортосунда күнүнө 6 жолу гана иштей алат. Бирок кээ бир иштер кысуу наносекунддук импульска кайтып келгенде, ал пикосекунддук импульсту иштете аларын көрсөттү. Болбосо, айнек күчөткүч жок болот. Novette жана башка "иш столунун" рентгендик лазерлери көбүрөөк толкун узундугуна ээ болгон "жумшак" рентген нурларын чыгара тургандыгын белгилей кетүү маанилүү, бул нур көптөгөн материалдардан өтүүгө жол бербейт, бирок эритмелер жана плазма жөнүндө түшүнүк берет, анткени алар аркылуу оңой эле жаркырап турат.
Операциянын башка колдонулушу жана өзгөчөлүктөрү
Анда бул лазерди эмне үчүн колдонсо болот? Кыска толкун узундугу кээ бир материалдарды изилдөөнү жеңилдетет деп мурда белгиленген, бирок бул жалгыз колдонуу эмес. Бутага бир импульс тийгенде, ал жөн эле атомдук бөлүкчөлөргө айланат жана температура ошол эле учурда секунданын триллиондон бир бөлүгүндө миллиондогон градуска жетет. Ал эми бул температура жетиштүү болсо, лазер электрондордун ичинен сыйрылып кетишине себеп болот. Себеби, электрон орбиталдарынын эң төмөнкү деңгээли рентген нурлары пайда кылган энергиядан бөлүнүп чыккан жок дегенде эки электрондун болушун билдирет.
Атомдун иштөөсүнө кеткен убакытбардык электрондорун жоготкон, бир нече фемтосекунд тартибинде турат. Пайда болгон өзөк көпкө созулбайт жана көбүнчө ядролук реакторлордо жана чоң планеталардын өзөктөрүндө кездешүүчү "жылуу жыш зат" деп аталган плазма абалына тез өтөт. Лазер менен эксперимент жүргүзүү менен биз эки процесстин тең, өзөктүк синтездин ар кандай формалары жөнүндө түшүнүк ала алабыз.
Рентген лазерин колдонуу чындап эле универсалдуу. Бул рентген нурларынын дагы бир пайдалуу өзгөчөлүгү, аларды синхротрондор же ылдамдаткычтын бүткүл жолу боюнча ылдамдаган бөлүкчөлөр менен колдонуу. Бул жолду жасоо үчүн канча энергия талап кылынганына жараша, бөлүкчөлөр нурланууну чыгара алышат. Мисалы, электрондор дүүлүккөндө, толкун узундугу атомдун көлөмүндөй болгон рентген нурларын чыгарышат. Ошондо биз рентген нурлары менен өз ара аракеттенүү аркылуу бул атомдордун касиеттерин изилдей алабыз. Мындан тышкары, биз электрондордун энергиясын өзгөртө алабыз жана рентген нурларынын ар кандай толкун узундуктарын ала алабыз жана тереңирээк анализге жетишебиз.
Бирок, өз колуңуз менен рентген лазерин түзүү абдан кыйын. Анын түзүлүшү тажрыйбалуу физиктердин көз карашында да өтө татаал.
Биологияда
Биологдор да рентген-лазерлерден (өзөктүк сордурулган) пайда ала алышкан. Алардын нурлануусу мурда илимге белгисиз болгон фотосинтездин аспектилерин ачууга жардам берет. Алар өсүмдүк жалбырактарында тымызын өзгөрүүлөрдү басып. Жумшак рентгендик лазердик нурлардын узун толкундары мунун баарын жок кылбастан изилдөөгө мүмкүндүк беретөсүмдүктүн ичинде ишке ашат. Нанокристалл инжектору аны активдештирүү үчүн зарыл болгон фотосинтездин белок ачкычы болгон фотоселл Iди ишке киргизет. Муну рентген нурларынын лазер нуру кармап, кристалл түз маанисинде жарылат.
Жогорудагы эксперименттер ийгиликтүү улана берсе, адамдар табияттын сырларын ача алышат жана жасалма фотосинтез чындыкка айланат. Ошондой эле күн энергиясын эффективдүү пайдалануу мүмкүнчүлүгү жөнүндө маселе көтөрүлүп, көп жылдар бою илимий долбоорлордун пайда болушуна түрткү болот.
Магниттер
Электрондук магнит жөнүндө эмне айтууга болот? Окумуштуулар аларда ксенон атомдору жана йод менен чектелген молекулалар жогорку кубаттуулуктагы рентген нуруна кабылганда, атомдор ички электрондорун ыргытып жиберип, ядро менен эң сырткы электрондордун ортосунда боштук пайда болгонун аныкташкан. Тартуу күчтөрү бул электрондорду кыймылга келтирет. Адатта мындай болбошу керек, бирок электрондордун капысынан түшүп кетишинен улам атомдук деңгээлде өтө «заряддалган» абал пайда болот. Окумуштуулар лазерди сүрөт иштетүүдө колдонсо болот деп ойлошот.
Гигант рентген лазери Xfel
АКШнын Улуттук акселератор лабораториясында, тагыраак айтканда, линакта жайгашкан бул 3500 фут лазер катуу рентген нурлары менен бутага тийүү үчүн бир нече гениалдуу аппараттарды колдонот. Бул жерде эң күчтүү лазерлердин биринин компоненттеринин кээ бирлери (кыскартуулар жана англисизмдер механизмдин компоненттерин билдирет):
- Drive Laser - түзөткатоддон электрондорду чыгарып турган ультра кызгылт көк импульс. Электр талаасын манипуляциялоо менен 12 миллиард eW энергия деңгээлине чейин электрондорду чыгарат. Кыймылдын ичинде Bunch Compressor 1 деп аталган S түрүндөгү тездеткич дагы бар.
- 2-топ компрессору – 1-топтогудай эле концепция, бирок S формасындагы түзүлүшү узунураак, энергиянын жогорулашынан улам көбөйдү.
- Transport Hall - электрондор магниттик талааларды колдонуу менен импульстарды фокустоого ылайыктуу экенин текшерүүгө мүмкүндүк берет.
- Ундулятор залы - электрондорду алдыга жана артка жылдырып, жогорку энергиялуу рентген нурларын жаратуучу магниттерден турат.
- Beam Dump – бул электрондорду чыгарып, бирок рентген нурларын жылдырбастан өткөрүүчү магнит.
- LCLS Эксперименталдык станциясы – бул лазер бекитилген атайын камера жана ага байланыштуу эксперименттер үчүн негизги мейкиндик. Бул аппарат чыгарган нурлар секундасына 120 импульс жаратат, ар бир импульс секунданын 1/10000000000 созулат.
- Капиллярдык плазма-разряддык чөйрө. Бул орнотууда туруктуу материалдан (мисалы, глинозем) жасалган бир нече сантиметр узундуктагы капилляр төмөнкү басымдагы газдагы жогорку тактыктагы микросекунддук электр импульсун чектейт. Лоренц күчү плазма разрядынын андан ары кысуусуна алып келет. Мындан тышкары, ионизацияга чейинки электрдик же оптикалык импульс көбүнчө колдонулат. Мисал капиллярдык неон сымал Ar8 + лазери (ал 47 радиацияда нурланууну жаратат)nm).
- Катуу плитанын максаттуу чөйрөсү - оптикалык импульс тийгенден кийин, бутага абдан толкунданган плазманы чыгарат. Дагы, плазманы түзүү үчүн көп учурда узунураак "алдын ала импульс" колдонулат, ал эми экинчи, кыскараак жана энергиялуу импульс плазманы андан ары ысытуу үчүн колдонулат. Кыска өмүр бою, импульсту өзгөртүү талап кылынышы мүмкүн. Плазманын сынуу көрсөткүчүнүн градиенти күчөтүлгөн импульстун максаттуу бетинен ийилишине алып келет, анткени резонанстан жогору жыштыктарда сынуу көрсөткүчү заттын тыгыздыгына жараша азаят. Муну европалык рентгендик эркин электрон лазериндегидей бир нече бутаны колдонуу менен компенсациялоого болот.
- Оптикалык талаа менен дүүлүктүргөн плазма - электрондорду эффективдүү туннелдөө үчүн же ал тургай потенциалдуу тоскоолдукту (> 1016 Вт/см2) басуу үчүн жетишээрлик жогорку оптикалык тыгыздыкта, капилляр же болбосо газды катуу иондоштурууга болот. максаттуу. Импульстарды синхрондоштуруу үчүн адатта коллинеардык жөндөө колдонулат.
Жалпысынан бул механизмдин түзүлүшү европалык рентгендик электрон лазерине окшош.
