Hvad er arbejdsprincippet for røntgenlaser? På grund af den høje forstærkning i genereringsmediet, de korte øvre tilstandslevetider (1-100 ps) og problemerne forbundet med at bygge spejle, der kan reflektere strålerne, fungerer disse lasere typisk uden spejle. Røntgenstrålen genereres af en enkelt passage gennem forstærkningsmediet. Den udsendte stråling baseret på den forstærkede spontane stråle har en relativt lav rumlig sammenhæng. Læs artiklen til slutningen, og du vil forstå, at der er tale om en røntgenlaser. Denne enhed er meget praktisk og unik i sin struktur.
Kerner i mekanismestrukturen
Da konventionelle laserovergange mellem synlige og elektroniske eller vibrationstilstande svarer til energier op til 10 eV, er der brug for forskellige aktive medier til røntgenlasere. Igen kan forskellige aktive ladede kerner bruges til dette.
våben
Mellem 1978 og 1988 i Excalibur-projektetDet amerikanske militær forsøgte at udvikle en nuklear eksplosiv røntgenlaser til missilforsvar som en del af Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Projektet viste sig dog at være for dyrt, trak ud og blev til sidst skrinlagt.
Plasmamedier i en laser
De mest almindeligt anvendte medier inkluderer højioniseret plasma, der dannes i en kapillær udledning, eller når en lineært fokuseret optisk puls rammer et fast mål. Ifølge Saha-ioniseringsligningen er de mest stabile elektronkonfigurationer neon, med 10 elektroner tilbage, og nikkel-lignende med 28 elektroner. Elektronovergange i højt ioniserede plasmaer svarer typisk til energier i størrelsesordenen hundredvis af elektronvolt (eV).
Et alternativt forstærkermedium er den relativistiske elektronstråle fra en røntgenfri elektronlaser, som bruger stimuleret Compton-spredning i stedet for standardstråling.
Application
Kohærent røntgenapplikationer omfatter kohærent diffraktionsbilleddannelse, tæt plasma (ugennemsigtig for synlig stråling), røntgenmikroskopi, faseopløst medicinsk billeddannelse, materialeoverfladeundersøgelse og våbenbehandling.
Lettere version af laseren kan bruges til ablative laserbevægelser.
Røntgenlaser: sådan virker det
Hvordan virker lasere? På grund af det faktum, at fotonenrammer et atom med en bestemt energi, kan du få atomet til at udsende en foton med den energi i en proces, der kaldes stimuleret emission. Ved at gentage denne proces i stor skala, vil du få en kædereaktion, der resulterer i en laser. Nogle kvanteknuder får dog denne proces til at stoppe, da en foton nogle gange absorberes uden overhovedet at blive udsendt. Men for at sikre maksimale chancer øges fotonenerginiveauerne, og spejle placeres parallelt med lysbanen for at hjælpe de spredte fotoner med at komme tilbage i spil. Og ved høje energier af røntgenstråler findes særlige fysiske love, der er iboende i dette særlige fænomen.
Historie
I begyndelsen af 1970'erne virkede røntgenlaseren uden for rækkevidde, da de fleste dagens lasere toppede ved 110 nm, et godt stykke under de største røntgenstråler. Dette skyldtes, at mængden af energi, der krævedes for at producere det stimulerede materiale, var så høj, at det skulle leveres i en hurtig puls, hvilket yderligere komplicerede den nødvendige reflektivitet for at skabe en kraftig laser. Derfor kiggede forskerne på plasmaet, fordi det lignede et godt ledende medium. Et hold videnskabsmænd hævdede i 1972, at de endelig havde opnået brugen af plasma til fremstilling af lasere, men da de forsøgte at gengive deres tidligere resultater, mislykkedes de af en eller anden grund.
I 1980'erne sluttede en stor aktør fra verden sig til forskerholdetVidenskab - Livermore. Forskere har i mellemtiden gjort små, men vigtige fremskridt i årevis, men efter at Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) holdt op med at betale for røntgenforskning, blev Livermore leder af det videnskabelige hold. Han ledede udviklingen af flere typer lasere, herunder dem, der er baseret på fusion. Deres atomvåbenprogram var lovende, fordi de højenergiindikatorer, som forskerne opnåede under dette program, antydede muligheden for at skabe en pulserende mekanisme af høj kvalitet, som ville være nyttig i konstruktionen af en røntgenfri elektronlaser.
Projektet nærmede sig gradvist sin afslutning. Forskerne George Chaplin og Lowell Wood udforskede først fusionsteknologi til røntgenlasere i 1970'erne og skiftede derefter til en nuklear mulighed. Sammen udviklede de en sådan mekanisme og var klar til test den 13. september 1978, men udstyrsfejl afbrød det. Men det var måske det bedste. Peter Hagelstein skabte en anden tilgang efter at have studeret den tidligere mekanisme, og den 14. november 1980 beviste to eksperimenter, at prototypen røntgenlaser virkede.
Star Wars Project
Meget hurtigt blev det amerikanske forsvarsministerium interesseret i projektet. Ja, at bruge kraften fra et atomvåben i en fokuseret stråle er for farligt, men den kraft kunne bruges til at ødelægge interkontinentale ballistiske missiler (ICBM'er) i luften. Det ville være mest bekvemt at bruge en lignende mekanisme på den nære Jordkredsløb. Hele verden kender dette program kaldet Star Wars. Projektet med at bruge røntgenlaseren som et våben blev dog aldrig til noget.
Udgaven af 23. februar 1981 af Aviation Week and Space Engineering rapporterer resultaterne af de første test af projektet, inklusive en laserstråle, der nåede 1,4 nanometer og ramte 50 forskellige mål.
Tester dateret 26. marts 1983 gav intet på grund af sensorfejl. Men de følgende tests den 16. december 1983 demonstrerede dens sande evner.
Yderligere skæbne for projektet
Hagelstein forestillede sig en to-trins proces, hvor en laser ville skabe et plasma, der ville frigive ladede fotoner, der ville kollidere med elektroner i et andet materiale og forårsage røntgenstråler til at blive udsendt. Flere opsætninger blev prøvet, men i sidste ende viste ionmanipulation sig at være den bedste løsning. Plasmaet fjernede elektronerne, indtil der kun var 10 inderste tilbage, hvor fotonerne så ladede dem op til 3p-tilstanden, og dermed frigav den "bløde" stråle. Et eksperiment den 13. juli 1984 beviste, at dette var mere end teori, da et spektrometer målte stærke emissioner ved 20,6 og 20,9 nanometer selen (en neonlignende ion). Så dukkede den første laboratorie (ikke militær) røntgenlaser op med navnet Novette.
Novettes skæbne
Denne laser blev designet af Jim Dunn og havde fysiske aspekter verificeret af Al Osterheld og Slava Shlyaptsev. Bruges hurtigt(nær nanosekund) puls af højenergilys, der opladede partiklerne til at frigive røntgenstråler, Novett brugte også glasforstærkere, som forbedrer effektiviteten, men som også opvarmes hurtigt, hvilket betyder, at den kun kan køre 6 gange om dagen mellem nedkøling. Men noget arbejde har vist, at det kan affyre en picosekund-puls, mens kompressionen vender tilbage til en nanosekundspuls. Ellers vil glasforstærkeren blive ødelagt. Det er vigtigt at bemærke, at Novette og andre "desktop" røntgenlasere producerer "bløde" røntgenstråler, som har en længere bølgelængde, hvilket forhindrer strålen i at passere gennem mange materialer, men giver indsigt i legeringer og plasma, da det skinner let igennem dem.
Anden brug og funktioner ved drift
Så hvad kan denne laser bruges til? Det er tidligere blevet bemærket, at en kortere bølgelængde kan gøre det nemmere at undersøge nogle materialer, men dette er ikke den eneste anvendelse. Når et mål rammes af en impuls, bliver det simpelthen ødelagt til atomare partikler, og temperaturen når samtidig millioner af grader på bare en billiontedel af et sekund. Og hvis denne temperatur er nok, vil laseren få elektronerne til at skalle af indefra. Dette skyldes, at det laveste niveau af elektronorbitaler indebærer tilstedeværelsen af mindst to elektroner, som udstødes fra den energi, der genereres af røntgenstråler.
Den tid det tager for et atom athar mistet alle sine elektroner, er i størrelsesordenen nogle få femtosekunder. Den resulterende kerne dvæler ikke længe og går hurtigt over i en plasmatilstand kendt som "varmt tæt stof", som for det meste findes i atomreaktorer og kernerne på store planeter. Ved at eksperimentere med laseren kan vi få en idé om begge processer, som er forskellige former for nuklear fusion.
Brugen af røntgenlaseren er virkelig universel. En anden nyttig egenskab ved disse røntgenstråler er deres brug med synkrotroner eller partikler, der accelererer langs hele acceleratorens bane. Baseret på hvor meget energi det tager at lave denne vej, kan partiklerne udsende stråling. For eksempel udsender elektroner, når de exciteres, røntgenstråler, som har en bølgelængde på størrelse med et atom. Så kunne vi studere disse atomers egenskaber gennem interaktion med røntgenstråler. Derudover kan vi ændre elektronernes energi og opnå forskellige bølgelængder af røntgenstråler, hvilket opnår større analysedybde.
Det er dog meget svært at lave en røntgenlaser med dine egne hænder. Dens struktur er ekstremt kompleks, selv fra erfarne fysikeres synspunkt.
I biologi
Selv biologer har været i stand til at drage fordel af røntgenlasere (atompumpet). Deres stråling kan hjælpe med at afsløre aspekter af fotosyntese, der tidligere var ukendte for videnskaben. De fanger subtile ændringer i planteblade. Lange bølgelængder af bløde røntgenlaserstråler giver dig mulighed for at udforske uden at ødelægge alt detforegår inde i anlægget. Nanokrystalinjektoren udløser fotocelle I, proteinnøglen til fotosyntese, der er nødvendig for at aktivere den. Dette opfanges af en laserstråle af røntgenstråler, som får krystallen til bogstaveligt t alt at eksplodere.
Hvis ovenstående eksperimenter fortsætter med at lykkes, vil folk være i stand til at opklare naturens mysterier, og kunstig fotosyntese kan blive en realitet. Det vil også rejse spørgsmålet om muligheden for mere effektiv udnyttelse af solenergi, hvilket vil fremprovokere fremkomsten af videnskabelige projekter i mange år fremover.
magneter
Hvad med en elektronisk magnet? Forskerne fandt ud af, at når de fik xenon-atomer og jod-begrænsede molekyler ramt af en højeffekt røntgenstråler, smed atomerne deres indre elektroner af sig og skabte et tomrum mellem kernen og de yderste elektroner. Tiltrækningskræfter sætter disse elektroner i bevægelse. Norm alt bør dette ikke ske, men på grund af den pludselige fald af elektroner, opstår der en alt for "ladet" situation på atomniveau. Forskere mener, at laseren kunne bruges til billedbehandling.
Giant X-ray laser Xfel
Hosted på US National Accelerator Laboratory, specifikt ved linac, bruger denne 3.500 fods laser adskillige geniale enheder til at ramme mål med hårde røntgenstråler. Her er nogle af komponenterne i en af de mest kraftfulde lasere (forkortelser og anglicismer står for komponenterne i mekanismen):
- Drive Laser - skaberen ultraviolet puls, der fjerner elektroner fra katoden. Udsender elektroner op til et energiniveau på 12 milliarder eW ved at manipulere det elektriske felt. Der er også en S-formet accelerator inde i værket kaldet Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - samme koncept som Bunch 1, men længere S-formet struktur, øget på grund af højere energier.
- Transport Hall - giver dig mulighed for at sikre, at elektronerne er egnede til at fokusere impulser ved hjælp af magnetiske felter.
- Undulator Hall - Består af magneter, der får elektroner til at bevæge sig frem og tilbage og derved generere højenergi-røntgenstråler.
- Beam Dump er en magnet, der fjerner elektroner, men slipper røntgenstråler igennem uden at bevæge sig.
- LCLS Experimental Station er et specielt kammer, hvor laseren er fikseret, og som er hovedrummet for eksperimenter relateret til den. De stråler, der genereres af denne enhed, skaber 120 pulser i sekundet, hvor hver puls varer 1/10000000000 af et sekund.
- Kapillært plasmaudledningsmedium. I denne opsætning begrænser en flere centimeter lang kapillar, lavet af et stabilt materiale (f.eks. aluminiumoxid), en højpræcision, sub-mikrosekund elektrisk puls i en lavtryksgas. Lorentz-kraften forårsager yderligere kompression af plasmaudladningen. Derudover bruges ofte en elektrisk eller optisk præ-ioniseringsimpuls. Et eksempel er en kapillær neonlignende Ar8+ laser (som genererer stråling ved 47nm).
- Målmedium af en solid plade - efter at være blevet ramt af en optisk puls udsender målet et stærkt exciteret plasma. Igen bruges en længere "prepulse" ofte til at skabe plasmaet, og en anden, kortere og mere energisk puls bruges til at opvarme plasmaet yderligere. For korte levetider kan et momentumskift være påkrævet. Plasmaets brydningsindeksgradient får den forstærkede puls til at bøje væk fra måloverfladen, da brydningsindekset ved frekvenser over resonans falder med stoffets tæthed. Dette kan kompenseres for ved at bruge flere mål i en burst, som i den europæiske røntgenfri elektronlaser.
- Plasma exciteret af et optisk felt - ved optiske tætheder høje nok til effektivt at tunnelere elektroner eller endda til at undertrykke en potentiel barriere (> 1016 W/cm2), er det muligt kraftigt at ionisere en gas uden kontakt med en kapillar eller mål. Typisk bruges en kollineær indstilling til at synkronisere pulserne.
Generelt ligner strukturen af denne mekanisme den europæiske røntgenfri elektronlaser.
