Rentgen lazerinin iş prinsipi nədir? Nəsil mühitində yüksək qazanc, qısa yuxarı vəziyyət ömrü (1-100 ps) və şüaları əks etdirə bilən güzgülərin qurulması ilə bağlı problemlər səbəbindən bu lazerlər adətən güzgülərsiz işləyir. Rentgen şüası qazanc mühitindən bir keçidlə əmələ gəlir. Gücləndirilmiş spontan şüaya əsaslanan radiasiya nisbətən aşağı məkan koherentliyinə malikdir. Məqaləni sona qədər oxuyun və bunun rentgen lazer olduğunu başa düşəcəksiniz. Bu cihaz çox praktik və strukturuna görə unikaldır.
Mexanizm strukturunda nüvələr
Görünən və elektron və ya vibrasiya halları arasında adi lazer keçidləri 10 eV-ə qədər enerjilərə uyğun gəldiyi üçün rentgen lazerləri üçün müxtəlif aktiv mühitlər lazımdır. Yenə bunun üçün müxtəlif aktiv yüklü nüvələrdən istifadə edilə bilər.
Silahlar
1978-1988-ci illər arasında Excalibur layihəsindəABŞ ordusu Ulduz Döyüşləri Strateji Müdafiə Təşəbbüsünün (SDI) bir hissəsi olaraq raketdən müdafiə üçün nüvə partlayıcı rentgen lazeri hazırlamağa cəhd etdi. Lakin layihə çox baha olduğu ortaya çıxdı, süründürüldü və nəticədə rəfdə qaldı.
Lazer daxilində plazma media
Ən çox istifadə edilən media kapilyar boşalmada və ya xətti fokuslanmış optik impuls bərk hədəfə dəydikdə yaranan yüksək ionlaşmış plazma daxildir. Saha ionlaşma tənliyinə görə, ən sabit elektron konfiqurasiyaları 10 elektron qalan neon və 28 elektronla nikel kimidir. Yüksək ionlaşmış plazmalarda elektron keçidləri adətən yüzlərlə elektron volt (eV) səviyyəsində olan enerjilərə uyğun gəlir.
Alternativ gücləndirici mühit standart şüalanma əvəzinə stimullaşdırılmış Kompton səpilməsindən istifadə edən rentgen şüalarından azad elektron lazerin relativistik elektron şüasıdır.
Tətbiq
Coherent X-ray tətbiqlərinə koherent difraksiya təsviri, sıx plazma (görünən şüalanmaya qarşı qeyri-şəffaf), rentgen mikroskopiyası, faza həll edilən tibbi görüntü, material səthinin müayinəsi və silahlanma daxildir.
Lazerin daha yüngül versiyası ablativ lazer hərəkəti üçün istifadə edilə bilər.
X-ray lazer: necə işləyir
Lazerlər necə işləyir? Fotonun olması səbəbindənmüəyyən bir enerji ilə bir atomu vurursa, stimullaşdırılmış emissiya deyilən bir prosesdə atomun bu enerji ilə bir foton buraxmasını təmin edə bilərsiniz. Bu prosesi geniş miqyasda təkrarlamaqla, lazerlə nəticələnən zəncirvari reaksiya əldə edəcəksiniz. Bununla belə, bəzi kvant düyünləri bu prosesin dayanmasına səbəb olur, çünki foton bəzən heç buraxılmadan udulur. Lakin maksimum şansı təmin etmək üçün foton enerji səviyyələri artırılır və səpələnmiş fotonların yenidən işə qayıtmasına kömək etmək üçün işıq yoluna paralel güzgülər yerləşdirilir. X-şüalarının yüksək enerjilərində isə bu xüsusi fenomenə xas olan xüsusi fiziki qanunlar tapılır.
Tarix
1970-ci illərin əvvəllərində rentgen lazeri əlçatmaz görünürdü, çünki günün əksər lazerləri ən böyük rentgen şüalarından xeyli aşağıda 110 nm hündürlüyünə çatırdı. Bunun səbəbi, stimullaşdırılan materialın istehsalı üçün tələb olunan enerjinin o qədər yüksək olması idi ki, onu sürətli bir nəbzlə çatdırmaq lazım idi və güclü lazer yaratmaq üçün lazım olan əks etdirmə qabiliyyətini daha da çətinləşdirdi. Buna görə də alimlər plazmaya baxdılar, çünki o, yaxşı keçirici mühitə bənzəyirdi. 1972-ci ildə bir qrup elm adamı, nəhayət, lazerlərin yaradılmasında plazmanın istifadəsinə nail olduqlarını iddia etdilər, lakin əvvəlki nəticələrini təkrarlamağa çalışdıqda, nədənsə uğursuz oldular.
1980-ci illərdə dünyanın əsas oyunçusu tədqiqat qrupuna qoşulduElm - Livermore. Elm adamları isə illərdir kiçik, lakin mühüm addımlar atırlar, lakin Müdafiə Qabaqcıl Tədqiqat Layihələri Agentliyi (DARPA) rentgen tədqiqatları üçün pul ödəməyi dayandırdıqdan sonra Livermor elmi qrupun lideri oldu. O, bir neçə növ lazerin, o cümlədən füzyona əsaslanan lazerlərin inkişafına rəhbərlik etmişdir. Onların nüvə silahı proqramı perspektivli idi, çünki bu proqram zamanı elm adamlarının əldə etdikləri yüksək enerji göstəriciləri rentgen şüalarından azad elektron lazerin qurulmasında faydalı olacaq yüksək keyfiyyətli impuls mexanizminin yaradılması imkanlarına işarə edirdi.
Layihə tədricən tamamlanmağa yaxınlaşırdı. Alimlər Corc Çaplin və Louell Vud ilk dəfə 1970-ci illərdə rentgen lazerləri üçün füzyon texnologiyasını araşdırdılar və sonra nüvə variantına keçdilər. Onlar birlikdə belə bir mexanizm hazırladılar və 1978-ci il sentyabrın 13-də sınaqlara hazır idilər, lakin avadanlıqların nasazlığı onu yarımçıq qoymuşdu. Ancaq bəlkə də ən yaxşısı idi. Peter Hagelstein əvvəlki mexanizmi öyrəndikdən sonra fərqli bir yanaşma yaratdı və 14 noyabr 1980-ci ildə iki təcrübə prototip rentgen lazerinin işlədiyini sübut etdi.
Ulduz Müharibəsi Layihəsi
Çox tezliklə ABŞ Müdafiə Nazirliyi layihə ilə maraqlanmağa başladı. Bəli, nüvə silahının gücünü fokuslanmış şüada istifadə etmək çox təhlükəlidir, lakin bu güc havada qitələrarası ballistik raketləri (ICBM) məhv etmək üçün istifadə edilə bilər. Yerin yaxınlığında oxşar mexanizmdən istifadə etmək ən əlverişli olardıorbit. Ulduz müharibələri adlı bu proqramı bütün dünya tanıyır. Bununla belə, rentgen lazerindən silah kimi istifadə layihəsi heç vaxt baş tutmadı.
Aviation Week and Space Engineering jurnalının 23 fevral 1981-ci il sayında 1,4 nanometrə çatan və 50 müxtəlif hədəfi vuran lazer şüası da daxil olmaqla layihənin ilk sınaqlarının nəticələri haqqında məlumat verilir.
26 mart 1983-cü il tarixli sınaqlar sensorun nasazlığı səbəbindən heç bir nəticə vermədi. Bununla belə, 16 dekabr 1983-cü ildə keçirilən aşağıdakı sınaqlar onun həqiqi imkanlarını nümayiş etdirdi.
Layihənin sonrakı taleyi
Hagelstein, lazerin başqa bir materialdakı elektronlarla toqquşaraq rentgen şüalarının yayılmasına səbəb olan yüklü fotonları buraxacaq plazma yaradacağın iki mərhələli prosesi nəzərdə tuturdu. Bir neçə quraşdırma sınandı, lakin sonunda ion manipulyasiyası ən yaxşı həll olduğunu sübut etdi. Plazma elektronları yalnız 10 daxili qalana qədər çıxardı, burada fotonlar onları 3p vəziyyətinə qədər yüklədi və beləliklə, "yumşaq" şüanı buraxdı. 1984-cü il iyulun 13-də aparılan bir təcrübə sübut etdi ki, spektrometr 20,6 və 20,9 nanometr seleniumda (neonabənzər ion) güclü emissiyaları ölçən zaman bu nəzəriyyədən daha çox şeydir. Sonra Novette adı ilə ilk laboratoriya (hərbi deyil) rentgen lazeri çıxdı.
Novettenin taleyi
Bu lazer Jim Dunn tərəfindən hazırlanıb və fiziki cəhətləri Al Osterheld və Slava Shlyaptsev tərəfindən təsdiqlənib. Sürətli istifadəX-şüaları buraxmaq üçün hissəcikləri yükləyən (nanosaniyəyə yaxın) yüksək enerjili işığın nəbzi, Novett həmçinin səmərəliliyi artıran, həm də tez qızdıran şüşə gücləndiricilərdən istifadə etdi, yəni soyuduqlar arasında gündə yalnız 6 dəfə işləyə bilər. Lakin bəzi işlər göstərdi ki, o, sıxılma nanosaniyə impulsuna dönərkən, o, pikosaniyə impulsunu işə sala bilir. Əks halda, şüşə gücləndirici məhv olacaq. Qeyd etmək lazımdır ki, Novette və digər "masaüstü" rentgen lazerləri daha uzun dalğa uzunluğuna malik olan "yumşaq" rentgen şüaları istehsal edir, bu şüanın bir çox materialdan keçməsinə mane olur, lakin ərintilər və plazma haqqında fikir verir, çünki onların arasından asanlıqla parlayır.
Digər istifadə və əməliyyat xüsusiyyətləri
Bəs bu lazer nə üçün istifadə edilə bilər? Daha əvvəl qeyd edilmişdi ki, daha qısa dalğa uzunluğu bəzi materialların tədqiqini asanlaşdıra bilər, lakin bu, yeganə tətbiq deyil. Hədəf bir impulsla vurulduqda, o, sadəcə olaraq atom hissəciklərinə çevrilir və temperatur eyni zamanda saniyənin trilyonda birində milyonlarla dərəcəyə çatır. Və bu temperatur kifayət edərsə, lazer elektronların içəridən soyulmasına səbəb olacaq. Bunun səbəbi elektron orbitalların ən aşağı səviyyəsi rentgen şüalarının yaratdığı enerjidən atılan ən azı iki elektronun olmasını nəzərdə tutur.
Atomun keçməsi üçün lazım olan vaxtbütün elektronlarını itirmiş, bir neçə femtosaniyə səviyyəsindədir. Yaranan nüvə uzun müddət dayanmır və sürətlə "isti sıx maddə" kimi tanınan plazma vəziyyətinə keçir, bu, əsasən nüvə reaktorlarında və böyük planetlərin nüvələrində olur. Lazerlə təcrübə etməklə biz nüvə birləşməsinin müxtəlif formaları olan hər iki proses haqqında təsəvvür əldə edə bilərik.
Rentgen lazerinin istifadəsi həqiqətən universaldır. Bu rentgen şüalarının digər faydalı xüsusiyyəti onların sürətləndiricinin bütün yolu boyunca sürətlənən sinxrotronlarla və ya hissəciklərlə istifadəsidir. Bu yolu yaratmaq üçün nə qədər enerji lazım olduğuna əsasən, hissəciklər radiasiya yaya bilər. Məsələn, elektronlar həyəcanlandıqda, atom ölçüsündə dalğa uzunluğuna malik olan rentgen şüaları yayırlar. Sonra bu atomların xassələrini rentgen şüaları ilə qarşılıqlı əlaqədə öyrənə bilərik. Bundan əlavə, biz elektronların enerjisini dəyişdirə və müxtəlif dalğa uzunluqlarında X-şüaları əldə edərək daha böyük analiz dərinliyinə nail ola bilərik.
Lakin öz əlinizlə rentgen lazerini yaratmaq çox çətindir. Onun strukturu hətta təcrübəli fiziklər baxımından da son dərəcə mürəkkəbdir.
Biologiyada
Hətta bioloqlar rentgen lazerlərindən (nüvə ilə vurulan) faydalana biliblər. Onların şüalanması fotosintezin əvvəllər elmə məlum olmayan aspektlərini aşkar etməyə kömək edə bilər. Bitki yarpaqlarında incə dəyişiklikləri çəkirlər. Yumşaq X-ray lazer şüalarının uzun dalğa uzunluğu sizə hər şeyi məhv etmədən kəşf etməyə imkan verirbitkinin daxilində baş verir. Nanokristal injektor onu aktivləşdirmək üçün lazım olan fotosintezin zülal açarı olan fotosel I-i işə salır. Bu, kristalın sözün əsl mənasında partlamasına səbəb olan rentgen şüalarının lazer şüası ilə kəsilir.
Yuxarıdakı təcrübələr uğurla davam edərsə, insanlar təbiətin sirlərini aça biləcəklər və süni fotosintez reallığa çevrilə bilər. Bu, həm də günəş enerjisindən daha səmərəli istifadənin mümkünlüyü məsələsini gündəmə gətirəcək və uzun illər üçün elmi layihələrin yaranmasına səbəb olacaq.
Maqnitlər
Elektron maqnit haqqında nə demək olar? Alimlər müəyyən ediblər ki, yüksək güclü rentgen şüası ilə onların ksenon atomları və yodla məhdudlaşmış molekulları vurulduqda, atomlar daxili elektronlarını ataraq nüvə ilə ən xarici elektronlar arasında boşluq yaradır. Cəlbedici qüvvələr bu elektronları hərəkətə gətirir. Normalda bu baş verməməlidir, lakin elektronların qəfil düşməsi səbəbindən atom səviyyəsində həddindən artıq "yüklü" vəziyyət yaranır. Alimlər lazerin təsvirin emalında istifadə oluna biləcəyini düşünürlər.
Nəhəng rentgen lazer Xfel
ABŞ Milli Sürətləndirici Laboratoriyasında, xüsusən də linacda yerləşdirilən bu 3500 futluq lazer sərt rentgen şüaları ilə hədəfləri vurmaq üçün bir neçə dahiyanə cihazdan istifadə edir. Ən güclü lazerlərdən birinin bəzi komponentləri bunlardır (qıs altmalar və anglisizmlər mexanizmin komponentlərini ifadə edir):
- Drive Lazer - yaradırkatoddan elektronları çıxaran ultrabənövşəyi nəbz. Elektrik sahəsini manipulyasiya edərək 12 milyard eVt enerji səviyyəsinə qədər elektronlar buraxır. Hərəkətin içərisində Bunch Compressor 1 adlı S formalı sürətləndirici də var.
- Bunch Compressor 2 - Bunch 1 ilə eyni konsepsiya, lakin daha uzun S formalı struktur, daha yüksək enerji hesabına artır.
- Nəqliyyat Zalı - elektronların maqnit sahələrindən istifadə edərək impulsların fokuslanması üçün uyğun olduğuna əmin olmağa imkan verir.
- Undulator Zalı - Elektronların irəli-geri hərəkətinə səbəb olan və bununla da yüksək enerjili rentgen şüaları yaradan maqnitlərdən ibarətdir.
- Beam Dump elektronları çıxaran, lakin rentgen şüalarının hərəkət etmədən keçməsinə imkan verən maqnitdir.
- LCLS Təcrübə Stansiyası lazerin sabitləndiyi və onunla bağlı təcrübələr üçün əsas məkan olan xüsusi kameradır. Bu cihaz tərəfindən yaradılan şüalar saniyədə 120 impuls yaradır, hər bir impuls saniyənin 1/10000000000 davam edir.
- Kapilyar plazma boşalma mühiti. Bu quraşdırmada sabit materialdan (məsələn, alüminium oksidi) hazırlanmış bir neçə santimetr uzunluğunda kapilyar aşağı təzyiqli qazda yüksək dəqiqlikli, mikrosaniyədən aşağı elektrik impulsunu məhdudlaşdırır. Lorentz qüvvəsi plazma boşalmasının daha da sıxılmasına səbəb olur. Bundan əlavə, tez-tez ionlaşmadan əvvəl elektrik və ya optik impuls istifadə olunur. Nümunə olaraq kapilyar neonabənzər Ar8 + lazerini göstərmək olar (o, 47-də radiasiya yaradır.nm).
- Möhkəm plitənin hədəf mühiti - optik impulsla vurulduqdan sonra hədəf yüksək həyəcanlı plazma yayır. Yenə daha uzun "prepulse" tez-tez plazma yaratmaq üçün istifadə olunur və ikinci, daha qısa və daha enerjili nəbz plazmanı daha da qızdırmaq üçün istifadə olunur. Qısa ömürlər üçün sürət dəyişikliyi tələb oluna bilər. Plazmanın qırılma əmsalı qradiyenti gücləndirilmiş nəbzin hədəf səthindən əyilməsinə səbəb olur, çünki rezonansdan yuxarı tezliklərdə sındırma indeksi maddənin sıxlığı ilə azalır. Bu, Avropa X-şüasız elektron lazerində olduğu kimi, birdən çox hədəfdən istifadə etməklə kompensasiya edilə bilər.
- Optik sahə ilə həyəcanlanan plazma - elektronları effektiv şəkildə tunel etmək və ya hətta potensial maneəni (> 1016 Vt/sm2) sıxışdırmaq üçün kifayət qədər yüksək optik sıxlıqlarda, kapilyar və ya qazla təmas etmədən qazı güclü ionlaşdırmaq mümkündür. hədəf. Tipik olaraq, impulsları sinxronlaşdırmaq üçün kollinear parametr istifadə olunur.
Ümumiyyətlə, bu mexanizmin strukturu Avropa rentgensiz elektron lazerinə bənzəyir.
