Rentgen lazerining ishlash printsipi nima? Generatsiya muhitidagi yuqori daromad, qisqa yuqori holatning ishlash muddati (1-100 ps) va nurlarni aks ettira oladigan nometall qurish bilan bog'liq muammolar tufayli, bu lazerlar odatda nometallsiz ishlaydi. Rentgen nurlari qozonish muhitidan bir marta o'tish orqali hosil bo'ladi. Kuchaytirilgan spontan nurga asoslangan nurlanish nisbatan past fazoviy kogerentlikka ega. Maqolani oxirigacha o'qing va bu rentgen lazeri ekanligini tushunasiz. Bu qurilma juda amaliy va tuzilishi jihatidan noyobdir.
Mexanizm tuzilishidagi yadrolar
Ko'rinadigan va elektron yoki tebranish holatlari o'rtasidagi an'anaviy lazer o'tishlari 10 eV gacha bo'lgan energiyaga to'g'ri kelganligi sababli, rentgen lazerlari uchun turli xil faol vositalar kerak bo'ladi. Buning uchun yana turli faol zaryadlangan yadrolardan foydalanish mumkin.
Qurollar
1978-1988 yillar orasida Excalibur loyihasidaAQSh harbiylari Yulduzli urushlar strategik mudofaa tashabbusi (SDI) doirasida raketaga qarshi mudofaa uchun yadroviy portlovchi rentgen lazerini yaratishga harakat qildi. Biroq, loyiha juda qimmat bo'lib chiqdi, cho'zilib ketdi va oxir-oqibat to'xtatildi.
Lazer ichidagi plazma muhiti
Eng koʻp ishlatiladigan vositalar kapillyar razryadda yoki chiziqli fokuslangan optik impuls qattiq nishonga urilganda hosil boʻlgan yuqori ionlashgan plazmani oʻz ichiga oladi. Saha ionlash tenglamasiga ko'ra, eng barqaror elektron konfiguratsiyalar neon, 10 ta elektron qolgan va nikelga o'xshash, 28 elektron. Yuqori ionlangan plazmadagi elektron o'tishlari odatda yuzlab elektron volt (eV) darajasidagi energiyaga to'g'ri keladi.
Muqobil kuchaytiruvchi vosita bu standart nurlanish oʻrniga stimulyatsiyalangan Kompton sochilishidan foydalanadigan rentgen nurlarisiz elektron lazerining relativistik elektron nuridir.
Ilova
Kogerent rentgenologik ilovalar qatoriga kogerent difraksion tasvir, zich plazma (koʻrinadigan nurlanish uchun noaniq), rentgen mikroskopiyasi, fazali tibbiy tasvir, material sirtini tekshirish va qurollanish kiradi.
Lazerning engilroq versiyasidan ablativ lazer harakati uchun foydalanish mumkin.
X-ray lazer: u qanday ishlaydi
Lazerlar qanday ishlaydi? Fotonning mavjudligi tufayliatomga ma'lum energiya bilan tegsa, siz atomni stimulyatsiya qilingan emissiya deb ataladigan jarayonda ushbu energiya bilan foton chiqarishga majbur qilishingiz mumkin. Ushbu jarayonni keng miqyosda takrorlash orqali siz lazerga olib keladigan zanjirli reaktsiyaga ega bo'lasiz. Biroq, ba'zi kvant tugunlari bu jarayonni to'xtatishga olib keladi, chunki foton ba'zan umuman chiqarilmasdan so'riladi. Ammo maksimal imkoniyatni ta'minlash uchun fotonlarning energiya darajalari ko'paytiriladi va tarqoq fotonlarning o'yinga qaytishiga yordam berish uchun yorug'lik yo'liga parallel ravishda nometall joylashtiriladi. X-nurlarining yuqori energiyalarida esa ushbu hodisaga xos bo'lgan maxsus jismoniy qonunlar topiladi.
Tarix
1970-yillarning boshlarida rentgen lazeri qoʻli yetib boʻlmaydigandek tuyuldi, chunki kunning aksariyat lazerlari eng katta rentgen nurlaridan ancha pastda 110 nm choʻqqisiga chiqdi. Buning sababi, stimulyatsiya qilingan materialni ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan energiya miqdori juda yuqori bo'lib, uni tez pulsda etkazib berish kerak edi, bu kuchli lazerni yaratish uchun zarur bo'lgan aks ettirishni yanada murakkablashtirdi. Shuning uchun olimlar plazmaga qarashdi, chunki u yaxshi o'tkazuvchi vositaga o'xshardi. 1972 yilda bir guruh olimlar lazerlarni yaratishda nihoyat plazmadan foydalanishga erishganliklarini da'vo qilishdi, biroq ular oldingi natijalarini takrorlashga urinib ko'rishganda, ular negadir muvaffaqiyatsizlikka uchradi.
1980-yillarda dunyoning yirik oʻyinchisi tadqiqot guruhiga qoʻshildi. Fan - Livermore. Olimlar esa yillar davomida kichik, ammo muhim yutuqlarga erishmoqda, biroq Mudofaa ilg‘or tadqiqot loyihalari agentligi (DARPA) rentgenologik tadqiqotlar uchun pul to‘lashni to‘xtatgandan so‘ng, Livermor ilmiy guruh rahbari bo‘ldi. U bir necha turdagi lazerlarni, shu jumladan termoyadroviyga asoslangan lazerlarni ishlab chiqishga rahbarlik qildi. Ularning yadroviy qurol dasturi istiqbolli edi, chunki olimlar ushbu dastur davomida erishgan yuqori energiya ko'rsatkichlari rentgen nurlarisiz elektron lazerni qurishda foydali bo'lgan yuqori sifatli impulsli mexanizmni yaratish imkoniyatiga ishora qildi.
Loyiha sekin-asta yakunlanish arafasida edi. Olimlar Jorj Chaplin va Louell Vud birinchi marta 1970-yillarda rentgen lazerlari uchun termoyadroviy texnologiyani o'rganishdi va keyin yadroviy variantga o'tishdi. Ular birgalikda bunday mexanizmni ishlab chiqdilar va 1978 yil 13 sentyabrda sinovga tayyor edilar, ammo uskunaning nosozligi uni qisqartirdi. Lekin, ehtimol, bu eng yaxshisi edi. Piter Xeygelshteyn oldingi mexanizmni o'rganib chiqqandan so'ng boshqacha yondashuv yaratdi va 1980 yil 14 noyabrda ikkita tajriba rentgen lazerining prototipi ishlaganligini isbotladi.
Yulduzli urushlar loyihasi
Koʻp oʻtmay, AQSh Mudofaa vazirligi loyihaga qiziqib qoldi. Ha, yadroviy qurolning kuchidan fokuslangan nurda foydalanish juda xavfli, ammo bu quvvat havoda qit'alararo ballistik raketalarni (ICBM) yo'q qilish uchun ishlatilishi mumkin. Shunga o'xshash mexanizmni Yerga yaqin joyda qo'llash eng qulay bo'ladiorbita. Yulduzli urushlar deb nomlangan ushbu dasturni butun dunyo biladi. Biroq, rentgen lazeridan qurol sifatida foydalanish loyihasi hech qachon amalga oshmadi.
Aviation Week and Space Engineering jurnalining 1981-yil 23-fevral sonida loyihaning birinchi sinovlari natijalari, jumladan 1,4 nanometrga yetgan va 50 xil nishonga teggan lazer nurlari haqida xabar berilgan.
1983-yil 26-martdagi sinovlar sensor ishlamay qolgani uchun hech qanday natija bermadi. Biroq, 1983-yil 16-dekabrda o‘tkazilgan quyidagi sinovlar uning haqiqiy imkoniyatlarini ko‘rsatdi.
Loyihaning keyingi taqdiri
Xeygelshteyn ikki bosqichli jarayonni nazarda tutgan edi, bunda lazer boshqa materialdagi elektronlar bilan toʻqnashib, rentgen nurlari chiqarilishiga olib keladigan zaryadlangan fotonlarni chiqaradigan plazma hosil qiladi. Bir nechta sozlashlar sinab ko'rildi, ammo oxirida ion manipulyatsiyasi eng yaxshi yechim bo'ldi. Plazma elektronlarni faqat 10 ta ichki elektronlar qolguncha olib tashladi, bu erda fotonlar ularni 3p holatiga qadar zaryad qildi va shu bilan "yumshoq" nurni chiqaradi. 1984 yil 13 iyulda o'tkazilgan tajriba spektrometr 20,6 va 20,9 nanometr selen (neonga o'xshash ion) da kuchli emissiyalarni o'lchaganida, bu nazariyadan ko'proq ekanligini isbotladi. Keyin Novette nomi bilan birinchi laboratoriya (harbiy emas) rentgen lazeri paydo bo'ldi.
Novettaning taqdiri
Ushbu lazer Jim Dann tomonidan ishlab chiqilgan va jismoniy jihatlari Al Osterheld va Slava Shlyaptsev tomonidan tasdiqlangan. Tez foydalanishZarrachalarni rentgen nurlarini chiqarish uchun zaryadlovchi (nanosekundga yaqin) yuqori energiyali yorug'likning zarbasi, Novett shuningdek, samaradorlikni oshiradigan, lekin tez qiziydigan shisha kuchaytirgichlardan ham foydalangan, ya'ni u sovutishlar orasida kuniga atigi 6 marta ishlashi mumkin. Ammo ba'zi ishlar shuni ko'rsatdiki, siqilish nanosekundlik impulsga qaytsa, u pikosekundlik impulsni yoqishi mumkin. Aks holda, shisha kuchaytirgich yo'q qilinadi. Shuni ta'kidlash kerakki, Novette va boshqa "ish stoli" rentgen lazerlari uzoqroq to'lqin uzunligiga ega bo'lgan "yumshoq" rentgen nurlarini ishlab chiqaradi, bu nurning ko'plab materiallardan o'tishiga to'sqinlik qiladi, ammo qotishmalar va plazma haqida tushuncha beradi, chunki ular orqali osongina porlaydi.
Boshqa foydalanish va ishlash xususiyatlari
Xo'sh, bu lazerni nima uchun ishlatish mumkin? Ilgari qisqaroq to'lqin uzunligi ba'zi materiallarni tekshirishni osonlashtirishi mumkinligi ta'kidlangan, ammo bu yagona dastur emas. Nishon impuls bilan urilganda, u oddiygina atom zarralariga aylanadi va harorat bir vaqtning o'zida soniyaning trilliondan birida millionlab darajaga etadi. Va agar bu harorat etarli bo'lsa, lazer elektronlarning ichkaridan tozalanishiga olib keladi. Buning sababi shundaki, elektron orbitallarning eng past darajasi rentgen nurlari tomonidan hosil qilingan energiyadan chiqariladigan kamida ikkita elektron mavjudligini anglatadi.
Atom uchun ketadigan vaqtbarcha elektronlarini yo'qotdi, bir necha femtosekundlar darajasida. Olingan yadro uzoq vaqt turmaydi va tezda "issiq zich materiya" deb nomlanuvchi plazma holatiga o'tadi, bu asosan yadro reaktorlari va yirik sayyoralar yadrolarida joylashgan. Lazer bilan tajriba o'tkazish orqali biz yadro sintezining turli shakllari bo'lgan ikkala jarayon haqida ham tasavvurga ega bo'lishimiz mumkin.
Rentgen lazeridan foydalanish haqiqatan ham universaldir. Ushbu rentgen nurlarining yana bir foydali xususiyati ularni tezlatgichning butun yo'li bo'ylab tezlashadigan sinxrotronlar yoki zarrachalar bilan ishlatishdir. Ushbu yo'lni amalga oshirish uchun qancha energiya kerakligiga asoslanib, zarralar nurlanishni chiqarishi mumkin. Masalan, elektronlar qo'zg'alganda, to'lqin uzunligi atomning kattaligiga teng bo'lgan rentgen nurlarini chiqaradi. Keyin biz bu atomlarning xossalarini rentgen nurlari bilan o'zaro ta'sir qilish orqali o'rganishimiz mumkin edi. Bundan tashqari, biz elektronlarning energiyasini o'zgartirishimiz va turli to'lqin uzunlikdagi rentgen nurlarini olishimiz va chuqurroq tahlil qilishimiz mumkin.
Biroq, o'z qo'lingiz bilan rentgen lazerini yaratish juda qiyin. Uning tuzilishi tajribali fiziklar nuqtai nazaridan ham nihoyatda murakkab.
Biologiyadan
Hatto biologlar ham rentgen lazerlaridan (yadro bilan pompalanadigan) foyda olishgan. Ularning nurlanishi fotosintezning ilgari fanga noma'lum bo'lgan tomonlarini ochishga yordam beradi. Ular o'simlik barglaridagi nozik o'zgarishlarni ushlaydi. Uzoq to'lqin uzunlikdagi yumshoq rentgen lazer nurlari sizga hamma narsani yo'q qilmasdan kashf qilish imkonini beradio'simlik ichida sodir bo'ladi. Nanokristalli injektor fotosel I ni ishga tushiradi, uni faollashtirish uchun zarur bo'lgan fotosintez uchun protein kaliti. Buni lazer nurlari rentgen nurlari ushlab turadi, bu esa kristalning tom ma'noda portlashiga olib keladi.
Yuqoridagi tajribalar muvaffaqiyatli davom etsa, odamlar tabiat sirlarini ochishlari va sun'iy fotosintez haqiqatga aylanishi mumkin. Shuningdek, u quyosh energiyasidan yanada samarali foydalanish imkoniyati masalasini ko‘tarib, uzoq yillar davomida ilmiy loyihalarning paydo bo‘lishiga sabab bo‘ladi.
Magnitlar
Elektron magnit haqida nima deyish mumkin? Olimlar ksenon atomlari va yod bilan chegaralangan molekulalar yuqori quvvatli rentgen nurlari bilan urilganda, atomlar ichki elektronlarini tashlab, yadro va eng tashqi elektronlar o'rtasida bo'shliq hosil qilishini aniqladilar. Jozibador kuchlar bu elektronlarni harakatga keltiradi. Odatda bunday bo'lmasligi kerak, lekin elektronlarning to'satdan tushishi tufayli atom darajasida haddan tashqari "zaryadlangan" holat yuzaga keladi. Olimlarning fikricha, lazer tasvirni qayta ishlashda ishlatilishi mumkin.
Giant X-ray lazer Xfel
AQSh Milliy tezlatkich laboratoriyasida, xususan, linacda joylashgan bu 3500 futlik lazer qattiq rentgen nurlari bilan nishonlarni urish uchun bir nechta ajoyib qurilmalardan foydalanadi. Mana, eng kuchli lazerlardan birining tarkibiy qismlari (qisqartmalar va anglikizmlar mexanizm komponentlarini bildiradi):
- Drive Laser - yaratadikatoddan elektronlarni olib tashlaydigan ultrabinafsha puls. Elektr maydonini manipulyatsiya qilish orqali 12 milliard eVt energiya darajasiga qadar elektronlarni chiqaradi. Harakat ichida S-shaklidagi tezlatkich ham bor. Bunch Compressor 1.
- 2-toʻplamli kompressor – 1-toʻplam bilan bir xil konseptsiya, lekin S-shaklidagi uzunroq struktura, yuqori energiya tufayli ortdi.
- Transport zali - elektronlar magnit maydonlar yordamida impulslarni fokuslash uchun mos ekanligiga ishonch hosil qilish imkonini beradi.
- Undulator zali - elektronlarni oldinga va orqaga siljitadigan va shu orqali yuqori energiyali rentgen nurlarini hosil qiluvchi magnitlardan iborat.
- Beam Dump - bu elektronlarni olib tashlaydigan, lekin rentgen nurlarini harakatsiz o'tkazishga imkon beruvchi magnit.
- LCLS eksperimental stantsiyasi - bu lazer o'rnatilgan va u bilan bog'liq tajribalar uchun asosiy joy bo'lgan maxsus kamera. Bu qurilma tomonidan ishlab chiqarilgan nurlar soniyada 120 impuls hosil qiladi, har bir impuls soniyaning 1/10000000000 davom etadi.
- Kapillyar plazma chiqarish muhiti. Ushbu o'rnatishda barqaror materialdan (masalan, alumina oksidi) yasalgan bir necha santimetr uzunlikdagi kapillyar past bosimli gazda yuqori aniqlikdagi, submikrosekundlik elektr impulsini cheklaydi. Lorentz kuchi plazma ajralishning yanada siqilishiga olib keladi. Bundan tashqari, ko'pincha ionlashdan oldingi elektr yoki optik impuls ishlatiladi. Masalan, kapillyar neonga o'xshash Ar8 + lazer (u 47 da nurlanish hosil qiladi.nm).
- Qattiq plitaning maqsadli muhiti - optik impuls bilan urilgandan so'ng nishon juda hayajonlangan plazma chiqaradi. Shunga qaramay, plazmani yaratish uchun ko'pincha uzoqroq "prepuls" ishlatiladi va plazmani yanada qizdirish uchun ikkinchi, qisqaroq va ko'proq energiya puls ishlatiladi. Qisqa umr ko'rish uchun tezlikni o'zgartirish talab qilinishi mumkin. Plazmaning sindirish ko'rsatkichi gradienti kuchaytirilgan pulsning maqsadli yuzadan uzoqlashishiga olib keladi, chunki rezonansdan yuqori chastotalarda sinishi ko'rsatkichi moddaning zichligi bilan kamayadi. Buni Yevropa rentgen nurlarisiz elektron lazerida boʻlgani kabi bir nechta nishonlardan foydalanish orqali qoplash mumkin.
- Optik maydon bilan qoʻzgʻatilgan plazma - elektronlarni samarali tunnel qilish yoki hatto potentsial toʻsiqni (> 1016 Vt/sm2) bostirish uchun etarlicha yuqori optik zichlikda, kapillyar yoki gaz bilan aloqa qilmasdan kuchli ionlash mumkin. maqsad. Odatda impulslarni sinxronlashtirish uchun kollinear sozlama ishlatiladi.
Umuman olganda, bu mexanizmning tuzilishi Yevropa rentgen nurlarisiz elektron lazeriga oʻxshaydi.
