Каков принцип работы рентгеновского лазера? Из-за высокого коэффициента усиления в среде генерации, коротких времен жизни верхнего состояния (1-100 пс) и проблем, связанных со строительством зеркал, которые могут отражать лучи, эти лазеры обычно работают без зеркал. Луч рентгеновского излучения генерируется одним проходом через среду усиления. Испускаемое излучение, основанное на усиленном спонтанном луче, имеет относительно низкую пространственную когерентность. Прочтите статью до конца и вы поймете, что это - рентгеновский лазер. Это устройство является очень практичным и уникальным по своему строению.
Ядра в структуре механизма
Так как обычные лазерные переходы между видимыми и электронными или колебательными состояниями соответствуют энергиям до 10 эВ, для рентгеновских лазеров необходимы различные активные среды. Опять же, для этого можно использовать различные активные заряженные ядра.
Оружие
В период с 1978 по 1988 год в проекте Excalibur военные США попытались разработать рентгеновский лазер с ядерным взрывным устройством для противоракетной обороны в рамках Стратегической оборонной инициативы «Звездные войны» (SDI). Проект, однако, оказался слишком дорогостоящим, затянулся и в итоге был заморожен.
Плазменные среды внутри лазера
Наиболее часто используемые среды включают высокоионизованную плазму, созданную в капиллярном разряде, или когда линейно сфокусированный оптический импульс попадает в сплошную мишень. В соответствии с уравнением ионизации Саха, наиболее устойчивые электронные конфигурации неоновые, с оставшимися 10 электронами, и никелеподобные с 28 электронами. Переходы электронов в высокоионизованной плазме обычно соответствуют энергиям порядка сотен электрон-вольт (эВ).
Альтернативной усиливающей средой является релятивистский электронный пучок рентгеновского лазера на свободных электронах, который использует вынужденное комптоновское рассеяние вместо стандартного излучения.
Применение
Области применения когерентного рентгеновского излучения включают когерентную дифракционную визуализацию, исследование плотной плазмы (непрозрачной для видимого излучения), рентгеновскую микроскопию, медицинскую визуализацию с фазовым разрешением, исследование поверхности материала, а также использование в качестве оружия.
Облегченная версия лазера может использоваться для аблятивного лазерного движения.
Рентгеновский лазер: как устроен
Как работают лазеры? Благодаря тому, что фотон попадает в атом с определенной энергией, вы можете заставить атом излучать фотон с этой энергией в процессе, называемом стимулированным излучением. Повторяя этот процесс в больших масштабах, вы получите цепную реакцию, которая приводит к лазеру. Однако некоторые квантовые узлы заставляют этот процесс останавливаться, поскольку фотон иногда поглощается без излучения вообще. Но чтобы обеспечить максимальные шансы, уровни энергии фотонов увеличиваются, а зеркала помещаются параллельно световому пути, чтобы помочь рассеянным фотонам вернуться в игру. И при высоких энергиях рентгеновских лучей обнаруживаются особые физические законы, свойственные именно этому явлению.
История
В начале 1970-х годов рентгеновский лазер казался вне досягаемости, поскольку большинство лазеров того времени достигало пика на 110 нм, что значительно меньше, чем у самых крупных рентгеновских лучей. Это было связано с тем, что количество энергии, необходимое для получения стимулированного материала, было настолько высоким, что ее нужно было доставлять быстрым импульсом, что еще больше усложняло способность к отражению, необходимую для создания мощного лазера. Поэтому ученые посматривали на плазму, поскольку она выглядела неплохой проводящей средой. Команда ученых в 1972 году заявила, что наконец добилась использования плазмы в создании лазеров, но когда они попытались воспроизвести ранее полученные результаты, у них по какой-то причине ничего не вышло.
В 1980-е годы в команду исследователей вступил крупный игрок от мира науки - Ливермор. Ученые тем временем делали небольшие, но важные шаги в течение многих лет, но после того, как Агентство перспективных исследований обороны (DARPA) перестало платить за рентгеновские исследования, Ливермор стал лидером научной группы. Он возглавлял разработку нескольких видов лазеров, в том числе тех, что создавались на основе синтеза. Перспективной была их программа по ядерному оружию, ведь показатели высокой энергии, которых ученые добились в ходе этой программы, намекали на возможность создания качественного импульсного механизма, который пригодился бы при строительстве рентгеновского лазера на свободных электронах.
Проект постепенно приближался к завершению. Ученые Джордж Чаплин и Лоуэлл Вуд впервые исследовали технологию фьюжн для рентгеновских лазеров в 1970-х годах, а затем перешли на ядерный вариант. Вместе они разработали такой механизм и были готовы к испытанию 13 сентября 1978 года, но отказ оборудования оборвал его. Но, возможно, это было к лучшему. Питер Хагельштейн создал другой подход после изучения предыдущего механизма, а 14 ноября 1980 года два эксперимента доказали, что прототип рентгеновского лазера работал.
Проект "Звездные войны"
Очень скоро проектом заинтересовалось Министерство обороны США. Да, использование силы ядерного оружия в сфокусированном пучке слишком опасно, но ведь эта сила могла бы быть использована для уничтожения межконтинентальных баллистических ракет (МБР) в воздухе. Удобнее всего было бы использовать подобный механизм на околоземной орбите. Весь мир знает эту программу под названием «Звездные войны». Тем не менее проект использования рентгеновского лазера как оружия так и не увенчался успехом.
В выпуске журнала «Авиационная неделя и космическая техника» от 23 февраля 1981 года изложены результаты первых испытаний проекта, включая лазерный луч, импульсная волна которого доходила до 1,4 нанометров и поражала 50 различных целей.
Испытания от 26 марта 1983 года ничего не дали из-за отказа датчика. Однако следующие испытания от 16 декабря 1983 года продемонстрировали его подлинные возможности.
Дальнейшая судьба проекта
Хагельштейн предполагал двухступенчатый процесс, при котором лазер создавал плазму, которая высвобождала бы заряженные фотоны, сталкивающиеся с электронами другого материала и вызывающие выброс рентгеновских лучей. Было опробовано несколько установок, но в конечном итоге манипуляция ионами стала самым верным решением. Плазма удаляла электроны, пока не осталось только 10 внутренних, где фотоны затем заряжали их до состояния 3р, таким образом освобождая "мягкий" луч. Эксперимент 13 июля 1984 года доказал, что это было больше, чем теория, когда спектрометр измерял сильные выбросы на 20,6 и 20,9 нанометрах селена (неоноподобного иона). Тогда и появился первый лабораторный (не военный) рентгеновский лазер с именем Новетт.
Судьба "Новетт"
Этот лазер был разработан Джимом Данном и имел физические аспекты, проверенные Аль Остерхелдом и Славой Шляпцевым. Используя быстрый (около наносекундны) импульс света с высокой энергией, который заряжал частицы для выпуска рентгеновских лучей, "Новетт" также использовал стеклянные усилители, которые повышают эффективность, но также быстро нагреваются, что означает, что он может работать только 6 раз в день между охлаждением. Но некоторые работы показали, что он может стрелять пикосекундным импульсом, пока сжатие возвращается к наносекундному импульсу. В противном случае стеклянный усилитель будет разрушен. Важно отметить, что "Новетт" и другие «настольные» рентгеновские лазеры создают "мягкие" рентгеновские лучи, которые имеют более длинную волну, что предотвращает прохождение луча во сквозь многие материалы, но дает представление о сплавах и плазме, поскольку легко их просвечивает.
Другое применение и особенности функционирования
Итак, для чего можно использовать этот лазер? Ранее было замечено, что более короткая длина волны может облегчить исследование некоторых материалов, но это не единственная область применения. Когда цель поражается импульсом, ее просто уничтожает на атомные частицы, причем температура при этом достигает миллионов градусов всего за триллионную долю секунды. И если этой температуры хватит, лазер заставит электроны отслаиваться изнутри. Это связано с тем, что самый низкий уровень электронных орбиталей подразумевает наличие по меньшей мере двух электронов, которые выбрасываются из энергии, порождаемой рентгеновским излучением.
Время, затрачиваемое на то, чтобы атом потерял все свои электроны, составляет порядка нескольких фемтосекунд. Результирующее ядро не задерживается надолго и быстро переходит в плазменное состояние, известное как "теплое плотное вещество", которое в основном встречается в ядерных реакторах и ядрах крупных планет. Проводя эксперименты с лазером, мы можем получить представление об обоих процессах, представляющих собой различные формы ядерного синтеза.
Применение рентгеновского лазера воистину универсально. Еще одним полезным свойством этих рентгеновских лучей является их применение с синхротронами или частицами, ускоряющимися по всему пути ускорителя. Основываясь на том, сколько энергии требуется для этого пути, частицы могут излучать радиацию. Например, электроны при возбуждении выделяют рентгеновские лучи, которые имеют длину волны около размера атома. Тогда мы могли бы изучить свойства этих атомов через взаимодействие с рентгеновскими лучами. Кроме того, мы можем изменить энергию электронов и получить разные длины волн рентгеновских лучей, добиваясь большей глубины анализа.
Тем не менее, создать рентгеновский лазер своими руками очень сложно. Его структура крайне сложна даже с точки зрения опытных физиков.
В биологии
Даже биологи смогли извлечь пользу из рентгеновских лазеров (с ядерной накачкой). Их излучения могут помочь выявить аспекты фотосинтеза, ранее неизвестные науке. Они фиксируют тонкие изменения в листьях растений. Длинные волны мягких рентгеновских лучей лазера позволяют исследовать без разрушения все, что происходит внутри растения. Инъектор нанокристалла запускает фотоэлемент I, белковый ключ к фотосинтезу, необходимый для его активации. Это перехватывается лазерным лучом рентгеновских лучей, который заставляет кристалл буквально взорваться.
В случае дальнейшего успеха вышеупомянутых опытов, люди смогут разгадать тайны природы, и искусственный фотосинтез может стать реальностью. Также встанет вопрос о возможности более эффективного использования солнечной энергии, спровоцировав появление научных проектов на долгие годы вперед.
Магниты
Как насчет электронного магнита? Ученые обнаружили, что когда у них были атомы ксенона и молекулы, ограниченные иодом, ударяемые рентгеновским снимком высокой мощности, атомы отбрасывали свои внутренние электроны, создавая пустоту между ядром и самыми удаленными электронами. Силы притяжения приводили эти электроны в движение. Обычно этого не должно происходить, но из-за внезапности отпадения электронов происходит чрезмерно "заряженная" ситуация на атомном уровне. Ученые думают, что лазеру можно найти применение в обработке изображений.
Гигантский рентгеновский лазер Xfel
Расположенный в Национальной лаборатории ускорителей США, в частности на линейном ускорителе, этот 3500-футовый лазер использует несколько гениальных устройств для поражения целей с помощью жестких рентгеновских лучей. Вот некоторые из компонентов одного из самых мощных лазеров (аббревиатуры и англицизмы обозначают компоненты механизма):
- Drive Laser - создает ультрафиолетовый импульс, который удаляет электроны с катода. Испускает электроны до уровня энергии в 12 миллиардов эВт с помощью манипуляции с электрическим полем. Также внутри механизма есть S-образный ускоритель под названием Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - та же концепция, что и в Bunch 1, но более длинная S-образная структура, увеличенная из-за более высоких энергий.
- Transport Hall - позволяет убедиться, что электроны пригодны для фокусировки импульсов с использованием магнитных полей.
- Undulator Hall - состоит из магнитов, которые заставляют электроны двигаться вперед и назад, тем самым генерируя высокоэнергетические рентгеновские лучи.
- Beam Dump - магнит, который изымает электроны, но пропускает рентгеновские лучи без движения.
- LCLS Experimental Station - особая камера, в которой закреплен лазер и которая является главным пространством для экспериментов, связанных с ним. Лучи, генерируемые этим устройством, создают 120 импульсов в секунду, причем каждый импульс длится 1/10000000000 секунды.
- Капиллярная плазменно-разрядная среда. В этой установке капилляр с длиной в несколько сантиметров, изготовленный из устойчивого материала (например, оксида алюминия), ограничивает высокоточный, субмикросекундный электрический импульс в газе низкого давления. Сила Лоренца вызывает дальнейшее сжатие плазменного разряда. Кроме того, часто используется предварительный ионизационный электрический или оптический импульс. Примером может служить капиллярный неон-подобный Ar8 + -лазер (генерирующий излучение при 47 нм).
- Целевая среда сплошной плиты - после удара оптическим импульсом мишень излучает высоковозбужденную плазму. Опять же, для создания плазмы часто используется более длинный «предварительный импульс», а второй, более короткий и более энергичный импульс используется для дополнительного разогрева плазмы. При коротких временах жизни может потребоваться сдвиг импульса. Градиент показателя преломления плазмы заставляет усиленный импульс изгибаться с поверхности мишени, поскольку на частотах выше резонанса показатель преломления уменьшается с плотностью вещества. Это может быть компенсировано за счет использования нескольких целей в серии излучений, как и в европейском рентгеновском лазере на свободных электронах.
- Плазма, возбуждаемая оптическим полем - при оптических плотностях, достаточно высоких для эффективного туннелирования электронов или даже для подавления потенциального барьера (> 1016 Вт / см2), можно сильно ионизировать газ без контакта с капилляром или мишенью. Обычно используется коллинеарная настройка, позволяющая синхронизировать импульсы.
В общем, структура этого механизма похожа на европейский рентгеновский лазер на свободных электронах.
