Vad är arbetsprincipen för röntgenlaser? På grund av den höga förstärkningen i genereringsmediet, de korta livstiderna i det övre tillståndet (1-100 ps) och problemen förknippade med att bygga speglar som kan reflektera strålarna, fungerar dessa lasrar vanligtvis utan speglar. Röntgenstrålen genereras av en enda passage genom förstärkningsmediet. Den emitterade strålningen baserad på den förstärkta spontana strålen har en relativt låg rumslig koherens. Läs artikeln till slutet så förstår du att det här är en röntgenlaser. Den här enheten är mycket praktisk och unik i sin struktur.
Kärnor i mekanismstrukturen
Eftersom konventionella laserövergångar mellan synliga och elektroniska eller vibrationstillstånd motsvarar energier upp till 10 eV, behövs olika aktiva medier för röntgenlasrar. Återigen kan olika aktiva laddade kärnor användas för detta.
vapen
Mellan 1978 och 1988 i Excalibur-projektetDen amerikanska militären försökte utveckla en nukleär explosiv röntgenlaser för missilförsvar som en del av Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Projektet visade sig dock vara för dyrt, drog ut på tiden och lades så småningom på hyllan.
Plasmamedia inuti en laser
De mest använda medierna inkluderar högjoniserat plasma som skapas i en kapillärurladdning eller när en linjärt fokuserad optisk puls träffar ett fast mål. Enligt Sahas joniseringsekvation är de mest stabila elektronkonfigurationerna neon, med 10 elektroner kvar, och nickelliknande, med 28 elektroner. Elektronövergångar i högjoniserade plasma motsvarar vanligtvis energier i storleksordningen hundratals elektronvolt (eV).
Ett alternativt förstärkningsmedium är den relativistiska elektronstrålen från en röntgenfri elektronlaser, som använder stimulerad Compton-spridning istället för standardstrålning.
Application
Koherenta röntgentillämpningar inkluderar koherent diffraktionsavbildning, tät plasma (ogenomskinlig för synlig strålning), röntgenmikroskopi, fasupplöst medicinsk avbildning, materialyteundersökning och vapenisering.
Lättare version av lasern kan användas för ablativ laserrörelse.
röntgenlaser: hur det fungerar
Hur fungerar lasrar? På grund av det faktum att fotonenträffar en atom med en viss energi kan man få atomen att sända ut en foton med den energin i en process som kallas stimulerad emission. Genom att upprepa denna process i stor skala får du en kedjereaktion som resulterar i en laser. Vissa kvantknutar gör dock att denna process stoppas, eftersom en foton ibland absorberas utan att sändas ut alls. Men för att säkerställa maximala chanser höjs fotonenerginivåerna och speglar placeras parallellt med ljusbanan för att hjälpa de spridda fotonerna att komma tillbaka till spel. Och vid höga energier av röntgenstrålar hittas speciella fysiska lagar som är inneboende i detta speciella fenomen.
Historia
I början av 1970-talet verkade röntgenlasern utom räckhåll, eftersom de flesta lasrar på dagen nådde sin topp vid 110 nm, långt under de största röntgenstrålarna. Detta berodde på att mängden energi som krävdes för att producera det stimulerade materialet var så hög att det måste levereras i en snabb puls, vilket ytterligare komplicerade reflektionsförmågan som behövs för att skapa en kraftfull laser. Därför tittade forskare på plasmat, eftersom det såg ut som ett bra ledande medium. Ett team av forskare 1972 hävdade att de äntligen hade uppnått användningen av plasma vid skapandet av lasrar, men när de försökte återskapa sina tidigare resultat misslyckades de av någon anledning.
På 1980-talet anslöt sig en stor aktör från världen till forskarteametVetenskap - Livermore. Forskare har under tiden gjort små men viktiga framsteg i flera år, men efter att Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) slutade betala för röntgenforskning, blev Livermore ledare för det vetenskapliga teamet. Han ledde utvecklingen av flera typer av lasrar, inklusive de baserade på fusion. Deras kärnvapenprogram var lovande, eftersom de höga energiindikatorerna som forskarna uppnådde under detta program antydde möjligheten att skapa en pulserande mekanism av hög kvalitet som skulle vara användbar vid konstruktionen av en röntgenfri elektronlaser.
Projektet närmade sig gradvis slutförande. Forskarna George Chaplin och Lowell Wood utforskade först fusionsteknik för röntgenlasrar på 1970-talet och bytte sedan till ett kärnkrafts alternativ. Tillsammans utvecklade de en sådan mekanism och var redo för testning den 13 september 1978, men utrustningsfel avbröt det. Men det kanske var det bästa. Peter Hagelstein skapade ett annat tillvägagångssätt efter att ha studerat den tidigare mekanismen, och den 14 november 1980 visade två experiment att prototypen röntgenlaser fungerade.
Star Wars Project
Mycket snart blev det amerikanska försvarsdepartementet intresserad av projektet. Ja, att använda kraften från ett kärnvapen i en fokuserad stråle är för farligt, men den kraften skulle kunna användas för att förstöra interkontinentala ballistiska missiler (ICBM) i luften. Det skulle vara mest bekvämt att använda en liknande mekanism på den nära jordenbana. Hela världen känner till detta program som heter Star Wars. Projektet att använda röntgenlasern som ett vapen blev dock aldrig verklighet.
Numret av Aviation Week och Space Engineering den 23 februari 1981 rapporterar resultaten av de första testerna av projektet, inklusive en laserstråle som nådde 1,4 nanometer och träffade 50 olika mål.
Tester daterade den 26 mars 1983 gav ingenting på grund av sensorfel. Följande tester den 16 december 1983 visade emellertid dess verkliga förmåga.
Projektets vidare öde
Hagelstein föreställde sig en tvåstegsprocess där en laser skulle skapa ett plasma som skulle frigöra laddade fotoner som skulle kollidera med elektroner i ett annat material och orsaka att röntgenstrålar sänds ut. Flera inställningar prövades, men i slutändan visade sig jonmanipulation vara den bästa lösningen. Plasman tog bort elektronerna tills endast 10 inre fanns kvar, där fotonerna sedan laddade upp dem till 3p-tillståndet och på så sätt släppte den "mjuka" strålen. Ett experiment den 13 juli 1984 visade att detta var mer än teori när en spektrometer mätte starka utsläpp vid 20,6 och 20,9 nanometer selen (en neonliknande jon). Då dök den första laboratorieröntgenlasern (ej militär) upp med namnet Novette.
Novettes öde
Den här lasern designades av Jim Dunn och hade fysiska aspekter verifierade av Al Osterheld och Slava Shlyaptsev. Använder snabbt(nära nanosekund) puls av högenergiljus som laddade partiklarna för att frigöra röntgenstrålar, Novett använde också glasförstärkare, som förbättrar effektiviteten men också värms upp snabbt, vilket innebär att den bara kan köras 6 gånger om dagen mellan nedkylningarna. Men en del arbete har visat att den kan avfyra en pikosekundpuls medan kompressionen återgår till en nanosekundspuls. Annars kommer glasförstärkaren att förstöras. Det är viktigt att notera att Novette och andra "desktop" röntgenlasrar producerar "mjuka" röntgenstrålar, som har en längre våglängd, vilket hindrar strålen från att passera genom många material, men ger insikt i legeringar och plasma, eftersom det lyser lätt igenom dem.
Andra användningsområden och funktioner för drift
Så vad kan den här lasern användas till? Det har tidigare noterats att en kortare våglängd kan göra det lättare att undersöka vissa material, men detta är inte den enda tillämpningen. När ett mål träffas av en impuls förstörs det helt enkelt till atompartiklar, och temperaturen når samtidigt miljontals grader på bara en biljondels sekund. Och om denna temperatur räcker kommer lasern att få elektronerna att lossna från insidan. Detta beror på att den lägsta nivån av elektronorbitaler innebär närvaron av minst två elektroner, som stöts ut från energin som genereras av röntgenstrålar.
Tiden det tar för en atom atthar förlorat alla sina elektroner, är i storleksordningen några femtosekunder. Den resulterande kärnan dröjer inte kvar länge och övergår snabbt till ett plasmatillstånd som kallas "varmt tätt material", vilket mestadels finns i kärnreaktorer och kärnor på stora planeter. Genom att experimentera med lasern kan vi få en uppfattning om båda processerna, som är olika former av kärnfusion.
Användningen av röntgenlasern är verkligen universell. En annan användbar egenskap hos dessa röntgenstrålar är deras användning med synkrotroner eller partiklar som accelererar längs hela acceleratorns bana. Baserat på hur mycket energi som krävs för att göra denna väg kan partiklarna avge strålning. Till exempel avger elektroner, när de exciteras, röntgenstrålar, som har en våglängd ungefär lika stor som en atom. Sedan skulle vi kunna studera egenskaperna hos dessa atomer genom interaktion med röntgenstrålar. Dessutom kan vi ändra elektronernas energi och få olika våglängder av röntgenstrålar, vilket uppnår större analysdjup.
Det är dock väldigt svårt att skapa en röntgenlaser med egna händer. Dess struktur är extremt komplex även från erfarna fysikers synvinkel.
I biologi
Även biologer har kunnat dra nytta av röntgenlasrar (kärnpumpade). Deras strålning kan hjälpa till att avslöja aspekter av fotosyntes som tidigare var okända för vetenskapen. De fångar subtila förändringar i växtens blad. Långa våglängder av mjuka röntgenlaserstrålar gör att du kan utforska utan att förstöra allt detsker inuti anläggningen. Nanokristallinjektorn utlöser fotocell I, proteinnyckeln till fotosyntesen som behövs för att aktivera den. Detta fångas upp av en laserstråle av röntgenstrålar, vilket får kristallen att bokstavligen explodera.
Om experimenten ovan fortsätter att vara framgångsrika kommer människor att kunna reda ut naturens mysterier, och artificiell fotosyntes kan bli verklighet. Det kommer också att väcka frågan om möjligheten till mer effektiv användning av solenergi, vilket provocerar fram framväxten av vetenskapliga projekt under många år framöver.
Magnet
Vad sägs om en elektronisk magnet? Forskarna fann att när de hade xenonatomer och jodbegränsade molekyler träffade av en högeffektsröntgenstrålning, kastade atomerna av sig sina inre elektroner, vilket skapade ett tomrum mellan kärnan och de yttersta elektronerna. Attraktionskrafter sätter dessa elektroner i rörelse. Norm alt bör detta inte hända, men på grund av att elektroner faller plötsligt uppstår en alltför "laddad" situation på atomnivå. Forskare tror att lasern kan användas vid bildbehandling.
Giant X-ray laser Xfel
Värd på US National Accelerator Laboratory, speciellt vid linac, använder denna 3 500-fots laser flera geniala enheter för att träffa mål med hårda röntgenstrålar. Här är några av komponenterna i en av de mest kraftfulla lasrarna (förkortningar och anglicismer står för komponenterna i mekanismen):
- Drive Laser - skaparen ultraviolett puls som tar bort elektroner från katoden. Avger elektroner upp till en energinivå på 12 miljarder eW genom att manipulera det elektriska fältet. Det finns också en S-formad accelerator inuti rörelsen som kallas Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - samma koncept som Bunch 1 men längre S-formad struktur, ökad på grund av högre energier.
- Transport Hall - låter dig se till att elektronerna är lämpliga för att fokusera pulser med hjälp av magnetfält.
- Undulator Hall - Består av magneter som får elektroner att röra sig fram och tillbaka, och därigenom genererar högenergiröntgenstrålar.
- Beam Dump är en magnet som tar bort elektroner men släpper igenom röntgenstrålar utan att röra sig.
- LCLS Experimental Station är en speciell kammare där lasern är fixerad och som är huvudutrymmet för experiment relaterade till den. Strålarna som genereras av den här enheten skapar 120 pulser per sekund, där varje puls varar 1/10000000000 av en sekund.
- Kapillärt plasmaurladdningsmedium. I denna uppställning begränsar en flera centimeter lång kapillär, gjord av ett stabilt material (t.ex. aluminiumoxid), en högprecision, sub-mikrosekunders elektrisk puls i en lågtrycksgas. Lorentzkraften orsakar ytterligare komprimering av plasmaurladdningen. Dessutom används ofta en elektrisk eller optisk förjoniseringspuls. Ett exempel är en kapillär neonliknande Ar8 + laser (som genererar strålning vid 47nm).
- Målmedium av en solid platta - efter att ha träffats av en optisk puls avger målet en mycket exciterad plasma. Återigen, en längre "förpuls" används ofta för att skapa plasman, och en andra, kortare och mer energisk puls används för att ytterligare värma plasman. För korta livstider kan ett momentumskifte krävas. Plasmas brytningsindexgradient får den förstärkta pulsen att böjas bort från målytan, eftersom brytningsindexet vid frekvenser över resonans minskar med materialets densitet. Detta kan kompenseras för genom att använda flera mål i en skur, som i den europeiska röntgenfria elektronlasern.
- Plasma exciteras av ett optiskt fält - vid optiska densiteter som är tillräckligt höga för att effektivt tunnla elektroner eller till och med undertrycka en potentiell barriär (> 1016 W/cm2), är det möjligt att starkt jonisera en gas utan kontakt med en kapillär eller mål. Vanligtvis används en kolinjär inställning för att synkronisera pulserna.
I allmänhet liknar strukturen av denna mekanism den europeiska röntgenfria elektronlasern.
