Рентгенов лазер, наука, FANDOM, захранван от Wikia

Фиг.1, Получаване на рентгенови лазерни лъчи‎

Рентгенов лазерили лазер със свободни електрони FEL (от английскиFree electron laser - лазер със свободни електрони) е един от многото обещаващи лазери, който се основава на електромагнитно излъчване, състоящо се от електромагнитни вълни, които могат да достигнат висока енергия, но използват различни работни настройки за образуване на лъч. За разлика от газови, течни или твърдотелни лазери, като диодни лазери, където електроните се възбуждат в свързани атомни или молекулярни състояния, в FELs (виж Фиг. 1) източникът на радиация е лъч от свободни електрони, преминаващ през серия от специално подредени магнити (ондулатор) и ги принуждава да се движат по синусоидална траектория. Ускоряването на електроните до скорости, близки до светлината, води до излъчване на фотони - синхротронно лъчение.

Лазерът на свободните електрони има най-широкия честотен обхват от всеки тип лазер и може да се настройва широко. Понастоящем този диапазон е настроен в дължини на вълните от микровълнови фурни, с честота от инфрачервено (до видимия спектър, до ултравиолетово) до рентгеново лъчение. Френски и японски учени създадоха лазер за свободни електрони с намален размер и способен да произвежда кохерентни рентгенови лъчи с дължина на вълната до 32 нанометра. [12]

История на рентгеновия лазер Редактиране

Рентгеновият лазер с възбуждане на активната среда с помощта на енергията на ядрен взрив днес е едно от най-ефективните лазерни устройства за дискретни приложения. Лазерните рентгенови микроскопи генерират лазерен рентгенов лъч, който създава изображения с разделителна способност 1,61µm.

Въпреки това трябва да се преодолеят фундаментални трудности при разработването на лазери с къса дължина на вълната. За да се осъществи ефектът на усилване на електромагнитното излъчване, когато преминава през активна среда, е необходимо, първо, голям брой възбудени атоми, готови да излъчват кванти на стимулирано излъчване, и второ, висока вероятност за взаимодействие между квантите и тези атоми, което осигурява това стимулирано излъчване. Коефициентът на усилване на излъчването е: K = s (Nair - Nprim), където s е напречното сечение за взаимодействие на квантите с атомите, Nair и Nprim са броят на атомите във възбудено и основно състояние. При условия на термодинамично равновесие Nair Nos. В допълнение, от основните закони на квантовата физика следва, че s = 12 gp.

Това означава, че колкото по-къса е дължината на вълната на радиацията, толкова по-трудно е да се осъществи нейното квантово усилване. Следователно първите такива усилватели са създадени в радиообхвата (мазери) в края на 50-те години. През 60-те години на миналия век е създаден първият оптичен генератор с непрекъсната вълна (хелий-неонов лазер). Методите на нелинейната оптика направиха възможно до средата на 70-те години да се създадат лазери, работещи в областта на вакуумния ултравиолет (възбудени неоноподобни атоми) около 1000 Angstrom (СССР). И в края на 70-те години стана ясно, че лазерна схема с дължина на вълната около 10-20 Angstroms, базирана на многозаредени йони (например йони на селен-74) с възбуждане с помощта на мощен лазер в оптичния диапазон (неодимов лазер), е практически осъществима. А за рентгеновия диапазон с дължина на вълната по-малка от 10 ангстрьома трябва да се използват ядрени преходи, както и ефектът на Мьосбауер (излъчване на кванти в кристали без „откат“ на атома и следователно без изместване на честотата на излъчване поради ефекта на Доплер).

За да се поддържа обратната популация на горните нива, мощността на възбуждане трябва да бъдемного повече от това, което се разпръсква под формата на спонтанно излъчване в средата (топлинни загуби и др.). Както е известно, енергията на кванта е пропорционална на честотата на излъчването, а освен това вероятността спонтанното излъчване, безполезно да отнеме енергията на външен източник на възбуждане, е пропорционално на третата степен на честотата на излъчване. Като вземем това предвид, получаваме, че мощността, необходима за поддържане на обратната популация, е W µ n4 µ l – 4. Така например за видими лазери с дължина на вълната около 500 nm е достатъчно да се осигури мощност, въведена в cm3 на средата от около 100–10000 W/cm3 (флаш лампи, химични реакции), тогава за рентгенов лазер с дължина на вълната около 0 .5 nm, енергийната плътност на "помпата" трябва да бъде около 10 10 – 10 15 W/cm2(!). Такова високо енергийно ниво по време на "изпомпване" може да се постигне само с помощта на ядрен взрив или във фокусното петно ​​на мощен импулсен лазер.

През 1984 г. в Съединените щати е генерирано лазерно рентгеново лъчение в газова среда с помощта на мощен двулъчев оптичен лазер "NOVETTA" и "NOVA" (Livermore, Lawrence Livermore National Laboratory) като източник на помпа, всеки лъч от който има плътност на мощността 5 × 10 13 W/cm 2 в импулс с продължителност 450 пикосекунди при дължина на вълната от 5320 ангстрьома. Във фокуса на лазера беше поставена мишена - много тънък филм от селен-74 или итрий с размери 0,1 × 1,1 см. Лъчът изпари мишената, създавайки плазма от неоноподобни йони на тези метали. Сблъсъците с електрони в плазмата предизвикват възбуждане на йони, което завършва със стимулирано излъчване при дължина на вълната от 206,3 Angstrom и 209,6 Angstrom за селенови йони и 155 A за итриеви йони. Постигнатата печалба е над 108 пъти.

През същата година в Лабораторията по физика на плазмата (Принстън, САЩ) с помощта на мощенС IR лазер върху молекули на въглероден диоксид беше възможно да се получи лазерен ефект във въглеродна плазма при дължина на вълната от 182 ангстрьома. Техният помпен лазер имаше импулсна мощност от около 20 GW.Лазерният лъч беше фокусиран върху зона с диаметър около 0,2 mm, което направи възможно постигането на енергийна плътност от около 10 13 W / cm 2. В тези експерименти за първи път беше използвано рентгеново сферично огледало за увеличаване на усилването на лазера, състоящо се от редуващи се слоеве от молибден с дебелина 35 A и силиций с дебелина 60 A. Всеки молиб денумният слой слабо отразява рентгеновите лъчи, но отразените от последователните слоеве лъчи се добавят и в резултат на интерференция те се усилват, така че коефициентът на отражение на огледалото се увеличава и достига 62-75%.

След експлозията на ядрен заряд веществото на работещите пръти се превръща в напълно йонизирана плазма. Когато електронната температура се понижи донякъде и рекомбинацията започне главно към по-ниски нива, възниква радиация в рентгеновата част на спектъра. Тъй като времето за излъчване на плазма се измерва в пикосекунди, а облакът от плазма, нагрят до милиони градуси, няма време да промени значително своята геометрия, той запазва формата и посоката на работния прът. Тъй като огледала за работа с рентгенови лъчи с дължина на вълната около 10 A все още не съществуват (вижте рентгеново огледало), рентгеновият лазер вероятно трябва да работи без резонатор. Следователно дивергенцията на лъча ще се определя от два фактора: дифракция и геометрията на пръта. По-точно, най-голямата стойност от тях. Като вземем малка стойност на отклонението, получаваме оптималната стойност на диаметъра: D = (lL)1/2. За дължини на вълните около 10-14 ангстрьома и L = 7 m това дава D = 0,1 mm. Дори ако в процеса на йонизация и рекомбинация на веществото неговата геометрия се променянезначително, дивергенцията на лъча достига

10 -5 рад. Въпреки това, по-подробно изчисление показва, че до момента на рекомбинация плазменият куп може да се разшири до 0,8-1 mm и в този случай дивергенцията на лазерния лъч ще бъде от порядъка на 10 -4 до 10 -5 . За да се унищожи междуконтинентална ракета, тоест да се постигнат енергийни плътности от около 10-20 kJ / cm 2 на разстояние до 1000 километра с отклонение на лъча 10-5, импулсът на такъв лазер трябва да съдържа енергия

10 10 джаула. С ефективност на лазера около 8-10% и с отстояние на пръта от ядрения заряд

Мощността на заряда на 1 m трябва да бъде около 10 15 джаула или около двеста килотона тротилов еквивалент. В този случай вероятно лъвският дял от енергията на ядрената експлозия ще отиде за изпаряване на работните пръти (пръчка), а самата струна е ориентирана към заряда не с края, а със страничната повърхност. В литературата по тази тема обаче се споменават заряди с много по-ниска мощност. Възможно е да се използва не една, а няколко десетки (около 50-100) успоредно ориентирани пръти, насочени към целта. Възможно е също така инженерите да се опитат да създадат концентратор на енергия от експлозия на една струна, използвайки ефекта на отражението на рентгеновите лъчи от кристали или многослойни рентгенови огледала (с високи характеристики на отражение) и се очаква значителен успех в тази област.

Съвременните технологии позволяват създаването на относително компактни рентгенови лазери (с тегло около 1-2 тона) за специални цели с широк диапазон на регулиране на мощността и дължината на вълната, настолни, които се използват в много области:

  • За изстрелване в орбита с помощта на компютърно управлявани междуконтинентални ракети, които могат да се използват за военни цели, отделните пръти ще позволяват поразяване доняколко десетки цели или гарантирано поразяване на една;
  • В микроскопията, в медицината с използването на "меки" рентгенови лъчи за диагностика с неразрушителен контрол с разделителна способност 32 нанометра и др. (Например, лазерен рентгенов микроскоп) с диаметър на лъча 0,1 nm осигурява изображение с разделителна способност 1,61 μm).

Получаване на рентгеново лазерно лъчение Редактиране

За да се създаде FEL, електронният лъч се ускорява до скоростите на X-лъчите. Лъчът преминава през генератора на FEL, който е направен под формата на периодично, напречно магнитно поле. Магнитите са направени с редуващи се полюси в лазерната кухина по пътя на лъча. Този набор от магнити понякога се нарича ондулатор или "виглър", защото принуждава електроните в лъча да приемат синусоидална форма. Ускоряването на електроните по този път води до освобождаване на фотон (излъчване от синхротрона). Тъй като електронното движение е във фаза с областта на светлината, която вече се излъчва, областите се притискат заедно (кохерентно). Формата на електронния лъч приема форма, която е резултат от взаимодействията на трептенията на електроните в ондулаторите и излъчваното от тях излъчване и води до смесица от електрони, и продължава да излъчва във фаза един с друг, за разлика от конвенционалните ондулатори, където електроните излъчват независимо. Дължината на вълната на излъчваната светлина може да се регулира чрез регулиране на енергията на електронния лъч или силата на магнитното поле на вълните.

Ускорители Редактиране

Понастоящем FEL изисква използването на електронен ускорител със свързаната с него защита, тъй като ускорените електрони представляват радиационна опасност. Тези ускорители обикновено се захранват от клистрони, които изискват връзка с високо напрежение. Обикновено електронният лъч трябва да се поддържа във вакуум, коетоизисква използването на множество помпи по пътя на лъча. Лазерите със свободни електрони могат да постигнат висок пиков диапазон.

Рентгеновите лазери като цяло, включително FEL, са способни да произвеждат "меки" рентгенови лъчи с дължина на вълната, която се използва в медицински приложения. Той дори не може да проникне през лист хартия, но е идеален за изследване на йонизирани газове с висока енергийна плътност (колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-дълбоко лъчът прониква в плътната плазма) и за изследване на нови и съществуващи материали. Постоянното намаляване на размера на инсталациите, намаляването на разходите им, производството на настолни рентгенови лазери ще стане познат инструмент в изследователските лаборатории по физика на плазмата, тъй като има почти всичко, от което се нуждаете: ниска консумация на енергия, повтарящ се изстрел на всеки 4 минути и малка дължина на вълната. Тяхната адаптивност ги прави силно желани в много области, включително областта на медицинската диагностика и неразрушителните изследвания и др. [3] [4]

Редактиране на приложението

Лазерен рентгенов микроскоп Редактиране

Фиг.2, Схематична диаграма на работата на лазерния рентгенов микроскоп

Лазерният рентгенов микроскоп (LRM) (вижте фиг. 2) използва принципа на свободния електронен лазерен лъч (FEL), базиран на генерирането на инфрачервен лъч с мощност от 14,2 киловата, с напречно сечение от около 0,1 нанометра, осигурява разделителна способност на изображението от 1,61 микрона. През 2004 г. Американският национален ускорителен център - лаборатория Джеферсън (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) в съоръжението FEL формира лазерен лъч във виглер. Wiggler е апарат, състоящ се от дълъг ред мощни електромагнити или постоянни магнити, чиито полюси се редуват. Минава през негосноп електрони с близка до светлинна скорост, които се насочват от разположената наблизо инсталация - ускорител. В магнитните полета на wiggler, електроните са принудени да се движат по синусоида. Губейки енергия, тя се превръща в поток от фотони. Лазерният лъч, както при другите лазери, се събира и усилва от система от конвенционални и полупрозрачни огледала, монтирани в краищата на виглера. Тези. промяната на енергията на лазерния лъч и параметрите на виглера (например разстоянието между магнитите) позволява да се получи честотата на лазерния лъч в широк диапазон. Други системи: твърдотелни или газови лазери, изпомпвани от мощни лампи и химически системи не могат да осигурят това. Както знаете, спектърът на електромагнитното излъчване съдържа различни лъчи, включително рентгенови лъчи, чиято сила зависи от честотата или дължината на вълната на лъча. Колкото по-къса е дължината на вълната на лъчението, толкова по-мощно е то и проникващата му способност е по-висока. Това е пряко свързано с разделителната способност на микроскопите.

  • 1 - Ултравиолетово лъчение или лазер с инфрачервено лъчение
  • 2 - Стимулирана емисия
  • 3 - Зоната на среща на лазерния импулс с частица материя
  • 4 - Генератор на частици
  • 5 - Фотодетектор на електромагнитно излъчване на възбудени елементи на плазмения облак
  • 6 - рентгенова оптика
  • 7 - Wiggler
  • 8 - Linac Кохерентен източник на светлина - LCLS
  • 9 - Частица преди експлозия