Apakah prinsip kerja laser sinar-X? Oleh kerana keuntungan tinggi dalam medium penjanaan, jangka hayat keadaan atas yang pendek (1-100 ps), dan masalah yang berkaitan dengan cermin bangunan yang boleh memantulkan pancaran, laser ini biasanya beroperasi tanpa cermin. Rasuk sinar-X dijana oleh satu laluan melalui medium keuntungan. Sinaran yang dipancarkan berdasarkan rasuk spontan yang dikuatkan mempunyai koheren spatial yang agak rendah. Baca artikel hingga akhir dan anda akan faham bahawa ini adalah laser X-ray. Peranti ini sangat praktikal dan unik dalam strukturnya.
Kernel dalam struktur mekanisme
Memandangkan peralihan laser konvensional antara keadaan kelihatan dan elektronik atau getaran sepadan dengan tenaga sehingga 10 eV, media aktif yang berbeza diperlukan untuk laser sinar-X. Sekali lagi, pelbagai nukleus bercas aktif boleh digunakan untuk ini.
Senjata
Antara 1978 dan 1988 dalam projek ExcaliburTentera AS cuba membangunkan laser sinar-X bahan letupan nuklear untuk pertahanan peluru berpandu sebagai sebahagian daripada Inisiatif Pertahanan Strategik Star Wars (SDI). Projek itu, bagaimanapun, ternyata terlalu mahal, berlarutan dan akhirnya ditangguhkan.
Media plasma di dalam laser
Media yang paling biasa digunakan termasuk plasma terion tinggi yang dicipta dalam pelepasan kapilari atau apabila nadi optik terfokus secara linear mencecah sasaran pepejal. Menurut persamaan pengionan Saha, konfigurasi elektron yang paling stabil ialah neon, dengan baki 10 elektron, dan seperti nikel, dengan 28 elektron. Peralihan elektron dalam plasma terion tinggi biasanya sepadan dengan tenaga pada susunan ratusan volt elektron (eV).
Medium penguat alternatif ialah pancaran elektron relativistik laser elektron bebas sinar-X, yang menggunakan serakan Compton yang dirangsang dan bukannya sinaran standard.
Permohonan
Aplikasi sinar-X yang koheren termasuk pengimejan pembelauan koheren, plasma padat (legap kepada sinaran yang boleh dilihat), mikroskop sinar-X, pengimejan perubatan yang diselesaikan fasa, pemeriksaan permukaan bahan dan persenjataan.
Versi laser yang lebih ringan boleh digunakan untuk pergerakan laser ablatif.
Laser sinar-X: cara ia berfungsi
Bagaimanakah laser berfungsi? Disebabkan oleh fakta bahawa fotonmemukul atom dengan tenaga tertentu, anda boleh membuat atom mengeluarkan foton dengan tenaga itu dalam proses yang dipanggil pelepasan terstimulasi. Dengan mengulangi proses ini secara besar-besaran, anda akan mendapat tindak balas berantai yang menghasilkan laser. Walau bagaimanapun, beberapa simpulan kuantum menyebabkan proses ini terhenti, kerana foton kadangkala diserap tanpa dipancarkan sama sekali. Tetapi untuk memastikan peluang maksimum, tahap tenaga foton ditingkatkan dan cermin diletakkan selari dengan laluan cahaya untuk membantu foton yang bertaburan kembali bermain. Dan pada sinar-X bertenaga tinggi, undang-undang fizikal khas ditemui yang wujud dalam fenomena khusus ini.
Sejarah
Pada awal 1970-an, laser sinar-X kelihatan tidak dapat dicapai, kerana kebanyakan laser pada hari itu memuncak pada 110 nm, jauh di bawah sinar-X terbesar. Ini kerana jumlah tenaga yang diperlukan untuk menghasilkan bahan yang dirangsang adalah sangat tinggi sehingga ia terpaksa dihantar dalam denyutan yang cepat, seterusnya merumitkan pemantulan yang diperlukan untuk mencipta laser yang berkuasa. Oleh itu, saintis melihat plasma, kerana ia kelihatan seperti medium pengalir yang baik. Sekumpulan saintis pada tahun 1972 mendakwa mereka akhirnya mencapai penggunaan plasma dalam penciptaan laser, tetapi apabila mereka cuba menghasilkan semula keputusan sebelumnya, mereka gagal atas sebab tertentu.
Pada 1980-an, pemain utama dari dunia menyertai pasukan penyelidikSains - Livermore. Para saintis, sementara itu, telah membuat langkah kecil tetapi penting selama bertahun-tahun, tetapi selepas Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan Pertahanan (DARPA) berhenti membayar untuk penyelidikan sinar-X, Livermore menjadi ketua pasukan saintifik. Beliau mengetuai pembangunan beberapa jenis laser, termasuk yang berasaskan gabungan. Program senjata nuklear mereka menjanjikan, kerana penunjuk tenaga tinggi yang dicapai saintis semasa program ini membayangkan kemungkinan mencipta mekanisme berdenyut berkualiti tinggi yang berguna dalam pembinaan laser elektron bebas sinar-X.
Projek itu beransur-ansur hampir siap. Para saintis George Chaplin dan Lowell Wood mula-mula meneroka teknologi gabungan untuk laser sinar-X pada tahun 1970-an dan kemudian beralih kepada pilihan nuklear. Bersama-sama mereka membangunkan mekanisme sedemikian dan bersedia untuk ujian pada 13 September 1978, tetapi kegagalan peralatan memotongnya. Tetapi mungkin ia adalah yang terbaik. Peter Hagelstein mencipta pendekatan yang berbeza selepas mengkaji mekanisme sebelumnya, dan pada 14 November 1980, dua eksperimen membuktikan bahawa prototaip laser X-ray berfungsi.
Projek Star Wars
Tidak lama kemudian, Jabatan Pertahanan AS mula berminat dengan projek itu. Ya, menggunakan kuasa senjata nuklear dalam pancaran fokus adalah terlalu berbahaya, tetapi kuasa itu boleh digunakan untuk memusnahkan peluru berpandu balistik antara benua (ICBM) di udara. Ia akan menjadi paling mudah untuk menggunakan mekanisme yang serupa di dekat Bumiorbit. Seluruh dunia tahu program yang dipanggil Star Wars ini. Walau bagaimanapun, projek untuk menggunakan laser sinar-X sebagai senjata tidak pernah menjadi kenyataan.
Minggu Penerbangan dan Kejuruteraan Angkasa Lepas keluaran 23 Februari 1981 melaporkan keputusan ujian pertama projek itu, termasuk pancaran laser yang mencapai 1.4 nanometer dan mencapai 50 sasaran berbeza.
Ujian bertarikh 26 Mac 1983 tidak membuahkan hasil kerana kegagalan sensor. Walau bagaimanapun, ujian berikut pada 16 Disember 1983 menunjukkan keupayaan sebenar.
Nasib projek selanjutnya
Hagelstein membayangkan proses dua langkah di mana laser akan mencipta plasma yang akan membebaskan foton bercas yang akan berlanggar dengan elektron dalam bahan lain dan menyebabkan sinar-X dipancarkan. Beberapa persediaan telah dicuba, tetapi pada akhirnya manipulasi ion terbukti menjadi penyelesaian terbaik. Plasma mengeluarkan elektron sehingga hanya tinggal 10 elektron dalam, di mana foton kemudian mengecasnya sehingga keadaan 3p, dengan itu melepaskan pancaran "lembut". Eksperimen pada 13 Julai 1984 membuktikan bahawa ini lebih daripada teori apabila spektrometer mengukur pelepasan kuat pada 20.6 dan 20.9 nanometer selenium (ion seperti neon). Kemudian laser X-ray makmal pertama (bukan tentera) muncul dengan nama Novette.
Nasib Novette
Laser ini direka oleh Jim Dunn dan mempunyai aspek fizikal yang disahkan oleh Al Osterheld dan Slava Shlyaptsev. Menggunakan pantas(berhampiran nanosaat) nadi cahaya bertenaga tinggi yang mengecas zarah untuk melepaskan sinar-X, Novett juga menggunakan penguat kaca, yang meningkatkan kecekapan tetapi juga panas dengan cepat, bermakna ia hanya boleh berjalan 6 kali sehari antara cooldown. Tetapi beberapa kerja telah menunjukkan bahawa ia boleh menyalakan nadi picosaat manakala mampatan kembali kepada nadi nanosaat. Jika tidak, penguat kaca akan musnah. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa Novette dan laser X-ray "desktop" lain menghasilkan rasuk X-ray "lembut", yang mempunyai panjang gelombang yang lebih panjang, yang menghalang rasuk daripada melalui banyak bahan, tetapi memberikan gambaran tentang aloi dan plasma, kerana ia mudah bersinar melalui mereka.
Kegunaan dan ciri operasi lain
Jadi untuk apa laser ini boleh digunakan? Sebelum ini telah dinyatakan bahawa panjang gelombang yang lebih pendek boleh memudahkan untuk memeriksa beberapa bahan, tetapi ini bukan satu-satunya aplikasi. Apabila sasaran terkena impuls, ia hanya dimusnahkan menjadi zarah atom, dan suhu pada masa yang sama mencapai berjuta-juta darjah hanya dalam satu trilion saat. Dan jika suhu ini cukup, laser akan menyebabkan elektron terkelupas dari dalam. Ini kerana tahap orbital elektron terendah menunjukkan kehadiran sekurang-kurangnya dua elektron, yang dikeluarkan daripada tenaga yang dihasilkan oleh sinar-X.
Masa yang diperlukan untuk atomtelah kehilangan semua elektronnya, berada dalam urutan beberapa femtosaat. Teras yang terhasil tidak bertahan lama dan pantas bertukar menjadi keadaan plasma yang dikenali sebagai "bahan padat panas", yang kebanyakannya ditemui dalam reaktor nuklear dan teras planet besar. Dengan bereksperimen dengan laser, kita boleh mendapatkan idea tentang kedua-dua proses, yang merupakan bentuk pelakuran nuklear yang berbeza.
Penggunaan laser X-ray benar-benar universal. Satu lagi ciri berguna sinar-X ini ialah penggunaannya dengan synchrotron atau zarah yang memecut di sepanjang laluan pemecut. Berdasarkan berapa banyak tenaga yang diperlukan untuk membuat laluan ini, zarah boleh mengeluarkan sinaran. Sebagai contoh, elektron, apabila teruja, memancarkan sinar-X, yang mempunyai panjang gelombang kira-kira saiz atom. Kemudian kita boleh mengkaji sifat-sifat atom ini melalui interaksi dengan sinar-X. Di samping itu, kita boleh menukar tenaga elektron dan memperoleh panjang gelombang sinar-X yang berbeza, mencapai kedalaman analisis yang lebih mendalam.
Walau bagaimanapun, sangat sukar untuk mencipta laser sinar-X dengan tangan anda sendiri. Strukturnya sangat kompleks walaupun dari sudut pandangan ahli fizik berpengalaman.
Dalam biologi
Malah ahli biologi telah mendapat manfaat daripada laser x-ray (dipam nuklear). Sinaran mereka boleh membantu mendedahkan aspek fotosintesis yang sebelum ini tidak diketahui oleh sains. Mereka menangkap perubahan halus dalam daun tumbuhan. Panjang gelombang pancaran laser sinar-X lembut yang panjang membolehkan anda meneroka tanpa memusnahkan segala-galanyaberlaku di dalam tumbuhan. Penyuntik nanokristal mencetuskan fotosel I, kunci protein kepada fotosintesis yang diperlukan untuk mengaktifkannya. Ini dipintas oleh pancaran laser sinar-X, yang menyebabkan kristal meletup secara literal.
Jika percubaan di atas terus berjaya, orang ramai akan dapat merungkai misteri alam semula jadi, dan fotosintesis buatan mungkin menjadi kenyataan. Ia juga akan menimbulkan persoalan tentang kemungkinan penggunaan tenaga suria yang lebih cekap, mencetuskan kemunculan projek saintifik untuk beberapa tahun akan datang.
Magnet
Bagaimana pula dengan magnet elektronik? Para saintis mendapati bahawa apabila mereka mempunyai atom xenon dan molekul terhad iodin yang terkena sinar X berkuasa tinggi, atom membuang elektron dalam mereka, mewujudkan lompang antara nukleus dan elektron terluar. Daya tarikan menetapkan elektron ini bergerak. Biasanya ini tidak sepatutnya berlaku, tetapi disebabkan kejatuhan elektron secara tiba-tiba, keadaan yang terlalu "bercas" berlaku pada peringkat atom. Para saintis berpendapat laser boleh digunakan dalam pemprosesan imej.
Laser X-ray gergasi Xfel
Dihoskan di Makmal Pemecut Kebangsaan AS, khususnya di linac, laser 3,500 kaki ini menggunakan beberapa peranti bijak untuk mencapai sasaran dengan sinar-X keras. Berikut ialah beberapa komponen salah satu laser yang paling berkuasa (singkatan dan anglicism bermaksud komponen mekanisme):
- Drive Laser - menciptanadi ultraungu yang mengeluarkan elektron daripada katod. Memancarkan elektron sehingga tahap tenaga 12 bilion eW dengan memanipulasi medan elektrik. Terdapat juga pemecut berbentuk S di dalam pergerakan yang dipanggil Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - konsep sama seperti Bunch 1 tetapi struktur berbentuk S lebih panjang, meningkat disebabkan tenaga yang lebih tinggi.
- Dewan Pengangkutan - membolehkan anda memastikan bahawa elektron sesuai untuk memfokus denyutan menggunakan medan magnet.
- Dewan Undulator - Terdiri daripada magnet yang menyebabkan elektron bergerak ke sana ke mari, seterusnya menghasilkan sinar-x bertenaga tinggi.
- Beam Dump ialah magnet yang mengeluarkan elektron tetapi membenarkan sinar-X melalui tanpa bergerak.
- Stesen Eksperimen LCLS ialah ruang khas di mana laser dipasang dan merupakan ruang utama untuk eksperimen yang berkaitan dengannya. Rasuk yang dijana oleh peranti ini menghasilkan 120 denyutan sesaat, dengan setiap nadi berkekalan 1/10000000000 saat.
- Medium pelepasan plasma kapilari. Dalam persediaan ini, kapilari sepanjang beberapa sentimeter, diperbuat daripada bahan yang stabil (cth alumina), mengehadkan denyutan elektrik berketepatan tinggi, sub-mikrosaat dalam gas tekanan rendah. Daya Lorentz menyebabkan pemampatan lanjut pelepasan plasma. Di samping itu, nadi elektrik atau optik pra-pengionan sering digunakan. Contohnya ialah laser Ar8 + seperti neon kapilari (yang menghasilkan sinaran pada 47nm).
- Sasaran medium papak pepejal - selepas terkena nadi optik, sasaran mengeluarkan plasma yang sangat teruja. Sekali lagi, "prepulse" yang lebih panjang sering digunakan untuk mencipta plasma, dan nadi kedua, lebih pendek dan lebih bertenaga digunakan untuk memanaskan lagi plasma. Untuk jangka hayat yang singkat, anjakan momentum mungkin diperlukan. Kecerunan indeks biasan plasma menyebabkan nadi yang diperkuatkan membengkok dari permukaan sasaran, kerana pada frekuensi di atas resonans indeks biasan berkurangan dengan ketumpatan jirim. Ini boleh dikompensasikan dengan menggunakan berbilang sasaran secara semburan, seperti dalam laser elektron bebas sinar-X Eropah.
- Plasma teruja oleh medan optik - pada ketumpatan optik yang cukup tinggi untuk menyalurkan elektron secara berkesan atau bahkan untuk menekan halangan berpotensi (> 1016 W / cm2), adalah mungkin untuk mengionkan gas dengan kuat tanpa sentuhan dengan kapilari atau sasaran. Biasanya tetapan kolinear digunakan untuk menyegerakkan denyutan.
Secara amnya, struktur mekanisme ini adalah serupa dengan laser elektron bebas sinar-X Eropah.
