Рентген лазерын ажиллах зарчим юу вэ? Үүсгэх орчин дахь өндөр ашиг, дээд төлөвийн ашиглалтын хугацаа богино (1-100 ps), мөн цацрагийг тусгах боломжтой толин тусгал барихтай холбоотой асуудлуудаас шалтгаалан эдгээр лазерууд нь ихэвчлэн тольгүй ажилладаг. Рентген туяа нь олзоор дамжин нэг удаа дамжих замаар үүсдэг. Олшруулсан аяндаа туяанд суурилсан цацраг туяа нь орон зайн харьцангуй бага уялдаатай байдаг. Өгүүллийг дуустал уншаад энэ бол рентген лазер гэдгийг ойлгох болно. Энэ төхөөрөмж нь маш практик бөгөөд бүтцийн хувьд өвөрмөц юм.
Механизмын бүтэц дэх цөмүүд
Үзэгдэх болон электрон эсвэл чичиргээний төлөв хоорондын уламжлалт лазер шилжилт нь 10 эВ хүртэлх энергитэй тохирдог тул рентген лазерын хувьд өөр өөр идэвхтэй орчин шаардлагатай. Дахин хэлэхэд, үүнд янз бүрийн идэвхтэй цэнэгтэй цөмүүдийг ашиглаж болно.
Зэвсэг
1978-1988 оны хооронд Excalibur төсөлдАНУ-ын арми Оддын дайны стратегийн хамгаалалтын санаачилгын (SDI) хүрээнд пуужингийн довтолгооноос хамгаалах зориулалттай цөмийн тэсрэх бодис бүхий рентген лазер бүтээхийг оролдсон. Гэвч төсөл хэтэрхий үнэтэй болж, сунжирч, эцэст нь гацаанд орсон.
Лазер доторх плазмын медиа
Хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг зөөвөрлөгчид хялгасан судасны ялгадас эсвэл шугаман төвлөрсөн оптик импульс хатуу байд хүрэх үед үүссэн өндөр ионжуулсан плазмыг агуулдаг. Сахагийн иончлолын тэгшитгэлийн дагуу электронуудын хамгийн тогтвортой хэлбэр нь неон бөгөөд 10 электрон үлдсэн ба никель хэлбэртэй, 28 электронтой. Өндөр ионжсон плазм дахь электрон шилжилт нь ихэвчлэн хэдэн зуун электрон вольт (eV) зэрэгтэй энергитэй тохирдог.
Өсгөх өөр орчин бол стандарт цацрагийн оронд өдөөгдсөн Комптон тараалтыг ашигладаг рентген чөлөөт электрон лазерын харьцангуй электрон цацраг юм.
Програм
Когерент рентген туяаны хэрэглээнд когерент дифракцийн дүрслэл, нягт плазм (үзэгдэх цацрагийн тунгалаг бус), рентген туяаны микроскоп, үе шатаар шийдэгдсэн эмнэлгийн дүрслэл, материалын гадаргуугийн үзлэг, зэвсэглэл орно.
Лазерын хөнгөн хувилбарыг арилгах лазер хөдөлгөөнд ашиглаж болно.
Рентген лазер: хэрхэн ажилладаг вэ
Лазер хэрхэн ажилладаг вэ? Учир нь фотонХэрэв атомыг тодорхой энергитэй цохих юм бол өдөөгдсөн ялгаруулалт гэж нэрлэгддэг процессоор атомыг тэр энергиэр фотон ялгаруулж болно. Энэ процессыг их хэмжээгээр давтан хийснээр та лазерын үр дүнд гинжин урвал авах болно. Гэсэн хэдий ч зарим квант зангилаа нь фотоныг заримдаа огт ялгаруулахгүйгээр шингээж авдаг тул энэ үйл явцыг зогсооход хүргэдэг. Гэхдээ хамгийн их боломжийг хангахын тулд фотоны энергийн түвшинг нэмэгдүүлж, тольнуудыг гэрлийн замтай зэрэгцүүлэн байрлуулж, тархсан фотонуудыг эргүүлэн ажиллуулахад тусалдаг. Мөн рентген туяаны өндөр энергитэй үед энэ үзэгдлийн өвөрмөц физикийн хуулиуд илэрдэг.
Түүх
1970-аад оны эхээр тухайн үеийн ихэнх лазерууд 110 нм-ийн өндөрт хүрч, хамгийн том рентген туяанаас хамаагүй доогуур байсан тул рентген лазер нь хүрэх боломжгүй мэт санагдаж байв. Учир нь өдөөгдсөн материалыг үйлдвэрлэхэд шаардагдах энергийн хэмжээ маш өндөр байсан тул түүнийг хурдан импульсээр хүргэх шаардлагатай болсон нь хүчирхэг лазерыг бий болгоход шаардагдах тусгалыг улам хүндрүүлж байв. Тиймээс эрдэмтэд плазмыг сайн дамжуулагч бодис мэт харагдав. 1972 онд эрдэмтдийн баг эцэст нь лазер бүтээхдээ плазмыг ашиглаж чадсан гэж мэдэгдсэн ч өмнөх үр дүнгээ дахин гаргах гэж оролдохдоо ямар нэг шалтгааны улмаас бүтэлгүйтсэн.
1980-аад онд дэлхийн томоохон тоглогч судалгааны багт нэгдсэн. Шинжлэх ухаан - Ливермор. Эрдэмтэд олон жилийн турш жижиг боловч чухал ахиц дэвшил гаргаж байсан ч Батлан хамгаалахын дэвшилтэт судалгааны төслүүдийн агентлаг (DARPA) рентген туяаны судалгааны төлбөрийг төлөхөө больсны дараа Ливермор шинжлэх ухааны багийн ахлагч болжээ. Тэрээр хэд хэдэн төрлийн лазер, тэр дундаа хайлуулахад суурилсан лазерыг хөгжүүлэх ажлыг удирдаж байсан. Тэдний цөмийн зэвсгийн хөтөлбөр ирээдүйтэй байсан, учир нь энэ хөтөлбөрийн үеэр эрдэмтдийн олж авсан эрчим хүчний өндөр үзүүлэлтүүд нь рентген туяанаас ангид электрон лазер бүтээхэд хэрэг болох өндөр чанарын импульсийн механизм бий болгох боломжтойг сануулсан.
Төсөл аажмаар дуусах дөхөж байлаа. Эрдэмтэд Жорж Чаплин, Лоуэлл Вүүд нар 1970-аад онд рентген лазерын хайлуулах технологийг судалж, дараа нь цөмийн хувилбарт шилжсэн. Тэд хамтдаа ийм механизмыг боловсруулж, 1978 оны 9-р сарын 13-нд туршилтанд ороход бэлэн болсон боловч тоног төхөөрөмжийн эвдрэлээс болж үүнийг зогсоов. Гэхдээ энэ нь хамгийн сайн сайхны төлөө байж магадгүй юм. Питер Хагельштейн өмнөх механизмыг судалсны дараа өөр арга барилыг бий болгосон бөгөөд 1980 оны 11-р сарын 14-нд хоёр туршилтаар рентген лазерын анхны загвар ажиллаж байсан нь батлагдсан.
Оддын дайн төсөл
Удалгүй АНУ-ын Батлан хамгаалах яам уг төслийг сонирхож эхэлсэн. Тийм ээ, цөмийн зэвсгийн хүчийг төвлөрсөн цацрагт ашиглах нь дэндүү аюултай боловч энэ хүчийг агаарт тив хоорондын баллистик пуужинг (ICBM) устгахад ашиглаж болно. Үүнтэй төстэй механизмыг дэлхийн ойролцоо ашиглах нь хамгийн тохиромжтой байх болнотойрог зам. Оддын дайн хэмээх энэ хөтөлбөрийг дэлхий нийт мэднэ. Гэсэн хэдий ч рентген лазерыг зэвсэг болгон ашиглах төсөл хэзээ ч бүтсэнгүй.
Aviation Week and Space Engineering сэтгүүлийн 1981 оны 2-р сарын 23-ны дугаарт төслийн анхны туршилтуудын үр дүнг мэдээлсэн бөгөөд 1.4 нанометрийн хэмжээтэй лазер туяа 50 өөр байг оносон байна.
1983 оны 3-р сарын 26-ны өдрийн туршилтууд мэдрэгч эвдэрсэн тул ямар ч үр дүнд хүрээгүй. Гэсэн хэдий ч 1983 оны 12-р сарын 16-нд хийсэн дараах туршилтууд түүний жинхэнэ чадварыг харуулсан.
Төслийн цаашдын хувь заяа
Хагельштейн хоёр үе шаттай процессыг төсөөлж, лазер нь өөр материал дахь электронуудтай мөргөлдөж, рентген туяа ялгаруулах цэнэгтэй фотонуудыг ялгаруулж плазм үүсгэдэг. Хэд хэдэн тохиргоог туршиж үзсэн боловч эцэст нь ионы манипуляци нь хамгийн сайн шийдэл болох нь батлагдсан. Плазм нь электронуудыг зөвхөн 10 дотоод хэсэг үлдээх хүртэл зайлуулж, фотонууд дараа нь 3p төлөв хүртэл цэнэглэж, "зөөлөн" цацрагийг суллав. 1984 оны 7-р сарын 13-нд хийсэн туршилтаар спектрометр нь 20.6 ба 20.9 нанометр селен (неон шиг ион) -ын хүчтэй ялгаруулалтыг хэмжсэн нь онолоос илүү гэдгийг баталжээ. Дараа нь Novette нэртэй анхны лабораторийн (цэргийн биш) рентген лазер гарч ирэв.
Новеттын хувь заяа
Энэ лазерыг Жим Данн зохион бүтээсэн бөгөөд физик талыг нь Аль Остерхелд, Слава Шляпцев нар баталгаажуулсан. Түргэн ашиглах(наносекундэд ойрхон) өндөр энергитэй гэрлийн импульс нь бөөмсийг цэнэглэж, рентген туяаг ялгаруулахын тулд Новетт шилэн өсгөгч ашигласан бөгөөд энэ нь үр ашгийг дээшлүүлэхээс гадна хурдан халдаг бөгөөд энэ нь хөргөлтийн хооронд өдөрт 6 удаа л ажиллах боломжтой гэсэн үг юм. Гэвч зарим ажил нь шахалт нь наносекундын импульс руу буцах үед пикосекундын импульсийг ажиллуулж болохыг харуулсан. Үгүй бол шилэн өсгөгч устах болно. Novette болон бусад "ширээний" рентген лазерууд нь илүү урт долгионы урттай "зөөлөн" рентген туяа үүсгэдэг бөгөөд энэ нь цацрагийг олон материалаар дамжин өнгөрөхөөс сэргийлдэг боловч хайлш, плазмын талаархи ойлголтыг өгдөг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. энэ нь тэдний дундуур амархан гэрэлтдэг.
Ашиглалтын бусад хэрэглээ болон онцлогууд
Тэгвэл энэ лазерыг юунд ашиглаж болох вэ? Богино долгионы урт нь зарим материалыг шалгахад хялбар болгодог гэж өмнө нь тэмдэглэсэн боловч энэ нь цорын ганц хэрэглээ биш юм. Зорилтот импульсийн цохилтод өртөхөд тэр зүгээр л атомын бөөмс болж устдаг бөгөөд температур нь секундын триллион нэгийн дотор сая сая градуст хүрдэг. Хэрэв энэ температур хангалттай бол лазер нь электронуудыг дотроос нь салгахад хүргэдэг. Учир нь электрон орбиталуудын хамгийн доод түвшин нь рентген туяанаас үүссэн энергиэс ялгардаг дор хаяж хоёр электрон байгааг илтгэдэг.
Атом үүсэхэд шаардагдах хугацаабүх электроноо алдсан бөгөөд хэдхэн фемтосекундын дарааллаар байна. Үүссэн цөм нь удаан үргэлжилдэггүй бөгөөд ихэвчлэн цөмийн реактор болон том гаригуудын цөмд байдаг "дулаан нягт бодис" гэж нэрлэгддэг плазмын төлөвт хурдан шилждэг. Лазер дээр туршилт хийснээр бид цөмийн нэгдлийн өөр өөр хэлбэр болох хоёр процессын талаар ойлголттой болох боломжтой.
Рентген туяаны лазерыг ашиглах нь үнэхээр бүх нийтийн хэрэглээ юм. Эдгээр рентген туяаны өөр нэг ашигтай шинж чанар нь хурдасгуурын бүх замын дагуу хурдасч буй синхротрон эсвэл бөөмсийг ашиглах явдал юм. Энэ замыг хийхэд хэр их энерги зарцуулж байгаагаас хамааран бөөмс нь цацраг ялгаруулж чаддаг. Жишээлбэл, электронууд өдөөхдөө атомын хэмжээтэй ойролцоо долгионы урттай рентген туяаг ялгаруулдаг. Дараа нь бид эдгээр атомуудын шинж чанарыг рентген туяатай харьцах замаар судалж болно. Нэмж дурдахад бид электронуудын энергийг өөрчилж, өөр өөр долгионы урттай рентген туяаг авч, илүү гүнзгий дүн шинжилгээ хийх боломжтой.
Гэхдээ рентген лазерыг өөрийн гараар бүтээх нь маш хэцүү байдаг. Түүний бүтэц нь туршлагатай физикчдийн үзэж байгаагаар ч маш нарийн төвөгтэй юм.
Биологи
Биологичид хүртэл рентген лазерын (цөмийн шахуургын) үр шимийг хүртэх боломжтой болсон. Тэдний цацраг нь шинжлэх ухаанд урьд өмнө мэдэгдээгүй байсан фотосинтезийн талуудыг илрүүлэхэд тусалдаг. Тэд ургамлын навчны нарийн өөрчлөлтийг олж авдаг. Зөөлөн рентген лазерын урт долгион нь бүх зүйлийг устгахгүйгээр судлах боломжийг олгодогургамлын дотор явагддаг. Нанокристалл инжектор нь фотосинтезийн уургийн түлхүүр болох фотоэлел I-ийг идэвхжүүлдэг. Үүнийг рентген туяаны лазер туяа таслан зогсоож, болор шууд утгаараа дэлбэрэхэд хүргэдэг.
Дээрх туршилтууд амжилттай үргэлжилбэл хүмүүс байгалийн нууцыг тайлж, хиймэл фотосинтез бодит болж магадгүй. Энэ нь мөн нарны эрчим хүчийг илүү үр ашигтай ашиглах боломжийн тухай асуудлыг хөндөж, олон жилийн турш шинжлэх ухааны төслүүдийг бий болгоход түлхэц болно.
Соронз
Цахим соронзыг яах вэ? Эрдэмтэд ксенон атомууд болон иодын хязгаарлагдмал молекулууд нь өндөр чадлын рентген туяанд өртөхөд атомууд дотоод электронуудаа хаяж, цөм болон хамгийн гадна талын электронуудын хооронд хоосон зай үүсгэдэг болохыг олж мэдэв. Таталцлын хүч нь эдгээр электронуудыг хөдөлгөөнд оруулдаг. Ер нь ийм зүйл болохгүй, гэхдээ электронууд гэнэт унасны улмаас атомын түвшинд хэт "цэнэглэгдсэн" нөхцөл байдал үүсдэг. Эрдэмтэд лазерыг зураг боловсруулахад ашиглаж болно гэж үзэж байна.
Аварга рентген лазер Xfel
АНУ-ын Үндэсний хурдасгуурын лабораторид, ялангуяа линакт байрладаг энэхүү 3500 футын лазер нь хатуу рентген туяагаар байг онох хэд хэдэн гайхалтай төхөөрөмжийг ашигладаг. Энд хамгийн хүчирхэг лазеруудын нэг хэсэг (товчилсон үг болон англи үг нь механизмын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг илэрхийлдэг):
- Drive Laser - үүсгэнэкатодоос электроныг зайлуулдаг хэт ягаан туяаны импульс. Цахилгаан талбарыг удирдах замаар 12 тэрбум эВт хүртэл энергийн түвшинд электрон ялгаруулдаг. Мөн хөдөлгөөн дотор Bunch Compressor 1 нэртэй S хэлбэрийн хурдасгуур байдаг.
- Багц компрессор 2 - Багц 1-тэй ижил ойлголт боловч илүү урт S хэлбэрийн бүтэцтэй, илүү их энергийн улмаас нэмэгдсэн.
- Тээврийн танхим - электронууд нь соронзон орон ашиглан импульсийг фокуслахад тохиромжтой эсэхийг шалгах боломжийг танд олгоно.
- Долгионт танхим - Электронуудыг нааш цааш хөдөлгөж, улмаар өндөр энергитэй рентген туяа үүсгэдэг соронзоос бүрдэнэ.
- Beam Dump нь электронуудыг зайлуулдаг боловч рентген туяаг хөдөлгөхгүйгээр дамжуулдаг соронз юм.
- LCLS туршилтын станц нь лазерыг тогтоодог тусгай камер бөгөөд үүнтэй холбоотой туршилт хийх гол орон зай юм. Энэ төхөөрөмжийн үүсгэсэн цацраг нь секундэд 120 импульс үүсгэдэг ба импульс бүр секундын 1/10000000000 үргэлжилнэ.
- Хялгасан судасны плазм ялгаруулах орчин. Энэ тохиргоонд тогтвортой материалаар (жишээ нь хөнгөн цагааны исэл) хийсэн хэдэн см урт хялгасан судас нь нам даралтын хийн өндөр нарийвчлалтай, микросекундээс доош цахилгаан импульсийг хязгаарладаг. Лоренцын хүч нь плазмын ялгадасыг цаашид шахахад хүргэдэг. Үүнээс гадна иончлолын өмнөх цахилгаан эсвэл оптик импульсийг ихэвчлэн ашигладаг. Жишээ нь капилляр неон шиг Ar8 + лазер (энэ нь 47 хэмд цацраг үүсгэдэг) юм.нм).
- Хатуу хавтангийн зорилтот орчин - оптик импульсийн цохилтод өртсөний дараа бай нь маш их хөдөлсөн плазмыг ялгаруулдаг. Дахин хэлэхэд, илүү урт "урьдчилсан импульс" нь ихэвчлэн плазмыг бий болгоход ашиглагддаг бөгөөд хоёр дахь, богино, илүү эрч хүчтэй импульс нь плазмыг халаахад ашигладаг. Богино хугацаанд эрч хүчийг өөрчлөх шаардлагатай байж болно. Плазмын хугарлын илтгэгчийн градиент нь олшруулсан импульсийг зорилтот гадаргуугаас хазайхад хүргэдэг, учир нь резонансын давтамжаас дээш давтамжтай үед хугарлын илтгэгч бодисын нягтралаар буурдаг. Европын рентген туяагүй электрон лазерын нэгэн адил олон тооны байг ашиглан үүнийг нөхөж болно.
- Оптик талбараар өдөөгдсөн плазм - электронуудыг үр дүнтэй туннел хийх эсвэл бүр боломжит саадыг (> 1016 Вт/см2) дарах хангалттай өндөр оптик нягтралтай үед хийг хялгасан судастай холбоогүй, хүчтэй ионжуулах боломжтой. зорилтот. Ихэвчлэн импульсийг синхрончлохын тулд шугаман тохиргоог ашигладаг.
Ерөнхийдөө энэ механизмын бүтэц нь Европын рентген туяагүй электрон лазертай төстэй.
