რა არის რენტგენის ლაზერის მუშაობის პრინციპი? გენერირების გარემოში მაღალი მომატების, ზედა მდგომარეობის ხანმოკლე ხანგრძლივობის (1-100 ps) და სარკეებთან დაკავშირებული პრობლემების გამო, რომლებიც ასახავს სხივებს, ეს ლაზერები, როგორც წესი, მუშაობს სარკეების გარეშე. რენტგენის სხივი წარმოიქმნება ერთჯერადი გავლის შედეგად მოპოვების გარემოში. გაძლიერებულ სპონტანურ სხივზე დაფუძნებულ გამოსხივებას აქვს შედარებით დაბალი სივრცითი თანმიმდევრულობა. წაიკითხეთ სტატია ბოლომდე და მიხვდებით, რომ ეს არის რენტგენის ლაზერი. ეს მოწყობილობა ძალიან პრაქტიკული და უნიკალურია თავისი სტრუქტურით.
ბირთვები მექანიზმის სტრუქტურაში
რადგან ჩვეულებრივი ლაზერული გადასვლები ხილულ და ელექტრონულ ან ვიბრაციულ მდგომარეობას შორის შეესაბამება 10 ევ-მდე ენერგიას, რენტგენის ლაზერებისთვის საჭიროა სხვადასხვა აქტიური მედია. ისევ, ამისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა აქტიური დამუხტული ბირთვები.
იარაღი
1978-დან 1988 წლამდე ექსკალიბურის პროექტშიაშშ-ს არმია სცადა შეექმნა ბირთვული ფეთქებადი რენტგენის ლაზერი რაკეტსაწინააღმდეგო თავდაცვისთვის, როგორც Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI) ნაწილი. თუმცა, პროექტი ძალიან ძვირი აღმოჩნდა, გაჭიანურდა და საბოლოოდ შეჩერდა.
პლაზმური მედია ლაზერის შიგნით
ყველაზე ხშირად გამოყენებული მედია მოიცავს უაღრესად იონიზებულ პლაზმას, რომელიც წარმოიქმნება კაპილარული გამონადენის დროს ან როდესაც ხაზოვანი ფოკუსირებული ოპტიკური პულსი ხვდება მყარ სამიზნეს. საჰას იონიზაციის განტოლების მიხედვით, ელექტრონების ყველაზე სტაბილური კონფიგურაციებია ნეონი, დარჩენილია 10 ელექტრონი და ნიკელის მსგავსი, 28 ელექტრონით. ელექტრონების გადასვლები მაღალ იონიზებულ პლაზმაში, როგორც წესი, შეესაბამება ენერგიებს ასობით ელექტრონ ვოლტის (eV) რიგის მიხედვით.
ალტერნატიული გამაძლიერებელი საშუალებაა რენტგენის თავისუფალი ელექტრონული ლაზერის რელატივისტური ელექტრონული სხივი, რომელიც იყენებს სტიმულირებულ კომპტონის გაფანტვას სტანდარტული გამოსხივების ნაცვლად.
აპლიკაცია
თანმიმდევრული რენტგენის აპლიკაციები მოიცავს თანმიმდევრულ დიფრაქციულ გამოსახულებას, მკვრივ პლაზმას (გაუმჭვირვალე ხილული რადიაციისთვის), რენტგენის მიკროსკოპია, ფაზური სამედიცინო გამოსახულება, მასალის ზედაპირის გამოკვლევა და იარაღის გამოყენება.
ლაზერის მსუბუქი ვერსია შეიძლება გამოყენებულ იქნას აბლაციური ლაზერული მოძრაობისთვის.
რენტგენის ლაზერი: როგორ მუშაობს
როგორ მუშაობს ლაზერები? იმის გამო, რომ ფოტონიურტყამს ატომს გარკვეული ენერგიით, თქვენ შეგიძლიათ აიძულოთ ატომმა გამოასხივოს ფოტონი ამ ენერგიით იმ პროცესში, რომელსაც ეწოდება სტიმულირებული ემისია. ამ პროცესის ფართომასშტაბიანი გამეორებით, თქვენ მიიღებთ ჯაჭვურ რეაქციას, რომელიც იწვევს ლაზერს. თუმცა, ზოგიერთი კვანტური კვანძი იწვევს ამ პროცესის შეჩერებას, რადგან ფოტონი ხანდახან შეიწოვება ემიტირებული გარეშე. მაგრამ მაქსიმალური შანსების უზრუნველსაყოფად, ფოტონის ენერგიის დონეები იზრდება და სარკეები მოთავსებულია სინათლის ბილიკის პარალელურად, რათა დაეხმაროს გაფანტული ფოტონების თამაშში დაბრუნებას. რენტგენის სხივების მაღალი ენერგიების დროს კი აღმოჩენილია სპეციალური ფიზიკური კანონები, რომლებიც თან ახლავს ამ კონკრეტულ მოვლენას.
ისტორია
1970-იანი წლების დასაწყისში, რენტგენის ლაზერი მიუწვდომელი ჩანდა, რადგან დღის ლაზერების უმეტესობა პიკს 110 ნმ-ზე აღწევდა, რაც უმსხვილეს რენტგენის სხივებზე გაცილებით დაბალი იყო. ეს გამოწვეული იყო იმით, რომ სტიმულირებული მასალის წარმოებისთვის საჭირო ენერგიის რაოდენობა იმდენად მაღალი იყო, რომ მისი სწრაფი პულსით მიწოდება იყო საჭირო, რაც კიდევ უფრო ართულებდა მძლავრი ლაზერის შესაქმნელად საჭირო არეკვლას. ამიტომ, მეცნიერებმა დაათვალიერეს პლაზმა, რადგან ის კარგ გამტარ საშუალებას ჰგავდა. მეცნიერთა ჯგუფი 1972 წელს ამტკიცებდა, რომ მათ საბოლოოდ მიაღწიეს პლაზმის გამოყენებას ლაზერების შესაქმნელად, მაგრამ როდესაც ისინი ცდილობდნენ თავიანთი წინა შედეგების რეპროდუცირებას, რატომღაც ვერ შეძლეს.
1980-იან წლებში მკვლევარ გუნდს შეუერთდა მსოფლიო წამყვანი მოთამაშემეცნიერება - ლივერმორი. იმავდროულად, მეცნიერები წლების განმავლობაში მიდიოდნენ მცირე, მაგრამ მნიშვნელოვანი ნაბიჯებით, მაგრამ მას შემდეგ, რაც თავდაცვის მოწინავე კვლევითი პროექტების სააგენტომ (DARPA) შეწყვიტა რენტგენის კვლევისთვის გადახდა, ლივერმორი გახდა სამეცნიერო გუნდის ლიდერი. ის ხელმძღვანელობდა რამდენიმე ტიპის ლაზერის შემუშავებას, მათ შორის შერწყმაზე დაფუძნებულ ლაზერებს. მათი ბირთვული იარაღის პროგრამა პერსპექტიული იყო, რადგან მაღალი ენერგიის ინდიკატორები, რომლებსაც მეცნიერებმა მიაღწიეს ამ პროგრამის დროს, მიანიშნებდა მაღალი ხარისხის იმპულსური მექანიზმის შექმნის შესაძლებლობაზე, რომელიც გამოსადეგი იქნებოდა რენტგენის თავისუფალი ელექტრონის ლაზერის შესაქმნელად.
პროექტი თანდათან უახლოვდებოდა დასრულებას. მეცნიერებმა ჯორჯ ჩაპლინმა და ლოუელ ვუდმა პირველად გამოიკვლიეს რენტგენის ლაზერების შერწყმის ტექნოლოგია 1970-იან წლებში და შემდეგ გადავიდნენ ბირთვულ ვარიანტზე. მათ ერთად შეიმუშავეს ასეთი მექანიზმი და მზად იყვნენ ტესტირებისთვის 1978 წლის 13 სექტემბერს, მაგრამ აღჭურვილობის გაუმართაობამ შეაჩერა ეს. მაგრამ ალბათ ეს იყო საუკეთესო. პიტერ ჰეგელშტეინმა შექმნა განსხვავებული მიდგომა წინა მექანიზმის შესწავლის შემდეგ და 1980 წლის 14 ნოემბერს ორმა ექსპერიმენტმა დაამტკიცა, რომ რენტგენის ლაზერის პროტოტიპი მუშაობდა.
პროექტი ვარსკვლავური ომები
ძალიან მალე პროექტით ამერიკის თავდაცვის დეპარტამენტი დაინტერესდა. დიახ, ბირთვული იარაღის ძალის გამოყენება ფოკუსირებულ სხივში ძალიან საშიშია, მაგრამ ეს ძალა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჰაერში კონტინენტთაშორისი ბალისტიკური რაკეტების (ICBMs) განადგურებისთვის. ყველაზე მოსახერხებელი იქნებოდა მსგავსი მექანიზმის გამოყენება დედამიწასთან ახლოსორბიტა. მთელმა მსოფლიომ იცის ეს პროგრამა სახელწოდებით Star Wars. თუმცა, რენტგენის ლაზერის იარაღად გამოყენების პროექტი არასოდეს განხორციელებულა.
1981 წლის 23 თებერვლის გამოცემა Aviation Week and Space Engineering იუწყება პროექტის პირველი ტესტების შედეგებს, მათ შორის ლაზერის სხივი, რომელმაც მიაღწია 1,4 ნანომეტრს და დაარტყა 50 სხვადასხვა სამიზნეს.
1983 წლის 26 მარტით დათარიღებულმა ტესტებმა არაფერი გამოიღო სენსორის გაუმართაობის გამო. თუმცა, 1983 წლის 16 დეკემბერს შემდეგმა ტესტებმა აჩვენა მისი ნამდვილი შესაძლებლობები.
პროექტის შემდგომი ბედი
ჰაგელშტაინი წარმოიდგენდა ორსაფეხურიან პროცესს, რომლის დროსაც ლაზერი შექმნიდა პლაზმას, რომელიც გამოუშვებს დამუხტულ ფოტონებს, რომლებიც სხვა მასალის ელექტრონებს შეეჯახებიან და გამოიწვევდნენ რენტგენის სხივებს. სცადეს რამდენიმე პარამეტრი, მაგრამ საბოლოოდ იონური მანიპულირება საუკეთესო გამოსავალი აღმოჩნდა. პლაზმა აშორებდა ელექტრონებს მანამ, სანამ მხოლოდ 10 შიდა არ დარჩებოდა, სადაც ფოტონები შემდეგ ახდენდნენ მათ დამუხტვას 3p მდგომარეობამდე, რითაც გაათავისუფლეს "რბილი" სხივი. 1984 წლის 13 ივლისს ჩატარებულმა ექსპერიმენტმა დაამტკიცა, რომ ეს უფრო მეტი იყო ვიდრე თეორია, როდესაც სპექტრომეტრმა გაზომა ძლიერი ემისიები სელენის 20,6 და 20,9 ნანომეტრზე (ნეონის მსგავსი იონი). შემდეგ გამოჩნდა პირველი ლაბორატორიული (არა სამხედრო) რენტგენის ლაზერი სახელწოდებით Novette.
ნოვეტის ბედი
ეს ლაზერი შექმნილია ჯიმ დანის მიერ და ჰქონდა ფიზიკური ასპექტები დამოწმებული ალ ოსტერჰელდის და სლავა შლიაპცევის მიერ. სწრაფი გამოყენებამაღალი ენერგიის სინათლის პულსი (ნანოწამის მახლობლად), რომელიც მუხტავდა ნაწილაკებს რენტგენის სხივების გასათავისუფლებლად, ნოვეტმა ასევე გამოიყენა მინის გამაძლიერებლები, რომლებიც აუმჯობესებენ ეფექტურობას, მაგრამ ასევე სწრაფად თბება, რაც ნიშნავს, რომ მას შეუძლია დღეში მხოლოდ 6-ჯერ იმუშაოს გაგრილებას შორის. მაგრამ ზოგიერთმა სამუშაომ აჩვენა, რომ მას შეუძლია პიკოწამიანი პულსის გაშვება, ხოლო შეკუმშვა უბრუნდება ნანოწამიან პულსს. წინააღმდეგ შემთხვევაში, შუშის გამაძლიერებელი განადგურდება. მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ Novette და სხვა "დესკტოპის" რენტგენის ლაზერები აწარმოებენ "რბილ" რენტგენის სხივებს, რომლებსაც აქვთ უფრო გრძელი ტალღის სიგრძე, რაც ხელს უშლის სხივის გავლას ბევრ მასალაში, მაგრამ იძლევა შენადნობებისა და პლაზმის გაგებას. ის ადვილად ანათებს მათში.
ოპერაციის სხვა გამოყენება და მახასიათებლები
მაშ, რისთვის შეიძლება ამ ლაზერის გამოყენება? ადრე აღინიშნა, რომ მოკლე ტალღის სიგრძემ შეიძლება გააადვილოს ზოგიერთი მასალის გამოკვლევა, მაგრამ ეს არ არის ერთადერთი განაცხადი. როდესაც სამიზნე იმპულსით მოხვდება, ის უბრალოდ ნადგურდება ატომურ ნაწილაკებად და ტემპერატურა ამავდროულად მილიონობით გრადუსს აღწევს წამის ტრილიონედში. და თუ ეს ტემპერატურა საკმარისია, ლაზერი გამოიწვევს ელექტრონების ამოღებას შიგნიდან. ეს იმიტომ ხდება, რომ ელექტრონული ორბიტალების ყველაზე დაბალი დონე გულისხმობს მინიმუმ ორი ელექტრონის არსებობას, რომლებიც გამოიყოფა რენტგენის სხივების მიერ წარმოქმნილი ენერგიისგან.
დრო, რომელიც სჭირდება ატომსდაკარგა ყველა ელექტრონი, არის რამდენიმე ფემტოწამის რიგითობა. შედეგად მიღებული ბირთვი დიდხანს არ ჩერდება და სწრაფად გადადის პლაზმურ მდგომარეობაში, რომელიც ცნობილია როგორც "თბილი მკვრივი მატერია", რომელიც ძირითადად გვხვდება ბირთვულ რეაქტორებში და დიდი პლანეტების ბირთვებში. ლაზერის ექსპერიმენტებით ჩვენ შეგვიძლია მივიღოთ წარმოდგენა ორივე პროცესზე, რომლებიც ბირთვული შერწყმის სხვადასხვა ფორმაა.
რენტგენის ლაზერის გამოყენება მართლაც უნივერსალურია. ამ რენტგენის კიდევ ერთი სასარგებლო თვისებაა მათი გამოყენება სინქროტრონებთან ან ნაწილაკებთან, რომლებიც აჩქარებენ ამაჩქარებლის მთელ გზას. იმის მიხედვით, თუ რამდენი ენერგიაა საჭირო ამ გზის გასავლელად, ნაწილაკებს შეუძლიათ გამოსხივება. მაგალითად, ელექტრონები აღგზნებისას ასხივებენ რენტგენის სხივებს, რომელთა ტალღის სიგრძე დაახლოებით ატომის ზომისაა. შემდეგ ჩვენ შეგვეძლო ამ ატომების თვისებების შესწავლა რენტგენის სხივებთან ურთიერთქმედების გზით. გარდა ამისა, ჩვენ შეგვიძლია შევცვალოთ ელექტრონების ენერგია და მივიღოთ რენტგენის სხივების სხვადასხვა სიგრძის ტალღები, რაც ანალიზის უფრო დიდ სიღრმეს მივაღწევთ.
თუმცა ძალიან რთულია საკუთარი ხელით რენტგენის ლაზერის შექმნა. მისი სტრუქტურა უკიდურესად რთულია გამოცდილი ფიზიკოსების თვალსაზრისითაც კი.
ბიოლოგიაში
ბიოლოგებმაც კი შეძლეს ისარგებლონ რენტგენის ლაზერებით (ბირთვული ტუმბოებით). მათ გამოსხივებას შეუძლია დაეხმაროს მეცნიერებისთვის ადრე უცნობი ფოტოსინთეზის ასპექტების გამოვლენაში. ისინი იპყრობენ მცენარის ფოთლებში დახვეწილ ცვლილებებს. რბილი რენტგენის ლაზერული სხივების გრძელი ტალღის სიგრძე საშუალებას გაძლევთ შეისწავლოთ ყველაფრის განადგურების გარეშეხდება მცენარის შიგნით. ნანოკრისტალური ინჟექტორი ააქტიურებს ფოტოცელ I-ს, ფოტოსინთეზის ცილის გასაღები, რომელიც საჭიროა მის გასააქტიურებლად. ამას წყვეტს რენტგენის სხივების ლაზერული სხივი, რაც იწვევს კრისტალის ფაქტიურად აფეთქებას.
თუ ზემოაღნიშნული ექსპერიმენტები წარმატებული იქნება, ადამიანები შეძლებენ ბუნების საიდუმლოებების ამოხსნას და ხელოვნური ფოტოსინთეზი შესაძლოა რეალობად იქცეს. ის ასევე დააყენებს საკითხს მზის ენერგიის უფრო ეფექტური გამოყენების შესაძლებლობის შესახებ, რაც გამოიწვევს სამეცნიერო პროექტების გაჩენას მრავალი წლის განმავლობაში.
მაგნიტები
რას იტყვით ელექტრონულ მაგნიტზე? მეცნიერებმა აღმოაჩინეს, რომ როდესაც მათ ჰქონდათ ქსენონის ატომები და იოდის შემცველი მოლეკულები, რომლებიც მოხვდნენ მაღალი სიმძლავრის რენტგენის სხივებით, ატომები აყრიდნენ მათ შიდა ელექტრონებს, ქმნიდნენ სიცარიელეს ბირთვსა და ყველაზე გარე ელექტრონებს შორის. მიმზიდველი ძალები ამ ელექტრონებს მოძრაობაში აყენებენ. ჩვეულებრივ, ეს არ უნდა ხდებოდეს, მაგრამ ელექტრონების უეცარი ვარდნის გამო, ატომურ დონეზე ხდება ზედმეტად „დამუხტული“სიტუაცია. მეცნიერები ფიქრობენ, რომ ლაზერის გამოყენება შესაძლებელია გამოსახულების დამუშავებაში.
გიგანტური რენტგენის ლაზერი Xfel
მასპინძლობს აშშ-ის ამაჩქარებლის ეროვნულ ლაბორატორიაში, კონკრეტულად ლინაკში, ეს 3500 ფუტი ლაზერი იყენებს რამდენიმე გენიალურ მოწყობილობას, რათა დაარტყას სამიზნეებს მყარი რენტგენის სხივებით. აქ არის ერთ-ერთი ყველაზე ძლიერი ლაზერის ზოგიერთი კომპონენტი (აბრევიატურები და ანგლიციზმი ნიშნავს მექანიზმის კომპონენტებს):
- Drive Laser - ქმნისულტრაიისფერი პულსი, რომელიც შლის ელექტრონებს კათოდიდან. ელექტრული ველის მანიპულირებით ასხივებს ელექტრონებს 12 მილიარდ eW-მდე ენერგიის დონემდე. მოძრაობის შიგნით არის ასევე S-ის ფორმის ამაჩქარებელი, სახელწოდებით Bunch Compresor 1.
- Bunch Compresor 2 - იგივე კონცეფცია, როგორც Bunch 1, მაგრამ უფრო გრძელი S- ფორმის სტრუქტურა, გაიზარდა უფრო მაღალი ენერგიების გამო.
- სატრანსპორტო დარბაზი - საშუალებას გაძლევთ დარწმუნდეთ, რომ ელექტრონები შესაფერისია იმპულსების ფოკუსირებისთვის მაგნიტური ველების გამოყენებით.
- Undulator Hall - შედგება მაგნიტებისაგან, რომლებიც იწვევენ ელექტრონების მოძრაობას წინ და უკან, რითაც წარმოქმნიან მაღალი ენერგიის რენტგენის სხივებს.
- Beam Dump არის მაგნიტი, რომელიც შლის ელექტრონებს, მაგრამ უშვებს რენტგენის სხივებს გადაადგილების გარეშე.
- LCLS ექსპერიმენტული სადგური არის სპეციალური კამერა, რომელშიც ლაზერი ფიქსირდება და რომელიც არის მასთან დაკავშირებული ექსპერიმენტების ძირითადი სივრცე. ამ მოწყობილობის მიერ წარმოქმნილი სხივები ქმნის 120 იმპულსს წამში, თითოეული პულსი გრძელდება წამის 1/10000000000.
- კაპილარული პლაზმური გამონადენის საშუალება. ამ კონფიგურაციაში, რამდენიმე სანტიმეტრის სიგრძის კაპილარი, რომელიც დამზადებულია სტაბილური მასალისგან (მაგ. ალუმინის), ზღუდავს მაღალი სიზუსტის, ქვემიკროსწამიან ელექტრულ პულსს დაბალი წნევის გაზში. ლორენცის ძალა იწვევს პლაზმური გამონადენის შემდგომ შეკუმშვას. გარდა ამისა, ხშირად გამოიყენება წინასწარიონიზაციის ელექტრული ან ოპტიკური პულსი. მაგალითად არის კაპილარული ნეონის მსგავსი Ar8 + ლაზერი (რომელიც წარმოქმნის რადიაციას 47ნმ).
- მყარი ფილის სამიზნე გარემო - ოპტიკური პულსის დარტყმის შემდეგ სამიზნე ასხივებს უაღრესად აღგზნებულ პლაზმას. ისევ, უფრო გრძელი "პრეპულსი" ხშირად გამოიყენება პლაზმის შესაქმნელად, ხოლო მეორე, უფრო მოკლე და ენერგიული პულსი გამოიყენება პლაზმის შემდგომი გასათბობად. ხანმოკლე სიცოცხლისთვის შეიძლება საჭირო გახდეს იმპულსის ცვლა. პლაზმის რეფრაქციული ინდექსის გრადიენტი იწვევს გაძლიერებული პულსის დახრილობას სამიზნე ზედაპირიდან, ვინაიდან რეზონანსის ზემოთ სიხშირეებზე რეფრაქციული ინდექსი მცირდება ნივთიერების სიმკვრივით. ამის კომპენსირება შესაძლებელია მრავალი სამიზნის ადიდებული გამოყენებით, როგორც ევროპული რენტგენის თავისუფალი ელექტრონის ლაზერში.
- ოპტიკური ველით აღგზნებული პლაზმა - საკმარისად მაღალი ოპტიკური სიმკვრივის დროს ელექტრონების ეფექტური გვირაბისთვის ან თუნდაც პოტენციური ბარიერის დასათრგუნად (> 1016 ვტ/სმ2), შესაძლებელია აირის ძლიერი იონიზაცია კაპილართან ან კონტაქტის გარეშე. სამიზნე. როგორც წესი, კოლინარული პარამეტრი გამოიყენება პულსების სინქრონიზაციისთვის.
ზოგადად, ამ მექანიზმის სტრუქტურა ჰგავს ევროპული რენტგენის თავისუფალი ელექტრონის ლაზერს.
