Ano ang prinsipyong gumagana ng X-ray laser? Dahil sa mataas na kita sa generation medium, ang maikling upper state lifetimes (1-100 ps), at ang mga problemang nauugnay sa pagbuo ng mga salamin na maaaring sumasalamin sa mga beam, ang mga laser na ito ay karaniwang gumagana nang walang salamin. Ang X-ray beam ay nabuo sa pamamagitan ng isang solong pass sa pamamagitan ng gain medium. Ang emitted radiation batay sa amplified spontaneous beam ay may medyo mababang spatial coherence. Basahin ang artikulo hanggang sa dulo at mauunawaan mo na ito ay isang X-ray laser. Ang device na ito ay napakapraktikal at kakaiba sa istraktura nito.
Mga kernel sa istruktura ng mekanismo
Dahil ang conventional laser transition sa pagitan ng visible at electronic o vibrational state ay tumutugma sa mga energies hanggang 10 eV, kailangan ng iba't ibang aktibong media para sa mga X-ray laser. Muli, magagamit ang iba't ibang active charged nuclei para dito.
Armas
Sa pagitan ng 1978 at 1988 sa proyekto ng ExcaliburTinangka ng militar ng US na bumuo ng isang nuclear explosive X-ray laser para sa missile defense bilang bahagi ng Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Ang proyekto, gayunpaman, ay naging masyadong mahal, na-drag, at kalaunan ay nai-sholl.
Plasma media sa loob ng laser
Ang pinakakaraniwang ginagamit na media ay kinabibilangan ng highly ionized plasma na nilikha sa isang capillary discharge o kapag ang isang linearly focused optical pulse ay tumama sa isang solidong target. Ayon sa Saha ionization equation, ang pinakastable na mga configuration ng electron ay neon, na may 10 electron na natitira, at nickel-like, na may 28 electron. Ang mga paglipat ng elektron sa mga plasma na may mataas na ionized ay karaniwang tumutugma sa mga enerhiya sa pagkakasunud-sunod ng daan-daang electron volts (eV).
Isang alternatibong amplifying medium ay ang relativistic electron beam ng X-ray free electron laser, na gumagamit ng stimulated Compton scattering sa halip na karaniwang radiation.
Application
Kasama sa magkakaugnay na X-ray application ang magkakaugnay na diffraction imaging, dense plasma (opaque to visible radiation), X-ray microscopy, phase-resolved medical imaging, material surface examination, at weaponization.
Maaaring gamitin ang mas magaan na bersyon ng laser para sa ablative laser movement.
X-ray laser: kung paano ito gumagana
Paano gumagana ang mga laser? Dahil sa katotohanan na ang photontumama sa isang atom na may isang tiyak na enerhiya, maaari mong gawin ang atom na magpalabas ng isang photon na may enerhiya na iyon sa isang proseso na tinatawag na stimulated emission. Sa pamamagitan ng pag-uulit ng prosesong ito sa isang malaking sukat, makakakuha ka ng chain reaction na nagreresulta sa isang laser. Gayunpaman, ang ilang mga quantum knot ay nagiging sanhi ng paghinto ng prosesong ito, dahil ang isang photon ay minsan ay hinihigop nang hindi inilalabas. Ngunit upang matiyak ang pinakamataas na pagkakataon, ang mga antas ng enerhiya ng photon ay tataas at ang mga salamin ay inilalagay parallel sa liwanag na landas upang matulungan ang mga nakakalat na photon na bumalik sa paglalaro. At sa mataas na lakas ng X-ray, makikita ang mga espesyal na pisikal na batas na likas sa partikular na hindi pangkaraniwang bagay na ito.
Kasaysayan
Noong unang bahagi ng 1970s, tila hindi naaabot ang X-ray laser, dahil ang karamihan sa mga laser sa araw ay umabot sa 110 nm, na mas mababa sa pinakamalaking X-ray. Ito ay dahil ang dami ng enerhiya na kinakailangan upang makabuo ng stimulated na materyal ay napakataas na kailangan itong maihatid sa isang mabilis na pulso, na higit pang nagpapakumplikado sa reflectivity na kailangan upang lumikha ng isang malakas na laser. Samakatuwid, tiningnan ng mga siyentipiko ang plasma, dahil mukhang isang mahusay na daluyan ng pagsasagawa. Isang pangkat ng mga siyentipiko noong 1972 ang nagsabing sa wakas ay nakamit na nila ang paggamit ng plasma sa paglikha ng mga laser, ngunit nang sinubukan nilang kopyahin ang kanilang mga nakaraang resulta, nabigo sila sa ilang kadahilanan.
Noong 1980s, isang pangunahing manlalaro mula sa mundo ang sumali sa research teamAgham - Livermore. Ang mga siyentipiko, samantala, ay gumagawa ng maliliit ngunit mahalagang hakbang sa loob ng maraming taon, ngunit pagkatapos ng Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ay tumigil sa pagbabayad para sa X-ray na pananaliksik, si Livermore ay naging pinuno ng pangkat ng siyentipiko. Pinangunahan niya ang pagbuo ng ilang uri ng mga laser, kabilang ang mga batay sa pagsasanib. Nangangako ang kanilang programa sa mga sandatang nuklear, dahil ang mga tagapagpahiwatig ng mataas na enerhiya na nakamit ng mga siyentipiko sa programang ito ay nagpapahiwatig ng posibilidad na lumikha ng isang de-kalidad na pulsed na mekanismo na magiging kapaki-pakinabang sa pagbuo ng isang X-ray free electron laser.
Ang proyekto ay unti-unting nalalapit na matapos. Ang mga siyentipiko na sina George Chaplin at Lowell Wood ay unang nag-explore ng fusion technology para sa X-ray lasers noong 1970s at pagkatapos ay lumipat sa isang nuclear option. Magkasama silang bumuo ng gayong mekanismo at handa na para sa pagsubok noong Setyembre 13, 1978, ngunit ang pagkabigo ng kagamitan ay naputol ito. Ngunit marahil ito ay para sa pinakamahusay. Gumawa si Peter Hagelstein ng ibang diskarte pagkatapos pag-aralan ang nakaraang mekanismo, at noong Nobyembre 14, 1980, pinatunayan ng dalawang eksperimento na gumagana ang prototype na X-ray laser.
Star Wars Project
Di-nagtagal, naging interesado ang US Department of Defense sa proyekto. Oo, masyadong mapanganib ang paggamit ng kapangyarihan ng nuclear weapon sa isang nakatutok na sinag, ngunit maaaring gamitin ang kapangyarihang iyon para sirain ang mga intercontinental ballistic missiles (ICBM) sa himpapawid. Mas maginhawang gumamit ng katulad na mekanismo sa malapit sa Earthorbit. Alam ng buong mundo ang programang ito na tinatawag na Star Wars. Gayunpaman, hindi kailanman natupad ang proyektong gamitin ang X-ray laser bilang sandata.
Ang Pebrero 23, 1981 na isyu ng Aviation Week at Space Engineering ay nag-uulat ng mga resulta ng mga unang pagsubok ng proyekto, kabilang ang isang laser beam na umabot sa 1.4 nanometer at tumama sa 50 iba't ibang mga target.
Mga pagsubok na may petsang Marso 26, 1983 ay walang resulta dahil sa pagkabigo ng sensor. Gayunpaman, ang mga sumusunod na pagsubok noong Disyembre 16, 1983 ay nagpakita ng tunay na kakayahan nito.
Higit pang kapalaran ng proyekto
Naisip ni Hagelstein ang isang dalawang-hakbang na proseso kung saan ang isang laser ay gagawa ng isang plasma na maglalabas ng mga naka-charge na photon na makakabangga sa mga electron sa ibang materyal at magiging sanhi ng paglabas ng mga X-ray. Ilang mga setup ang sinubukan, ngunit sa huli ang pagmamanipula ng ion ay napatunayang pinakamahusay na solusyon. Inalis ng plasma ang mga electron hanggang 10 lamang ang natitira sa loob, kung saan ang mga photon ay nag-charge sa kanila hanggang sa 3p na estado, kaya naglalabas ng "malambot" na sinag. Isang eksperimento noong Hulyo 13, 1984 ang nagpatunay na ito ay higit pa sa teorya nang ang isang spectrometer ay sumukat ng malalakas na emisyon sa 20.6 at 20.9 nanometer ng selenium (isang neon-like ion). Pagkatapos ay lumabas ang unang laboratoryo (hindi militar) X-ray laser na may pangalang Novette.
Ang kapalaran ni Novette
Ang laser na ito ay dinisenyo ni Jim Dunn at may mga pisikal na aspeto na na-verify nina Al Osterheld at Slava Shlyaptsev. Mabilis ang paggamit(malapit sa nanosecond) pulso ng mataas na enerhiya na ilaw na nag-charge sa mga particle upang maglabas ng mga X-ray, gumamit din si Novett ng mga glass amplifier, na nagpapahusay sa kahusayan ngunit mabilis ding uminit, ibig sabihin, maaari lang itong tumakbo nang 6 na beses sa isang araw sa pagitan ng mga cooldown. Ngunit ipinakita ng ilang trabaho na maaari itong magpaputok ng picosecond pulse habang ang compression ay bumalik sa nanosecond pulse. Kung hindi, masisira ang glass amplifier. Mahalagang tandaan na ang Novette at iba pang "desktop" na X-ray laser ay gumagawa ng "malambot" na X-ray beam, na may mas mahabang wavelength, na pumipigil sa beam na dumaan sa maraming materyales, ngunit nagbibigay ng pananaw sa mga haluang metal at plasma, dahil madali itong lumiwanag sa kanila.
Iba pang gamit at feature ng pagpapatakbo
Kaya para saan ang laser na ito? Dati nang nabanggit na ang isang mas maikling wavelength ay maaaring gawing mas madali ang pagsusuri sa ilang mga materyales, ngunit hindi ito ang tanging aplikasyon. Kapag ang isang target ay tinamaan ng isang salpok, ito ay nawasak lamang sa mga atomic na particle, at ang temperatura sa parehong oras ay umabot sa milyun-milyong degree sa loob lamang ng isang trilyon ng isang segundo. At kung sapat na ang temperaturang ito, ang laser ay magiging sanhi ng pag-alis ng mga electron mula sa loob. Ito ay dahil ang pinakamababang antas ng mga orbital ng elektron ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng hindi bababa sa dalawang electron, na inilalabas mula sa enerhiya na nabuo ng mga X-ray.
Ang tagal ng pagpasok ng isang atomay nawala ang lahat ng mga electron nito, ay nasa pagkakasunud-sunod ng ilang femtosecond. Ang resultang core ay hindi nagtatagal nang matagal at mabilis na lumipat sa isang estado ng plasma na kilala bilang "mainit na siksik na bagay", na kadalasang matatagpuan sa mga nuclear reactor at mga core ng malalaking planeta. Sa pamamagitan ng pag-eksperimento sa laser, makakakuha tayo ng ideya ng parehong proseso, na magkaibang anyo ng nuclear fusion.
Ang paggamit ng X-ray laser ay tunay na unibersal. Ang isa pang kapaki-pakinabang na tampok ng mga X-ray na ito ay ang kanilang paggamit sa mga synchrotron o mga particle na bumibilis sa buong landas ng accelerator. Batay sa kung gaano karaming enerhiya ang kinakailangan upang gawin ang landas na ito, ang mga particle ay maaaring maglabas ng radiation. Halimbawa, ang mga electron, kapag nasasabik, ay naglalabas ng X-ray, na may wavelength na halos kasing laki ng isang atom. Pagkatapos ay maaari nating pag-aralan ang mga katangian ng mga atom na ito sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan sa mga X-ray. Bilang karagdagan, maaari nating baguhin ang enerhiya ng mga electron at makakuha ng iba't ibang mga wavelength ng X-ray, na makakamit ang mas malalim na pagsusuri.
Gayunpaman, napakahirap gumawa ng X-ray laser gamit ang iyong sariling mga kamay. Napakasalimuot ng istraktura nito kahit na sa pananaw ng mga bihasang pisiko.
Sa biology
Maging ang mga biologist ay nakinabang sa x-ray lasers (nuclear pumped). Ang kanilang radiation ay maaaring makatulong na ipakita ang mga aspeto ng photosynthesis na dati ay hindi alam ng siyensya. Nakukuha nila ang mga banayad na pagbabago sa mga dahon ng halaman. Ang mahahabang wavelength ng malambot na X-ray laser beam ay nagbibigay-daan sa iyo upang galugarin nang hindi sinisira ang lahat ng iyonnagaganap sa loob ng halaman. Ang nanocrystal injector ay nag-trigger ng photocell I, ang protina na susi sa photosynthesis na kailangan upang maisaaktibo ito. Naharang ito ng laser beam ng X-ray, na nagiging sanhi ng literal na pagsabog ng kristal.
Kung patuloy na magtatagumpay ang mga eksperimento sa itaas, magagawa ng mga tao na malutas ang mga misteryo ng kalikasan, at maaaring maging realidad ang artipisyal na photosynthesis. Itataas din nito ang tanong tungkol sa posibilidad ng mas mahusay na paggamit ng solar energy, na pumukaw sa paglitaw ng mga siyentipikong proyekto sa maraming darating na taon.
Magnets
Paano ang isang electronic magnet? Natuklasan ng mga siyentipiko na kapag mayroon silang mga xenon atoms at iodine-limited molecules na tinamaan ng high-power X-ray, itinapon ng mga atomo ang kanilang mga panloob na electron, na lumilikha ng void sa pagitan ng nucleus at ang pinakalabas na mga electron. Ang mga kaakit-akit na puwersa ay nagtakda ng mga electron na ito sa paggalaw. Karaniwang hindi ito dapat mangyari, ngunit dahil sa biglaang pagbaba ng mga electron, ang isang labis na "sisingilin" na sitwasyon ay nangyayari sa atomic na antas. Iniisip ng mga siyentipiko na maaaring gamitin ang laser sa pagpoproseso ng imahe.
Giant X-ray laser Xfel
Na-host sa US National Accelerator Laboratory, partikular sa linac, ang 3,500-foot laser na ito ay gumagamit ng ilang mapanlikhang device upang maabot ang mga target gamit ang matapang na X-ray. Narito ang ilan sa mga bahagi ng isa sa pinakamakapangyarihang laser (mga pagdadaglat at anglicism ay kumakatawan sa mga bahagi ng mekanismo):
- Drive Laser - lumilikhaisang ultraviolet pulse na nag-aalis ng mga electron mula sa katod. Nagpapalabas ng mga electron hanggang sa antas ng enerhiya na 12 bilyong eW sa pamamagitan ng pagmamanipula sa electric field. Mayroon ding hugis-S na accelerator sa loob ng paggalaw na tinatawag na Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - kapareho ng konsepto ng Bunch 1 ngunit mas mahabang S-shaped na istraktura, tumaas dahil sa mas mataas na enerhiya.
- Transport Hall - nagbibigay-daan sa iyong matiyak na ang mga electron ay angkop para sa pagtutok ng mga pulso gamit ang mga magnetic field.
- Undulator Hall - Binubuo ng mga magnet na nagiging sanhi ng paglipat-lipat ng mga electron, at sa gayon ay bumubuo ng mga high-energy na x-ray.
- Ang Beam Dump ay isang magnet na nag-aalis ng mga electron ngunit hinahayaan ang X-ray nang hindi gumagalaw.
- LCLS Experimental Station ay isang espesyal na silid kung saan ang laser ay naayos at kung saan ay ang pangunahing espasyo para sa mga eksperimento na nauugnay dito. Ang mga beam na nabuo ng device na ito ay lumilikha ng 120 pulse bawat segundo, na ang bawat pulso ay tumatagal ng 1/10000000000 ng isang segundo.
- Capillary plasma-discharge medium. Sa setup na ito, ang isang capillary na ilang sentimetro ang haba, na gawa sa isang matatag na materyal (hal. alumina), ay naglilimita sa isang mataas na katumpakan, sub-microsecond na pulso ng kuryente sa isang mababang presyon ng gas. Ang puwersa ng Lorentz ay nagdudulot ng karagdagang compression ng paglabas ng plasma. Bilang karagdagan, ang isang pre-ionization electrical o optical pulse ay kadalasang ginagamit. Ang isang halimbawa ay isang capillary neon-like Ar8 + laser (na bumubuo ng radiation sa 47nm).
- Target na medium ng solid slab - pagkatapos matamaan ng optical pulse, ang target ay naglalabas ng sobrang excited na plasma. Muli, ang isang mas mahabang "prepulse" ay madalas na ginagamit upang lumikha ng plasma, at ang isang segundo, mas maikli at mas masiglang pulso ay ginagamit upang higit na init ang plasma. Para sa maikling buhay, maaaring kailanganin ang isang momentum shift. Ang refractive index gradient ng plasma ay nagiging sanhi ng amplified pulse na yumuko palayo sa target na ibabaw, dahil sa mga frequency na mas mataas sa resonance ay bumababa ang refractive index sa density ng bagay. Maaari itong mabayaran sa pamamagitan ng paggamit ng maraming target sa isang pagsabog, tulad ng sa European X-ray free electron laser.
- Plasma na nasasabik sa pamamagitan ng isang optical field - sa optical density na sapat na mataas upang epektibong mag-tunnel ng mga electron o kahit na sugpuin ang isang potensyal na hadlang (> 1016 W / cm2), posibleng malakas na mag-ionize ng gas nang walang kontak sa isang capillary o target. Karaniwan ang isang collinear na setting ay ginagamit upang i-synchronize ang mga pulso.
Ang
Sa pangkalahatan, ang istraktura ng mekanismong ito ay katulad ng European X-ray free electron laser.
