Quin és el principi de funcionament del làser de raigs X? A causa de l'elevat guany en el mitjà de generació, la curta vida d'estat superior (1-100 ps) i els problemes associats amb la construcció de miralls que poden reflectir els feixos, aquests làsers solen funcionar sense miralls. El feix de raigs X es genera amb una sola passada pel medi de guany. La radiació emesa basada en el feix espontani amplificat té una coherència espacial relativament baixa. Llegeix l'article fins al final i entendreu que es tracta d'un làser de raigs X. Aquest dispositiu és molt pràctic i únic en la seva estructura.
Nuclis a l'estructura del mecanisme
Com que les transicions làser convencionals entre estats visibles i electrònics o vibracionals corresponen a energies de fins a 10 eV, es necessiten diferents mitjans actius per als làsers de raigs X. De nou, es poden utilitzar diversos nuclis carregats actius per a això.
Armes
Entre 1978 i 1988 al projecte ExcaliburL'exèrcit nord-americà va intentar desenvolupar un làser de raigs X explosiu nuclear per a la defensa de míssils com a part de la Iniciativa de Defensa Estratègica (SDI) de Star Wars. El projecte, però, va resultar massa car, es va allargar i finalment es va arxivar.
Suports de plasma dins d'un làser
Els mitjans més utilitzats inclouen el plasma altament ionitzat creat en una descàrrega capil·lar o quan un pols òptic enfocat linealment colpeja un objectiu sòlid. Segons l'equació d'ionització de Saha, les configuracions d'electrons més estables són el neó, amb 10 electrons restants, i semblants al níquel, amb 28 electrons. Les transicions d'electrons en plasmes altament ionitzats corresponen normalment a energies de l'ordre de centenars d'electrons volts (eV).
Un mitjà amplificador alternatiu és el feix d'electrons relativista d'un làser d'electrons lliures de raigs X, que utilitza la dispersió Compton estimulada en lloc de la radiació estàndard.
Aplicació
Les aplicacions de raigs X coherents inclouen imatges de difracció coherent, plasma dens (radiació opaca a visible), microscòpia de raigs X, imatges mèdiques resoltes en fase, examen de la superfície del material i armament.
La versió més lleugera del làser es pot utilitzar per al moviment làser ablatiu.
Làser de raigs X: com funciona
Com funcionen els làsers? A causa del fet que el fotócolpeja un àtom amb una certa energia, podeu fer que l'àtom emeti un fotó amb aquesta energia en un procés anomenat emissió estimulada. En repetir aquest procés a gran escala, obtindreu una reacció en cadena que resulta en un làser. Tanmateix, alguns nusos quàntics fan que aquest procés s'aturi, ja que de vegades s'absorbeix un fotó sense ser emès en absolut. Però per garantir les màximes possibilitats, s'augmenten els nivells d'energia dels fotons i es col·loquen miralls paral·lels a la trajectòria de la llum per ajudar els fotons dispersos a tornar en joc. I a altes energies dels raigs X, es troben lleis físiques especials que són inherents a aquest fenomen en particular.
Història
A principis de la dècada de 1970, el làser de raigs X semblava fora de l'abast, ja que la majoria dels làsers del dia van assolir un màxim de 110 nm, molt per sota dels raigs X més grans. Això va ser perquè la quantitat d'energia necessària per produir el material estimulat era tan alta que s'havia de lliurar en un pols ràpid, complicant encara més la reflectivitat necessària per crear un làser potent. Per tant, els científics van mirar el plasma, perquè semblava un bon medi conductor. Un equip de científics l'any 1972 va afirmar que finalment havien aconseguit l'ús del plasma en la creació de làsers, però quan van intentar reproduir els seus resultats anteriors, van fallar per algun motiu.
A la dècada de 1980, un actor important del món es va unir a l'equip de recercaCiència - Livermore. Mentrestant, els científics han fet avenços petits però importants durant anys, però després que l'Agència de Projectes d'Investigació Avançada de Defensa (DARPA) deixés de pagar per la investigació amb raigs X, Livermore es va convertir en el líder de l'equip científic. Va liderar el desenvolupament de diversos tipus de làsers, inclosos els basats en la fusió. El seu programa d'armes nuclears era prometedor, perquè els indicadors d' alta energia que van assolir els científics durant aquest programa deixaven entreveure la possibilitat de crear un mecanisme polsat d' alta qualitat que seria útil per a la construcció d'un làser d'electrons lliures de raigs X.
El projecte s'estava acostant a la seva finalització. Els científics George Chaplin i Lowell Wood van explorar per primera vegada la tecnologia de fusió per als làsers de raigs X a la dècada de 1970 i després van canviar a una opció nuclear. Junts van desenvolupar aquest mecanisme i estaven preparats per a les proves el 13 de setembre de 1978, però la fallada de l'equip ho va tallar. Però potser va ser el millor. Peter Hagelstein va crear un enfocament diferent després d'estudiar el mecanisme anterior, i el 14 de novembre de 1980, dos experiments van demostrar que el prototip làser de raigs X funcionava.
Projecte Star Wars
Molt aviat, el Departament de Defensa dels EUA es va interessar pel projecte. Sí, utilitzar la potència d'una arma nuclear en un feix enfocat és massa perillós, però aquesta potència es podria utilitzar per destruir míssils balístics intercontinentals (ICBM) a l'aire. Seria més convenient utilitzar un mecanisme similar a prop de la Terraòrbita. El món sencer coneix aquest programa anomenat Star Wars. No obstant això, el projecte d'utilitzar el làser de raigs X com a arma mai no va arribar a bon port.
El número del 23 de febrer de 1981 de l'Aviation Week and Space Engineering informa dels resultats de les primeres proves del projecte, inclòs un raig làser que va arribar a 1,4 nanòmetres i va arribar a 50 objectius diferents.
Les proves del 26 de març de 1983 no van donar res a causa d'una fallada del sensor. Tanmateix, les proves següents el 16 de desembre de 1983 van demostrar les seves veritables capacitats.
El destí del projecte
Hagelstein va imaginar un procés de dos passos en què un làser crearia un plasma que alliberaria fotons carregats que xocarien amb electrons d'un altre material i provocarien l'emissió de raigs X. Es van provar diverses configuracions, però al final la manipulació d'ions va resultar ser la millor solució. El plasma va eliminar els electrons fins que només en van quedar 10 interiors, on els fotons els van carregar fins a l'estat 3p, alliberant així el feix "tou". Un experiment del 13 de juliol de 1984 va demostrar que això era més que una teoria quan un espectròmetre mesurava fortes emissions a 20,6 i 20,9 nanòmetres de seleni (un ió semblant al neó). Aleshores va aparèixer el primer làser de raigs X de laboratori (no militar) amb el nom de Novette.
El destí de Novette
Aquest làser va ser dissenyat per Jim Dunn i tenia aspectes físics verificats per Al Osterheld i Slava Shlyaptsev. Utilitzant ràpid(prop de nanosegon) pols de llum d' alta energia que carregava les partícules per alliberar raigs X, Novett també va utilitzar amplificadors de vidre, que milloren l'eficiència, però també s'escalfen ràpidament, el que significa que només pot funcionar 6 vegades al dia entre refredaments. Però alguns treballs han demostrat que pot disparar un pols de picosegundo mentre la compressió torna a un pols de nanosegons. En cas contrari, l'amplificador de vidre es destruirà. És important tenir en compte que Novette i altres làsers de raigs X "d'escriptori" produeixen feixos de raigs X "tous", que tenen una longitud d'ona més llarga, que impedeix que el feix passi a través de molts materials, però dóna una visió dels aliatges i el plasma, ja que els brilla fàcilment.
Altres usos i característiques de l'operació
Per a què es pot utilitzar aquest làser? Abans s'ha observat que una longitud d'ona més curta pot facilitar l'examen d'alguns materials, però aquesta no és l'única aplicació. Quan un objectiu és colpejat per un impuls, simplement es destrueix en partícules atòmiques, i la temperatura al mateix temps arriba a milions de graus en només una bil·lonèsima part de segon. I si aquesta temperatura és suficient, el làser farà que els electrons es desprenguin de l'interior. Això es deu al fet que el nivell més baix d'orbitals d'electrons implica la presència d'almenys dos electrons, que són expulsats de l'energia generada pels raigs X.
El temps que triga un àtomha perdut tots els seus electrons, és de l'ordre d'uns quants femtosegons. El nucli resultant no s'atura durant molt de temps i passa ràpidament a un estat de plasma conegut com a "matèria densa calenta", que es troba principalment als reactors nuclears i als nuclis dels grans planetes. Experimentant amb el làser, ens podem fer una idea dels dos processos, que són diferents formes de fusió nuclear.
L'ús del làser de raigs X és realment universal. Una altra característica útil d'aquests raigs X és el seu ús amb sincrotrons o partícules que s'acceleren al llarg de tot el recorregut de l'accelerador. En funció de la quantitat d'energia que es necessita per fer aquest camí, les partícules poden emetre radiació. Per exemple, els electrons, quan són excitats, emeten raigs X, que tenen una longitud d'ona aproximadament de la mida d'un àtom. Aleshores podríem estudiar les propietats d'aquests àtoms mitjançant la interacció amb els raigs X. A més, podem canviar l'energia dels electrons i obtenir diferents longituds d'ona de raigs X, aconseguint una major profunditat d'anàlisi.
No obstant això, és molt difícil crear un làser de raigs X amb les vostres pròpies mans. La seva estructura és extremadament complexa fins i tot des del punt de vista dels físics experimentats.
En biologia
Fins i tot els biòlegs s'han pogut beneficiar dels làsers de raigs X (bombat nuclear). La seva radiació pot ajudar a revelar aspectes de la fotosíntesi abans desconeguts per la ciència. Capten canvis subtils en les fulles de les plantes. Les llargues longituds d'ona de raigs làser suaus de raigs X us permeten explorar sense destruir tot aixòté lloc a l'interior de la planta. L'injector de nanocristalls activa la fotocèl·lula I, la proteïna clau de la fotosíntesi necessària per activar-la. Això és interceptat per un raig làser de raigs X, que fa que el cristall exploti literalment.
Si els experiments anteriors continuen tenint èxit, la gent podrà desentranyar els misteris de la natura i la fotosíntesi artificial es pot convertir en una realitat. També plantejarà la qüestió de la possibilitat d'un ús més eficient de l'energia solar, provocant l'aparició de projectes científics durant molts anys.
Imants
Què tal un imant electrònic? Els científics van descobrir que quan tenien àtoms de xenó i molècules limitades en iode colpejats per un raig X d' alta potència, els àtoms llançaven els seus electrons interiors, creant un buit entre el nucli i els electrons més externs. Les forces atractives posen aquests electrons en moviment. Normalment això no hauria de passar, però a causa de la caiguda sobtada dels electrons, es produeix una situació massa "carregada" a nivell atòmic. Els científics pensen que el làser es podria utilitzar en el processament d'imatges.
Làser de raigs X gegant Xfel
Acollit al National Accelerator Laboratory dels EUA, concretament al Linac, aquest làser de 3.500 peus utilitza diversos dispositius enginyosos per colpejar objectius amb raigs X durs. Aquests són alguns dels components d'un dels làsers més potents (les abreviatures i els anglicismes representen els components del mecanisme):
- Drive Laser - creaun pols ultraviolat que elimina electrons del càtode. Emet electrons fins a un nivell d'energia de 12.000 milions d'eW manipulant el camp elèctric. També hi ha un accelerador en forma de S dins del moviment anomenat Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2: el mateix concepte que el Bunch 1, però amb una estructura més llarga en forma de S, augmentada a causa de les energies més altes.
- Transport Hall: us permet assegurar-vos que els electrons són adequats per enfocar polsos mitjançant camps magnètics.
- Sala onduladora: consisteix en imants que fan que els electrons es moguin cap endavant i cap enrere, generant així raigs X d' alta energia.
- Beam Dump és un imant que elimina electrons però deixa passar els raigs X sense moure's.
- LCLS Experimental Station és una cambra especial on es fixa el làser i que és l'espai principal per a experiments relacionats amb ell. Els raigs generats per aquest dispositiu creen 120 polsos per segon, i cada pols dura 1/10000000000 de segon.
- Medium de descàrrega de plasma capil·lar. En aquesta configuració, un capil·lar de diversos centímetres de llarg, fet d'un material estable (per exemple, alúmina), limita un pols elèctric d' alta precisió, submicrosegons, en un gas de baixa pressió. La força de Lorentz provoca una compressió addicional de la descàrrega de plasma. A més, sovint s'utilitza un pols elèctric o òptic de preionització. Un exemple és un làser Ar8 + capil·lar de neó (que genera radiació a 47nm).
- Medium objectiu d'una llosa sòlida: després de ser colpejat per un pols òptic, l'objectiu emet un plasma molt excitat. De nou, sovint s'utilitza un "prepols" més llarg per crear el plasma, i un segon pols més curt i energètic s'utilitza per escalfar encara més el plasma. Per a vides curtes, pot ser necessari un canvi d'impuls. El gradient d'índex de refracció del plasma fa que el pols amplificat es doblegui lluny de la superfície objectiu, ja que a freqüències per sobre de la ressonància l'índex de refracció disminueix amb la densitat de la matèria. Això es pot compensar utilitzant diversos objectius en una ràfega, com en el làser europeu d'electrons lliures de raigs X.
- Plasma excitat per un camp òptic: a densitats òptiques prou altes com per tunelitzar els electrons de manera efectiva o fins i tot per suprimir una barrera de potencial (> 1016 W / cm2), és possible ionitzar fortament un gas sense contacte amb un capil·lar o objectiu. Normalment s'utilitza una configuració colineal per sincronitzar els polsos.
En general, l'estructura d'aquest mecanisme és similar al làser europeu d'electrons lliures de raigs X.
