Cili është parimi i funksionimit të lazerit me rreze X? Për shkak të fitimit të lartë në mjedisin e gjenerimit, jetëgjatësisë së shkurtër të gjendjes së sipërme (1-100 ps) dhe problemeve që lidhen me ndërtimin e pasqyrave që mund të reflektojnë rrezet, këta lazer zakonisht funksionojnë pa pasqyra. Rrezja e rrezeve X krijohet nga një kalim i vetëm përmes mediumit të fitimit. Rrezatimi i emetuar i bazuar në rreze spontane të përforcuar ka një koherencë relativisht të ulët hapësinore. Lexojeni artikullin deri në fund dhe do të kuptoni se bëhet fjalë për një lazer me rreze X. Kjo pajisje është shumë praktike dhe unike në strukturën e saj.
Bërthamat në strukturën e mekanizmit
Meqenëse kalimet konvencionale të lazerit midis gjendjeve të dukshme dhe elektronike ose vibruese korrespondojnë me energji deri në 10 eV, nevojiten media të ndryshme aktive për lazerët me rreze X. Përsëri, bërthama të ndryshme të ngarkuara aktive mund të përdoren për këtë.
Armë
Midis 1978 dhe 1988 në projektin ExcaliburUshtria amerikane u përpoq të zhvillonte një lazer bërthamor shpërthyes me rreze X për mbrojtjen raketore si pjesë e Iniciativës së Mbrojtjes Strategjike të Luftërave të Yjeve (SDI). Projekti, megjithatë, doli të ishte shumë i shtrenjtë, u zvarrit dhe përfundimisht u la në sirtar.
Medie plazma brenda një lazeri
Mjetet më të përdorura përfshijnë plazmën shumë të jonizuar të krijuar në një shkarkim kapilar ose kur një puls optik i fokusuar në mënyrë lineare godet një objektiv të fortë. Sipas ekuacionit të jonizimit Saha, konfigurimet më të qëndrueshme të elektroneve janë neoni, me 10 elektrone të mbetura dhe të ngjashme me nikelin, me 28 elektrone. Tranzicionet e elektroneve në plazmat shumë të jonizuara zakonisht korrespondojnë me energjitë e rendit të qindra elektron volt (eV).
Një medium alternativ amplifikues është rrezja elektronike relativiste e një lazeri elektronik pa rreze X, i cili përdor shpërndarjen e stimuluar të Compton në vend të rrezatimit standard.
Aplikacion
Zbatimet koherente të rrezeve X përfshijnë imazhe koherente të difraksionit, plazmën e dendur (e errët ndaj rrezatimit të dukshëm), mikroskopin me rreze X, imazhe mjekësore të zgjidhshme në faza, ekzaminimin e sipërfaqes së materialit dhe armatimin.
Versioni më i lehtë i lazerit mund të përdoret për lëvizje ablative lazer.
Lazer me rreze X: si funksionon
Si funksionojnë lazerët? Për faktin se fotonigodet një atom me një energji të caktuar, ju mund ta bëni atomin të lëshojë një foton me atë energji në një proces të quajtur emetim i stimuluar. Duke e përsëritur këtë proces në një shkallë të gjerë, ju do të merrni një reaksion zinxhir që rezulton në një lazer. Megjithatë, disa nyje kuantike bëjnë që ky proces të ndalet, pasi një foton ndonjëherë absorbohet pa u emetuar fare. Por për të siguruar shanse maksimale, nivelet e energjisë së fotonit rriten dhe pasqyrat vendosen paralelisht me rrugën e dritës për të ndihmuar fotonet e shpërndara të kthehen në lojë. Dhe në energjitë e larta të rrezeve X, gjenden ligje të veçanta fizike që janë të natyrshme në këtë fenomen të veçantë.
Histori
Në fillim të viteve 1970, lazeri me rreze X dukej i paarritshëm, pasi shumica e lazerëve të ditës arritën kulmin në 110 nm, shumë nën rrezet më të mëdha X. Kjo ishte për shkak se sasia e energjisë e nevojshme për të prodhuar materialin e stimuluar ishte aq e lartë sa duhej të shpërndahej me një puls të shpejtë, duke komplikuar më tej reflektueshmërinë e nevojshme për të krijuar një lazer të fuqishëm. Prandaj, shkencëtarët shikuan plazmën, sepse dukej si një medium i mirë përçues. Një ekip shkencëtarësh në vitin 1972 pretenduan se më në fund kishin arritur përdorimin e plazmës në krijimin e lazerëve, por kur u përpoqën të riprodhonin rezultatet e tyre të mëparshme, ata dështuan për disa arsye.
Në vitet 1980, një lojtar i madh nga bota iu bashkua ekipit të kërkimitShkencë - Livermore. Shkencëtarët, ndërkohë, kanë bërë hapa të vegjël por të rëndësishëm për vite me rradhë, por pasi Agjencia e Projekteve të Avancuara të Kërkimit të Mbrojtjes (DARPA) ndaloi së paguari për kërkimet me rreze X, Livermore u bë udhëheqësi i ekipit shkencor. Ai udhëhoqi zhvillimin e disa llojeve të lazerëve, duke përfshirë ato të bazuara në shkrirje. Programi i tyre i armëve bërthamore ishte premtues, sepse treguesit e lartë të energjisë që arritën shkencëtarët gjatë këtij programi lanë të kuptohet se mund të krijohej një mekanizëm pulsues me cilësi të lartë që do të ishte i dobishëm në ndërtimin e një lazeri me elektron pa rreze X.
Projekti po i afrohej gradualisht përfundimit. Shkencëtarët George Chaplin dhe Lowell Wood fillimisht eksploruan teknologjinë e shkrirjes për lazerët me rreze X në vitet 1970 dhe më pas kaluan në një opsion bërthamor. Së bashku ata zhvilluan një mekanizëm të tillë dhe ishin gati për testim më 13 shtator 1978, por dështimi i pajisjeve e ndërpreu atë. Por ndoshta ishte për të mirën. Peter Hagelstein krijoi një qasje të ndryshme pasi studioi mekanizmin e mëparshëm dhe më 14 nëntor 1980, dy eksperimente vërtetuan se prototipi i lazerit me rreze X funksiononte.
Projekti "Star Wars"
Shumë shpejt, Departamenti Amerikan i Mbrojtjes u interesua për projektin. Po, përdorimi i fuqisë së një arme bërthamore në një rreze të fokusuar është shumë e rrezikshme, por kjo fuqi mund të përdoret për të shkatërruar raketat balistike ndërkontinentale (ICBM) në ajër. Do të ishte më e përshtatshme për të përdorur një mekanizëm të ngjashëm në afërsi të Tokësorbitë. E gjithë bota e njeh këtë program të quajtur Star Wars. Megjithatë, projekti për të përdorur lazerin me rreze X si armë nuk u realizua kurrë.
Numri i 23 shkurtit 1981 i Aviation Week dhe Space Engineering raporton rezultatet e testeve të para të projektit, duke përfshirë një rreze lazer që arriti 1.4 nanometra dhe goditi 50 objektiva të ndryshëm.
Testet e datës 26 mars 1983 nuk dhanë asgjë për shkak të dështimit të sensorit. Megjithatë, testet e mëposhtme më 16 dhjetor 1983 treguan aftësitë e tij të vërteta.
Fati i mëtejshëm i projektit
Hagelstein parashikoi një proces me dy hapa në të cilin një lazer do të krijonte një plazmë që do të lëshonte fotone të ngarkuara që do të përplaseshin me elektronet në një material tjetër dhe do të shkaktonin emetimin e rrezeve X. U provuan disa instalime, por në fund manipulimi i joneve doli të ishte zgjidhja më e mirë. Plazma i largoi elektronet derisa mbetën vetëm 10 të brendshme, ku fotonet më pas i ngarkuan ato deri në gjendjen 3p, duke lëshuar kështu rrezen "e butë". Një eksperiment më 13 korrik 1984 vërtetoi se kjo ishte më shumë se teori kur një spektrometër mati emetimet e forta në 20.6 dhe 20.9 nanometra selen (një jon i ngjashëm me neonin). Pastaj u shfaq lazeri i parë laboratorik (jo ushtarak) me rreze X me emrin Novette.
Fati i Novette
Ky lazer u projektua nga Jim Dunn dhe kishte aspekte fizike të verifikuara nga Al Osterheld dhe Slava Shlyaptsev. Përdorimi i shpejtëpulsi (afër nanosekondi) i dritës me energji të lartë që ngarkoi grimcat për të lëshuar rreze X, Novett përdori gjithashtu përforcues xhami, të cilët përmirësojnë efikasitetin, por gjithashtu nxehen shpejt, që do të thotë se mund të funksionojë vetëm 6 herë në ditë midis ftohjeve. Por disa punë kanë treguar se mund të ndezë një puls pikosekondi ndërsa kompresimi kthehet në një puls nanosekonda. Përndryshe, amplifikuesi i xhamit do të shkatërrohet. Është e rëndësishme të theksohet se Novette dhe lazerët e tjerë "desktop" me rreze X prodhojnë rreze "të buta" me rreze X, të cilat kanë një gjatësi vale më të madhe, e cila e pengon rrezen të kalojë nëpër shumë materiale, por jep një pasqyrë të lidhjeve dhe plazmës, pasi ajo shkëlqen lehtësisht përmes tyre.
Përdorime dhe veçori të tjera të funksionimit
Pra, për çfarë mund të përdoret ky lazer? Është vërejtur më parë se një gjatësi vale më e shkurtër mund ta bëjë më të lehtë ekzaminimin e disa materialeve, por ky nuk është i vetmi aplikim. Kur një objektiv goditet nga një impuls, ai thjesht shkatërrohet në grimca atomike dhe temperatura në të njëjtën kohë arrin miliona gradë në vetëm një triliontën e sekondës. Dhe nëse kjo temperaturë është e mjaftueshme, lazeri do të bëjë që elektronet të zhvishen nga brenda. Kjo ndodh sepse niveli më i ulët i orbitaleve të elektroneve nënkupton praninë e të paktën dy elektroneve, të cilat nxirren nga energjia e gjeneruar nga rrezet X.
Koha që i duhet një atomi për tëi ka humbur të gjitha elektronet, është në rendin e disa femtosekondave. Bërthama që rezulton nuk qëndron për një kohë të gjatë dhe kalon me shpejtësi në një gjendje plazmatike të njohur si "materie e dendur e ngrohtë", e cila gjendet kryesisht në reaktorët bërthamorë dhe në bërthamat e planetëve të mëdhenj. Duke eksperimentuar me lazerin, mund të kemi një ide për të dy proceset, të cilat janë forma të ndryshme të shkrirjes bërthamore.
Përdorimi i lazerit me rreze X është vërtet universal. Një veçori tjetër e dobishme e këtyre rrezeve X është përdorimi i tyre me sinkrotrone ose grimca që përshpejtohen përgjatë gjithë rrugës së përshpejtuesit. Bazuar në atë se sa energji duhet për të bërë këtë rrugë, grimcat mund të lëshojnë rrezatim. Për shembull, elektronet, kur ngacmohen, lëshojnë rreze X, të cilat kanë një gjatësi vale sa madhësia e një atomi. Pastaj ne mund të studiojmë vetitë e këtyre atomeve përmes ndërveprimit me rrezet X. Përveç kësaj, ne mund të ndryshojmë energjinë e elektroneve dhe të marrim gjatësi vale të ndryshme të rrezeve X, duke arritur një thellësi më të madhe analize.
Megjithatë, është shumë e vështirë të krijoni një lazer me rreze X me duart tuaja. Struktura e saj është jashtëzakonisht komplekse edhe nga këndvështrimi i fizikantëve me përvojë.
Në biologji
Edhe biologët kanë qenë në gjendje të përfitojnë nga lazerët me rreze x (të pompuara bërthamore). Rrezatimi i tyre mund të ndihmojë në zbulimin e aspekteve të fotosintezës të panjohura më parë për shkencën. Ata kapin ndryshime delikate në gjethet e bimëve. Gjatësitë e gjata të valëve të rrezeve të buta lazer me rreze X ju lejojnë të eksploroni pa shkatërruar gjithçkazhvillohet brenda bimës. Injektori nanokristal aktivizon fotocelën I, çelësi i proteinës për fotosintezën e nevojshme për ta aktivizuar atë. Kjo kapet nga një rreze lazer me rreze X, e cila shkakton kristalin të shpërthejë fjalë për fjalë.
Nëse eksperimentet e mësipërme vazhdojnë të jenë të suksesshme, njerëzit do të jenë në gjendje të zbulojnë misteret e natyrës dhe fotosinteza artificiale mund të bëhet realitet. Gjithashtu do të ngrejë çështjen e mundësisë së përdorimit më efikas të energjisë diellore, duke provokuar shfaqjen e projekteve shkencore për shumë vite në vijim.
Magnet
Po për një magnet elektronik? Shkencëtarët zbuluan se kur ata kishin atome ksenoni dhe molekula të kufizuara nga jodi të goditura nga një rreze X me fuqi të lartë, atomet hodhën elektronet e tyre të brendshme, duke krijuar një zbrazëti midis bërthamës dhe elektroneve më të jashtme. Forcat tërheqëse i vënë këto elektrone në lëvizje. Normalisht kjo nuk duhet të ndodhë, por për shkak të papritur të rënies së elektroneve, ndodh një situatë tepër e "ngarkuar" në nivelin atomik. Shkencëtarët mendojnë se lazeri mund të përdoret në përpunimin e imazhit.
Lazer gjigant me rreze X Xfel
I vendosur në Laboratorin Kombëtar të Përshpejtuesit të SHBA-së, veçanërisht në Linac, ky lazer 3500 këmbë përdor disa pajisje të zgjuara për të goditur objektivat me rreze X të forta. Këtu janë disa nga përbërësit e një prej lazerëve më të fuqishëm (shkurtesat dhe anglicizmat janë përbërësit e mekanizmit):
- Drive Laser - krijonnjë impuls ultravjollcë që heq elektronet nga katoda. Emeton elektrone deri në një nivel energjie prej 12 miliardë eW duke manipuluar fushën elektrike. Ekziston gjithashtu një përshpejtues në formë S brenda lëvizjes i quajtur Kompresori Bunch 1.
- Compressor Bunch 2 - i njëjti koncept si Bunch 1, por strukturë më e gjatë në formë S, e rritur për shkak të energjive më të larta.
- Salla e Transportit - ju lejon të siguroheni që elektronet janë të përshtatshme për fokusimin e pulseve duke përdorur fusha magnetike.
- Salla e undulatorit - Përbëhet nga magnet që bëjnë që elektronet të lëvizin përpara dhe mbrapa, duke gjeneruar kështu rreze x me energji të lartë.
- Beam Dump është një magnet që heq elektronet, por lejon rrezet X të kalojnë pa lëvizur.
- LCLS Experimental Station është një dhomë e veçantë në të cilën është fiksuar lazeri dhe që është hapësira kryesore për eksperimentet që lidhen me të. Rrezet e gjeneruara nga kjo pajisje krijojnë 120 impulse në sekondë, me çdo puls që zgjat 1/10000000000 e sekondës.
- Medium i shkarkimit të plazmës kapilar. Në këtë konfigurim, një kapilar disa centimetra i gjatë, i bërë nga një material i qëndrueshëm (p.sh. alumini), kufizon një puls elektrik me precizion të lartë, nën mikrosekondë në një gaz me presion të ulët. Forca e Lorencit shkakton ngjeshje të mëtejshme të shkarkimit të plazmës. Përveç kësaj, shpesh përdoret një impuls elektrik ose optik i para-jonizimit. Një shembull është një lazer kapilar Ar8 + i ngjashëm me neoni (i cili gjeneron rrezatim në 47nm).
- Medium i synuar i një pllake të fortë - pasi goditet nga një puls optik, objektivi lëshon një plazmë shumë të ngacmuar. Përsëri, një "prepuls" më i gjatë përdoret shpesh për të krijuar plazmën dhe një puls i dytë, më i shkurtër dhe më energjik përdoret për të ngrohur më tej plazmën. Për jetëgjatësi të shkurtër, mund të kërkohet një ndryshim i momentit. Gradienti i indeksit të thyerjes së plazmës bën që pulsi i përforcuar të përkulet nga sipërfaqja e synuar, pasi në frekuencat mbi rezonancën indeksi i thyerjes zvogëlohet me densitetin e lëndës. Kjo mund të kompensohet duke përdorur objektiva të shumtë në një shpërthim, si në lazerin evropian të elektroneve pa rreze X.
- Plazma e ngacmuar nga një fushë optike - në densitet optike mjaft të larta për të tuneluar në mënyrë efektive elektronet apo edhe për të shtypur një pengesë potenciale (> 1016 W / cm2), është e mundur të jonizohet fuqishëm një gaz pa kontakt me një kapilar ose objektiv. Zakonisht një cilësim kolinear përdoret për të sinkronizuar pulset.
Në përgjithësi, struktura e këtij mekanizmi është e ngjashme me lazerin evropian të elektroneve pa rreze X.
