Wat is het werkingsprincipe van röntgenlaser? Vanwege de hoge winst in het generatiemedium, de korte levensduur van de bovenste toestand (1-100 ps) en de problemen die gepaard gaan met het bouwen van spiegels die de bundels kunnen reflecteren, werken deze lasers meestal zonder spiegels. De röntgenstraal wordt gegenereerd door een enkele doorgang door het versterkingsmedium. De uitgezonden straling op basis van de versterkte spontane bundel heeft een relatief lage ruimtelijke coherentie. Lees het artikel tot het einde en je zult begrijpen dat dit een röntgenlaser is. Dit apparaat is zeer praktisch en uniek in zijn structuur.
Kernels in de mechanismestructuur
Aangezien conventionele laserovergangen tussen zichtbare en elektronische of trillingstoestanden overeenkomen met energieën tot 10 eV, zijn verschillende actieve media nodig voor röntgenlasers. Wederom kunnen hiervoor verschillende actief geladen kernen worden gebruikt.
Wapens
Tussen 1978 en 1988 in het Excalibur-projectHet Amerikaanse leger probeerde een nucleaire explosieve röntgenlaser te ontwikkelen voor raketverdediging als onderdeel van het Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Het project bleek echter te duur, sleepte zich voort en werd uiteindelijk opgeschort.
Plasmamedia in een laser
De meest gebruikte media zijn onder meer sterk geïoniseerd plasma dat ontstaat in een capillaire ontlading of wanneer een lineair gefocusseerde optische puls een vast doelwit raakt. Volgens de Saha-ionisatievergelijking zijn de meest stabiele elektronenconfiguraties neon, met 10 resterende elektronen, en nikkelachtig, met 28 elektronen. Elektronenovergangen in sterk geïoniseerde plasma's komen typisch overeen met energieën in de orde van honderden elektronvolt (eV).
Een alternatief versterkingsmedium is de relativistische elektronenbundel van een röntgenvrije elektronenlaser, die gestimuleerde Compton-verstrooiing gebruikt in plaats van standaardstraling.
Toepassing
Coherente röntgentoepassingen omvatten coherente diffractiebeeldvorming, dicht plasma (ondoorzichtig voor zichtbare straling), röntgenmicroscopie, fase-opgeloste medische beeldvorming, onderzoek van het materiaaloppervlak en bewapening.
Een lichtere versie van de laser kan worden gebruikt voor ablatieve laserbewegingen.
Röntgenlaser: hoe het werkt
Hoe werken lasers? Doordat het fotoneen atoom raakt met een bepaalde energie, kun je het atoom een foton laten uitzenden met die energie in een proces dat gestimuleerde emissie wordt genoemd. Door dit proces op grote schaal te herhalen, krijg je een kettingreactie die resulteert in een laser. Sommige kwantumknopen zorgen er echter voor dat dit proces stopt, omdat een foton soms wordt geabsorbeerd zonder helemaal te worden uitgezonden. Maar om maximale kansen te garanderen, worden de fotonenenergieniveaus verhoogd en worden spiegels parallel aan het lichtpad geplaatst om de verstrooide fotonen weer in het spel te brengen. En bij hoge energieën van röntgenstralen worden speciale natuurkundige wetten gevonden die inherent zijn aan dit specifieke fenomeen.
Geschiedenis
In het begin van de jaren zeventig leek de röntgenlaser onbereikbaar, aangezien de meeste lasers van de dag een piek bereikten bij 110 nm, ruim onder de grootste röntgenstralen. Dit kwam omdat de hoeveelheid energie die nodig was om het gestimuleerde materiaal te produceren zo hoog was dat het in een snelle puls moest worden afgegeven, wat de reflectiviteit die nodig was om een krachtige laser te creëren nog ingewikkelder maakte. Daarom keken wetenschappers naar het plasma, omdat het eruitzag als een goed geleidend medium. Een team van wetenschappers beweerde in 1972 dat ze eindelijk het gebruik van plasma hadden bereikt bij het maken van lasers, maar toen ze probeerden hun eerdere resultaten te reproduceren, faalden ze om de een of andere reden.
In de jaren tachtig voegde een grote speler van de wereld zich bij het onderzoeksteamWetenschap - Livermore. Wetenschappers hebben ondertussen al jaren kleine maar belangrijke stappen gezet, maar nadat de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) stopte met betalen voor röntgenonderzoek, werd Livermore de leider van het wetenschappelijke team. Hij leidde de ontwikkeling van verschillende soorten lasers, waaronder die op basis van fusie. Hun kernwapenprogramma was veelbelovend, omdat de hoge energie-indicatoren die wetenschappers tijdens dit programma bereikten, duidden op de mogelijkheid om een hoogwaardig gepulseerd mechanisme te creëren dat nuttig zou zijn bij de constructie van een röntgenvrije elektronenlaser.
Het project naderde stilaan zijn voltooiing. Wetenschappers George Chaplin en Lowell Wood verkenden in de jaren zeventig voor het eerst fusietechnologie voor röntgenlasers en schakelden vervolgens over op een nucleaire optie. Samen ontwikkelden ze zo'n mechanisme en waren klaar om getest te worden op 13 september 1978, maar door een defect aan de apparatuur kwam het er niet op. Maar misschien was het maar het beste. Peter Hagelstein bedacht een andere benadering na bestudering van het vorige mechanisme, en op 14 november 1980 bewezen twee experimenten dat het prototype röntgenlaser werkte.
Star Wars-project
Al snel raakte het Amerikaanse ministerie van Defensie geïnteresseerd in het project. Ja, het gebruik van de kracht van een kernwapen in een gerichte straal is te gevaarlijk, maar die kracht zou kunnen worden gebruikt om intercontinentale ballistische raketten (ICBM's) in de lucht te vernietigen. Het zou het handigst zijn om een soortgelijk mechanisme te gebruiken in de buurt van de aardebaan. De hele wereld kent dit programma genaamd Star Wars. Het project om de röntgenlaser als wapen te gebruiken kwam echter nooit tot wasdom.
Het nummer van Aviation Week and Space Engineering van 23 februari 1981 rapporteert de resultaten van de eerste tests van het project, waaronder een laserstraal die 1,4 nanometer bereikte en 50 verschillende doelen trof.
Tests van 26 maart 1983 leverden niets op door sensorstoring. De volgende tests op 16 december 1983 toonden echter zijn ware mogelijkheden aan.
Verder lot van het project
Hagelstein stelde zich een proces in twee stappen voor waarin een laser een plasma zou creëren dat geladen fotonen zou vrijgeven die zouden botsen met elektronen in een ander materiaal en ervoor zouden zorgen dat röntgenstralen worden uitgezonden. Er werden verschillende opstellingen uitgeprobeerd, maar uiteindelijk bleek ionenmanipulatie de beste oplossing. Het plasma verwijderde de elektronen totdat er nog maar 10 binnenste over waren, waar de fotonen ze vervolgens oplaadden tot de 3p-toestand, waardoor de "zachte" straal vrijkwam. Een experiment op 13 juli 1984 bewees dat dit meer was dan theorie toen een spectrometer sterke emissies mat bij 20,6 en 20,9 nanometer selenium (een neonachtig ion). Toen verscheen de eerste laboratorium (niet militaire) röntgenlaser met de naam Novette.
Het lot van Novette
Deze laser is ontworpen door Jim Dunn en de fysieke aspecten zijn geverifieerd door Al Osterheld en Slava Shlyaptsev. Snel gebruiken(bijna nanoseconde) puls van hoogenergetisch licht dat de deeltjes laadde om röntgenstralen vrij te geven, Novett gebruikte ook glazen versterkers, die de efficiëntie verbeteren maar ook snel opwarmen, wat betekent dat het maar 6 keer per dag tussen de afkoelingen kan draaien. Maar wat werk heeft aangetoond dat het een picoseconde puls kan afvuren terwijl de compressie terugkeert naar een nanoseconde puls. Anders wordt de glazen versterker vernietigd. Het is belangrijk op te merken dat Novette en andere "desktop" röntgenlasers "zachte" röntgenstralen produceren, die een langere golflengte hebben, waardoor de straal niet door veel materialen gaat, maar geeft inzicht in legeringen en plasma, aangezien het schijnt er gemakkelijk doorheen.
Andere toepassingen en functies van de bediening
Dus waar kan deze laser voor worden gebruikt? Eerder is opgemerkt dat een kortere golflengte het onderzoeken van sommige materialen kan vergemakkelijken, maar dit is niet de enige toepassing. Wanneer een doel wordt geraakt door een impuls, wordt het eenvoudig vernietigd in atomaire deeltjes, en de temperatuur bereikt tegelijkertijd miljoenen graden in slechts een biljoenste van een seconde. En als deze temperatuur voldoende is, zal de laser ervoor zorgen dat de elektronen van binnenuit afpellen. Dit komt omdat het laagste niveau van elektronenorbitalen de aanwezigheid van ten minste twee elektronen impliceert, die worden uitgestoten door de energie die wordt gegenereerd door röntgenstralen.
De tijd die een atoom nodig heeft omal zijn elektronen heeft verloren, ligt in de orde van enkele femtoseconden. De resulterende kern blijft niet lang hangen en gaat snel over in een plasmatoestand die bekend staat als "warme dichte materie", die meestal wordt aangetroffen in kernreactoren en de kernen van grote planeten. Door te experimenteren met de laser kunnen we een idee krijgen van beide processen, dat zijn verschillende vormen van kernfusie.
Het gebruik van de röntgenlaser is echt universeel. Een ander nuttig kenmerk van deze röntgenstralen is het gebruik ervan met synchrotrons of deeltjes die versnellen langs het hele pad van de versneller. Op basis van hoeveel energie het kost om dit pad te maken, kunnen de deeltjes straling uitzenden. Elektronen, bijvoorbeeld, zenden, wanneer ze worden geëxciteerd, röntgenstralen uit met een golflengte van ongeveer de grootte van een atoom. Dan zouden we de eigenschappen van deze atomen kunnen bestuderen door interactie met röntgenstraling. Bovendien kunnen we de energie van de elektronen veranderen en verschillende golflengten van röntgenstralen verkrijgen, waardoor een grotere analysediepte wordt bereikt.
Het is echter erg moeilijk om met uw eigen handen een röntgenlaser te maken. De structuur is extreem complex, zelfs vanuit het oogpunt van ervaren natuurkundigen.
In de biologie
Zelfs biologen hebben kunnen profiteren van röntgenlasers (nucleair gepompt). Hun straling kan helpen om aspecten van fotosynthese te onthullen die voorheen onbekend waren voor de wetenschap. Ze vangen subtiele veranderingen in plantenbladeren op. Lange golflengten van zachte röntgenlaserstralen stellen je in staat om te verkennen zonder alles te vernietigen datvindt plaats in de plant. De nanokristalinjector activeert fotocel I, de eiwitsleutel tot fotosynthese die nodig is om deze te activeren. Dit wordt onderschept door een laserstraal van röntgenstralen, waardoor het kristal letterlijk explodeert.
Als de bovenstaande experimenten succesvol blijven, zullen mensen de mysteries van de natuur kunnen ontrafelen en kan kunstmatige fotosynthese werkelijkheid worden. Het zal ook de vraag doen rijzen naar de mogelijkheid van een efficiënter gebruik van zonne-energie, wat de opkomst van wetenschappelijke projecten voor de komende jaren zal uitlokken.
Magneten
Wat dacht je van een elektronische magneet? De wetenschappers ontdekten dat wanneer ze xenon-atomen en jodiumbeperkte moleculen hadden die werden geraakt door een krachtige röntgenstraal, de atomen hun binnenste elektronen afwierpen, waardoor een leegte ontstond tussen de kern en de buitenste elektronen. Aantrekkingskrachten zetten deze elektronen in beweging. Normaal gesproken zou dit niet moeten gebeuren, maar door het plotselinge vallen van elektronen ontstaat er een te "geladen" situatie op atomair niveau. Wetenschappers denken dat de laser kan worden gebruikt bij beeldverwerking.
Giant X-ray laser Xfel
Gehost in het Amerikaanse National Accelerator Laboratory, met name in de linac, gebruikt deze laser van 3.500 voet verschillende ingenieuze apparaten om doelen te raken met harde röntgenstralen. Hier zijn enkele van de componenten van een van de krachtigste lasers (afkortingen en anglicismen staan voor de componenten van het mechanisme):
- Drive Laser - creëerteen ultraviolette puls die elektronen van de kathode verwijdert. Zendt elektronen uit tot een energieniveau van 12 miljard eW door het elektrische veld te manipuleren. Er is ook een S-vormige versneller in de beweging genaamd Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - hetzelfde concept als Bunch 1 maar langere S-vormige structuur, verhoogd door hogere energieën.
- Transporthal - hiermee kunt u ervoor zorgen dat de elektronen geschikt zijn voor het focusseren van pulsen met behulp van magnetische velden.
- Undulator Hall - Bestaat uit magneten die ervoor zorgen dat elektronen heen en weer bewegen, waardoor röntgenstralen met hoge energie worden gegenereerd.
- Beam Dump is een magneet die elektronen verwijdert maar röntgenstralen doorlaat zonder te bewegen.
- LCLS Experimental Station is een speciale kamer waarin de laser is bevestigd en die de belangrijkste ruimte is voor experimenten die ermee verband houden. De stralen die door dit apparaat worden gegenereerd, creëren 120 pulsen per seconde, waarbij elke puls 1/10000000000 van een seconde duurt.
- Capillair plasma-ontladingsmedium. In deze opstelling begrenst een capillair van enkele centimeters lang, gemaakt van een stabiel materiaal (bijv. aluminiumoxide), een zeer nauwkeurige elektrische puls van minder dan een microseconde in een lagedrukgas. De Lorentzkracht zorgt voor verdere compressie van de plasmaontlading. Daarnaast wordt vaak een pre-ionisatie elektrische of optische puls gebruikt. Een voorbeeld is een capillaire neonachtige Ar8+ laser (die straling genereert bij 47nm).
- Doelmedium van een massieve plaat - nadat het is geraakt door een optische puls, zendt het doelwit een zeer opgewonden plasma uit. Nogmaals, er wordt vaak een langere "prepuls" gebruikt om het plasma te creëren, en een tweede, kortere en meer energetische puls wordt gebruikt om het plasma verder te verwarmen. Voor korte levensduur kan een momentumverschuiving nodig zijn. De brekingsindexgradiënt van het plasma zorgt ervoor dat de versterkte puls wegbuigt van het doeloppervlak, aangezien bij frequenties boven de resonantie de brekingsindex afneemt met de dichtheid van de materie. Dit kan worden gecompenseerd door meerdere doelen in een burst te gebruiken, zoals bij de Europese röntgenvrije elektronenlaser.
- Plasma geëxciteerd door een optisch veld - bij optische dichtheden die hoog genoeg zijn om elektronen effectief te tunnelen of zelfs een potentiaalbarrière te onderdrukken (> 1016 W / cm2), is het mogelijk om een gas sterk te ioniseren zonder contact met een capillair of doel. Meestal wordt een collineaire instelling gebruikt om de pulsen te synchroniseren.
Over het algemeen is de structuur van dit mechanisme vergelijkbaar met de Europese röntgenvrije elektronenlaser.
