X-ray lazerin çalışma prensibi nedir? Üretim ortamındaki yüksek kazanç, kısa üst durum ömürleri (1-100 ps) ve ışınları yansıtabilen aynaların yapılmasıyla ilgili problemler nedeniyle, bu lazerler tipik olarak aynasız çalışır. X-ışını ışını, kazanç ortamından tek bir geçişle üretilir. Güçlendirilmiş spontan ışına dayalı yayılan radyasyon, nispeten düşük bir uzaysal tutarlılığa sahiptir. Makaleyi sonuna kadar okuyun ve bunun bir X-ışını lazeri olduğunu anlayacaksınız. Bu cihaz oldukça pratik ve yapısında benzersizdir.
Mekanizma yapısındaki çekirdekler
Görünür ve elektronik veya titreşim durumları arasındaki geleneksel lazer geçişleri 10 eV'ye kadar olan enerjilere karşılık geldiğinden, X-ışını lazerleri için farklı aktif ortamlara ihtiyaç vardır. Yine bunun için çeşitli aktif yüklü çekirdekler kullanılabilir.
Silahlar
1978 ve 1988 yılları arasında Excalibur projesindeABD ordusu, Star Wars Stratejik Savunma Girişimi'nin (SDI) bir parçası olarak füze savunması için nükleer bir patlayıcı X-ışını lazeri geliştirmeye çalıştı. Ancak projenin çok pahalı olduğu ortaya çıktı, sürüklendi ve sonunda rafa kaldırıldı.
Lazer içindeki plazma ortamı
En yaygın olarak kullanılan ortam, bir kılcal deşarjda veya doğrusal olarak odaklanmış bir optik darbe katı bir hedefe çarptığında oluşturulan yüksek oranda iyonize plazmayı içerir. Saha iyonizasyon denklemine göre, en kararlı elektron konfigürasyonları, kalan 10 elektronlu neon ve 28 elektronlu nikel benzeridir. Yüksek düzeyde iyonize olmuş plazmalardaki elektron geçişleri tipik olarak yüzlerce elektron volt (eV) düzeyindeki enerjilere karşılık gelir.
Alternatif bir yükseltme ortamı, standart radyasyon yerine uyarılmış Compton saçılımını kullanan bir X-ışını serbest elektron lazerinin göreli elektron ışınıdır.
Uygulama
Tutarlı X-ışını uygulamaları arasında tutarlı kırınım görüntüleme, yoğun plazma (görünür radyasyona karşı opak), X-ışını mikroskobu, faz çözümlü tıbbi görüntüleme, malzeme yüzey incelemesi ve silahlaştırma bulunur.
Lazerin daha hafif versiyonu, ablatif lazer hareketi için kullanılabilir.
X-ray lazer: nasıl çalışır
Lazerler nasıl çalışır? Foton olduğu içinbelirli bir enerjiyle bir atoma çarparsa, uyarılmış emisyon adı verilen bir süreçte atomun o enerjiyle bir foton yaymasını sağlayabilirsiniz. Bu işlemi büyük ölçekte tekrarlayarak, lazerle sonuçlanan bir zincirleme reaksiyon elde edeceksiniz. Bununla birlikte, bir foton bazen hiç yayılmadan emildiğinden, bazı kuantum düğümleri bu işlemin durmasına neden olur. Ancak maksimum şansı sağlamak için foton enerji seviyeleri artırılır ve saçılan fotonların tekrar devreye girmesine yardımcı olmak için ışık yoluna paralel aynalar yerleştirilir. Ve X-ışınlarının yüksek enerjilerinde, bu özel fenomenin doğasında bulunan özel fiziksel yasalar bulunur.
Tarih
70'lerin başında, X-ışını lazeri erişilemez görünüyordu, çünkü günün çoğu lazeri 110 nm'de en yüksek X-ışınlarının çok altında zirve yaptı. Bunun nedeni, uyarılan materyali üretmek için gereken enerji miktarının o kadar yüksek olmasıydı ki, hızlı bir darbe ile iletilmesi gerekiyordu ve bu da güçlü bir lazer oluşturmak için gereken yansıtmayı daha da karmaşık hale getirdi. Bu nedenle bilim adamları plazmaya baktılar çünkü iyi bir iletken ortam gibi görünüyordu. 1972'de bir bilim adamları ekibi, lazerlerin yaratılmasında nihayet plazma kullanımını başardıklarını iddia ettiler, ancak önceki sonuçlarını yeniden üretmeye çalıştıklarında, bir nedenden dolayı başarısız oldular.
80'lerde dünyanın önemli bir oyuncusu araştırma ekibine katıldıBilim - Karaciğer. Bu arada bilim adamları, yıllardır küçük ama önemli adımlar atıyorlar, ancak Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) X-ışını araştırmaları için ödeme yapmayı bıraktıktan sonra, Livermore bilimsel ekibin lideri oldu. Füzyona dayalı olanlar da dahil olmak üzere çeşitli lazer türlerinin geliştirilmesine öncülük etti. Nükleer silah programları umut vericiydi, çünkü bilim adamlarının bu program sırasında elde ettikleri yüksek enerji göstergeleri, X-ışını içermeyen bir elektron lazerinin yapımında faydalı olacak yüksek kaliteli bir darbeli mekanizma yaratma olasılığını ima etti.
Proje yavaş yavaş tamamlanmaya yaklaşıyordu. Bilim adamları George Chaplin ve Lowell Wood, ilk olarak 1970'lerde X-ışını lazerleri için füzyon teknolojisini keşfettiler ve ardından nükleer bir seçeneğe geçtiler. Birlikte böyle bir mekanizma geliştirdiler ve 13 Eylül 1978'de test için hazırdılar, ancak ekipman arızası onu kısa kesti. Ama belki de en iyisi buydu. Peter Hagelstein, önceki mekanizmayı inceledikten sonra farklı bir yaklaşım yarattı ve 14 Kasım 1980'de iki deney, prototip X-ışını lazerinin işe yaradığını kanıtladı.
Yıldız Savaşları Projesi
Çok yakında ABD Savunma Bakanlığı projeyle ilgilenmeye başladı. Evet, bir nükleer silahın gücünü odaklanmış bir ışında kullanmak çok tehlikelidir, ancak bu güç havadaki kıtalararası balistik füzeleri (ICBM'ler) yok etmek için kullanılabilir. Yakın Dünya'da benzer bir mekanizma kullanmak en uygun olacaktır.yörünge. Star Wars adlı bu programı tüm dünya biliyor. Ancak X-ışını lazerini bir silah olarak kullanma projesi hiçbir zaman gerçekleşmedi.
Aviation Week and Space Engineering'in 23 Şubat 1981 tarihli sayısında, 1.4 nanometreye ulaşan ve 50 farklı hedefi vuran bir lazer ışını da dahil olmak üzere projenin ilk testlerinin sonuçları bildiriliyor.
26 Mart 1983 tarihli testler, sensör arızası nedeniyle hiçbir şey vermedi. Ancak, 16 Aralık 1983'te yapılan aşağıdaki testler gerçek yeteneklerini gösterdi.
Projenin diğer kaderi
Hagelstein, bir lazerin, başka bir malzemedeki elektronlarla çarpışan ve X ışınlarının yayılmasına neden olan yüklü fotonları serbest bırakacak bir plazma oluşturacağı iki aşamalı bir süreç öngördü. Birkaç kurulum denendi, ancak sonunda iyon manipülasyonunun en iyi çözüm olduğu kanıtlandı. Plazma elektronları sadece 10 iç elektron kalana kadar çıkardı, burada fotonlar onları 3p durumuna kadar şarj etti ve böylece "yumuşak" ışını serbest bıraktı. 13 Temmuz 1984'te yapılan bir deney, bir spektrometrenin 20.6 ve 20.9 nanometre selenyumda (neon benzeri bir iyon) güçlü emisyonları ölçtüğünde bunun teoriden daha fazlası olduğunu kanıtladı. Sonra ilk laboratuvar (askeri değil) X-ray lazeri Novette adıyla ortaya çıktı.
Novette'nin kaderi
Bu lazer Jim Dunn tarafından tasarlandı ve fiziksel yönleri Al Osterheld ve Slava Shlyaptsev tarafından doğrulandı. hızlı kullanma(nanosaniyeye yakın) yüksek enerjili ışık darbesi, X-ışınlarını serbest bırakmak için parçacıkları şarj eden Novett ayrıca, verimliliği artıran ancak aynı zamanda hızlı bir şekilde ısınan cam amplifikatörler de kullandı; bu, soğuma süreleri arasında günde yalnızca 6 kez çalışabileceği anlamına geliyor. Ancak bazı çalışmalar, sıkıştırmanın bir nanosaniye darbesine geri dönerken bir pikosaniye darbesi ateşleyebileceğini göstermiştir. Aksi takdirde, cam amplifikatör bozulacaktır. Novette ve diğer "masaüstü" X-ışını lazerlerinin, daha uzun dalga boyuna sahip "yumuşak" X-ışını ışınları ürettiğini belirtmek önemlidir; bu, ışının birçok malzemeden geçmesini engeller, ancak alaşımlar ve plazma hakkında fikir verir. onların arasından kolayca parlar.
İşlemin diğer kullanımları ve özellikleri
Peki bu lazer ne için kullanılabilir? Daha önce daha kısa bir dalga boyunun bazı malzemeleri incelemeyi kolaylaştırabileceği belirtilmişti, ancak bu tek uygulama değil. Bir hedef bir darbe ile vurulduğunda, basitçe atomik parçacıklar halinde yok edilir ve aynı zamanda sıcaklık, saniyenin sadece trilyonda birinde milyonlarca dereceye ulaşır. Ve bu sıcaklık yeterliyse, lazer elektronların içeriden soyulmasına neden olacaktır. Bunun nedeni, elektron orbitallerinin en düşük seviyesinin, X-ışınları tarafından üretilen enerjiden çıkarılan en az iki elektronun varlığını ima etmesidir.
Bir atomuntüm elektronlarını kaybetmiş, birkaç femtosaniye mertebesindedir. Ortaya çıkan çekirdek, uzun süre oyalanmaz ve çoğunlukla nükleer reaktörlerde ve büyük gezegenlerin çekirdeklerinde bulunan "sıcak yoğun madde" olarak bilinen bir plazma durumuna hızla geçiş yapar. Lazerle deneyler yaparak, nükleer füzyonun farklı biçimleri olan her iki süreç hakkında bir fikir edinebiliriz.
X-ray lazerin kullanımı gerçekten evrenseldir. Bu X-ışınlarının bir başka yararlı özelliği, hızlandırıcının tüm yolu boyunca hızlanan senkrotronlar veya parçacıklar ile kullanılmalarıdır. Bu yolu yapmak için ne kadar enerji gerektiğine bağlı olarak, parçacıklar radyasyon yayabilir. Örneğin elektronlar uyarıldığında yaklaşık bir atom boyutunda dalga boyuna sahip X-ışınları yayar. Sonra bu atomların özelliklerini X-ışınları ile etkileşim yoluyla inceleyebiliriz. Ek olarak, elektronların enerjisini değiştirebilir ve daha fazla analiz derinliği elde ederek farklı X-ışınları dalga boylarını elde edebiliriz.
Ancak, kendi ellerinizle bir X-ray lazeri oluşturmak çok zordur. Yapısı, deneyimli fizikçilerin bakış açısından bile son derece karmaşıktır.
Biyolojide
Biyologlar bile x-ışını lazerlerinden (nükleer pompalı) faydalanabildiler. Radyasyonları, daha önce bilim tarafından bilinmeyen fotosentez yönlerini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir. Bitki yapraklarındaki ince değişiklikleri yakalarlar. Yumuşak X-ışını lazer ışınlarının uzun dalga boyları, her şeyi yok etmeden keşfetmenizi sağlar.bitkinin içinde gerçekleşir. Nanokristal enjektör, fotosentezi aktive etmek için gerekli olan protein anahtarı olan fotosel I'i tetikler. Bu, kristalin kelimenin tam anlamıyla patlamasına neden olan bir X-ışınları lazer ışını tarafından engellenir.
Yukarıdaki deneyler başarılı olmaya devam ederse, insanlar doğanın gizemlerini çözebilecek ve yapay fotosentez gerçek olabilir. Ayrıca güneş enerjisinin daha verimli kullanılması ihtimali sorusunu gündeme getirerek, uzun yıllar bilimsel projelerin ortaya çıkmasına neden olacaktır.
Mıknatıslar
Elektronik bir mıknatısa ne dersiniz? Bilim adamları, yüksek güçlü bir X-ışını tarafından vurulan ksenon atomlarına ve iyotla sınırlı moleküllere sahip olduklarında, atomların iç elektronlarını fırlattığını ve çekirdek ile en dıştaki elektronlar arasında bir boşluk oluşturduğunu buldular. Çekici kuvvetler bu elektronları harekete geçirir. Normalde bunun olmaması gerekir, ancak elektronların düşmesinin ani olması nedeniyle atomik düzeyde aşırı "yüklü" bir durum oluşur. Bilim adamları lazerin görüntü işlemede kullanılabileceğini düşünüyor.
Dev X-ray lazer Xfel
ABD Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda, özellikle linac'ta barındırılan bu 3500 fitlik lazer, sert X-ışınları ile hedefleri vurmak için birkaç dahiyane cihaz kullanır. İşte en güçlü lazerlerden birinin bileşenlerinden bazıları (kıs altmalar ve açılar, mekanizmanın bileşenlerini ifade eder):
- Drive Lazer - oluştururkatottan elektronları uzaklaştıran bir ultraviyole darbesi. Elektrik alanını manipüle ederek 12 milyar eW enerji seviyesine kadar elektron yayar. Ayrıca Bunch Compressor 1 adlı mekanizmanın içinde S şeklinde bir hızlandırıcı da bulunuyor.
- Bunch Compressor 2 - Bunch 1 ile aynı konsept ancak daha uzun S-şekilli yapı, daha yüksek enerjiler nedeniyle artırıldı.
- Taşıma Salonu - elektronların manyetik alanlar kullanarak darbeleri odaklamak için uygun olduğundan emin olmanızı sağlar.
- Undulator Hall - Elektronların ileri geri hareket etmesine neden olan ve böylece yüksek enerjili x-ışınları üreten mıknatıslardan oluşur.
- Beam Dump, elektronları uzaklaştıran ancak X ışınlarının hareket etmeden geçmesine izin veren bir mıknatıstır.
- LCLS Deney İstasyonu, lazerin sabitlendiği ve onunla ilgili deneylerin ana alanı olan özel bir odadır. Bu cihaz tarafından üretilen ışınlar saniyede 120 darbe oluşturur ve her darbe 1/10000000000 saniye sürer.
- Kılcal plazma deşarj ortamı. Bu kurulumda, kararlı bir malzemeden (örneğin alümina) yapılmış birkaç santimetre uzunluğunda bir kapiler, düşük basınçlı bir gazda yüksek hassasiyetli, mikrosaniyenin altında bir elektrik darbesini sınırlar. Lorentz kuvveti, plazma deşarjının daha fazla sıkıştırılmasına neden olur. Ek olarak, genellikle bir ön iyonizasyon elektriksel veya optik darbe kullanılır. Bir örnek kılcal neon benzeri Ar8 + lazerdir (47'de radyasyon üretir.nm).
- Katı bir levhanın hedef ortamı - optik bir darbe ile vurulduktan sonra, hedef oldukça uyarılmış bir plazma yayar. Yine, plazmayı oluşturmak için genellikle daha uzun bir "ön itme" kullanılır ve plazmayı daha fazla ısıtmak için ikinci, daha kısa ve daha enerjik bir darbe kullanılır. Kısa ömürler için bir momentum kayması gerekebilir. Plazmanın kırılma indisi gradyanı, güçlendirilmiş darbenin hedef yüzeyden uzaklaşmasına neden olur, çünkü rezonansın üzerindeki frekanslarda kırılma indisi maddenin yoğunluğu ile azalır. Bu, Avrupa X-ışını serbest elektron lazerinde olduğu gibi bir patlamada birden fazla hedef kullanılarak telafi edilebilir.
- Optik alan tarafından uyarılan plazma - elektronları etkili bir şekilde tünellemeye veya hatta potansiyel bir bariyeri (> 1016 W/cm2) bastırmaya yetecek kadar yüksek optik yoğunluklarda, bir gazı bir kılcal damarla temas etmeden güçlü bir şekilde iyonize etmek mümkündür veya hedef. Tipik olarak, darbeleri senkronize etmek için bir doğrusal ayar kullanılır.
Genel olarak, bu mekanizmanın yapısı Avrupa X-ışını serbest elektron lazerine benzer.
