Nguyên lý hoạt động của tia laser tia X là gì? Do độ lợi cao trong môi trường tạo, thời gian sống ở trạng thái trên ngắn (1-100 ps) và các vấn đề liên quan đến việc xây dựng gương có thể phản xạ chùm tia, các tia laser này thường hoạt động mà không cần gương. Chùm tia X được tạo ra bởi một lần truyền qua môi trường khuếch đại. Bức xạ phát ra dựa trên chùm tia tự phát được khuếch đại có tính liên kết không gian tương đối thấp. Đọc đến cuối bài báo và bạn sẽ hiểu rằng đây là tia X laser. Thiết bị này rất thiết thực và có cấu trúc độc đáo.
Nhân trong cấu trúc cơ chế
Vì sự chuyển tiếp laser thông thường giữa trạng thái nhìn thấy và điện tử hoặc trạng thái dao động tương ứng với năng lượng lên đến 10 eV, nên cần có các phương tiện hoạt động khác nhau cho laser tia X. Một lần nữa, các hạt nhân tích điện hoạt động khác nhau có thể được sử dụng cho việc này.
Vũ khí
Từ năm 1978 đến năm 1988 trong dự án ExcaliburQuân đội Mỹ đã cố gắng phát triển tia laser tia X có chất nổ hạt nhân để phòng thủ tên lửa như một phần của Sáng kiến Phòng thủ Chiến lược Chiến tranh giữa các vì sao (SDI). Tuy nhiên, dự án trở nên quá đắt đỏ, kéo dài và cuối cùng bị gác lại.
Phương tiện plasma bên trong laser
Phương tiện được sử dụng phổ biến nhất bao gồm plasma ion hóa cao được tạo ra trong quá trình phóng điện mao dẫn hoặc khi xung quang học hội tụ tuyến tính chạm vào mục tiêu rắn. Theo phương trình ion hóa Saha, cấu hình electron ổn định nhất là neon, với 10 electron còn lại, và giống niken, với 28 electron. Sự chuyển đổi electron trong các plasmas bị ion hóa cao thường tương ứng với năng lượng theo thứ tự hàng trăm electron vôn (eV).
Một phương tiện khuếch đại thay thế là chùm điện tử tương đối tính của laser điện tử tự do tia X, sử dụng sự tán xạ Compton kích thích thay vì bức xạ tiêu chuẩn.
Đơn
Các ứng dụng tia X kết hợp bao gồm chụp ảnh nhiễu xạ kết hợp, plasma đậm đặc (bức xạ mờ đục đến nhìn thấy được), kính hiển vi tia X, hình ảnh y tế phân giải theo pha, kiểm tra bề mặt vật liệu và vũ khí hóa.
Phiên bản nhẹ hơn của tia laser có thể được sử dụng cho chuyển động của tia laser cắt bỏ.
Laser tia X: cách thức hoạt động
Laser hoạt động như thế nào? Do thực tế là photonchạm vào một nguyên tử với một năng lượng nhất định, bạn có thể làm cho nguyên tử phát ra một photon với năng lượng đó trong một quá trình gọi là phát xạ kích thích. Bằng cách lặp lại quá trình này trên quy mô lớn, bạn sẽ nhận được một phản ứng dây chuyền tạo ra tia laser. Tuy nhiên, một số nút thắt lượng tử khiến quá trình này dừng lại, vì một photon đôi khi bị hấp thụ mà không được phát ra. Nhưng để đảm bảo cơ hội tối đa, mức năng lượng photon được tăng lên và gương được đặt song song với đường đi của ánh sáng để giúp các photon bị tán xạ hoạt động trở lại. Và ở năng lượng cao của tia X, người ta tìm thấy các định luật vật lý đặc biệt vốn có trong hiện tượng cụ thể này.
Lịch sử
Vào đầu những năm 1970, tia laser tia X dường như nằm ngoài tầm với, vì hầu hết các tia laser trong ngày đều đạt cực đại ở 110 nm, thấp hơn nhiều so với tia X lớn nhất. Điều này là do lượng năng lượng cần thiết để tạo ra vật liệu được kích thích quá cao nên nó phải được phân phối dưới dạng xung nhanh, làm phức tạp thêm hệ số phản xạ cần thiết để tạo ra một tia laser mạnh mẽ. Do đó, các nhà khoa học đã xem xét plasma, vì nó trông giống như một môi trường dẫn điện tốt. Một nhóm các nhà khoa học vào năm 1972 tuyên bố cuối cùng họ đã đạt được việc sử dụng plasma trong việc tạo ra tia laser, nhưng khi họ cố gắng tái tạo kết quả trước đó của mình, họ đã thất bại vì một lý do nào đó.
Vào những năm 1980, một cầu thủ lớn trên thế giới đã tham gia nhóm nghiên cứuKhoa học - Livermore. Trong khi đó, các nhà khoa học đã đạt được những bước tiến nhỏ nhưng quan trọng trong nhiều năm, nhưng sau khi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) ngừng trả tiền cho nghiên cứu tia X, Livermore đã trở thành trưởng nhóm khoa học. Ông đã dẫn đầu sự phát triển của một số loại laser, bao gồm cả những loại dựa trên phản ứng nhiệt hạch. Chương trình vũ khí hạt nhân của họ rất hứa hẹn, bởi vì các chỉ số năng lượng cao mà các nhà khoa học đạt được trong chương trình này gợi ý về khả năng tạo ra một cơ chế xung chất lượng cao sẽ hữu ích trong việc chế tạo laser điện tử không tia X.
Dự án đang dần hoàn thiện. Các nhà khoa học George Chaplin và Lowell Wood lần đầu tiên khám phá công nghệ nhiệt hạch cho tia laser tia X vào những năm 1970 và sau đó chuyển sang phương án hạt nhân. Họ cùng nhau phát triển một cơ chế như vậy và sẵn sàng thử nghiệm vào ngày 13 tháng 9 năm 1978, nhưng sự cố thiết bị đã cắt ngắn nó. Nhưng có lẽ đó là điều tốt nhất. Peter Hagelstein đã tạo ra một cách tiếp cận khác sau khi nghiên cứu cơ chế trước đó, và vào ngày 14 tháng 11 năm 1980, hai thí nghiệm đã chứng minh rằng nguyên mẫu laser tia X hoạt động.
Dự án Chiến tranh giữa các vì sao
Rất nhanh chóng, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ bắt đầu quan tâm đến dự án. Đúng vậy, sử dụng sức mạnh của vũ khí hạt nhân trong chùm tia hội tụ là quá nguy hiểm, nhưng sức mạnh đó có thể được sử dụng để tiêu diệt tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM) trên không. Sẽ thuận tiện nhất nếu sử dụng một cơ chế tương tự trên Trái đất gầnquỹ đạo. Cả thế giới đều biết đến chương trình mang tên Chiến tranh giữa các vì sao này. Tuy nhiên, dự án sử dụng tia X laser làm vũ khí đã không bao giờ thành hiện thực.
Số ra ngày 23 tháng 2 năm 1981 của Tuần san Hàng không và Kỹ thuật Không gian báo cáo kết quả của các thử nghiệm đầu tiên của dự án, bao gồm một chùm tia laze đạt 1,4 nanomet và bắn trúng 50 mục tiêu khác nhau.
Thử nghiệm ngày 26 tháng 3 năm 1983 không mang lại kết quả gì do lỗi cảm biến. Tuy nhiên, các thử nghiệm sau đây vào ngày 16 tháng 12 năm 1983 đã chứng minh khả năng thực sự của nó.
Số phận xa hơn của dự án
Hagelstein đã hình dung ra một quy trình gồm hai bước, trong đó tia laser sẽ tạo ra plasma giải phóng các photon tích điện sẽ va chạm với các electron trong một vật liệu khác và gây ra tia X. Một số thiết lập đã được thử, nhưng cuối cùng thì thao tác ion được chứng minh là giải pháp tốt nhất. Plasma đã loại bỏ các electron cho đến khi chỉ còn lại 10 electron bên trong, nơi các photon sau đó tích điện chúng lên trạng thái 3p, do đó giải phóng chùm tia "mềm". Một thí nghiệm vào ngày 13 tháng 7 năm 1984 đã chứng minh rằng điều này còn hơn lý thuyết khi một máy quang phổ đo được sự phát xạ mạnh ở 20,6 và 20,9 nanomet của selen (một ion giống neon). Sau đó, tia laser tia X trong phòng thí nghiệm đầu tiên (không phải quân sự) xuất hiện với tên là Novette.
Số phận của Novette
Tia laser này được thiết kế bởi Jim Dunn và có các khía cạnh vật lý được xác minh bởi Al Osterheld và Slava Shlyaptsev. Sử dụng nhanh chóngXung (gần nano giây) của ánh sáng năng lượng cao tích điện các hạt để giải phóng tia X, Novett cũng sử dụng bộ khuếch đại thủy tinh, giúp cải thiện hiệu suất nhưng cũng nóng lên nhanh chóng, có nghĩa là nó chỉ có thể chạy 6 lần một ngày giữa các thời gian hồi chiêu. Nhưng một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nó có thể kích hoạt một xung pico giây trong khi quá trình nén trở lại thành xung nano giây. Nếu không, bộ khuếch đại thủy tinh sẽ bị phá hủy. Điều quan trọng cần lưu ý là Novette và các loại laser tia X "để bàn" khác tạo ra chùm tia X "mềm", có bước sóng dài hơn, ngăn chặn chùm tia đi qua nhiều vật liệu, nhưng cung cấp cái nhìn sâu sắc về hợp kim và plasma, vì nó dễ dàng chiếu qua họ.
Công dụng và tính năng khác của hoạt động
Vậy tia laser này có thể được sử dụng để làm gì? Trước đây người ta đã lưu ý rằng bước sóng ngắn hơn có thể giúp kiểm tra một số vật liệu dễ dàng hơn, nhưng đây không phải là ứng dụng duy nhất. Khi một mục tiêu bị trúng một xung lực, nó chỉ đơn giản là bị phá hủy thành các hạt nguyên tử, và nhiệt độ đồng thời lên tới hàng triệu độ chỉ trong một phần nghìn tỷ giây. Và nếu nhiệt độ này đủ, tia laser sẽ khiến các electron bị bong ra từ bên trong. Điều này là do cấp độ thấp nhất của obitan electron ngụ ý sự hiện diện của ít nhất hai electron, được phóng ra từ năng lượng do tia X. tạo ra.
Thời gian cần thiết để một nguyên tửđã mất tất cả các electron của nó, theo thứ tự vài femto giây. Phần lõi thu được không tồn tại lâu và chuyển đổi nhanh chóng sang trạng thái plasma được gọi là "vật chất đặc ấm", phần lớn được tìm thấy trong các lò phản ứng hạt nhân và lõi của các hành tinh lớn. Bằng cách thử nghiệm với tia laser, chúng ta có thể biết được cả hai quá trình, là các dạng phản ứng tổng hợp hạt nhân khác nhau.
Việc sử dụng tia laser tia X thực sự phổ biến. Một tính năng hữu ích khác của những tia X này là việc sử dụng chúng với các Sy tử hoặc các hạt gia tốc dọc theo toàn bộ đường đi của máy gia tốc. Dựa trên lượng năng lượng cần thiết để tạo ra con đường này, các hạt có thể phát ra bức xạ. Ví dụ, các electron, khi bị kích thích, phát ra tia X, có bước sóng bằng kích thước của nguyên tử. Sau đó, chúng ta có thể nghiên cứu các đặc tính của những nguyên tử này thông qua tương tác với tia X. Ngoài ra, chúng ta có thể thay đổi năng lượng của các electron và thu được các bước sóng khác nhau của tia X, giúp đạt được độ sâu phân tích lớn hơn.
Tuy nhiên, rất khó để tạo ra tia laser tia X bằng tay của chính bạn. Cấu trúc của nó cực kỳ phức tạp ngay cả theo quan điểm của các nhà vật lý giàu kinh nghiệm.
Trong sinh học
Ngay cả các nhà sinh vật học cũng có thể thu được lợi ích từ tia laser tia X (được bơm hạt nhân). Bức xạ của chúng có thể giúp tiết lộ các khía cạnh của quá trình quang hợp mà trước đây khoa học chưa biết đến. Họ nắm bắt những thay đổi tinh tế trong lá thực vật. Bước sóng dài của chùm tia laser tia X mềm cho phép bạn khám phá mà không phá hủy mọi thứdiễn ra bên trong nhà máy. Kim phun tinh thể nano kích hoạt tế bào quang I, chìa khóa protein cho quá trình quang hợp cần thiết để kích hoạt nó. Điều này bị chặn bởi một chùm tia X laser, khiến tinh thể phát nổ theo đúng nghĩa đen.
Nếu những thí nghiệm trên tiếp tục thành công, con người sẽ có thể làm sáng tỏ những bí ẩn của tự nhiên, và quá trình quang hợp nhân tạo có thể trở thành hiện thực. Nó cũng sẽ đặt ra câu hỏi về khả năng sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn, thúc đẩy sự xuất hiện của các dự án khoa học trong nhiều năm tới.
Nam châm
Còn nam châm điện tử thì sao? Các nhà khoa học phát hiện ra rằng khi các nguyên tử xenon và các phân tử giới hạn iốt bị tia X công suất cao va chạm, các nguyên tử đã ném ra các điện tử bên trong của chúng, tạo ra khoảng trống giữa hạt nhân và các điện tử ngoài cùng. Lực hút đặt các electron này chuyển động. Thông thường điều này sẽ không xảy ra, nhưng do sự rơi đột ngột của các electron, một tình huống "tích điện" quá mức xảy ra ở cấp độ nguyên tử. Các nhà khoa học nghĩ rằng tia laser có thể được sử dụng trong xử lý hình ảnh.
Tia laser tia X khổng lồ Xfel
Được tổ chức tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Hoa Kỳ, đặc biệt là tại linac, tia laser dài 3.500 foot này sử dụng một số thiết bị khéo léo để đánh trúng mục tiêu bằng tia X cứng. Dưới đây là một số thành phần của một trong những tia laser mạnh nhất (từ viết tắt và anglicisms là viết tắt của các thành phần của cơ chế):
- Drive Laser - tạomột xung tử ngoại loại bỏ các electron khỏi catốt. Phát ra các electron lên tới mức năng lượng 12 tỷ eW bằng cách tác động vào điện trường. Ngoài ra còn có một máy gia tốc hình chữ S bên trong bộ chuyển động được gọi là Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - khái niệm tương tự như Bunch 1 nhưng cấu trúc hình chữ S dài hơn, tăng lên do năng lượng cao hơn.
- Hội trường Vận chuyển - cho phép bạn đảm bảo rằng các điện tử phù hợp để hội tụ các xung sử dụng từ trường.
- Undulator Hall - Bao gồm các nam châm khiến các electron chuyển động qua lại, do đó tạo ra tia X năng lượng cao.
- Beam Dump là một nam châm loại bỏ các electron nhưng cho tia X xuyên qua mà không di chuyển.
- LCLS là một buồng đặc biệt, trong đó tia laser được cố định và là không gian chính cho các thí nghiệm liên quan đến nó. Các chùm do thiết bị này tạo ra tạo ra 120 xung mỗi giây, với mỗi xung kéo dài 1/10000000000 giây.
- Môi trường thải huyết tương mao mạch. Trong thiết lập này, một ống mao dẫn dài vài cm, được làm bằng vật liệu ổn định (ví dụ như alumin), giới hạn xung điện có độ chính xác cao, dưới micro giây trong khí áp suất thấp. Lực Lorentz gây ra sự nén tiếp tục phóng điện plasma. Ngoài ra, một xung điện hoặc quang học tiền ion hóa thường được sử dụng. Một ví dụ là laser Ar8 + giống neon mao quản (tạo ra bức xạ ở 47nm).
- Phương tiện mục tiêu của một phiến đá rắn - sau khi bị đánh bởi một xung quang, mục tiêu phát ra một plasma kích thích cao. Một lần nữa, "preulse" dài hơn thường được sử dụng để tạo ra plasma, và xung thứ hai, ngắn hơn và năng lượng hơn được sử dụng để làm nóng plasma hơn nữa. Đối với thời gian tồn tại ngắn, có thể cần phải thay đổi động lượng. Gradient chiết suất của plasma làm cho xung khuếch đại bị bẻ cong ra khỏi bề mặt mục tiêu, vì ở các tần số trên cộng hưởng, chiết suất giảm theo mật độ của vật chất. Điều này có thể được bù đắp bằng cách sử dụng nhiều mục tiêu cùng lúc, như trong laser electron tự do tia X của Châu Âu.
- Plasma bị kích thích bởi trường quang học - ở mật độ quang học đủ cao để tạo đường hầm hiệu quả cho các điện tử hoặc thậm chí để triệt tiêu một rào cản tiềm năng (> 1016 W / cm2), có thể ion hóa mạnh một chất khí mà không cần tiếp xúc với ống mao dẫn hoặc Mục tiêu. Thông thường, một cài đặt thẳng hàng được sử dụng để đồng bộ hóa các xung.
Trạm Thí nghiệm
Nói chung, cấu trúc của cơ chế này tương tự như laser electron tự do tia X của Châu Âu.
