Рентгенівський лазер, Наука, FANDOM powered by Wikia

Рис.1,Отримання рентгенівських лазерних променів‎

Рентгенівський лазерабо вільно-електронний лазер FEL (Від англ.Free electron laser - вільно-електронний лазер) - один з перспективних багатьох лазерів, в основі якого лежить електромагнітне випромінювання, що складається з електромагнітних хвиль, які можуть досягати високої енергії, але використовує різні операційні налаштування для формування променя. На відміну від газових, рідинних або лазерів твердого тіла, типу діодних лазерів, де електрони збуджуються у зв'язаних атомних або молекулярних станах - у FELs (див. рис.1) джерелом випромінювання є пучок вільних електронів, що проходить крізь ряд магнітів, що розташовані спеціальним чином (ондулятор ) і змушує їх рухатися синусоїдальною траєкторією. Розгін електронів до навколосвітніх швидкостей призводить до випромінювання фотонів - синхротронного випромінювання.

Вільно-електронний лазер має найширший частотний діапазон будь-якого лазерного типу, і може бути широко налаштованим. В даний час цей діапазон налаштовується в довжинах хвилі від мікрохвильових печей, із частотою від ІЧ-випромінювання (до видимого спектру, до ультрафіолетового) до Х-випромінювання. Французькі та японські вчені виготовили лазер на вільних електронах із зменшеним розміром та здатного створювати когерентне рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі до 32 нанометрів. [1] [2]

Історія рентгенівського лазера

Рентгенівський лазер із збудженням активного середовища за допомогою енергії ядерного вибуху є на сьогоднішній день одним із найефективніших лазерних пристроїв дискретного застосування. У лазерних рентгенівських мікроскопах генерується лазерний рентгенівський промінь, що забезпечує отримання зображень з роздільною здатністю 1,61мкм.

Але при створенні короткохвильових лазерів потрібно подолати важливі проблеми. Щоб здійснювався ефект посилення електромагнітного випромінювання при його проходженні через активне середовище, необхідно, по-перше, велика кількість збуджених атомів, готових випустити кванти вимушеного випромінювання, а по-друге, велика ймовірність взаємодії між квантами та цими атомами, що забезпечує це вимушене випромінювання. Коефіцієнт посилення випромінювання становить: K = s (Nвоз – Nосн),де s – переріз взаємодії квантів з атомами, Nвоз і Nосн – число атомів у збудженому та основному станах. У разі термодинамічного рівноваги Nвоз Nосн. Крім цього, із фундаментальних законів квантової фізики випливає, що s = 12 зм.

Значить, що коротша довжина хвилі випромінювання, тим важче здійснити його квантове посилення. Тому перші такі підсилювачі було створено радіодіапазоні (мазери) наприкінці 50-х. У 60-ті роки було побудовано перший оптичний генератор безперервної дії (гелій-неоновий лазер). Методи нелінійної оптики дозволили до середини 70-х років створити лазери, що працюють в галузі вакуумного ультрафіолету (збуджені неоноподібні атоми) близько 1000Aнгстрем (СРСР). А до кінця 70-х стало ясно, що практично здійсненна схема лазера з довжиною хвилі близько 10-20 Aнгстрем на багатозарядних іонах (наприклад іони селену-74) з збудженням за допомогою потужного лазера оптичного діапазону (неодимовий лазер). А для рентгенівського діапазону з довжиною хвилі менше 10 Ангстрем повинні бути використані ядерні переходи і ефект Мессбауера (випромінювання квантів у кристалах без «віддачі» атома, а значить, без зміщення частоти випромінювання внаслідок доплер-ефекту).

Для підтримки інверсної заселеності верхніх рівнів потужність збудження має бутинабагато більше тієї, яка розсіюється у вигляді спонтанного випромінювання в середовищі (теплові втрати та ін). Як відомо, енергія кванта пропорційна частоті випромінювання і до того ж ймовірність спонтанного випромінювання, яке марно забирає енергію зовнішнього джерела збудження, пропорційна третьому ступені від частоти випромінювання. Враховуючи це, отримаємо, що потужність, необхідна для підтримки інверсної заселеності, W µ n4 µ l–4.Так наприклад для лазерів видимого діапазону з довжиною хвилі близько 500 нм, достатньо забезпечити потужність, що вводиться в см 3 середовища близько 100–10000 Вт/ см 3 (лампи-спалахи, хімічні реакції), то для лазера рентгенівського діапазону з довжиною хвилі близько 0,5 нм, щільність енергії "накачування" повинна бути близько 10 10 - 10 15 Вт/см2 (!). Такий високий рівень енергій при "накачуванні" може бути забезпечений лише за допомогою ядерного вибуху або у фокальній плямі потужного імпульсного лазера.

У 1984 році в США була здійснена генерація лазерного рентгенівського випромінювання в газовому середовищі з використанням як джерело накачування потужного двопроменевого оптичного лазера «NOVETTA» і «NOVA» (Лівермор,Ліверморська національна лабораторія імені Лоуренса), кожен промінь якого мав щільність потужності5 13 Вт/см 2 в імпульсі тривалістю 450 пікосекунд хвилі 5320 Aнгстрем. У фокусі лазера містилася мішень – найтонша плівка розміром 0,1 ґ 1,1 см із селену-74 або ітрію. Промінь випаровував мішень, створюючи плазму з неоноподібних іонів цих металів. Зіткнення з електронами у плазмі викликали збудження іонів, яке закінчувалося вимушеним випромінюванням на хвилі 206,3 Ангстрему та 209,6 Aнгстрему для селену та 155 A – для іонів ітрію. Досягнутий коефіцієнт посилення перевищив 10 8 разів.

У тому ж році в лабораторії фізики плазми (Прінстон, США) за допомогою потужногоІЧ-лазера на молекулах вуглекислого газу вдалося отримати лазерний ефект у вуглецевій плазмі на хвилі 182 Aнгстрем. Їх лазер накачування мав імпульсну потужність близько 20 ГВт. що складається з шарів молібдену, що чергуються, товщиною 35 A і кремнію товщиною 60 A. Кожен молібденовий шар слабо відображає рентгенівські промені, але відбиті від послідовних шарів промені складаються, і в результаті інтерференції посилюються, таким чином коефіцієнт відображення5 дзеркала.

Після вибуху ядерного заряду речовина робочих стрижнів перетворюється на повністю іонізовану плазму. Коли температура електронів дещо знижується, і починається рекомбінація переважно на нижні рівні, відбувається випромінювання в рентгенівській частині спектра. Оскільки час висвічування плазми вимірюється пікосекундами, і хмара розпеченої до мільйонів градусів плазми не встигає суттєво змінити свою геометрію, вона зберігає форму і напрямок робочого стрижня. Так як дзеркал для роботи з рентгенівським випромінюванням з довжиною хвилі близько 10 A поки що не існує (див. рентгенівське дзеркало), то рентгенівський лазер, ймовірно, повинен працювати без резонатора. Тому розбіжність пучка визначатиметься двома чинниками: дифракцією та геометрією стрижня. Точніше, найбільшим значенням їх. Приймаючи мале значення розбіжності, отримаємо оптимальну величину діаметра: D = (lL)1/2. Для довжин хвиль близько 10-14 Ангстрем і L = 7 м це дає D = 0,1 мм. Навіть якщо в процесі іонізації та рекомбінації речовини його геометрія змінитьсянезначно, розбіжність променя досягає

10 -5 рад. Однак більш детальний розрахунок показує, що на момент рекомбінації згусток плазми може розширитися до 0,8-1 мм, і в цьому випадку розбіжність лазерного променя буде від 10 -4 до 10 -5 . Для поразки міжконтинентальної ракети, тобто досягнення щільностей енергії близько 10-20 кДж/см 2 з відривом до 1000 кілометрів при розбіжності променя 10–5, у імпульсі такого лазера має бути енергія

10 10 Джоулів. При ККД лазера близько 8-10% і за відстані стрижня від ядерного заряду

1 м потужність заряду повинна бути близько 10 15 Джоулів, або близько двохсот кілотонн тротилового еквівалента. При цьому, ймовірно, левова частка енергії ядерного вибуху піде на випаровування робочих стрижнів (стрижня), і сама струна орієнтована до заряду не торцем, а бічною поверхнею. Однак у літературі на цю тему згадуються заряди значно меншої потужності. Можливо використовувати не одну, а кілька десятків (близько 50-100) паралельно орієнтованих стрижнів, що наводяться на ціль. Можливо також, що інженери спробують створити концентратор енергії вибуху на одній струні, використовуючи ефект відбиття рентгенівських променів від кристалів або багатошарові рентгенівські дзеркала (з високими характеристиками відбиття), і в цій галузі передбачається значний успіх.

Сучасні технології дозволяють створювати відносно компактні рентгенівські лазери (масою близько 1-2 тонни) спецпризначення з великим діапазоном регулювання потужності та величини довжини хвилі, настільні, які знаходять застосування у багатьох областях:

Для виведення на орбіту за допомогою міжконтинентальних ракет з комп'ютерним управлінням і які можуть застосовуватися у військових цілях, окремими стрижнями дозволить вражати одночасно докількох десятків цілей, або гарантовано вражати одну;
У мікроскопії, в медицині із застосуванням «м'яких» рентгенівських променів для діагносцування з неруйнівним контролем з роздільною здатністю 32 нанометри та ін. (Наприклад, Лазерний рентгенівський мікроскоп) з діаметром променя в 0,1 нм забезпечує отримання зображення з роздільною здатністю 1,61 .

Отримання рентгенівського лазерного випромінювання

Щоб створювати FEL, промінь електронів прискорений до швидкостей Х-променів. Промінь проходить через генератор FEL виконаний у формі періодичного, поперечного магнітного поля. Магніти виготовлені зі змінними полюсами в межах лазерної западини по доріжці променя. Це безліч магнітів іноді називають ондулятором, або "wiggler", тому що це змушує електрони в промені набувати синусоїдальної форми. Прискорення електронів цією доріжкою призводить до випуску фотона (радіація синхротрону). Так як електронний рух знаходиться у фазі з областю світла, що вже випускається, області разом стискають (когерентно). Вигляд електронного променя набуває форми, яка випливає з взаємодій коливань електронів в ондуляторах і випромінювання, яку вони випромінюють і призводять до нагромадження електронів, і продовжують виходити у фазі один з одним на відміну від звичайних ондуляторів, де електрони виходять незалежно. Довжина хвилі світла, що випускається, може бути налаштована за допомогою регулювання енергії електронного променя або сили магнітного поля ондуляторів.

Акселератори

У насоящій FEL вимагає використання електронного акселератора з його пов'язаним захистом, оскільки прискорені електрони - променева небезпека. Ці акселератори типово включаються клістрони, які вимагають високого підключення напруги. Зазвичай, електронний промінь має бути підтриманий у вакуумі, якийвимагає використання численних насосів на доріжці променя. Вільноелектронні лазери можуть досягти високого діапазону пікових значень.

Рентгенівські лазери взагалі, включаючи FEL, здатні створювати "м'яке" рентгенівське випромінювання з довжиною, яка використовується з медичною метою. Воно не може проникнути навіть через аркуш паперу, але ідеально підходить для зондування іонізованих газів з високою щільністю енергії (що коротше довжина хвилі, тим глибше промінь проникає в щільну плазму), а також для дослідження нових та існуючих матеріалів. Постійне зменшення розмірів установок, зниження їх вартості, отримання настільних рентгенівських лазерів стане звичним інструментом у лабораторіях з дослідження фізики плазми, оскільки має майже все, що потрібно: низькі енерговитрати, повторний постріл кожні 4 хвилини та малу довжину хвилі. Їх пристосованість робить їх дуже бажаними у багатьох областях, включаючи область медичного діагнозкування та неруйнівного методу досліджень та ін [3] [4]

Застосування

Лазерний рентгенівський мікроскоп

Рис.2, Принципова схема роботи лазерного рентгенівського мікроскопа

Лазерний рентгенівський мікроскоп (ЛРМ) використовує принцип лазерного променя вільних електронів установки (FEL) на основі генерації інфрачервоного променя потужністю 14,2 кіловата, перетином порядку 0,1 нанометра забезпечує роздільну здатність зображень величиною 1,61 мкм. У 2004 році Американський національний центр прискорювачів - лабораторія Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установці FEL лазерний промінь формувала у вігглері. Віглер - установка, що складається з довгого ряду потужних електромагнітів або постійних магнітів, полюси яких чергуються. Через нього пропускаєтьсяпучок електронів із навколосвітловою швидкістю, які прямують із встановлення - прискорювача, розташованого поруч. У магнітних полях вігглеру електрони змушують рухатися синусоїдою. Втрачаючи енергію вона перетворюється на потік фотонів. Лазерний промінь, як і в інших лазерах, збирається та посилюється системою із звичайних та напівпрозорих дзеркал, встановлених на кінцях вігглеру. Тобто. зміна енергії лазерного пучка та параметрів вігглеру (наприклад, відстань між магнітами) дає можливість отримувати в широких межах частоту лазерного променя. Інші системи: твердотільні або газові лазери з накачуванням потужних ламп та з хімічної цього забезпечити не можуть. Як відомо, спектр електромагнітного випромінювання містить різні промені, у тому числі рентгенівські, сила яких залежить від частоти або довжини хвилі променя. Чим коротше довжина хвилі випромінювання, тим вона потужніша і її проникаюча здатність вища. Це безпосередньо пов'язане з роздільною здатністю мікроскопів.

1 - Ультрафіолетове випромінювання або Інфрачервоне випромінювання лазерні
2 - Вимушене випромінювання
3 - Зона зустрічі Лазерного імпульсу з часткою матерії
4 - Генератор частинок
5 - Фотоприймач електромагнітних випромінювань збуджених елементів плазмової хмари
6 - Рентгенівська оптика
7 - Вігглер
8 - Лінійне джерело когерентного світла Linac Coherent Light Source - LCLS
9 - Частка до вибуху