Рентгенівський лазер Рентгенівський лазер і синонімів Рентгенівський лазер (Ukrainian)
Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
На відміну від газових, рідинних або твердотільних лазерів, де електрони збуджуються в зв'язаних атомних або молекулярних станах - у XFEL джерелом випромінювання є пучок вільних електронів, що проходить крізь ряд розташованих магнітів, що розташований спеціальним чином -ондулятор(віглер), що змушує пучок рухатися по синусоїдальній траєкторії, втрачаючи енергію, яка перетворюється на потік фотонів. Далі лазерний промінь, як і в інших лазерах, збирається та посилюється системою дзеркал, встановлених на кінцях ондулятора. В результаті виробляється м'яке рентгенівське випромінювання, яке застосовується для дослідження наноструктур.
Змінюючи енергію електронного пучка, а також параметри ондулятора (силу магнітного поля та відстань між магнітами), можна в широких межах змінювати частоту лазерного випромінювання, що виробляється XFEL - це головна відмінність XFEL від інших лазерів систем. Випромінювання одержуване за допомогою XFEL застосовується для вивчення нанометрових структур - є досвід отримання зображень частинок, розміром всього 100 нанометрів (цей результат був досягнутий за допомогою рентгенівської мікроскопії з роздільною здатністю близько 5 нм [1] ). Сама технологія подібного лазера була розроблена у 1980-х роках у новосибірському Інституті ядерної фізики.
Зміст
Отримання рентгенівського лазерного випромінювання
Вігглер є магніт, що створює сильне поперечне (як правило, вертикальне) знакозмінне магнітне поле. Його можна уявити як послідовність коротких дипольних магнітів, полярність кожного наступного у тому числі протилежна попередньому. Вігглер встановлюється в прямолінійний проміжок електронного синхротрону, і ультрарелятивістський пучокпроходить у ньому звивистою траєкторією, близькою до синусоїди, випромінюючи фотони у вузький конус вздовж осі пучка. Типовий діапазон довжин хвиль синхротронного випромінювання, що генерується вігглером, - від жорсткого ультрафіолету до м'якого рентгена, хоча існують вігглери з енергією квантів, що генеруються, до декількох МеВ.
Вігглер, поміщений в резонатор (наприклад, два співвісні дзеркала), - найпростіша модель лазера на вільних електронах. Магніти, з яких зібраний віглер, можуть бути звичайними електромагнітами, надпровідними або постійними. Типове магнітне поле вігглеру – до 10 Тесла. Потужність одержуваного синхротронного випромінювання - до сотень кВт - залежить як від струму пучка, так і від поля, а також кількості полюсів вігглера (від трьох до декількох десятків).
В даний час рентгенівський лазер вимагає використання електронних акселераторів із вбудованим захистом (оскільки прискорені електрони становлять значну променеву небезпеку). Ці акселератори зазвичай включають клістрони, які вимагають підключення високої напруги. Сам електронний промінь зазвичай підтримується у вакуумі, який потребує використання численних насосів на шляху променя.
Застосування
Застосовується для кристалографії та вивчення будови атомів та молекул.
Рентгенівські лазери, включаючи XFEL, здатні створювати "м'яке" рентгенівське випромінювання з довжиною, яка використовується в медичних цілях. 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.
Перспективи
Рентгенівська мікроскопія продовжує вдосконалюватися, наближаючись до дозволу на 1ангстрем (0,1 нм) та відкриваючи можливості для отримання зображень атомів та молекулярних структур. Також знайде застосування з медичною метою.
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 [2]
Під Гамбургом (Німеччина) зараз будується найбільший у світі рентгенівський лазер, у цьому проекті беруть участь Німеччина, Франція та Україна. Вартість проекту перевищує 1 млрд. євро. [3]