מהו עקרון העבודה של לייזר רנטגן? בגלל הרווח הגבוה במדיום היצור, משך החיים הקצר של המצב העליון (1-100 PS) והבעיות הקשורות לבניית מראות שיכולות לשקף את הקרניים, לייזרים אלו פועלים בדרך כלל ללא מראות. אלומת הרנטגן נוצרת על ידי מעבר בודד דרך מדיום ההגברה. לקרינה הנפלטת המבוססת על הקרן הספונטנית המוגברת יש קוהרנטיות מרחבית נמוכה יחסית. קראו את המאמר עד הסוף ותבינו שמדובר בלייזר רנטגן. מכשיר זה מאוד פרקטי וייחודי במבנה שלו.
גרעינים במבנה המנגנון
מכיוון שמעברי לייזר קונבנציונליים בין מצב גלוי למצב אלקטרוני או רטט תואמים אנרגיות של עד 10 eV, יש צורך במדיה אקטיבית שונה עבור לייזרים בקרני רנטגן. שוב, ניתן להשתמש בגרעינים טעונים פעילים שונים לשם כך.
נשק
בין 1978 ל-1988 בפרויקט אקסקליברצבא ארה ב ניסה לפתח לייזר קרני רנטגן גרעיני נפץ להגנה מפני טילים כחלק מיוזמת ההגנה האסטרטגית של מלחמת הכוכבים (SDI). הפרויקט, לעומת זאת, התברר כיקר מדי, נמשך, ובסופו של דבר נגנז.
מדיה פלזמה בתוך לייזר
המדיה הנפוצה ביותר כוללת פלזמה מיוננת מאוד שנוצרת בפריקה נימית או כאשר דופק אופטי ממוקד ליניארי פוגע במטרה מוצקה. לפי משוואת היינון של Saha, תצורות האלקטרונים היציבות ביותר הן ניאון, עם 10 אלקטרונים שנותרו, ודמויות ניקל, עם 28 אלקטרונים. מעברי אלקטרונים בפלזמות מיוננות גבוהות תואמים בדרך כלל אנרגיות בסדר גודל של מאות וולט אלקטרוני (eV).
מדיום הגברה חלופי הוא אלומת האלקטרונים היחסית של לייזר אלקטרוני ללא קרני רנטגן, המשתמש בפיזור קומפטון מגורה במקום בקרינה רגילה.
Application
יישומי רנטגן קוהרנטיים כוללים הדמיית דיפרקציה קוהרנטית, פלזמה צפופה (אטומה לקרינה נראית), מיקרוסקופיה בקרני רנטגן, הדמיה רפואית עם פתרון שלב, בדיקת פני חומר והפעלת נשק.
ניתן להשתמש בגרסה קלה יותר של הלייזר לתנועת לייזר אבלטיבית.
לייזר רנטגן: איך זה עובד
איך פועלים לייזרים? בשל העובדה שהפוטוןפוגע באטום באנרגיה מסוימת, אתה יכול לגרום לאטום לפלוט פוטון עם האנרגיה הזו בתהליך שנקרא פליטה מעוררת. על ידי חזרה על תהליך זה בקנה מידה גדול, תקבל תגובת שרשרת שתגרום ללייזר. עם זאת, קשרים קוונטיים מסוימים גורמים לתהליך זה להפסיק, מכיוון שלעתים פוטון נספג מבלי להיפלט כלל. אבל כדי להבטיח את הסיכויים המרביים, רמות אנרגיית הפוטונים מוגדלות ומראות ממוקמות במקביל לנתיב האור כדי לעזור לפוטונים המפוזרים לחזור לשחק. ובאנרגיות גבוהות של קרני רנטגן, מוצאים חוקים פיזיקליים מיוחדים הטבועים בתופעה המסוימת הזו.
היסטוריה
בתחילת שנות ה-70, נראה היה שלייזר הרנטגן מחוץ להישג יד, שכן רוב הלייזרים של היום הגיעו לשיא של 110 ננומטר, הרבה מתחת לקרני הרנטגן הגדולות ביותר. הסיבה לכך היא שכמות האנרגיה הנדרשת להפקת החומר המגורה הייתה כה גבוהה עד שהיה צורך להעביר אותו בפולס מהיר, מה שסיבך עוד יותר את ההשתקפות הדרושה ליצירת לייזר רב עוצמה. לכן, מדענים הסתכלו על הפלזמה, כי היא נראתה כמו תווך מוליך טוב. צוות של מדענים ב-1972 טען שהם סוף סוף השיגו את השימוש בפלזמה ביצירת לייזרים, אבל כשניסו לשחזר את התוצאות הקודמות שלהם, הם נכשלו מסיבה כלשהי.
בשנות ה-80, שחקן גדול מהעולם הצטרף לצוות המחקרמדע - ליברמור. מדענים, בינתיים, עושים צעדים קטנים אך חשובים במשך שנים, אך לאחר שהסוכנות לפרויקטים מתקדמים של מחקר הגנה (DARPA) הפסיקה לשלם עבור מחקר בקרני רנטגן, ליברמור הפכה למנהיגת הצוות המדעי. הוא הוביל את הפיתוח של מספר סוגי לייזרים, כולל אלו המבוססים על היתוך. תוכנית הנשק הגרעיני שלהם הייתה מבטיחה, מכיוון שמחווני האנרגיה הגבוהים שהשיגו מדענים במהלך תוכנית זו רמזו על האפשרות ליצור מנגנון פועם איכותי שיועיל בבניית לייזר אלקטרוני ללא קרני רנטגן.
הפרויקט התקרב בהדרגה לסיומו. המדענים ג'ורג' צ'פלין ולואל ווד חקרו לראשונה את טכנולוגיית היתוך עבור לייזרים בקרני רנטגן בשנות ה-70 ולאחר מכן עברו לאופציה גרעינית. יחד הם פיתחו מנגנון כזה והיו מוכנים לבדיקה ב-13 בספטמבר 1978, אך כשל בציוד קטע אותו. אבל אולי זה היה לטובה. פיטר הגלשטיין יצר גישה שונה לאחר לימוד המנגנון הקודם, וב-14 בנובמבר 1980, שני ניסויים הוכיחו שאב הטיפוס לייזר רנטגן עובד.
פרויקט מלחמת הכוכבים
מהר מאוד, משרד ההגנה האמריקאי החל להתעניין בפרויקט. כן, שימוש בכוח של נשק גרעיני בקרן ממוקדת הוא מסוכן מדי, אבל הכוח הזה יכול לשמש להשמדת טילים בליסטיים בין-יבשתיים (ICBMs) באוויר. זה יהיה הכי נוח להשתמש במנגנון דומה בסביבה הקרובה לכדור הארץמַסלוּל. כל העולם מכיר את התוכנית הזו שנקראת מלחמת הכוכבים. עם זאת, הפרויקט להשתמש בלייזר רנטגן כנשק מעולם לא יצא לפועל.
גיליון 23 בפברואר 1981 של Aviation Week and Space Engineering מדווח על תוצאות הבדיקות הראשונות של הפרויקט, כולל קרן לייזר שהגיעה ל-1.4 ננומטר ופגעה ב-50 מטרות שונות.
בדיקות מ-26 במרץ 1983 לא הניבו דבר עקב כשל בחיישן. עם זאת, הבדיקות הבאות ב-16 בדצמבר 1983 הוכיחו את יכולותיה האמיתיות.
גורל נוסף של הפרויקט
הגלשטיין ראה בעיני רוחו תהליך דו-שלבי שבו לייזר יצור פלזמה שתשחרר פוטונים טעונים שיתנגשו באלקטרונים בחומר אחר ויגרמו לפליטת קרני רנטגן. נוסו מספר הגדרות, אך בסופו של דבר הוכחה מניפולציה של יונים כפתרון הטוב ביותר. הפלזמה הסירה את האלקטרונים עד שנותרו רק 10 פנימיים, שם הפוטונים הטעינו אותם עד למצב 3p, ובכך שחררו את האלומה ה"רכה". ניסוי ב-13 ביולי 1984 הוכיח שזה יותר מתאוריה כאשר ספקטרומטר מדד פליטות חזקות ב-20.6 ו-20.9 ננומטר של סלניום (יון דמוי ניאון). ואז הופיע הלייזר הראשון במעבדה (לא צבאית) עם השם Novette.
גורל נובט
הלייזר הזה תוכנן על ידי ג'ים דאן והיו לו היבטים פיזיים מאומתים על ידי אל אוסטרהלד וסלבה שליפצב. שימוש מהירדופק (קרוב לננו-שנייה) של אור באנרגיה גבוהה שהטעינה את החלקיקים לשחרור קרני רנטגן, נובט השתמשה גם במגברי זכוכית, המשפרים את היעילות אך גם מתחממים במהירות, כלומר, הוא יכול לפעול רק 6 פעמים ביום בין התקררות. אבל כמה עבודות הראו שהוא יכול לירות דופק של פיקושניות בזמן שהדחיסה חוזרת לדופק של ננו-שנייה. אחרת, מגבר הזכוכית ייהרס. חשוב לציין כי נובט ולייזרי רנטגן "שולחניים" אחרים מייצרים קרני רנטגן "רכות", בעלות אורך גל ארוך יותר, המונע מהקרן לעבור דרך חומרים רבים, אך נותן תובנה לגבי סגסוגות ופלזמה, שכן זה זורח דרכם בקלות.
שימושים ותכונות אחרות של הפעולה
אז למה אפשר להשתמש בלייזר הזה? כבר צוין בעבר שאורך גל קצר יותר יכול להקל על בחינת חומרים מסוימים, אבל זה לא היישום היחיד. כאשר מטרה נפגעת מדחף, היא פשוט מושמדת לחלקיקים אטומיים, והטמפרטורה בו זמנית מגיעה למיליוני מעלות תוך טריליון שניה בלבד. ואם הטמפרטורה הזו מספיקה, הלייזר יגרום לקילוף האלקטרונים מבפנים. הסיבה לכך היא שהרמה הנמוכה ביותר של אורביטלים אלקטרונים מרמזת על נוכחות של לפחות שני אלקטרונים, הנפלטים מהאנרגיה שנוצרת מקרני רנטגן.
הזמן שלוקח לאטוםאיבד את כל האלקטרונים שלו, הוא בסדר גודל של כמה פמט-שניות. הליבה המתקבלת אינה משתהה לאורך זמן ומהיר מעבר למצב פלזמה המכונה "חומר צפוף חם", שנמצא בעיקר בכורים גרעיניים ובליבות של כוכבי לכת גדולים. על ידי ניסוי בלייזר, נוכל לקבל מושג על שני התהליכים, שהם צורות שונות של היתוך גרעיני.
השימוש בלייזר רנטגן הוא באמת אוניברסלי. תכונה שימושית נוספת של קרני רנטגן אלו היא השימוש בהן עם סינכרוטרונים או חלקיקים המואצים לאורך כל הנתיב של המאיץ. בהתבסס על כמות האנרגיה שנדרש כדי לעשות את הנתיב הזה, החלקיקים יכולים לפלוט קרינה. לדוגמה, אלקטרונים, כאשר הם נרגשים, פולטים קרני רנטגן, בעלות אורך גל בערך בגודל של אטום. אז נוכל לחקור את התכונות של האטומים הללו באמצעות אינטראקציה עם קרני רנטגן. בנוסף, אנו יכולים לשנות את האנרגיה של האלקטרונים ולקבל אורכי גל שונים של קרני רנטגן, ולהשיג עומק ניתוח גדול יותר.
עם זאת, קשה מאוד ליצור לייזר רנטגן במו ידיכם. המבנה שלו מורכב ביותר אפילו מנקודת מבטם של פיזיקאים מנוסים.
בביולוגיה
אפילו ביולוגים הצליחו להפיק תועלת מלייזרי רנטגן (שאובים גרעיניים). הקרינה שלהם יכולה לעזור לחשוף היבטים של פוטוסינתזה שלא היו ידועים קודם לכן למדע. הם לוכדים שינויים עדינים בעלי הצמח. אורכי גל ארוכים של קרני לייזר רכות של קרני רנטגן מאפשרים לך לחקור מבלי להרוס את כל זהמתרחש בתוך הצמח. מזרק הננו-גביש מפעיל את photocell I, מפתח החלבון לפוטוסינתזה הדרוש להפעלתו. זה מיורט על ידי קרן לייזר של קרני רנטגן, שגורמת לקריסטל להתפוצץ ממש.
אם הניסויים הנ ל ימשיכו להצליח, אנשים יוכלו לפענח את מסתורי הטבע, ופוטוסינתזה מלאכותית עשויה להפוך למציאות. זה גם יעלה את השאלה לגבי האפשרות של שימוש יעיל יותר באנרגיה סולארית, ויעורר את הופעתם של פרויקטים מדעיים לשנים רבות קדימה.
מגנטים
מה דעתך על מגנט אלקטרוני? המדענים גילו שכאשר היו להם אטומי קסנון ומולקולות מוגבלות ביוד שנפגעו מקרינת רנטגן בעוצמה גבוהה, האטומים השליכו את האלקטרונים הפנימיים שלהם, ויצרו חלל בין הגרעין לאלקטרונים החיצוניים ביותר. כוחות משיכה מניעים את האלקטרונים הללו. בדרך כלל זה לא אמור לקרות, אבל בגלל הפתאומיות של נפילת אלקטרונים, מתרחש מצב "טעון" מדי ברמה האטומית. מדענים חושבים שניתן להשתמש בלייזר בעיבוד תמונה.
לייזר ענק רנטגן Xfel
מתארח במעבדת האצה הלאומית של ארה ב, במיוחד בלינק, לייזר זה באורך 3,500 רגל משתמש במספר מכשירים גאוניים כדי לפגוע במטרות בקרני רנטגן קשות. להלן כמה מהמרכיבים של אחד הלייזרים החזקים ביותר (קיצורים ואנגליזמים מייצגים את מרכיבי המנגנון):
- כונן לייזר - יוצרדופק אולטרה סגול שמסיר אלקטרונים מהקתודה. פולט אלקטרונים עד לרמת אנרגיה של 12 מיליארד eW על ידי מניפולציה של השדה החשמלי. יש גם מאיץ בצורת S בתוך התנועה שנקרא Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - אותו רעיון כמו Bunch 1 אבל מבנה ארוך יותר בצורת S, גדל עקב אנרגיות גבוהות יותר.
- אולם תחבורה - מאפשר לוודא שהאלקטרונים מתאימים למיקוד פולסים באמצעות שדות מגנטיים.
- אולם גלי - מורכב ממגנטים הגורמים לאלקטרונים לנוע קדימה ואחורה, ובכך ליצור קרני רנטגן באנרגיה גבוהה.
- Beam Dump הוא מגנט שמסיר אלקטרונים אך מעביר קרני רנטגן מבלי לזוז.
- LCLS Experimental Station הוא תא מיוחד שבו הלייזר מקובע ושמהווה את החלל העיקרי לניסויים הקשורים אליו. הקרניים המופקות על ידי התקן זה יוצרות 120 פולסים בשנייה, כאשר כל פולס נמשך 1/10000000000 של שנייה.
- מדיום פריקת פלזמה קפילרית. במערך זה, קפילרי באורך מספר סנטימטרים, עשוי מחומר יציב (למשל אלומינה), מגביל פעימה חשמלית ברמת דיוק גבוהה של תת-מיקרו-שניות בגז בלחץ נמוך. כוח לורנץ גורם לדחיסה נוספת של פריקת הפלזמה. בנוסף, לעתים קרובות נעשה שימוש בפולס חשמלי או אופטי לפני יינון. דוגמה לכך היא לייזר Ar8+ דמוי ניאון נימי (שיוצר קרינה ב-47ננומטר).
- מדיום מטרה של לוח מוצק - לאחר שנפגע על ידי דופק אופטי, המטרה פולטת פלזמה נרגשת מאוד. שוב, לעתים קרובות נעשה שימוש ב"קדם-פולס" ארוך יותר ליצירת הפלזמה, ופעימה שניה, קצרה ואנרגטית יותר משמשת לחימום נוסף של הפלזמה. לתקופות חיים קצרות, ייתכן שיידרש שינוי מומנטום. שיפוע מקדם השבירה של הפלזמה גורם לדופק המוגבר להתכופף ממשטח המטרה, שכן בתדרים מעל תהודה מקדם השבירה יורד עם צפיפות החומר. ניתן לפצות על כך על ידי שימוש במספר מטרות בפרץ, כמו בלייזר האלקטרונים האירופי ללא קרני רנטגן.
- פלזמה מעוררת שדה אופטי - בצפיפויות אופטיות גבוהות מספיק כדי להעביר ביעילות אלקטרונים או אפילו לדכא מחסום פוטנציאלי (> 1016 W/cm2), אפשר ליינן חזק גז ללא מגע עם נימי או יַעַד. בדרך כלל משתמשים בהגדרה קולינארית כדי לסנכרן את הפולסים.
באופן כללי, המבנה של מנגנון זה דומה ללייזר האלקטרונים האירופי ללא קרני רנטגן.
