اصل کار لیزر اشعه ایکس چیست؟ به دلیل بهره بالا در محیط تولید، طول عمر حالت فوقانی کوتاه (1 تا 100 ثانیه)، و مشکلات مربوط به آینه های ساختمانی که می توانند پرتوها را منعکس کنند، این لیزرها معمولاً بدون آینه کار می کنند. پرتو اشعه ایکس با یک عبور واحد از محیط افزایش تولید می شود. تابش ساطع شده بر اساس پرتو خود به خودی تقویت‌شده دارای انسجام فضایی نسبتاً کمی است. مقاله را تا انتها بخوانید و متوجه خواهید شد که این لیزر اشعه ایکس است. این دستگاه در ساختار خود بسیار کاربردی و منحصر به فرد است.
هسته ها در ساختار مکانیسم
از آنجایی که انتقال لیزر معمولی بین حالت‌های مرئی و الکترونیکی یا ارتعاشی با انرژی‌های تا 10 eV مطابقت دارد، رسانه‌های فعال متفاوتی برای لیزرهای اشعه ایکس مورد نیاز است. باز هم می توان از هسته های باردار فعال مختلف برای این کار استفاده کرد.
سلاح
بین سالهای 1978 و 1988 در پروژه Excaliburارتش ایالات متحده به عنوان بخشی از ابتکار دفاع استراتژیک جنگ ستارگان (SDI) تلاش کرد یک لیزر اشعه ایکس انفجاری هسته ای برای دفاع موشکی بسازد. با این حال، این پروژه بسیار گران بود، طولانی شد و در نهایت متوقف شد.
مدیای پلاسما در داخل لیزر
رایج ترین رسانه های مورد استفاده شامل پلاسمای بسیار یونیزه است که در تخلیه مویرگی ایجاد می شود یا هنگامی که یک پالس نوری متمرکز خطی به یک هدف جامد برخورد می کند. با توجه به معادله یونیزاسیون ساها، پایدارترین پیکربندی های الکترون نئون با 10 الکترون باقی مانده و نیکل مانند با 28 الکترون است. انتقال الکترون در پلاسمای بسیار یونیزه شده معمولاً با انرژی هایی در حد صدها الکترون ولت (eV) مطابقت دارد.
یک محیط تقویت کننده جایگزین، پرتو الکترونی نسبیتی یک لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس است که از پراکندگی کامپتون تحریک شده به جای تابش استاندارد استفاده می کند.
برنامه
کاربردهای منسجم پرتو ایکس شامل تصویربرداری پراش منسجم، پلاسمای متراکم (مادر نسبت به تابش مرئی)، میکروسکوپ اشعه ایکس، تصویربرداری پزشکی با تفکیک فاز، بررسی سطح مواد و سلاح‌سازی است.
نسخه سبکتر لیزر را می توان برای حرکت لیزر فرسایشی استفاده کرد.
لیزر اشعه ایکس: چگونه کار می کند
لیزرها چگونه کار می کنند؟ با توجه به اینکه فوتونبا یک انرژی خاص به اتمی برخورد می کند، می توانید در فرآیندی به نام انتشار تحریک شده، کاری کنید که اتم فوتونی با آن انرژی ساطع کند. با تکرار این فرآیند در مقیاس بزرگ، یک واکنش زنجیره ای دریافت خواهید کرد که منجر به لیزر می شود. با این حال، برخی گره‌های کوانتومی باعث توقف این فرآیند می‌شوند، زیرا فوتون گاهی اوقات بدون اینکه اصلا گسیل شود جذب می‌شود. اما برای اطمینان از حداکثر شانس، سطوح انرژی فوتون افزایش می‌یابد و آینه‌ها به موازات مسیر نور قرار می‌گیرند تا به فوتون‌های پراکنده کمک کنند تا دوباره وارد بازی شوند. و در انرژی های بالای اشعه ایکس، قوانین فیزیکی ویژه ای یافت می شود که ذاتی این پدیده خاص است.
تاریخ
در اوایل دهه 1970، لیزر اشعه ایکس دور از دسترس به نظر می رسید، زیرا بیشتر لیزرهای روز در 110 نانومتر به اوج خود رسیدند، بسیار کمتر از بزرگترین اشعه ایکس. این به این دلیل بود که مقدار انرژی مورد نیاز برای تولید ماده تحریک‌شده به قدری بالا بود که باید در یک پالس سریع تحویل داده می‌شد، که بازتاب مورد نیاز برای ایجاد یک لیزر قدرتمند را پیچیده‌تر می‌کرد. بنابراین، دانشمندان به پلاسما نگاه کردند، زیرا به نظر می رسد یک رسانه رسانا خوب است. تیمی از دانشمندان در سال 1972 ادعا کردند که سرانجام به استفاده از پلاسما در ایجاد لیزر دست یافته‌اند، اما زمانی که تلاش کردند نتایج قبلی خود را بازتولید کنند، به دلایلی شکست خوردند.
در دهه 1980، یک بازیگر بزرگ از جهان به تیم تحقیقاتی پیوست.علم - لیورمور. در همین حال، دانشمندان سال‌هاست که گام‌های کوچک اما مهمی برمی‌دارند، اما پس از اینکه آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) پرداخت هزینه تحقیقات اشعه ایکس را متوقف کرد، لیورمور رهبر تیم علمی شد. او توسعه چندین نوع لیزر از جمله لیزرهای مبتنی بر همجوشی را رهبری کرد. برنامه تسلیحات هسته‌ای آنها امیدوارکننده بود، زیرا شاخص‌های انرژی بالایی که دانشمندان در طول این برنامه به دست آوردند، حاکی از امکان ایجاد مکانیزم پالسی با کیفیت بالا بود که در ساخت لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس مفید است.
این پروژه به تدریج در حال تکمیل شدن بود. دانشمندان جورج چاپلین و لاول وود ابتدا فناوری همجوشی لیزرهای اشعه ایکس را در دهه 1970 بررسی کردند و سپس به گزینه هسته ای روی آوردند. آنها با هم چنین مکانیزمی را توسعه دادند و برای آزمایش در 13 سپتامبر 1978 آماده شدند، اما خرابی تجهیزات آن را کوتاه کرد. اما شاید برای بهترین بود. پیتر هاگلشتاین پس از مطالعه مکانیسم قبلی رویکرد متفاوتی ایجاد کرد و در 14 نوامبر 1980، دو آزمایش ثابت کرد که نمونه اولیه لیزر اشعه ایکس کار می کند.
پروژه جنگ ستارگان
خیلی زود، وزارت دفاع ایالات متحده به این پروژه علاقه مند شد. بله، استفاده از قدرت یک سلاح هسته‌ای در یک پرتو متمرکز بسیار خطرناک است، اما این قدرت می‌تواند برای از بین بردن موشک‌های بالستیک قاره‌پیما (ICBM) در هوا استفاده شود. استفاده از مکانیزم مشابه در نزدیکی زمین راحت‌تر استمدار. این برنامه به نام جنگ ستارگان را همه دنیا می شناسند. با این حال، پروژه استفاده از لیزر اشعه ایکس به عنوان یک سلاح هرگز به نتیجه نرسید.
شماره 23 فوریه 1981 هفته هوانوردی و مهندسی فضا، نتایج اولین آزمایشات پروژه را گزارش می دهد، از جمله پرتو لیزری که به 1.4 نانومتر رسید و به 50 هدف مختلف برخورد کرد.
تست‌های مورخ 26 مارس 1983 به دلیل خرابی سنسور هیچ نتیجه‌ای نداشت. با این حال، آزمایش‌های زیر در 16 دسامبر 1983 توانایی‌های واقعی آن را نشان داد.
سرنوشت بعدی پروژه
Hagelstein یک فرآیند دو مرحله‌ای را متصور شد که در آن لیزر پلاسمایی ایجاد می‌کند که فوتون‌های باردار را آزاد می‌کند که با الکترون‌های موجود در ماده دیگر برخورد می‌کند و باعث تابش اشعه ایکس می‌شود. چندین راه‌حل امتحان شد، اما در نهایت دستکاری یون بهترین راه‌حل بود. پلاسما الکترون ها را حذف کرد تا اینکه تنها 10 الکترون داخلی باقی ماند، جایی که فوتون ها آنها را تا حالت 3p شارژ کردند، بنابراین پرتو "نرم" را آزاد کردند. آزمایشی در 13 ژوئیه 1984 ثابت کرد که زمانی که یک طیف‌سنج گسیل‌های قوی را در 20.6 و 20.9 نانومتر سلنیوم (یونی شبیه نئون) اندازه‌گیری کرد، این چیزی بیش از تئوری بود. سپس اولین لیزر اشعه ایکس آزمایشگاهی (نه نظامی) با نام Novette ظاهر شد.
سرنوشت Novette
این لیزر توسط Jim Dunn طراحی شده است و جنبه های فیزیکی آن توسط Al Osterheld و Slava Shlyaptsev تایید شده است. استفاده سریعپالس نور پرانرژی (نزدیک به نانوثانیه) که ذرات را برای رها کردن اشعه ایکس شارژ می‌کند، Novett همچنین از تقویت‌کننده‌های شیشه‌ای استفاده می‌کند که کارایی را بهبود می‌بخشد، اما به سرعت گرم می‌شود، به این معنی که می‌تواند تنها 6 بار در روز بین روزهای سرد کار کند. اما برخی کارها نشان داده‌اند که می‌تواند یک پالس پیکوثانیه را شلیک کند در حالی که فشرده‌سازی به یک پالس نانوثانیه برمی‌گردد. در غیر این صورت آمپلی فایر شیشه ای از بین می رود. توجه به این نکته حائز اهمیت است که Novette و سایر لیزرهای پرتو ایکس "رومیزی" پرتوهای پرتو ایکس "نرم" تولید می کنند که طول موج طولانی تری دارند که از عبور پرتو از بسیاری از مواد جلوگیری می کند، اما بینشی نسبت به آلیاژها و پلاسما می دهد. به راحتی از میان آنها می درخشد.
سایر کاربردها و ویژگی های عملیات
پس این لیزر برای چه کاری می تواند استفاده شود؟ قبلاً اشاره شده بود که طول موج کوتاه‌تر می‌تواند بررسی برخی مواد را آسان‌تر کند، اما این تنها کاربرد نیست. هنگامی که یک هدف توسط یک ضربه مورد اصابت قرار می گیرد، به سادگی به ذرات اتمی تبدیل می شود و دما در همان زمان تنها در یک تریلیونم ثانیه به میلیون ها درجه می رسد. و اگر این دما کافی باشد، لیزر باعث جدا شدن الکترون ها از داخل می شود. این به این دلیل است که پایین‌ترین سطح اوربیتال‌های الکترونی به معنای وجود حداقل دو الکترون است که از انرژی تولید شده توسط پرتوهای ایکس خارج می‌شوند.
زمانی که طول می کشد تا یک اتم بهتمام الکترون های خود را از دست داده است، در حد چند فمتوثانیه است. هسته حاصل برای مدت طولانی نمی ماند و به سرعت به حالت پلاسمایی معروف به "ماده متراکم گرم" تبدیل می شود که بیشتر در راکتورهای هسته ای و هسته سیارات بزرگ یافت می شود. با آزمایش لیزر، می‌توانیم ایده‌ای از هر دو فرآیند که اشکال مختلف همجوشی هسته‌ای هستند به دست آوریم.
استفاده از لیزر اشعه ایکس واقعاً جهانی است. یکی دیگر از ویژگی های مفید این اشعه ایکس استفاده از آن ها با سنکروترون ها یا ذرات شتاب دهنده در کل مسیر شتاب دهنده است. بر اساس انرژی لازم برای ایجاد این مسیر، ذرات می توانند تابش ساطع کنند. به عنوان مثال، الکترون ها هنگام برانگیختگی، اشعه ایکس ساطع می کنند که طول موجی در حدود اندازه یک اتم دارد. سپس می‌توانیم خواص این اتم‌ها را از طریق برهمکنش با اشعه ایکس بررسی کنیم. علاوه بر این، ما می‌توانیم انرژی الکترون‌ها را تغییر دهیم و طول موج‌های مختلف پرتوهای ایکس را به‌دست آوریم و به عمق تجزیه و تحلیل بیشتری دست یابیم.
با این حال، ایجاد لیزر اشعه ایکس با دستان خود بسیار دشوار است. ساختار آن حتی از دیدگاه فیزیکدانان با تجربه بسیار پیچیده است.
در زیست شناسی
حتی زیست شناسان نیز توانسته اند از لیزرهای اشعه ایکس (پمپ هسته ای) بهره ببرند. تشعشعات آنها می تواند به آشکارسازی جنبه هایی از فتوسنتز که قبلاً برای علم ناشناخته بود کمک کند. آنها تغییرات ظریف در برگ های گیاه را ثبت می کنند. طول موج های بلند پرتوهای لیزر اشعه ایکس نرم به شما امکان می دهد بدون از بین بردن همه چیز کاوش کنیددر داخل گیاه اتفاق می افتد. انژکتور نانوکریستال فتوسل I را فعال می کند، کلید پروتئینی برای فتوسنتز که برای فعال کردن آن لازم است. این توسط یک پرتو لیزر از اشعه ایکس رهگیری می شود که باعث می شود کریستال به معنای واقعی کلمه منفجر شود.
اگر آزمایشات بالا به موفقیت خود ادامه دهند، مردم می توانند اسرار طبیعت را کشف کنند و فتوسنتز مصنوعی ممکن است به واقعیت تبدیل شود. این مسئله همچنین امکان استفاده کارآمدتر از انرژی خورشیدی را مطرح می‌کند که باعث ظهور پروژه‌های علمی برای سالهای آینده می‌شود.
آهنربا
در مورد آهنربای الکترونیکی چطور؟ دانشمندان دریافتند که وقتی اتم‌های زنون و مولکول‌های محدود ید مورد اصابت یک پرتو ایکس پرقدرت قرار گرفتند، اتم‌ها الکترون‌های درونی خود را پرتاب کردند و بین هسته و بیرونی‌ترین الکترون‌ها فضای خالی ایجاد کردند. نیروهای جاذبه این الکترون ها را به حرکت در می آورند. به طور معمول این اتفاق نباید بیفتد، اما به دلیل ریزش ناگهانی الکترون ها، یک وضعیت بیش از حد "بار" در سطح اتمی رخ می دهد. دانشمندان فکر می کنند که لیزر می تواند در پردازش تصویر استفاده شود.
لیزر غول پیکر اشعه ایکس Xfel
میزبانی شده در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده ایالات متحده، به ویژه در Linac، این لیزر 3500 فوتی از چندین دستگاه مبتکرانه برای ضربه زدن به اهداف با اشعه ایکس سخت استفاده می کند. در اینجا برخی از اجزای یکی از قوی ترین لیزرها (مخفف ها و انگلیسی ها مخفف اجزای مکانیزم هستند):
- درایو لیزر - ایجاد می کندیک پالس فرابنفش که الکترون ها را از کاتد حذف می کند. با دستکاری میدان الکتریکی تا سطح انرژی 12 میلیارد eW الکترون ساطع می کند. همچنین یک شتاب دهنده S شکل در داخل حرکت وجود دارد به نام کمپرسور دسته ای 1.
- کمپرسور دسته 2 - همان مفهوم دسته 1 اما ساختار S شکل بلندتر، به دلیل انرژی بیشتر افزایش یافته است.
- سالن حمل و نقل - به شما امکان می دهد مطمئن شوید که الکترون ها برای تمرکز پالس ها با استفاده از میدان های مغناطیسی مناسب هستند.
- Undulator Hall - متشکل از آهنرباهایی است که باعث می شود الکترون ها به جلو و عقب حرکت کنند و در نتیجه اشعه ایکس با انرژی بالا تولید می کنند.
- Beam Dump آهنربایی است که الکترون‌ها را حذف می‌کند اما به پرتوهای ایکس بدون حرکت اجازه عبور می‌دهد.
- LCLS Experimental Station محفظه خاصی است که لیزر در آن ثابت می شود و فضای اصلی برای آزمایش های مربوط به آن است. پرتوهای تولید شده توسط این دستگاه 120 پالس در ثانیه ایجاد می کنند که هر پالس 1/10000000000 ثانیه طول می کشد.
- محیط تخلیه پلاسما مویرگی. در این تنظیمات، یک مویرگی به طول چندین سانتی متر، ساخته شده از یک ماده پایدار (به عنوان مثال آلومینا)، یک پالس الکتریکی با دقت بالا و زیر میکروثانیه را در یک گاز کم فشار محدود می کند. نیروی لورنتس باعث فشرده شدن بیشتر ترشحات پلاسما می شود. علاوه بر این، اغلب از یک پالس الکتریکی یا نوری پیش یونیزاسیون استفاده می شود. به عنوان مثال یک لیزر مویرگی نئون مانند Ar8 + (که در 47 تشعشع ایجاد می کند.نانومتر).
- محیط هدف یک دال جامد - هدف پس از اصابت یک پالس نوری، پلاسمای بسیار برانگیخته از خود ساطع می کند. مجدداً، اغلب از یک "پیش پالس" طولانی تر برای ایجاد پلاسما استفاده می شود، و یک پالس دوم، کوتاه تر و پرانرژی تر برای گرم کردن بیشتر پلاسما استفاده می شود. برای طول عمر کوتاه، ممکن است نیاز به تغییر حرکت باشد. گرادیان ضریب شکست پلاسما باعث می‌شود که پالس تقویت‌شده از سطح هدف خم شود، زیرا در فرکانس‌های بالاتر از رزونانس، ضریب شکست با چگالی ماده کاهش می‌یابد. این را می توان با استفاده از چندین هدف در یک انفجار، مانند لیزر الکترون آزاد اروپا با اشعه ایکس، جبران کرد.
- پلاسمای برانگیخته شده توسط یک میدان نوری - در چگالی های نوری به اندازه کافی بالا برای تونل موثر الکترون ها یا حتی برای سرکوب یک سد پتانسیل (> 1016 W / cm2)، می توان گاز را بدون تماس با مویرگ یا مویین به شدت یونیزه کرد. هدف. معمولاً از یک تنظیم خطی برای همگام سازی پالس ها استفاده می شود.
به طور کلی، ساختار این مکانیسم مشابه لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس اروپایی است.
