Qual è il principio di funzionamento del laser a raggi X? A causa dell'elevato guadagno nel mezzo di generazione, delle brevi durate dello stato superiore (1-100 ps) e dei problemi associati alla costruzione di specchi in grado di riflettere i raggi, questi laser funzionano in genere senza specchi. Il fascio di raggi X è generato da un singolo passaggio attraverso il mezzo di guadagno. La radiazione emessa in base al raggio spontaneo amplificato ha una coerenza spaziale relativamente bassa. Leggi l'articolo fino alla fine e capirai che si tratta di un laser a raggi X. Questo dispositivo è molto pratico e unico nella sua struttura.
Kernel nella struttura del meccanismo
Poiché le transizioni laser convenzionali tra gli stati visibili ed elettronici o vibrazionali corrispondono a energie fino a 10 eV, sono necessari diversi mezzi attivi per i laser a raggi X. Di nuovo, per questo possono essere usati vari nuclei carichi attivi.
Armi
Tra il 1978 e il 1988 nel progetto ExcaliburL'esercito americano ha tentato di sviluppare un laser a raggi X esplosivo nucleare per la difesa missilistica come parte della Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Il progetto, tuttavia, si rivelò troppo costoso, si trascinò e alla fine fu accantonato.
Mezzi al plasma all'interno di un laser
I mezzi più comunemente usati includono plasma altamente ionizzato creato in una scarica capillare o quando un impulso ottico focalizzato linearmente colpisce un bersaglio solido. Secondo l'equazione di ionizzazione di Saha, le configurazioni elettroniche più stabili sono neon, con 10 elettroni rimanenti, e nichel-like, con 28 elettroni. Le transizioni elettroniche nei plasmi altamente ionizzati corrispondono tipicamente a energie dell'ordine di centinaia di elettronvolt (eV).
Un mezzo di amplificazione alternativo è il raggio di elettroni relativistici di un laser a elettroni liberi a raggi X, che utilizza lo scattering Compton stimolato invece della radiazione standard.
Applicazione
Le applicazioni a raggi X coerenti includono l'imaging a diffrazione coerente, il plasma denso (opaco alle radiazioni visibili), la microscopia a raggi X, l'imaging medico con risoluzione di fase, l'esame della superficie del materiale e l'armamento.
La versione più leggera del laser può essere utilizzata per il movimento ablativo del laser.
Laser a raggi X: come funziona
Come funzionano i laser? A causa del fatto che il fotonecolpisce un atomo con una certa energia, puoi fare in modo che l'atomo emetta un fotone con quell'energia in un processo chiamato emissione stimolata. Ripetendo questo processo su larga scala, otterrai una reazione a catena che si traduce in un laser. Tuttavia, alcuni nodi quantici causano l'arresto di questo processo, poiché a volte un fotone viene assorbito senza essere emesso affatto. Ma per garantire le massime possibilità, i livelli di energia dei fotoni vengono aumentati e gli specchi sono posizionati parallelamente al percorso della luce per aiutare i fotoni sparsi a tornare in gioco. E alle alte energie dei raggi X, si trovano leggi fisiche speciali che sono inerenti a questo particolare fenomeno.
Cronologia
All'inizio degli anni '70, il laser a raggi X sembrava fuori portata, poiché la maggior parte dei laser del giorno raggiungeva il picco di 110 nm, ben al di sotto dei raggi X più grandi. Questo perché la quantità di energia richiesta per produrre il materiale stimolato era così alta che doveva essere erogata in un impulso veloce, complicando ulteriormente la riflettività necessaria per creare un potente laser. Pertanto, gli scienziati hanno esaminato il plasma, perché sembrava un buon mezzo conduttore. Un team di scienziati nel 1972 affermò di aver finalmente ottenuto l'uso del plasma nella creazione di laser, ma quando cercarono di riprodurre i risultati precedenti, per qualche motivo fallirono.
Negli anni '80, un importante attore mondiale si unì al team di ricercaScienza - Livermore. Gli scienziati, nel frattempo, hanno fatto piccoli ma importanti passi avanti per anni, ma dopo che la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha smesso di pagare per la ricerca sui raggi X, Livermore è diventato il leader del team scientifico. Ha guidato lo sviluppo di diversi tipi di laser, compresi quelli basati sulla fusione. Il loro programma di armi nucleari era promettente, perché gli indicatori di alta energia raggiunti dagli scienziati durante questo programma suggerivano la possibilità di creare un meccanismo pulsato di alta qualità che sarebbe stato utile nella costruzione di un laser a elettroni liberi a raggi X.
Il progetto si stava gradualmente avvicinando al completamento. Gli scienziati George Chaplin e Lowell Wood hanno esplorato per la prima volta la tecnologia di fusione per i laser a raggi X negli anni '70 e poi sono passati a un'opzione nucleare. Insieme hanno sviluppato un tale meccanismo ed erano pronti per il test il 13 settembre 1978, ma un guasto all'attrezzatura ha interrotto l'operazione. Ma forse era per il meglio. Peter Hagelstein ha creato un approccio diverso dopo aver studiato il meccanismo precedente e il 14 novembre 1980 due esperimenti hanno dimostrato che il prototipo del laser a raggi X funzionava.
Progetto Star Wars
Molto presto, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti si interessò al progetto. Sì, usare la potenza di un'arma nucleare in un raggio focalizzato è troppo pericoloso, ma quella potenza potrebbe essere usata per distruggere i missili balistici intercontinentali (ICBM) nell'aria. Sarebbe più conveniente usare un meccanismo simile sulla Terra vicinaorbita. Il mondo intero conosce questo programma chiamato Star Wars. Tuttavia, il progetto di utilizzare il laser a raggi X come arma non è mai stato realizzato.
Il numero del 23 febbraio 1981 di Aviation Week and Space Engineering riporta i risultati dei primi test del progetto, incluso un raggio laser che ha raggiunto 1,4 nanometri e ha colpito 50 diversi bersagli.
I test del 26 marzo 1983 non hanno prodotto nulla a causa del guasto del sensore. Tuttavia, i seguenti test del 16 dicembre 1983 hanno dimostrato le sue vere capacità.
Ulteriore destino del progetto
Hagelstein ha immaginato un processo in due fasi in cui un laser avrebbe creato un plasma che avrebbe rilasciato fotoni carichi che si sarebbero scontrati con gli elettroni in un altro materiale e avrebbero causato l'emissione di raggi X. Sono state provate diverse configurazioni, ma alla fine la manipolazione ionica si è rivelata la soluzione migliore. Il plasma ha rimosso gli elettroni fino a quando sono rimasti solo 10 quelli interni, dove i fotoni li hanno poi caricati fino allo stato 3p, rilasciando così il raggio "morbido". Un esperimento del 13 luglio 1984 dimostrò che questo era più di una teoria quando uno spettrometro misurò forti emissioni a 20,6 e 20,9 nanometri di selenio (uno ione simile al neon). Quindi apparve il primo laser a raggi X da laboratorio (non militare) con il nome Novette.
Il destino di Novette
Questo laser è stato progettato da Jim Dunn e gli aspetti fisici sono stati verificati da Al Osterheld e Slava Shlyaptsev. Usando veloce(quasi nanosecondi) di luce ad alta energia che caricava le particelle per rilasciare i raggi X, Novett ha anche utilizzato amplificatori in vetro, che migliorano l'efficienza ma si riscaldano anche rapidamente, il che significa che può funzionare solo 6 volte al giorno tra i cooldown. Ma alcuni lavori hanno dimostrato che può generare un impulso di picosecondi mentre la compressione ritorna a un impulso di nanosecondi. In caso contrario, l'amplificatore in vetro verrà distrutto. È importante notare che Novette e altri laser a raggi X "da tavolo" producono fasci di raggi X "morbidi", che hanno una lunghezza d'onda più lunga, che impedisce al raggio di passare attraverso molti materiali, ma fornisce informazioni su leghe e plasma, poiché risplende facilmente attraverso di loro.
Altri usi e caratteristiche del funzionamento
Allora per cosa può essere usato questo laser? In precedenza è stato notato che una lunghezza d'onda più corta può facilitare l'esame di alcuni materiali, ma questa non è l'unica applicazione. Quando un bersaglio viene colpito da un impulso, viene semplicemente distrutto in particelle atomiche e la temperatura allo stesso tempo raggiunge milioni di gradi in appena un trilionesimo di secondo. E se questa temperatura è sufficiente, il laser farà staccare gli elettroni dall'interno. Questo perché il livello più basso degli orbitali elettronici implica la presenza di almeno due elettroni, che vengono espulsi dall'energia generata dai raggi X.
Il tempo impiegato da un atomo perha perso tutti i suoi elettroni, è dell'ordine di pochi femtosecondi. Il nucleo risultante non indugia per transizioni lunghe e rapide in uno stato plasmatico noto come "materia densa calda", che si trova principalmente nei reattori nucleari e nei nuclei dei grandi pianeti. Sperimentando con il laser, possiamo farci un'idea di entrambi i processi, che sono diverse forme di fusione nucleare.
L'uso del laser a raggi X è davvero universale. Un' altra caratteristica utile di questi raggi X è il loro uso con sincrotroni o particelle che accelerano lungo l'intero percorso dell'acceleratore. In base alla quantità di energia necessaria per compiere questo percorso, le particelle possono emettere radiazioni. Ad esempio, gli elettroni, quando eccitati, emettono raggi X, che hanno una lunghezza d'onda delle dimensioni di un atomo. Quindi potremmo studiare le proprietà di questi atomi attraverso l'interazione con i raggi X. Inoltre, possiamo modificare l'energia degli elettroni e ottenere diverse lunghezze d'onda dei raggi X, ottenendo una maggiore profondità di analisi.
Tuttavia, è molto difficile creare un laser a raggi X con le tue mani. La sua struttura è estremamente complessa anche dal punto di vista dei fisici esperti.
In biologia
Anche i biologi hanno potuto beneficiare dei laser a raggi X (pompati nucleari). La loro radiazione può aiutare a rivelare aspetti della fotosintesi precedentemente sconosciuti alla scienza. Catturano sottili cambiamenti nelle foglie delle piante. Lunghe lunghezze d'onda dei raggi laser morbidi a raggi X ti consentono di esplorare senza distruggere tutto ciòavviene all'interno dell'impianto. L'iniettore di nanocristalli attiva la fotocellula I, la proteina chiave della fotosintesi necessaria per attivarla. Questo viene intercettato da un raggio laser di raggi X, che fa letteralmente esplodere il cristallo.
Se gli esperimenti di cui sopra continuano ad avere successo, le persone saranno in grado di svelare i misteri della natura e la fotosintesi artificiale potrebbe diventare una re altà. Solleverà anche la questione della possibilità di un uso più efficiente dell'energia solare, provocando l'emergere di progetti scientifici per molti anni a venire.
Magneti
Che ne dici di un magnete elettronico? Gli scienziati hanno scoperto che quando avevano atomi di xeno e molecole limitate di iodio colpiti da raggi X ad alta potenza, gli atomi emettevano i loro elettroni interni, creando un vuoto tra il nucleo e gli elettroni più esterni. Le forze attrattive mettono in moto questi elettroni. Normalmente questo non dovrebbe accadere, ma a causa dell'improvvisa caduta di elettroni, si verifica una situazione eccessivamente "carica" a livello atomico. Gli scienziati ritengono che il laser possa essere utilizzato nell'elaborazione delle immagini.
Laser a raggi X gigante Xfel
Ospitato presso il National Accelerator Laboratory degli Stati Uniti, in particolare presso il linac, questo laser da 3.500 piedi utilizza diversi dispositivi ingegnosi per colpire bersagli con raggi X duri. Ecco alcuni dei componenti di uno dei laser più potenti (abbreviazioni e anglicismi stanno per i componenti del meccanismo):
- Drive Laser - creaun impulso ultravioletto che rimuove gli elettroni dal catodo. Emette elettroni fino a un livello di energia di 12 miliardi di eW manipolando il campo elettrico. C'è anche un acceleratore a forma di S all'interno del movimento chiamato Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - stesso concetto del Bunch 1 ma struttura più lunga a forma di S, aumentata grazie alle energie più elevate.
- Transport Hall - ti permette di assicurarti che gli elettroni siano adatti per focalizzare gli impulsi usando i campi magnetici.
- Undulator Hall - Consiste di magneti che fanno muovere gli elettroni avanti e indietro, generando così raggi X ad alta energia.
- Beam Dump è un magnete che rimuove gli elettroni ma lascia passare i raggi X senza muoversi.
- LCLS Experimental Station è una camera speciale in cui è fissato il laser e che è lo spazio principale per gli esperimenti ad esso correlati. I raggi generati da questo dispositivo creano 120 impulsi al secondo, con ogni impulso della durata di 1/10000000000 di secondo.
- Mezzo di scarico plasmatico capillare. In questa configurazione, un capillare lungo diversi centimetri, fatto di un materiale stabile (ad esempio allumina), limita un impulso elettrico ad alta precisione, inferiore al microsecondo in un gas a bassa pressione. La forza di Lorentz provoca un'ulteriore compressione della scarica di plasma. Inoltre, viene spesso utilizzato un impulso elettrico o ottico di pre-ionizzazione. Un esempio è un laser capillare Ar8 + simile al neon (che genera radiazioni a 47nm).
- Mezzo bersaglio di una lastra solida - dopo essere stato colpito da un impulso ottico, il bersaglio emette un plasma altamente eccitato. Anche in questo caso, viene spesso utilizzato un "prepulse" più lungo per creare il plasma e un secondo impulso, più breve e più energico, viene utilizzato per riscaldare ulteriormente il plasma. Per brevi durate, potrebbe essere necessario uno spostamento della quantità di moto. Il gradiente dell'indice di rifrazione del plasma fa sì che l'impulso amplificato si pieghi lontano dalla superficie del bersaglio, poiché a frequenze superiori alla risonanza l'indice di rifrazione diminuisce con la densità della materia. Questo può essere compensato utilizzando più bersagli in un lampo, come nel laser europeo a elettroni liberi a raggi X.
- Plasma eccitato da un campo ottico - a densità ottiche sufficientemente elevate per tunnel di elettroni in modo efficace o anche per sopprimere una potenziale barriera (> 1016 W / cm2), è possibile ionizzare fortemente un gas senza contatto con un capillare o bersaglio. In genere viene utilizzata un'impostazione collineare per sincronizzare gli impulsi.
In generale, la struttura di questo meccanismo è simile al laser europeo a elettroni liberi a raggi X.
