Рентгеновский лазер

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Рис.1,Получение рентгеновских лазерных лучей‎

Рентгеновский лазер или свободно-электронный лазер FEL (англ. Free electron laser — свободно-электронный лазер) — один из перспективных многих лазеров, в основе которого лежит Электромагнитное излучение, состоящее из электромагнитных волн, которые могут достигать высокой энергии, но использующий разные операционные настройки для формировния луча. В отличие от газовых, жидкостных или лазеров твердого тела, типа диодных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях — у FELs (см.Рис.1) источником излучения является пучок свободных электронов проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов (ондулятор), заставляющий их двигаться по синусоидальной траектории. Разгон электронов до околосветовых скоростей приводит к испусканию фотонов — синхротронному излучению.

Свободно-электронный лазер имеет самый широкий частотный диапазон любого лазерного типа, и может быть широко настраиваемым. В настоящее время этот диапазон настраивается в длинах волны от микроволновых печей, с частотой от ИК-излучения (к видимому спектру, к ультрафиолетовому) до Х-излучения. Французские и японские ученые изготовили лазер на свободных электронах с уменьшенным размером и способного создавать когерентное рентгеновское излучение с длиной волны до 32 нанометров. [1][2]

История рентгеновского лазера[править]

Рентгеновский лазер с возбуждением активной среды с помощью энергии ядерного взрыва является на сегодняшний день одним из наиболее эффективных лазерных устройств дискретного применения. В лазерных рентгеновских микроскопах генерируется лазерный рентгеновский луч, обеспечивающий получение изображений с разрешением в 1,61 мкм.

Но при создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и этими атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Коэффициент усиления излучения составляет:K = s (Nвоз – Nосн),где s – сечение взаимодействия квантов с атомами, Nвоз и Nосн – число атомов в возбужденном и основном состояниях. В условиях термодинамического равновесия Nвоз < Nосн, поэтому поглощение преобладает над вынужденным излучением. Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям: Nвоз > Nосн. Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что s = 12 зм.

Значит, чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление. Поэтому первые такие усилители были созданы в радиодиапазоне (мазеры) в конце 50-х годов. В 60-е годы был построен первый оптический генератор непрерывного действия (гелий-неоновый лазер). Методы нелинейной оптики позволили к середине 70-х годов создать лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета(возбужденные неоноподобные атомы) около 1000Aнгстрем (СССР). А к концу 70-х стало ясно, что практически осуществима схема лазера с длиной волны около 10-20 Aнгстрем , на многозарядных ионах(например ионы селена-74) с возбуждением с помощью мощного лазера оптического диапазона(неодимовый лазер). А для рентгеновского диапазона с длиной волны менее 10 Ангстрем должны быть использованы ядерные переходы а так же эффект Мёссбауэра (излучение квантов в кристаллах без «отдачи» атома, а значит, без смещения частоты излучения вследствие доплер-эффекта).

Для поддержки инверсной заселенности верхних уровней мощность возбуждения должна быть намного больше той, которая рассеивается в виде спонтанного излучения в среде(тепловые потери и др). Как известно, энергия кванта пропорциональна частоте излучения и к тому же вероятность спонтанного излучения, бесполезно уносящего энергию внешнего источника возбуждения, пропорциональна третьей степени от частоты излучения. Учитывая это, получим, что мощность, необходимая для поддержания инверсной заселенности, W µ n4 µ l–4.Так например для лазеров видимого диапазона с длиной волны около 500 нм, достаточно обеспечить мощность, вводимую в см3 среды около 100–10000 Вт/см3(лампы-вспышки,хим-е реакции), то для лазера рентгеновского диапазона с длиной волны около 0,5 нм, плотность энергии "накачки" должна быть около 1010– 1015Вт/см2(!). Такой высокий уровень энергий при "накачке" может быть обеспечен только с помощью ядерного взрыва, либо в фокальном пятне мощного импульсного лазера.

В 1984 году в США была осуществлена генерация лазерного рентгеновского излучения в газовой среде с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера «NOVETTA» И «NOVA» (Ливермор,Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса), каждый луч которого имел плотность мощности 5 ґ 1013Вт/см2в импульсе длительностью 450 пикосекунд на волне 5320 Aнгстрем. В фокусе лазера помещалась мишень – тончайшая пленка размером 0,1 ґ 1,1 см из селена-74 или иттрия.Луч испарял мишень, создавая плазму из неоноподобных ионов этих металлов. Столкновения с электронами в плазме вызывали возбуждение ионов, которое заканчивалось вынужденным излучением на волне 206,3 Ангстрема и 209,6 Aнгстрема для селена и 155 A – для ионов иттрия. Достигнутый коффиэциент усиления превысил 108 раз.

В том же году в лаборатории физики плазмы (Принстон, США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах углекислого газа удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 182 Aнгстрем. Их лазер накачки имел импульсную мощность около 20 ГВт.Пучок лазера был сфокусирован на площади диаметром около 0,2мм, что и позволило достичь плотности энергии около 1013Вт/см2.В этих экспериментах впервые использовалось для увеличения коэффициента лазерного усиления рентгеновское сферическое зеркало, состоящее из чередующихся слоев молибдена толщиной 35 A и кремния толщиной 60 A. Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, и в следствии интерференции усиливаются, таким образом коэффициент отражения зеркала нарастает и достигает 62-75%.

В 1986, полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное излучение с длиной волны 80 Aнгстрем. Дальнейшее уменьшение длины волны необходимо для уменьшения угловой расходимости лазерного пучка, и потребует огромных плотностей энергии "накачки", которые можно получить только при ядерном взрыве. Разработки в данном направлении, с целью создания боевого лазера работающего в рентгеновской части спектра велись в США(Ливермор, Э.Теллер). Во время подземных ядерных взрывовв 1983 году(полигон Невада) были проведены оценочные испытания первых рентгеновских лазеров). В 1983 году было опубликовано первое сообщение об измеренных во время эксперимента параметрах лазерного излучения: длина волны около 14 Aнгстрем, длительность импульса Ј 10–9 с, мощность излучения полученная от рентгеновского лазера при атомном взрыве превысила 400 Тераватт(!). Конструкция лазера не была подробно описана, но стало известно, что его рабочим телом были тонкие металлические стержни.

После взрыва ядерного заряда вещество рабочих стержней превращается в полностью ионизованную плазму. Когда температура электронов несколько снижается, и начинается рекомбинация в основном на нижние уровни, происходит излучение в рентгеновской части спектра. Поскольку время высвечивания плазмы измеряется пикосекундами, и облако раскаленной до миллионов градусов плазмы не успевает существенно изменить свою геометрию, то оно сохраняет форму и направление рабочего стержня. Так как зеркал для работы с рентгеновским излучением с длиной волны около 10 A пока еще не существует (см.рентгеновское зеркало), то рентгеновский лазер, вероятно, должен работать без резонатора. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией и геометрией стержня. Точнее говоря, наибольшим значением из них. Принимая малое значение расходимости, получим оптимальную величину диаметра: D = (lL)1/2. Для длин волн около 10-14 Aнгстрем и L = 7 м это дает D = 0,1 мм. Даже если в процессе ионизации и рекомбинации вещества его геометрия изменится незначительно, расходимость луча достигает ~ 10-5рад. Однако более детальный расчет показывает, что к моменту рекомбинации сгусток плазмы может расшириться до 0,8-1 мм, и в этом случае расходимость лазерного луча будет порядка от 10-4 до 10-5. Для поражения межконтинентальной ракеты,то есть для достижения плотностей энергии около 10-20 кДж/см2на расстоянии до 1000 километров при расходимости луча 10–5, в импульсе такого лазера должна быть энергия ~ 1010Джоулей. При КПД лазера около 8-10% и при расстоянии стержня от ядерного заряда ~ 1 м мощность заряда должна быть около 1015Джоулей, или порядка двухсот килотонн тротилового эквивалента. При этом предположительно львиная доля энергии ядерного взрыва пойдет на испарение рабочих стержней(стержня), и сама струна ориентирована к заряду не торцом, а боковой поверхностью. Однако в литературе на эту тему упоминаются заряды значительно меньшей мощности. Возможно использовать не одну, а несколько десятков(около 50-100) параллельно ориентированных стержней наводимых на цель. Возможно также что инженеры попытаются создать концентратор энергии взрыва на одной струне, используя эффект отражения рентгеновских лучей от кристаллов или многослойные рентгеновские зеркала(с высокими характеристиками отражения), и в этой области предвидится значительный успех.

Современные технологии позволяют создавать относительно компактные рентгеновские лазеры(массой около 1-2 тонны) спецназначения с большим диапазоном регулировки мощности и величины длины волны, настольные, которые находят применение во многих областях:

  • Для вывода на орбиту с помощью межконтинентальных ракет с компьютерным управлением и могущих применяться в военных целях, отдельными стержнями позволит поражать одновременно до нескольких десятков целей, или гарантированно поражать одну;
  • В микроскопии, в медицине с применением «мягких» рентгеновских лучей для диагносцирования с неразрушающим контролем c разрешением в 32 нанометра и др. (Например, Лазерный рентгеновский микроскоп) с диаметром луча в 0,1 нм обеспечивает получение изображения с разрешением 1,61 мкм).

Получение рентгеновского лазерного излучения[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Вигглер
Рис.2,Магниты Вигглера
Рис.3,Вигглер Хальбаха

Чтобы создавать FEL, луч электронов ускорен к скоростям Х-лучей. Луч проходит через генератор FEL выполненный в форме периодического, поперечного магнитного поля. Магниты сделаны с переменными полюсами в пределах лазерной впадины по дорожке луча. Это множество магнитов иногда называют ондулятором, или "wiggler", потому что это вынуждает электроны в луче принимать синусоидальную форму. Ускорение электронов по этой дорожке приводит к выпуску фотона (радиация синхротрона). Так как электронное движение находится в фазе с областью света, уже испускаемого, области вместе сжимают (когерентно). Вид электронного луча принимает форму, которая следуют из взаимодействий колебаний электронов в ондуляторах и излучения, которую они испускают и приводят к нагромождению электронов, и продолжают исходить в фазе друг с другом в отличие от обычных ондуляторов, где электроны исходят независимо. Длина волны испускаемого света может быть настроена при помощи регулировки энергии электронного луча или силы магнитного поля ондуляторов.

Акселераторы[править]

В насоящее FEL требует использования электронного акселератора с его связанной защитой, поскольку ускоренные электроны - лучевая опасность. Эти акселераторы типично включаются клистронами, которые требуют высокого подключения напряжения. Обычно, электронный луч должен быть поддержан в вакууме, который требует использования многочисленных насосов по дорожке луча. Свободно-электронные лазеры могут достигнуть высокого диапазона пиковых значений.

Рентгеновские лазеры вообще, включая FEL, способны создавать "мягкое" рентгеновское излучение с длиной, которая используется в медицинских целях. Оно не может проникнуть даже через лист бумаги, но идеально подходит для зондирования ионизированных газов с высокой плотностью энергии (чем короче длина волны, тем глубже луч проникает в плотную плазму), а также для исследования новых и существующих материалов. Постоянное уменьшение размеров установок, снижение их стоимости, получение настольных рентгеновских лазеров станет привычным инструментом в лабораториях по исследованию физики плазмы, так как имеет почти все, что нужно: низкие энергозатраты, повторный выстрел каждые 4 минуты и малую длину волны. Их приспособляемость делает их очень желательными во многих областях, включая область медицинского диагнозцирования и неразрушающего метода исследований и др.[3][4]

Применение[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Микроскоп

Лазерный рентгеновский микроскоп[править]

Рис.2, Принципиальная схема работы Лазерного рентгеновского микроскопа

Лазерный рентгеновский микроскоп (ЛРМ) (См.Рис.2) использует принцип лазерного луча свободных электронов установки (FEL) на основе генерации инфракрасного луча мощностью 14,2 киловатта, сечением порядка 0,1 нанометра обеспечивает разрешение изображений величиной 1,61 мкм. В 2004 году Американский национальный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч формировала в вигглере. Вигглер — установка, состоящая из длинного ряда мощных электромагнитов или постоянных магнитов, полюса которых чередуются. Через него пропускается пучок электронов с околосветовой скоростью, которые направляются с установки - ускорителя, расположеного рядом. В магнитных полях вигглера электроны заставляют двигаться по синусоиде. Теряя энергию она преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерах, собирается и усиливается системой из обычных и полупрозрачных зеркал, установленных на концах вигглера. Т.е. изменение энергии лазерного пучка и параметров вигглера (например, расстояние между магнитами) дает возможность получать в широких пределах частоту лазерного луча. Другие системы: твердотельные или газовые лазеры с накачкой мощных ламп и с химической этого обеспечить не могут. Как известно, спектр электромагнитного излучения содержит разные лучи, в том числе и рентгеновские, сила которых зависит от частоты или длины волны луча. Чем короче длина волны излучения, тем она мощнее и ее проникающая способность выше. Это напрямую связано с разрешающей способностью микроскопов.

Принципиальная схема работы лазерного рентгеновского микроскопа (См.Рис.2):

См. также[править]

Ссылки[править]