หลักการทำงานของเอ็กซ์เรย์เลเซอร์คืออะไร? เนื่องจากค่าเกนที่เพิ่มขึ้นในตัวกลางในการสร้าง อายุการใช้งานที่สั้น (1-100 ps) และปัญหาที่เกี่ยวข้องกับกระจกอาคารที่สามารถสะท้อนแสงลำแสงได้ เลเซอร์เหล่านี้จึงมักทำงานโดยไม่มีกระจก ลำแสงเอ็กซ์เรย์ถูกสร้างขึ้นโดยการส่งผ่านตัวกลางเกนเพียงครั้งเดียว รังสีที่ปล่อยออกมาจากลำแสงธรรมชาติที่ขยายแล้วมีความเชื่อมโยงเชิงพื้นที่ค่อนข้างต่ำ อ่านบทความให้จบแล้วคุณจะเข้าใจว่านี่คือเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ อุปกรณ์นี้ใช้งานได้จริงและมีเอกลักษณ์ในโครงสร้าง
เคอร์เนลในโครงสร้างกลไก
เนื่องจากการเปลี่ยนภาพด้วยเลเซอร์แบบธรรมดาระหว่างสถานะที่มองเห็นได้กับสถานะอิเล็กทรอนิกส์หรือการสั่นสะเทือนสอดคล้องกับพลังงานสูงถึง 10 eV จึงจำเป็นต้องมีสื่อแอคทีฟที่แตกต่างกันสำหรับเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ อีกครั้ง สามารถใช้นิวเคลียสที่มีประจุแบบแอคทีฟต่างๆ ได้
อาวุธ
ระหว่างปี 1978 และ 1988 ในโครงการ Excaliburกองทัพสหรัฐพยายามที่จะพัฒนาเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ระเบิดนิวเคลียร์สำหรับการป้องกันขีปนาวุธซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการริเริ่มการป้องกันเชิงกลยุทธ์ของสตาร์ วอร์ส (SDI) อย่างไรก็ตาม โครงการนี้กลับกลายเป็นว่าแพงเกินไป ถูกลากไป และในที่สุดก็ถูกเก็บเข้าลิ้นชัก
สื่อพลาสม่าในเลเซอร์
สื่อที่ใช้กันมากที่สุด ได้แก่ พลาสมาที่มีไอออนสูงที่สร้างขึ้นในการปล่อยของเส้นเลือดฝอยหรือเมื่อพัลส์ออปติคัลที่เน้นเส้นตรงกระทบกับเป้าหมายที่มั่นคง ตามสมการสหการแตกตัวเป็นไอออน การกำหนดค่าอิเล็กตรอนที่เสถียรที่สุดคือนีออน โดยเหลือ 10 อิเล็กตรอน และคล้ายนิกเกิล มี 28 อิเล็กตรอน การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนในพลาสมาที่มีไอออนสูงมักจะสอดคล้องกับพลังงานตามลำดับของอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หลายร้อยตัว
สื่อขยายสัญญาณทางเลือกอื่นคือลำอิเล็กตรอนสัมพัทธภาพของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ X-ray ซึ่งใช้การกระเจิงของคอมป์ตันที่ถูกกระตุ้นแทนการแผ่รังสีมาตรฐาน
แอปพลิเคชัน
การเอกซเรย์ที่สอดคล้องกัน ได้แก่ การถ่ายภาพการเลี้ยวเบนที่เชื่อมโยงกัน, พลาสมาหนาแน่น (การฉายรังสีที่ทึบแสงจนถึงที่มองเห็นได้), กล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์, การถ่ายภาพทางการแพทย์แบบแก้ไขเฟส, การตรวจพื้นผิววัสดุ และการใช้อาวุธ
เลเซอร์รุ่นที่เบากว่าสามารถใช้สำหรับการเคลื่อนไหวด้วยเลเซอร์แบบระเหยได้
เอ็กซ์เรย์เลเซอร์: มันทำงานอย่างไร
เลเซอร์ทำงานอย่างไร? เนื่องจากโฟตอนกระทบกับอะตอมด้วยพลังงานบางอย่าง คุณสามารถทำให้อะตอมปล่อยโฟตอนด้วยพลังงานนั้น ในกระบวนการที่เรียกว่าการปล่อยพลังงานกระตุ้น การทำขั้นตอนนี้ซ้ำในวงกว้าง คุณจะได้ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ส่งผลให้เกิดเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม นอตควอนตัมบางส่วนทำให้กระบวนการนี้หยุดลง เนื่องจากบางครั้งโฟตอนจะถูกดูดซับโดยไม่ถูกปล่อยออกมาเลย แต่เพื่อให้แน่ใจว่ามีโอกาสสูงสุด ระดับพลังงานโฟตอนจะเพิ่มขึ้น และวางกระจกขนานกับเส้นทางแสงเพื่อช่วยให้โฟตอนที่กระจัดกระจายกลับมาเล่นอีกครั้ง และด้วยรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานสูง จะพบว่ากฎทางกายภาพพิเศษมีอยู่ในปรากฏการณ์นี้โดยเฉพาะ
ประวัติศาสตร์
ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 รังสีเอกซ์ดูเหมือนไกลเกินเอื้อม เนื่องจากเลเซอร์ส่วนใหญ่ในวันนั้นถึงจุดสูงสุดที่ 110 นาโนเมตร ซึ่งต่ำกว่ารังสีเอกซ์ที่ใหญ่ที่สุด เนื่องจากปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการผลิตวัสดุที่ถูกกระตุ้นนั้นสูงมากจนต้องส่งในชีพจรที่รวดเร็ว ทำให้การสะท้อนแสงมีความซับซ้อนมากขึ้นซึ่งจำเป็นในการสร้างเลเซอร์ที่ทรงพลัง ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงพิจารณาพลาสมา เพราะมันดูเหมือนสื่อนำไฟฟ้าที่ดี ทีมนักวิทยาศาสตร์ในปี 1972 อ้างว่าในที่สุดพวกเขาก็ใช้พลาสมาในการสร้างเลเซอร์ได้สำเร็จ แต่เมื่อพวกเขาพยายามสร้างผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ พวกเขาก็ล้มเหลวด้วยเหตุผลบางประการ
ในทศวรรษ 1980 ผู้เล่นรายใหญ่จากทั่วโลกเข้าร่วมทีมวิจัยวิทยาศาสตร์ - ลิเวอร์มอร์. ในขณะเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ก็มีความก้าวหน้าเล็กๆ แต่มีความสำคัญมาหลายปีแล้ว แต่หลังจากที่ Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) หยุดจ่ายเงินสำหรับการวิจัยเอ็กซ์เรย์ ลิเวอร์มอร์ก็กลายเป็นหัวหน้าทีมวิทยาศาสตร์ เขาเป็นผู้นำในการพัฒนาเลเซอร์หลายประเภท รวมทั้งเลเซอร์ที่เกิดจากการหลอมรวม โครงการอาวุธนิวเคลียร์ของพวกเขามีแนวโน้มที่ดี เนื่องจากตัวชี้วัดพลังงานสูงที่นักวิทยาศาสตร์ทำได้ในระหว่างโปรแกรมนี้ บ่งบอกถึงความเป็นไปได้ในการสร้างกลไกการเต้นของชีพจรคุณภาพสูง ซึ่งจะเป็นประโยชน์ในการสร้างเลเซอร์อิเล็กตรอนที่ปราศจากรังสีเอกซ์
โปรเจ็กต์ใกล้จะแล้วเสร็จ นักวิทยาศาสตร์จอร์จ แชปลินและโลเวลล์ วูด ได้สำรวจเทคโนโลยีฟิวชันสำหรับเลเซอร์เอ็กซ์เรย์เป็นครั้งแรกในปี 1970 จากนั้นจึงเปลี่ยนมาใช้ตัวเลือกนิวเคลียร์ พวกเขาร่วมกันพัฒนากลไกดังกล่าวและพร้อมสำหรับการทดสอบเมื่อวันที่ 13 กันยายน พ.ศ. 2521 แต่ความล้มเหลวของอุปกรณ์ทำให้สั้นลง แต่บางทีมันอาจจะดีที่สุด Peter Hagelstein ได้สร้างแนวทางที่แตกต่างออกไปหลังจากศึกษากลไกก่อนหน้านี้ และเมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน 1980 การทดลองสองครั้งได้พิสูจน์ว่าเครื่องเอกซเรย์เลเซอร์ต้นแบบใช้งานได้ดี
โครงการสตาร์วอร์ส
ในไม่ช้ากระทรวงกลาโหมสหรัฐก็เริ่มให้ความสนใจโครงการนี้ ใช่ การใช้พลังของอาวุธนิวเคลียร์ในลำแสงโฟกัสนั้นอันตรายเกินไป แต่พลังนั้นสามารถนำมาใช้เพื่อทำลายขีปนาวุธข้ามทวีป (ICBM) ในอากาศได้ มันจะสะดวกที่สุดถ้าใช้กลไกที่คล้ายกันบนโลกใกล้ ๆวงโคจร คนทั้งโลกรู้จักโปรแกรมนี้ชื่อว่าสตาร์วอร์ส อย่างไรก็ตาม โครงการใช้เอ็กซเรย์เลเซอร์เป็นอาวุธไม่เคยบรรลุผล
Aviation Week and Space Engineering ฉบับวันที่ 23 กุมภาพันธ์ 2524 รายงานผลการทดสอบครั้งแรกของโครงการ รวมถึงลำแสงเลเซอร์ที่สูงถึง 1.4 นาโนเมตร และยิงทะลุเป้าหมาย 50 จุด
การทดสอบลงวันที่ 26 มีนาคม พ.ศ. 2526 ไม่ได้ผลเนื่องจากเซ็นเซอร์ล้มเหลว อย่างไรก็ตาม การทดสอบต่อไปนี้เมื่อวันที่ 16 ธันวาคม พ.ศ. 2526 ได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถที่แท้จริง
ชะตากรรมต่อไปของโครงการ
Hagelstein จินตนาการถึงกระบวนการสองขั้นตอนโดยเลเซอร์จะสร้างพลาสม่าที่จะปล่อยโฟตอนที่มีประจุซึ่งจะชนกับอิเล็กตรอนในวัสดุอื่นและทำให้รังสีเอกซ์ถูกปล่อยออกมา มีการทดลองตั้งค่าหลายอย่าง แต่ในที่สุดการจัดการกับไอออนก็พิสูจน์ได้ว่าเป็นทางออกที่ดีที่สุด พลาสมากำจัดอิเล็กตรอนออกไปจนเหลือเพียง 10 อิเล็กตรอนภายใน จากนั้นโฟตอนจะอัดประจุเข้าไปในสถานะ 3p ดังนั้นจึงปล่อยลำแสง "อ่อน" ออกมา การทดลองเมื่อวันที่ 13 กรกฎาคม พ.ศ. 2527 พิสูจน์ว่านี่เป็นมากกว่าทฤษฎีเมื่อเครื่องสเปกโตรมิเตอร์วัดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่รุนแรงที่ 20.6 และ 20.9 นาโนเมตรของซีลีเนียม (ไอออนคล้ายนีออน) จากนั้นห้องทดลองแรก (ไม่ใช่ทหาร) X-ray Laser ก็ปรากฏตัวขึ้นพร้อมกับชื่อ Novette
ชะตากรรมของโนเวตต์
เลเซอร์นี้ออกแบบโดย Jim Dunn และได้รับการตรวจสอบลักษณะทางกายภาพโดย Al Osterheld และ Slava Shlyaptsev ใช้เร็ว(ใกล้ระดับนาโนวินาที) ของแสงพลังงานสูงที่ชาร์จอนุภาคเพื่อปล่อยรังสีเอกซ์ นอกจากนี้ โนเวตต์ยังใช้แอมพลิฟายเออร์แบบแก้วซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพ แต่ยังร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งหมายความว่าสามารถทำงานได้เพียง 6 ครั้งต่อวันระหว่างคูลดาวน์ แต่งานบางชิ้นแสดงให้เห็นว่ามันสามารถยิงพัลส์พิโควินาทีได้ในขณะที่การบีบอัดจะกลับไปเป็นพัลส์นาโนวินาที มิฉะนั้นเครื่องขยายเสียงแก้วจะถูกทำลาย สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่า Novette และเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ "เดสก์ท็อป" อื่นๆ ผลิตลำแสงเอ็กซ์เรย์ "แบบอ่อน" ซึ่งมีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ซึ่งป้องกันลำแสงไม่ให้ผ่านวัสดุหลายชนิด แต่ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโลหะผสมและพลาสมา เนื่องจาก มันส่องผ่านพวกมันอย่างง่ายดาย
การใช้งานและคุณสมบัติอื่นๆ ของการทำงาน
เลเซอร์นี้ใช้ทำอะไรได้บ้าง? ก่อนหน้านี้มีข้อสังเกตว่าความยาวคลื่นที่สั้นลงจะช่วยให้ตรวจสอบวัสดุบางอย่างได้ง่ายขึ้น แต่นี่ไม่ใช่เพียงแอปพลิเคชันเดียว เมื่อเป้าหมายถูกกระแทกโดยแรงกระตุ้น เป้าหมายนั้นจะถูกทำลายเป็นอนุภาคอะตอม และอุณหภูมิในขณะเดียวกันก็สูงถึงหลายล้านองศาในเวลาเพียงหนึ่งล้านล้านวินาที และถ้าอุณหภูมินี้เพียงพอ เลเซอร์จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากภายใน นี่เป็นเพราะระดับต่ำสุดของออร์บิทัลอิเล็กตรอนแสดงถึงการมีอิเล็กตรอนอย่างน้อยสองตัว ซึ่งถูกขับออกจากพลังงานที่เกิดจากรังสีเอกซ์
เวลาที่ใช้ในการสร้างอะตอมสูญเสียอิเลคตรอนไปหมดแล้ว เหลือเพียงไม่กี่เฟมโตวินาที แกนที่เป็นผลลัพธ์จะไม่เปลี่ยนแปลงเป็นเวลานานและรวดเร็วในสถานะพลาสมาที่เรียกว่า "สสารหนาแน่นที่อบอุ่น" ซึ่งส่วนใหญ่พบในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และแกนกลางของดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ การทดลองด้วยเลเซอร์ทำให้เราได้แนวคิดของทั้งสองกระบวนการ ซึ่งเป็นรูปแบบที่แตกต่างกันของนิวเคลียร์ฟิวชัน
การใช้เลเซอร์เอ็กซ์เรย์นั้นเป็นสากลอย่างแท้จริง คุณลักษณะที่มีประโยชน์อีกประการหนึ่งของรังสีเอกซ์เหล่านี้คือการใช้งานร่วมกับซินโครตรอนหรืออนุภาคที่เร่งความเร็วตลอดเส้นทางของเครื่องเร่งอนุภาค ขึ้นอยู่กับพลังงานที่ใช้ในการสร้างเส้นทางนี้ อนุภาคสามารถปล่อยรังสี ตัวอย่างเช่น เมื่อตื่นเต้นอิเล็กตรอนจะปล่อยรังสีเอกซ์ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณขนาดของอะตอม จากนั้นเราสามารถศึกษาคุณสมบัติของอะตอมเหล่านี้ผ่านปฏิสัมพันธ์กับรังสีเอกซ์ นอกจากนี้ เราสามารถเปลี่ยนพลังงานของอิเล็กตรอนและรับความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของรังสีเอกซ์ เพื่อให้ได้การวิเคราะห์ที่ลึกยิ่งขึ้น
อย่างไรก็ตาม การสร้างเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ด้วยมือของคุณเองเป็นเรื่องยากมาก โครงสร้างของมันซับซ้อนมากแม้ในมุมมองของนักฟิสิกส์ที่มีประสบการณ์
ในชีววิทยา
แม้แต่นักชีววิทยาก็ยังได้รับประโยชน์จากรังสีเอกซ์ (ปั๊มนิวเคลียร์) การแผ่รังสีของพวกมันสามารถช่วยเปิดเผยแง่มุมของการสังเคราะห์แสงที่วิทยาศาสตร์ไม่เคยรู้จักมาก่อน พวกมันจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในใบพืช ลำแสงเลเซอร์เอ็กซ์เรย์แบบอ่อนความยาวคลื่นยาวช่วยให้คุณสำรวจได้โดยไม่ทำลายทุกสิ่งเกิดขึ้นภายในโรงงาน หัวฉีดนาโนคริสตัลกระตุ้นโฟโตเซลล์ I ซึ่งเป็นคีย์โปรตีนสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงที่จำเป็นในการกระตุ้น สิ่งนี้ถูกสกัดกั้นโดยลำแสงเลเซอร์ของรังสีเอกซ์ ซึ่งทำให้คริสตัลระเบิดอย่างแท้จริง
หากการทดลองข้างต้นยังคงประสบความสำเร็จ ผู้คนจะสามารถไขความลึกลับของธรรมชาติ และการสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์อาจกลายเป็นความจริง นอกจากนี้ยังทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดโครงการทางวิทยาศาสตร์ในอีกหลายปีข้างหน้า
แม่เหล็ก
แล้วแม่เหล็กไฟฟ้าล่ะ? นักวิทยาศาสตร์พบว่าเมื่อมีอะตอมของซีนอนและโมเลกุลที่จำกัดสารไอโอดีนที่ถูกรังสีเอกซ์กำลังสูง อะตอมจะเหวี่ยงอิเล็กตรอนภายในออก ทำให้เกิดช่องว่างระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนชั้นนอกสุด แรงดึงดูดทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้เคลื่อนที่ โดยปกติสิ่งนี้ไม่ควรเกิดขึ้น แต่เนื่องจากการลดลงของอิเล็กตรอนอย่างฉับพลัน สถานการณ์ "ที่มีประจุ" มากเกินไปจึงเกิดขึ้นที่ระดับอะตอม นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเลเซอร์สามารถใช้ในการประมวลผลภาพได้
เลเซอร์เอ็กซ์เรย์ยักษ์ Xfel
จัดที่ US National Accelerator Laboratory โดยเฉพาะที่ linac เลเซอร์ 3,500 ฟุตนี้ใช้อุปกรณ์อันชาญฉลาดหลายอย่างเพื่อโจมตีเป้าหมายด้วยรังสีเอกซ์แบบแข็ง นี่คือส่วนประกอบบางส่วนของเลเซอร์ที่ทรงพลังที่สุด (ตัวย่อและ anglicisms ย่อมาจากส่วนประกอบของกลไก):
- ไดรฟ์เลเซอร์ - สร้างชีพจรอัลตราไวโอเลตที่เอาอิเล็กตรอนออกจากแคโทด ปล่อยอิเล็กตรอนได้สูงถึงระดับพลังงาน 12 พันล้าน eW โดยจัดการสนามไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีคันเร่งรูปตัว S ภายในการเคลื่อนไหวที่เรียกว่า Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - แนวคิดเดียวกับ Bunch 1 แต่โครงสร้างรูปตัว S ยาวขึ้น เพิ่มขึ้นเนื่องจากพลังงานที่สูงขึ้น
- Transport Hall - ช่วยให้คุณแน่ใจว่าอิเล็กตรอนเหมาะสำหรับการโฟกัสพัลส์โดยใช้สนามแม่เหล็ก
- Undulator Hall - ประกอบด้วยแม่เหล็กที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปมา ทำให้เกิดรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานสูง
- Beam Dump เป็นแม่เหล็กที่ดึงอิเล็กตรอนออกมาแต่ให้รังสีเอกซ์ผ่านได้โดยไม่เคลื่อนที่
- LCLS Experimental Station เป็นห้องพิเศษที่เลเซอร์ได้รับการแก้ไขและเป็นพื้นที่หลักสำหรับการทดลองที่เกี่ยวข้อง ลำแสงที่สร้างโดยอุปกรณ์นี้สร้าง 120 พัลส์ต่อวินาที โดยแต่ละพัลส์ยาวนาน 1/10000000000000 วินาที
- สื่อปล่อยพลาสม่าฝอย. ในการตั้งค่านี้ เส้นเลือดฝอยยาวหลายเซนติเมตรที่ทำจากวัสดุที่เสถียร (เช่น อลูมินา) จะจำกัดพัลส์ไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสูงและต่ำกว่าไมโครวินาทีในแก๊สแรงดันต่ำ แรงลอเรนซ์ทำให้เกิดการบีบตัวของพลาสมาเพิ่มเติม นอกจากนี้ มักใช้พัลส์ไฟฟ้าหรือออปติคัลก่อนไอออนไนซ์ ตัวอย่างคือเลเซอร์ Ar8 + คล้ายนีออนเส้นเลือดฝอย (ซึ่งสร้างรังสีที่47นาโนเมตร).
- สื่อเป้าหมายของแผ่นพื้นแข็ง - หลังจากถูกชีพจรแสงกระทบ เป้าหมายจะปล่อยพลาสมาที่ตื่นเต้นอย่างมาก อีกครั้ง มักใช้ "พรีพัลส์" ที่ยาวกว่าเพื่อสร้างพลาสมา และใช้พัลส์ที่สอง ที่สั้นกว่าและกระฉับกระเฉงกว่าเพื่อทำให้พลาสมาร้อนขึ้น สำหรับอายุการใช้งานสั้น อาจจำเป็นต้องเปลี่ยนโมเมนตัม การไล่ระดับดัชนีการหักเหของแสงในพลาสมาทำให้พัลส์ที่ขยายแล้วงอออกจากพื้นผิวเป้าหมาย เนื่องจากที่ความถี่สูงกว่าเรโซแนนซ์ ดัชนีการหักเหของแสงจะลดลงตามความหนาแน่นของสสาร สิ่งนี้สามารถชดเชยได้โดยใช้หลายเป้าหมายในการระเบิด เช่นเดียวกับเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์ของยุโรป
- พลาสม่าตื่นเต้นด้วยสนามแสง - ที่ความหนาแน่นของแสงสูงพอที่จะสร้างอุโมงค์อิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือแม้กระทั่งเพื่อปราบปรามสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น (> 1016 W / cm2) เป็นไปได้ที่จะแตกตัวเป็นไอออนก๊าซอย่างแรงโดยไม่ต้องสัมผัสกับเส้นเลือดฝอยหรือ เป้า. โดยทั่วไปแล้ว การตั้งค่า collinear จะใช้เพื่อซิงโครไนซ์พัลส์
โดยทั่วไป โครงสร้างของกลไกนี้คล้ายกับเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์ของยุโรป
