Ինչպիսի՞ն է ռենտգեն լազերի աշխատանքի սկզբունքը: Քանի որ սերնդի միջավայրում բարձր շահույթը, վերին վիճակի կարճ ժամկետները (1-100 վրկ) և ճառագայթները արտացոլող հայելիների կառուցման հետ կապված խնդիրները, այս լազերները սովորաբար գործում են առանց հայելիների: Ռենտգենյան ճառագայթը առաջանում է շահույթի միջավայրով մեկ անցումով: Արտանետվող ճառագայթումը, որը հիմնված է ուժեղացված ինքնաբուխ ճառագայթի վրա, ունի համեմատաբար ցածր տարածական կապ: Կարդացեք հոդվածը մինչև վերջ և կհասկանաք, որ սա ռենտգեն լազեր է։ Այս սարքը շատ գործնական է և իր կառուցվածքով եզակի։
Միջուկները մեխանիզմի կառուցվածքում
Քանի որ տեսանելի և էլեկտրոնային կամ թրթռումային վիճակների միջև սովորական լազերային անցումները համապատասխանում են մինչև 10 էՎ էներգիայի, ռենտգենյան լազերների համար անհրաժեշտ են տարբեր ակտիվ միջավայրեր: Կրկին, դրա համար կարող են օգտագործվել տարբեր ակտիվ լիցքավորված միջուկներ:
Զենք
1978-ից 1988 թվականներին Excalibur նախագծումԱՄՆ զինուժը փորձել է միջուկային պայթուցիկ ռենտգեն լազեր ստեղծել հակահրթիռային պաշտպանության համար՝ որպես «Աստղային պատերազմներ» ռազմավարական պաշտպանության նախաձեռնության (SDI): Նախագիծը, սակայն, պարզվեց, որ չափազանց թանկ էր, ձգձգվեց և ի վերջո կանգնեցվեց:
Պլազմային կրիչներ լազերի ներսում
Ամենատարածված օգտագործվող միջավայրերը ներառում են բարձր իոնացված պլազմա, որը ստեղծվում է մազանոթային արտանետման ժամանակ կամ երբ գծային կենտրոնացված օպտիկական իմպուլսը հարվածում է ամուր թիրախին: Ըստ Saha-ի իոնացման հավասարման՝ էլեկտրոնների ամենակայուն կոնֆիգուրացիաները նեոնն են՝ 10 էլեկտրոնով մնացած, և նիկելի նման՝ 28 էլեկտրոն։ Էլեկտրոնների անցումները բարձր իոնացված պլազմայում սովորաբար համապատասխանում են հարյուրավոր էլեկտրոն վոլտների (eV) կարգի էներգիաներին:
Այլընտրանքային ուժեղացնող միջավայրը ռենտգենյան ազատ էլեկտրոնային լազերի ռելյատիվիստական էլեկտրոնային ճառագայթն է, որն օգտագործում է խթանված Կոմպտոնի ցրումը ստանդարտ ճառագայթման փոխարեն:
Դիմում
Համապատասխան ռենտգենյան կիրառությունները ներառում են համահունչ դիֆրակցիոն պատկերացում, խիտ պլազմա (անթափանց տեսանելի ճառագայթման համար), ռենտգեն միկրոսկոպիա, փուլային լուծվող բժշկական պատկերացում, նյութի մակերեսային հետազոտություն և սպառազինություն:
Լազերի թեթև տարբերակը կարող է օգտագործվել աբլատիվ լազերային շարժման համար:
ռենտգեն լազեր. ինչպես է այն աշխատում
Ինչպե՞ս են աշխատում լազերները: Շնորհիվ այն բանի, որ ֆոտոնհարվածում է որոշակի էներգիայով ատոմին, դուք կարող եք ստիպել ատոմին այդ էներգիայով ֆոտոն արձակել մի գործընթացում, որը կոչվում է խթանված արտանետում: Այս գործընթացը մեծ մասշտաբով կրկնելով՝ դուք կստանաք շղթայական ռեակցիա, որի արդյունքում ստացվում է լազեր: Այնուամենայնիվ, որոշ քվանտային հանգույցներ հանգեցնում են այս գործընթացի դադարեցմանը, քանի որ ֆոտոնը երբեմն կլանվում է առանց ընդհանրապես արտանետվելու: Բայց առավելագույն հնարավորություններ ապահովելու համար ֆոտոնների էներգիայի մակարդակները մեծանում են, և հայելիները տեղադրվում են լույսի ուղու զուգահեռ, որպեսզի օգնեն ցրված ֆոտոններին վերադառնալ խաղի մեջ: Իսկ ռենտգենյան ճառագայթների բարձր էներգիայի դեպքում հայտնաբերվում են հատուկ ֆիզիկական օրենքներ, որոնք բնորոշ են այս կոնկրետ երևույթին:
Պատմություն
1970-ականների սկզբին ռենտգենյան լազերը անհասանելի էր թվում, քանի որ օրվա լազերների մեծ մասը հասնում էր 110 նմ-ի, ինչը շատ ցածր էր ամենամեծ ռենտգենյան ճառագայթներից: Դա պայմանավորված էր նրանով, որ գրգռված նյութի արտադրության համար պահանջվող էներգիայի քանակն այնքան մեծ էր, որ այն պետք է մատակարարվեր արագ իմպուլսով, ինչն էլ ավելի էր բարդացնում հզոր լազեր ստեղծելու համար անհրաժեշտ ռեֆլեկտիվությունը: Հետևաբար, գիտնականները նայեցին պլազմային, քանի որ այն լավ հաղորդիչ միջավայր էր թվում: 1972-ին գիտնականների մի խումբ պնդում էր, որ վերջապես հասել են պլազմայի օգտագործմանը լազերների ստեղծման մեջ, բայց երբ նրանք փորձեցին վերարտադրել իրենց նախորդ արդյունքները, ինչ-ինչ պատճառներով ձախողվեցին:
1980-ականներին աշխարհի մի խոշոր խաղացող միացավ հետազոտական թիմինԳիտություն - Livermore. Մինչդեռ գիտնականները տարիներ շարունակ փոքր, բայց կարևոր քայլեր են անում, բայց այն բանից հետո, երբ պաշտպանության առաջադեմ հետազոտական նախագծերի գործակալությունը (DARPA) դադարեցրեց ռենտգեն հետազոտությունների համար վճարումները, Լիվերմորը դարձավ գիտական խմբի ղեկավարը: Նա ղեկավարել է լազերների մի քանի տեսակների մշակումը, այդ թվում՝ միաձուլման վրա հիմնված: Նրանց միջուկային զենքի ծրագիրը խոստումնալից էր, քանի որ բարձր էներգիայի ցուցանիշները, որոնք գիտնականները ձեռք էին բերել այս ծրագրի ընթացքում, հուշում էին բարձրորակ իմպուլսային մեխանիզմ ստեղծելու հնարավորության մասին, որն օգտակար կլիներ ռենտգենյան ճառագայթներից ազատ էլեկտրոնային լազեր ստեղծելու համար:
Ծրագիրը աստիճանաբար մոտենում էր ավարտին։ Գիտնականներ Ջորջ Չապլինը և Լոուել Վուդը նախ 1970-ականներին ուսումնասիրեցին ռենտգենյան լազերների միաձուլման տեխնոլոգիան, այնուհետև անցան միջուկային տարբերակին: Նրանք միասին մշակեցին նման մեխանիզմ և պատրաստ էին փորձարկմանը 1978 թվականի սեպտեմբերի 13-ին, սակայն սարքավորումների խափանումը կարճեց: Բայց թերևս դա լավագույնն էր: Պիտեր Հեյգելշտեյնը ստեղծեց այլ մոտեցում՝ ուսումնասիրելով նախորդ մեխանիզմը, և 1980 թվականի նոյեմբերի 14-ին երկու փորձեր ապացուցեցին, որ ռենտգենյան լազերի նախատիպն աշխատում է։
Աստղային պատերազմների նախագիծ
Շատ շուտով ԱՄՆ պաշտպանության նախարարությունը հետաքրքրվեց նախագծով։ Այո, միջուկային զենքի ուժի օգտագործումը կենտրոնացված ճառագայթով չափազանց վտանգավոր է, բայց այդ հզորությունը կարող է օգտագործվել օդում միջմայրցամաքային բալիստիկ հրթիռները (ICBM) ոչնչացնելու համար: Առավել հարմար կլիներ նմանատիպ մեխանիզմ կիրառել մերձերկրի վրաուղեծիր. Ամբողջ աշխարհը գիտի այս ծրագիրը, որը կոչվում է «Աստղային պատերազմներ»: Այնուամենայնիվ, ռենտգենյան լազերը որպես զենք օգտագործելու նախագիծը երբեք չիրականացավ։
Aviation Week and Space Engineering ամսագրի 1981 թվականի փետրվարի 23-ի թողարկումը հաղորդում է նախագծի առաջին փորձարկումների արդյունքները, ներառյալ լազերային ճառագայթը, որը հասել է 1,4 նանոմետրի և խոցել 50 տարբեր թիրախներ:
1983 թվականի մարտի 26-ով թվագրված թեստերը ոչինչ չտվեցին սենսորի ձախողման պատճառով: Այնուամենայնիվ, 1983 թվականի դեկտեմբերի 16-ի հետևյալ թեստերը ցույց տվեցին դրա իրական հնարավորությունները:
Նախագծի հետագա ճակատագիրը
Հագելշտեյնը պատկերացնում էր երկքայլ գործընթաց, որի ժամանակ լազերը կստեղծեր պլազմա, որը կազատի լիցքավորված ֆոտոններ, որոնք կբախվեն մեկ այլ նյութի էլեկտրոններին և կառաջացնեն ռենտգենյան ճառագայթների արտանետում: Փորձեցին մի քանի կարգավորումներ, բայց ի վերջո իոնային մանիպուլյացիան լավագույն լուծումն էր: Պլազման հեռացրեց էլեկտրոնները այնքան ժամանակ, մինչև մնացին միայն 10 ներքին, որտեղ ֆոտոնները լիցքավորեցին դրանք մինչև 3p վիճակ, այդպիսով ազատելով «փափուկ» ճառագայթը: 1984թ. հուլիսի 13-ին կատարված փորձարկումն ապացուցեց, որ սա ավելին էր, քան տեսությունը, երբ սպեկտրոմետրը չափեց ուժեղ արտանետումները 20,6 և 20,9 նանոմետր սելենի (նեոնի նմանվող իոն) վրա: Այնուհետև հայտնվեց առաջին լաբորատոր (ոչ ռազմական) ռենտգեն լազերը՝ Novette անունով։
Նովետի ճակատագիրը
Այս լազերը նախագծվել է Ջիմ Դաննի կողմից և ուներ Ալ Օստերհելդի և Սլավա Շլյապցևի կողմից ստուգված ֆիզիկական կողմերը: Օգտագործելով արագ(մոտ նանովայրկյան) բարձր էներգիայի լույսի իմպուլս, որը լիցքավորել է մասնիկները ռենտգենյան ճառագայթներ արձակելու համար, Novett-ը նաև օգտագործել է ապակե ուժեղացուցիչներ, որոնք բարելավում են արդյունավետությունը, բայց նաև արագ տաքանում, ինչը նշանակում է, որ այն կարող է աշխատել օրական միայն 6 անգամ սառեցման միջև ընկած ժամանակահատվածում: Սակայն որոշ աշխատանքներ ցույց են տվել, որ այն կարող է արձակել պիկովայրկյանական իմպուլս, մինչդեռ սեղմումը վերադառնում է նանվայրկյանական իմպուլսի: Հակառակ դեպքում ապակու ուժեղացուցիչը կկործանվի: Կարևոր է նշել, որ Novette-ը և այլ «սեղանային» ռենտգեն լազերները արտադրում են «փափուկ» ռենտգենյան ճառագայթներ, որոնք ունեն ավելի երկար ալիքի երկարություն, ինչը թույլ չի տալիս ճառագայթին անցնել բազմաթիվ նյութերի միջով, բայց հնարավորություն է տալիս պատկերացում կազմել համաձուլվածքների և պլազմայի մասին, քանի որ այն հեշտությամբ փայլում է նրանց միջով:
Օգտագործման այլ կիրառություններ և առանձնահատկություններ
Ուրեմն ինչի՞ համար կարող է օգտագործվել այս լազերը: Նախկինում նշվել է, որ ավելի կարճ ալիքի երկարությունը կարող է հեշտացնել որոշ նյութերի ուսումնասիրությունը, բայց սա միակ կիրառումը չէ: Երբ թիրախը հարվածվում է իմպուլսով, այն պարզապես ոչնչացվում է ատոմային մասնիկների, և ջերմաստիճանը միևնույն ժամանակ հասնում է միլիոնավոր աստիճանների ընդամենը մեկ տրիլիոներորդ վայրկյանում: Եվ եթե այս ջերմաստիճանը բավարարի, ապա լազերը կհանգեցնի նրան, որ էլեկտրոնները ներսից դուրս կթափվեն: Դա պայմանավորված է նրանով, որ էլեկտրոնային ուղեծրերի ամենացածր մակարդակը ենթադրում է առնվազն երկու էլեկտրոնի առկայություն, որոնք արտանետվում են ռենտգենյան ճառագայթների կողմից առաջացած էներգիայից:
Ժամանակն է, որ պահանջվում է ատոմիցկորցրել է իր բոլոր էլեկտրոնները, գտնվում է մի քանի ֆեմտովայրկյանների կարգի: Ստացված միջուկը երկար չի մնում և արագորեն անցնում է պլազմային վիճակի, որը հայտնի է որպես «տաք խիտ նյութ», որը հիմնականում հանդիպում է միջուկային ռեակտորներում և մեծ մոլորակների միջուկներում։ Լազերի հետ փորձարկելով՝ մենք կարող ենք պատկերացում կազմել երկու գործընթացների մասին, որոնք միջուկային միաձուլման տարբեր ձևեր են։
Ռենտգեն լազերի օգտագործումն իսկապես ունիվերսալ է: Այս ռենտգենյան ճառագայթների մեկ այլ օգտակար հատկանիշը դրանց օգտագործումն է սինքրոտրոնների կամ արագացուցիչի ողջ ճանապարհով արագացող մասնիկների հետ: Ելնելով այն բանից, թե որքան էներգիա է պահանջվում այս ճանապարհն անցնելու համար, մասնիկները կարող են ճառագայթել: Օրինակ՝ էլեկտրոնները գրգռվելիս ռենտգենյան ճառագայթներ են արձակում, որոնք ունեն ատոմի չափ ալիքի երկարություն։ Այնուհետև մենք կարող էինք ուսումնասիրել այս ատոմների հատկությունները ռենտգենյան ճառագայթների հետ փոխազդեցության միջոցով: Բացի այդ, մենք կարող ենք փոխել էլեկտրոնների էներգիան և ստանալ ռենտգենյան ճառագայթների տարբեր ալիքների երկարություն՝ հասնելով վերլուծության ավելի մեծ խորության։
Սակայն շատ դժվար է սեփական ձեռքերով ռենտգեն լազեր ստեղծել։ Նրա կառուցվածքը չափազանց բարդ է նույնիսկ փորձառու ֆիզիկոսների տեսանկյունից։
Կենսաբանության մեջ
Նույնիսկ կենսաբանները կարողացել են օգուտ քաղել ռենտգեն լազերից (միջուկային պոմպային): Նրանց ճառագայթումը կարող է օգնել բացահայտելու գիտությանը նախկինում անհայտ ֆոտոսինթեզի ասպեկտները: Նրանք գրավում են բույսերի տերևների նուրբ փոփոխությունները: Փափուկ ռենտգենյան լազերային ճառագայթների երկար ալիքները թույլ են տալիս ուսումնասիրել՝ առանց ոչնչացնելու այդ ամենըտեղի է ունենում գործարանի ներսում: Նանոբյուրեղային ներարկիչը գործարկում է ֆոտոբջիջ I՝ ֆոտոսինթեզի սպիտակուցի բանալին, որն անհրաժեշտ է այն ակտիվացնելու համար: Սա խափանում է ռենտգենյան ճառագայթների լազերային ճառագայթով, որն առաջացնում է բյուրեղի բառացիորեն պայթում:
Եթե վերը նշված փորձերը շարունակեն հաջող լինել, մարդիկ կկարողանան բացահայտել բնության առեղծվածները, և արհեստական ֆոտոսինթեզը կարող է իրականություն դառնալ: Այն նաև կբարձրացնի արևային էներգիայի ավելի արդյունավետ օգտագործման հնարավորության հարցը՝ հրահրելով գիտական նախագծերի ի հայտ գալ դեռ երկար տարիներ։
Մագնիսներ
Ինչ կասեք էլեկտրոնային մագնիսի՞ մասին: Գիտնականները պարզել են, որ երբ նրանք ունեին քսենոնի ատոմներ և յոդի սահմանափակ մոլեկուլներ, որոնք հարվածում էին բարձր հզորության ռենտգենյան ճառագայթների կողմից, ատոմները դուրս էին նետում իրենց ներքին էլեկտրոնները՝ ստեղծելով դատարկ միջուկի և ամենաարտաքին էլեկտրոնների միջև: Գրավիչ ուժերը շարժման մեջ են դնում այս էլեկտրոնները: Սովորաբար դա չպետք է տեղի ունենա, բայց էլեկտրոնների հանկարծակի անկման պատճառով ատոմային մակարդակում չափազանց «լիցքավորված» իրավիճակ է առաջանում։ Գիտնականները կարծում են, որ լազերը կարող է օգտագործվել պատկերի մշակման մեջ։
Հսկա ռենտգեն լազեր Xfel
Հյուրընկալվել է ԱՄՆ Ազգային արագացուցչի լաբորատորիայում, մասնավորապես՝ linac-ում, այս 3500 ֆուտանոց լազերը օգտագործում է մի քանի հնարամիտ սարքեր՝ կոշտ ռենտգենյան ճառագայթներով թիրախներին հարվածելու համար: Ահա ամենահզոր լազերներից մեկի բաղադրիչներից մի քանիսը (կրճատումները և անգլիկիզմները նշանակում են մեխանիզմի բաղադրիչներ).
- Drive Laser - ստեղծում էուլտրամանուշակագույն իմպուլս, որը հեռացնում է էլեկտրոնները կաթոդից: Արտանետում է էլեկտրոններ մինչև 12 միլիարդ eW էներգիայի մակարդակ՝ մանիպուլյացիայի ենթարկելով էլեկտրական դաշտը: Շարժման ներսում կա նաև S-աձև արագացուցիչ, որը կոչվում է Bunch Compressor 1:
- Փունջ կոմպրեսոր 2 - նույն գաղափարը, ինչ փունջ 1-ին, բայց ավելի երկար S-աձև կառուցվածք, ավելացել է ավելի բարձր էներգիաների շնորհիվ:
- Տրանսպորտային սրահ - թույլ է տալիս համոզվել, որ էլեկտրոնները հարմար են մագնիսական դաշտերի միջոցով իմպուլսները կենտրոնացնելու համար:
- Undulator Hall - Բաղկացած է մագնիսներից, որոնք ստիպում են էլեկտրոնների առաջ և առաջ շարժվել՝ այդպիսով առաջացնելով բարձր էներգիայի ռենտգենյան ճառագայթներ:
- Beam Dump-ը մագնիս է, որը հեռացնում է էլեկտրոնները, բայց թույլ է տալիս ռենտգենյան ճառագայթները անցնել առանց շարժվելու:
- LCLS Experimental Station-ը հատուկ խցիկ է, որում ամրացված է լազերը և որը հանդիսանում է դրա հետ կապված փորձերի հիմնական տարածքը։ Այս սարքի ստեղծած ճառագայթները վայրկյանում ստեղծում են 120 իմպուլս, որոնցից յուրաքանչյուրը տևում է 1/10000000000 վայրկյան:
- Մազանոթային պլազմայի արտանետման միջավայր: Այս կարգավորմամբ մի քանի սանտիմետր երկարությամբ մազանոթը, որը պատրաստված է կայուն նյութից (օրինակ՝ կավահողից), սահմանափակում է ցածր ճնշման գազի բարձր ճշգրտության, ենթամիկրովայրկյանական էլեկտրական իմպուլսը: Լորենցի ուժը առաջացնում է պլազմայի արտահոսքի հետագա սեղմում: Բացի այդ, հաճախ օգտագործվում է նախնական իոնացման էլեկտրական կամ օպտիկական իմպուլս: Օրինակ՝ Ar8 + լազերային նման նեոնային մազանոթ է (որը ճառագայթում է 47նմ).
- Պինդ սալիկի թիրախային միջավայր. օպտիկական իմպուլսի հարվածից հետո թիրախը արձակում է խիստ հուզված պլազմա: Կրկին, ավելի երկար «նախապուլս» հաճախ օգտագործվում է պլազմայի ստեղծման համար, իսկ երկրորդ, ավելի կարճ և էներգետիկ զարկերակը՝ պլազմայի հետագա տաքացման համար: Կարճ ժամկետների համար կարող է պահանջվել թափի տեղաշարժ: Պլազմայի բեկման ինդեքսի գրադիենտը ստիպում է ուժեղացված զարկերակը թեքվել թիրախային մակերեսից, քանի որ ռեզոնանսից բարձր հաճախականություններում բեկման ինդեքսը նվազում է նյութի խտությամբ: Դա կարելի է փոխհատուցել՝ օգտագործելով մի քանի թիրախներ պոռթկումով, ինչպես եվրոպական ռենտգենյան ճառագայթներից ազատ էլեկտրոնային լազերում:
- Օպտիկական դաշտով գրգռված պլազմա. օպտիկական խտության դեպքում բավականաչափ բարձր՝ էլեկտրոնները արդյունավետորեն թունելավորելու կամ նույնիսկ պոտենցիալ պատնեշը ճնշելու համար (> 1016 Վտ/սմ2), հնարավոր է գազը ուժեղ իոնացնել առանց մազանոթի կամ կապի: թիրախ. Սովորաբար համակցված կարգավորումն օգտագործվում է իմպուլսները համաժամեցնելու համար:
Ընդհանուր առմամբ, այս մեխանիզմի կառուցվածքը նման է եվրոպական ռենտգենյան ազատ էլեկտրոնային լազերին:
