ما هو مبدأ عمل ليزر الأشعة السينية؟ بسبب الكسب المرتفع في وسيط التوليد ، والعمر القصير للحالة العليا (1-100 ps) ، والمشاكل المرتبطة بمرايا البناء التي يمكن أن تعكس الحزم ، تعمل هذه الليزرات عادةً بدون مرايا. يتم إنشاء حزمة الأشعة السينية عن طريق مرور واحد عبر وسيط الكسب. يحتوي الإشعاع المنبعث بناءً على الحزمة العفوية المضخمة على تماسك مكاني منخفض نسبيًا. اقرأ المقال حتى النهاية وستفهم أن هذا ليزر بالأشعة السينية. هذا الجهاز عملي جدا وفريد في هيكله
حبات في هيكل الآلية
نظرًا لأن انتقالات الليزر التقليدية بين الحالات المرئية والإلكترونية أو الاهتزازية تتوافق مع طاقات تصل إلى 10 فولت ، هناك حاجة إلى وسائط نشطة مختلفة لليزر الأشعة السينية. مرة أخرى ، يمكن استخدام العديد من النوى النشطة المشحونة لهذا الغرض.
أسلحة
بين عامي 1978 و 1988 في مشروع Excaliburحاول الجيش الأمريكي تطوير متفجر نووي ليزر أشعة سينية للدفاع الصاروخي كجزء من مبادرة حرب النجوم الدفاعية الإستراتيجية (SDI). ومع ذلك ، تبين أن المشروع كان مكلفًا للغاية ، وتم تأجيله ، وفي النهاية تم تأجيله.
وسائط بلازما داخل الليزر
تشمل الوسائط الأكثر استخدامًا بلازما شديدة التأين تم إنشاؤها في تفريغ شعري أو عندما يضرب نبضة بصرية مركزية خطيًا هدفًا صلبًا. وفقًا لمعادلة التأين Saha ، فإن تكوينات الإلكترون الأكثر استقرارًا هي النيون ، مع بقاء 10 إلكترونات ، وشبيهة بالنيكل ، مع 28 إلكترونًا. عادةً ما تتوافق انتقالات الإلكترون في البلازما شديدة التأين مع الطاقات بترتيب مئات من فولت الإلكترون (eV).
وسيط تضخيم بديل هو شعاع الإلكترون النسبي لليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية ، والذي يستخدم نثر كومبتون المحفز بدلاً من الإشعاع القياسي.
التطبيق
تشمل تطبيقات الأشعة السينية المتماسكة تصوير الحيود المتماسك ، والبلازما الكثيفة (معتمة للإشعاع المرئي) ، والفحص المجهري بالأشعة السينية ، والتصوير الطبي الطوري ، وفحص سطح المواد ، والتسليح.
نسخة أخف من الليزر يمكن استخدامها لحركة الليزر الجر.
ليزر الأشعة السينية: كيف يعمل
كيف يعمل الليزر؟ يرجع ذلك إلى حقيقة أن الفوتونعندما تضرب ذرة ما بطاقة معينة ، يمكنك جعل الذرة تطلق فوتونًا بهذه الطاقة في عملية تسمى الانبعاث المحفّز. بتكرار هذه العملية على نطاق واسع ، ستحصل على تفاعل متسلسل ينتج عنه الليزر. ومع ذلك ، تتسبب بعض العُقد الكمومية في توقف هذه العملية ، حيث يُمتص الفوتون أحيانًا دون أن ينبعث على الإطلاق. ولكن لضمان أقصى قدر من الفرص ، تزداد مستويات طاقة الفوتون ويتم وضع المرايا بالتوازي مع مسار الضوء لمساعدة الفوتونات المتناثرة على العودة إلى اللعب. وفي الطاقات العالية للأشعة السينية ، تم العثور على قوانين فيزيائية خاصة متأصلة في هذه الظاهرة بالذات.
التاريخ
في أوائل السبعينيات ، بدا ليزر الأشعة السينية بعيد المنال ، حيث بلغت ذروة معظم أنواع الليزر في اليوم 110 نانومتر ، أي أقل بكثير من أكبر الأشعة السينية. كان هذا لأن كمية الطاقة المطلوبة لإنتاج المادة المحفزة كانت عالية جدًا لدرجة أنه كان لا بد من توصيلها بنبض سريع ، مما زاد من تعقيد الانعكاسية اللازمة لإنشاء ليزر قوي. لذلك ، نظر العلماء إلى البلازما ، لأنها بدت وكأنها وسيط موصل جيد. زعم فريق من العلماء في عام 1972 أنهم قد حققوا أخيرًا استخدام البلازما في إنشاء الليزر ، لكن عندما حاولوا إعادة إنتاج نتائجهم السابقة ، فشلوا لسبب ما.
في الثمانينيات ، انضم لاعب رئيسي من العالم إلى فريق البحثالعلم - ليفرمور. في غضون ذلك ، قطع العلماء خطوات صغيرة ولكنها مهمة لسنوات ، ولكن بعد أن توقفت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) عن دفع تكاليف أبحاث الأشعة السينية ، أصبح ليفرمور قائد الفريق العلمي. قاد تطوير عدة أنواع من الليزر ، بما في ذلك تلك القائمة على الاندماج. كان برنامج أسلحتهم النووية واعدًا ، لأن مؤشرات الطاقة العالية التي حققها العلماء خلال هذا البرنامج ألمحت إلى إمكانية إنشاء آلية نبضية عالية الجودة من شأنها أن تكون مفيدة في بناء ليزر إلكتروني خالٍ من الأشعة السينية.
المشروع يقترب تدريجياً من الاكتمال. اكتشف العالمان جورج شابلن ولويل وود لأول مرة تقنية الاندماج لليزر الأشعة السينية في السبعينيات ثم تحولوا إلى خيار نووي. طوروا معًا مثل هذه الآلية وكانوا جاهزين للاختبار في 13 سبتمبر 1978 ، لكن فشل المعدات أدى إلى اختصارها. ولكن ربما كان للأفضل. ابتكر بيتر هاجلشتاين نهجًا مختلفًا بعد دراسة الآلية السابقة ، وفي 14 نوفمبر 1980 ، أثبتت تجربتان أن النموذج الأولي ليزر الأشعة السينية يعمل.
مشروع حرب النجوم
قريبًا ، أصبحت وزارة الدفاع الأمريكية مهتمة بالمشروع. نعم ، استخدام قوة سلاح نووي في حزمة مركزة أمر خطير للغاية ، ولكن يمكن استخدام هذه القوة لتدمير الصواريخ الباليستية العابرة للقارات (ICBM) في الهواء. سيكون من الأنسب استخدام آلية مماثلة على الأرض القريبةيدور في مدار. العالم كله يعرف هذا البرنامج المسمى حرب النجوم. ومع ذلك ، فإن مشروع استخدام ليزر الأشعة السينية كسلاح لم يؤت ثماره.
عدد 23 فبراير 1981 من أسبوع الطيران وهندسة الفضاء يعلن عن نتائج الاختبارات الأولى للمشروع ، بما في ذلك شعاع ليزر وصل إلى 1.4 نانومتر وضرب 50 هدفًا مختلفًا.
الاختبارات المؤرخة في 26 مارس 1983 لم تسفر عن أي شيء بسبب فشل المستشعر. ومع ذلك ، أظهرت الاختبارات التالية في 16 ديسمبر 1983 قدراتها الحقيقية.
المزيد من المصير للمشروع
تصور هاجلشتاين عملية من خطوتين حيث ينتج الليزر بلازما تطلق فوتونات مشحونة تتصادم مع الإلكترونات في مادة أخرى وتتسبب في انبعاث الأشعة السينية. تم تجربة العديد من الإعدادات ، ولكن في النهاية ثبت أن معالجة الأيونات هي الحل الأفضل. أزالت البلازما الإلكترونات حتى تم ترك 10 إلكترونات داخلية فقط ، حيث قامت الفوتونات بشحنها إلى حالة 3p ، وبالتالي إطلاق الحزمة "الناعمة". أثبتت تجربة في 13 يوليو 1984 أن هذا كان أكثر من مجرد نظرية عندما قاس مطياف الانبعاثات القوية عند 20.6 و 20.9 نانومتر من السيلينيوم (أيون شبيه بالنيون). ثم ظهر أول معمل أشعة ليزر (غير عسكري) باسم نوفيت
مصير نوفيت
تم تصميم هذا الليزر بواسطة Jim Dunn وكان له جوانب مادية تم التحقق منها بواسطة Al Osterhold و Slava Shlyaptsev. باستخدام سريع(بالقرب من نانوثانية) نبضة من الضوء عالي الطاقة الذي يشحن الجسيمات لإطلاق الأشعة السينية ، استخدم Novett أيضًا مكبرات صوت زجاجية ، والتي تعمل على تحسين الكفاءة ولكن أيضًا تسخن بسرعة ، مما يعني أنه لا يمكن تشغيلها إلا 6 مرات في اليوم بين فترات الهدوء. لكن بعض الأعمال أظهرت أنه يمكن إطلاق نبضة بيكو ثانية بينما يعود الضغط إلى نبضة نانوثانية. خلاف ذلك ، سيتم تدمير مكبر الزجاج. من المهم أن نلاحظ أن نوفيت وأنظمة ليزر الأشعة السينية "المكتبية" الأخرى تنتج أشعة سينية "ناعمة" ، والتي لها طول موجي أطول ، مما يمنع الشعاع من المرور عبر العديد من المواد ، ولكنه يعطي نظرة ثاقبة للسبائك والبلازما ، منذ ذلك الحين يتألق من خلالها بسهولة
استخدامات وميزات أخرى للعملية
إذن ما الذي يمكن استخدام هذا الليزر؟ سبق أن لوحظ أن الطول الموجي الأقصر يمكن أن يسهل فحص بعض المواد ، لكن هذا ليس التطبيق الوحيد. عندما يتم ضرب هدف بدافع ، يتم تدميره ببساطة إلى جزيئات ذرية ، وتصل درجة الحرارة في نفس الوقت إلى ملايين الدرجات في جزء من تريليون من الثانية فقط. وإذا كانت درجة الحرارة هذه كافية ، فسوف يتسبب الليزر في تقشر الإلكترونات من الداخل. هذا لأن أدنى مستوى من مدارات الإلكترون يعني وجود إلكترونين على الأقل ، يتم طردهما من الطاقة الناتجة عن الأشعة السينية.
الوقت الذي تستغرقه الذرةفقدت كل إلكتروناتها ، في حدود بضع فيمتوثانية. لا يبقى اللب الناتج لفترة طويلة وتحولات سريعة إلى حالة البلازما المعروفة باسم "المادة الكثيفة الدافئة" ، والتي توجد في الغالب في المفاعلات النووية ولب الكواكب الكبيرة. من خلال تجربة الليزر ، يمكننا الحصول على فكرة عن كلتا العمليتين ، وهما أشكال مختلفة من الاندماج النووي.
استخدام ليزر الأشعة السينية عالمي حقًا. ميزة أخرى مفيدة لهذه الأشعة السينية هي استخدامها مع السنكروترونات أو الجسيمات المتسارعة على طول مسار المسرع بأكمله. بناءً على مقدار الطاقة اللازمة لصنع هذا المسار ، يمكن للجسيمات أن تصدر إشعاعًا. على سبيل المثال ، تصدر الإلكترونات ، عند الإثارة ، أشعة سينية ، لها طول موجي يقارب حجم الذرة. ثم يمكننا دراسة خصائص هذه الذرات من خلال التفاعل مع الأشعة السينية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكننا تغيير طاقة الإلكترونات والحصول على أطوال موجية مختلفة من الأشعة السينية ، وتحقيق عمق أكبر في التحليل.
ومع ذلك ، من الصعب جدًا إنشاء ليزر أشعة إكس بيديك. هيكلها معقد للغاية حتى من وجهة نظر علماء الفيزياء ذوي الخبرة.
في علم الأحياء
حتى علماء الأحياء تمكنوا من الاستفادة من أشعة الليزر (التي يتم ضخها بالطاقة النووية). يمكن أن يساعد إشعاعهم في الكشف عن جوانب التمثيل الضوئي التي لم تكن معروفة من قبل للعلم. يلتقطون التغييرات الطفيفة في أوراق النبات. تسمح لك الأطوال الموجية الطويلة لأشعة الليزر اللينة بالأشعة السينية بالاستكشاف دون تدمير كل شيءيحدث داخل النبات. يقوم حاقن البلورات النانوية بتشغيل الخلية الكهروضوئية 1 ، وهي مفتاح البروتين لعملية التمثيل الضوئي اللازمة لتنشيطها. يتم اعتراض هذا بواسطة شعاع ليزر من الأشعة السينية ، مما يتسبب في انفجار البلورة حرفياً.
إذا استمرت التجارب المذكورة أعلاه في النجاح ، فسيكون الناس قادرين على كشف ألغاز الطبيعة ، وقد يصبح التمثيل الضوئي الاصطناعي حقيقة واقعة. كما أنه سيثير مسألة إمكانية استخدام أكثر كفاءة للطاقة الشمسية ، مما يثير ظهور مشاريع علمية لسنوات عديدة قادمة.
مغناطيس
ماذا عن المغناطيس الإلكتروني؟ وجد العلماء أنه عندما أصيبت ذرات زينون وجزيئات محدودة باليود بأشعة سينية عالية الطاقة ، تخلصت الذرات من إلكتروناتها الداخلية ، مما أدى إلى خلق فراغ بين النواة والإلكترونات الخارجية. تدفع القوى الجاذبة هذه الإلكترونات للحركة. في العادة لا ينبغي أن يحدث هذا ، ولكن بسبب السقوط المفاجئ للإلكترونات ، تحدث حالة "مشحونة" بشكل مفرط على المستوى الذري. يعتقد العلماء أنه يمكن استخدام الليزر في معالجة الصور.
ليزر أشعة إكس العملاقة Xfel
يتم استضافته في مختبر المسرع الوطني الأمريكي ، وتحديداً في ليناك ، يستخدم هذا الليزر الذي يبلغ طوله 3500 قدم العديد من الأجهزة المبتكرة لضرب الأهداف بالأشعة السينية القاسية. فيما يلي بعض مكونات أحد أقوى أنواع الليزر (الاختصارات والتشكيلات الانكليزية تشير إلى مكونات الآلية):
- محرك الليزر - يخلقنبضة فوق بنفسجية تزيل الإلكترونات من الكاثود. ينبعث إلكترونات تصل إلى مستوى طاقة يصل إلى 12 مليار eW عن طريق معالجة المجال الكهربائي. يوجد أيضًا مسرع على شكل حرف S داخل الحركة يسمى Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - نفس مفهوم Bunch 1 ولكن الهيكل الأطول على شكل S ، زاد بسبب الطاقات العالية.
- Transport Hall - تسمح لك بالتأكد من أن الإلكترونات مناسبة لتركيز النبضات باستخدام المجالات المغناطيسية.
- Undulator Hall - تتكون من مغناطيسات تجعل الإلكترونات تتحرك ذهابًا وإيابًا ، وبالتالي تولد أشعة سينية عالية الطاقة.
- Beam Dump هو مغناطيس يزيل الإلكترونات ولكنه يسمح للأشعة السينية بالمرور دون أن تتحرك.
- محطة LCLS التجريبية هي غرفة خاصة يتم فيها تثبيت الليزر وهي المساحة الرئيسية للتجارب المتعلقة به. تنتج الحزم التي يولدها هذا الجهاز 120 نبضة في الثانية ، مع استمرار كل نبضة 1/10000000000 من الثانية.
- وسط تصريف البلازما الشعرية. في هذا الإعداد ، يوجد أنبوب شعري يبلغ طوله عدة سنتيمترات ، مصنوع من مادة مستقرة (مثل الألومينا) ، ويحد من دقة نبضة كهربائية دون ميكروثانية في غاز منخفض الضغط. تسبب قوة لورنتز ضغطًا إضافيًا لتصريف البلازما. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما يتم استخدام نبضة كهربائية أو بصرية قبل التأين. مثال على ذلك هو ليزر Ar8 + شعري يشبه النيون (يولد إشعاعًا عند 47نانومتر).
- الوسط المستهدف للبلاطة الصلبة - بعد أن يصطدم بنبضة بصرية ، يصدر الهدف بلازما شديدة الإثارة. مرة أخرى ، غالبًا ما يتم استخدام "نبضة" أطول لإنشاء البلازما ، ويتم استخدام نبضة ثانية أقصر وأكثر نشاطًا لزيادة تسخين البلازما. لفترات قصيرة ، قد تكون هناك حاجة إلى تحول الزخم. يتسبب التدرج في معامل الانكسار للبلازما في انحناء النبضة المضخمة بعيدًا عن السطح المستهدف ، لأنه عند الترددات فوق الرنين ، يتناقص معامل الانكسار مع كثافة المادة. يمكن تعويض ذلك باستخدام أهداف متعددة في رشقة ، كما هو الحال في ليزر الإلكترون الأوروبي الخالي من الأشعة السينية.
- البلازما متحمس بمجال بصري - عند كثافات بصرية عالية بما يكفي لنفق الإلكترونات بشكل فعال أو حتى لقمع حاجز محتمل (> 1016 واط / سم 2) ، من الممكن تأين الغاز بقوة دون ملامسة الشعيرات الدموية أو هدف. عادةً ما يتم استخدام الإعداد الخطي لمزامنة النبضات.
بشكل عام ، هيكل هذه الآلية مشابه لليزر الإلكترون الأوروبي الخالي من الأشعة السينية.
