Qual é o princípio de funcionamento do laser de raios-X? Devido ao alto ganho no meio de geração, aos tempos de vida curtos no estado superior (1-100 ps) e aos problemas associados à construção de espelhos que podem refletir os feixes, esses lasers normalmente operam sem espelhos. O feixe de raios X é gerado por uma única passagem pelo meio de ganho. A radiação emitida com base no feixe espontâneo amplificado tem uma coerência espacial relativamente baixa. Leia o artigo até o final e você entenderá que se trata de um laser de raios X. Este dispositivo é muito prático e único em sua estrutura.
Kernels na estrutura do mecanismo
Como as transições convencionais de laser entre os estados visível e eletrônico ou vibracional correspondem a energias de até 10 eV, diferentes meios ativos são necessários para os lasers de raios X. Novamente, vários núcleos carregados ativos podem ser usados para isso.
Armas
Entre 1978 e 1988 no projeto ExcaliburOs militares dos EUA tentaram desenvolver um laser de raios-X explosivo nuclear para defesa de mísseis como parte da Iniciativa de Defesa Estratégica de Guerra nas Estrelas (SDI). O projeto, no entanto, acabou sendo muito caro, se arrastou e acabou engavetado.
Mídia de plasma dentro de um laser
Os meios mais comumente usados incluem plasma altamente ionizado criado em uma descarga capilar ou quando um pulso óptico linearmente focado atinge um alvo sólido. De acordo com a equação de ionização de Saha, as configurações eletrônicas mais estáveis são neon, com 10 elétrons restantes, e níquel, com 28 elétrons. As transições de elétrons em plasmas altamente ionizados normalmente correspondem a energias da ordem de centenas de elétron-volts (eV).
Um meio amplificador alternativo é o feixe de elétrons relativístico de um laser de elétrons livre de raios X, que usa espalhamento Compton estimulado em vez de radiação padrão.
Aplicativo
As aplicações de raios-X coerentes incluem imagens de difração coerentes, plasma denso (opaco à radiação visível), microscopia de raios-X, imagens médicas com resolução de fase, exame da superfície do material e armamento.
A versão mais leve do laser pode ser usada para movimento ablativo do laser.
Laser de raios-X: como funciona
Como funcionam os lasers? Devido ao fato de que o fótonatinge um átomo com uma certa energia, você pode fazer o átomo emitir um fóton com essa energia em um processo chamado emissão estimulada. Ao repetir esse processo em grande escala, você obterá uma reação em cadeia que resulta em um laser. No entanto, alguns nós quânticos fazem com que esse processo pare, pois um fóton às vezes é absorvido sem ser emitido. Mas para garantir o máximo de chances, os níveis de energia dos fótons são aumentados e os espelhos são colocados paralelamente ao caminho da luz para ajudar os fótons espalhados a voltarem ao jogo. E em altas energias de raios X, leis físicas especiais são encontradas que são inerentes a este fenômeno particular.
Histórico
No início da década de 1970, o laser de raios-X parecia fora de alcance, já que a maioria dos lasers da época chegava a 110 nm, bem abaixo dos maiores raios-X. Isso ocorreu porque a quantidade de energia necessária para produzir o material estimulado era tão alta que precisava ser entregue em um pulso rápido, complicando ainda mais a refletividade necessária para criar um laser poderoso. Portanto, os cientistas observaram o plasma, porque parecia um bom meio condutor. Uma equipe de cientistas em 1972 afirmou ter finalmente conseguido o uso do plasma na criação de lasers, mas quando tentaram reproduzir seus resultados anteriores, falharam por algum motivo.
Na década de 1980, um grande ator do mundo se juntou à equipe de pesquisaCiência - Livermore. Os cientistas, enquanto isso, vêm fazendo pequenos, mas importantes avanços há anos, mas depois que a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) parou de pagar pela pesquisa de raios-X, Livermore se tornou o líder da equipe científica. Ele liderou o desenvolvimento de vários tipos de lasers, incluindo aqueles baseados em fusão. Seu programa de armas nucleares foi promissor, porque os indicadores de alta energia que os cientistas alcançaram durante este programa sugeriram a possibilidade de criar um mecanismo pulsado de alta qualidade que seria útil na construção de um laser de elétrons livre de raios X.
O projeto foi se aproximando gradualmente da conclusão. Os cientistas George Chaplin e Lowell Wood exploraram pela primeira vez a tecnologia de fusão para lasers de raios-X na década de 1970 e depois mudaram para uma opção nuclear. Juntos, eles desenvolveram tal mecanismo e estavam prontos para testes em 13 de setembro de 1978, mas a falha do equipamento o interrompeu. Mas talvez fosse o melhor. Peter Hagelstein criou uma abordagem diferente depois de estudar o mecanismo anterior e, em 14 de novembro de 1980, dois experimentos provaram que o protótipo do laser de raios-X funcionava.
Projeto Guerra nas Estrelas
Muito em breve, o Departamento de Defesa dos EUA se interessou pelo projeto. Sim, usar o poder de uma arma nuclear em um feixe focalizado é muito perigoso, mas esse poder pode ser usado para destruir mísseis balísticos intercontinentais (ICBMs) no ar. Seria mais conveniente usar um mecanismo semelhante na Terra próximaórbita. O mundo inteiro conhece esse programa chamado Star Wars. No entanto, o projeto de usar o laser de raios-X como arma nunca se concretizou.
A edição de 23 de fevereiro de 1981 da Aviation Week and Space Engineering relata os resultados dos primeiros testes do projeto, incluindo um feixe de laser que atingiu 1,4 nanômetros e atingiu 50 alvos diferentes.
Testes datados de 26 de março de 1983 não renderam nada devido a falha do sensor. No entanto, os seguintes testes em 16 de dezembro de 1983 demonstraram suas verdadeiras capacidades.
Outro destino do projeto
Hagelstein imaginou um processo de duas etapas no qual um laser criaria um plasma que liberaria fótons carregados que colidiriam com elétrons em outro material e causariam a emissão de raios X. Várias configurações foram tentadas, mas no final a manipulação de íons provou ser a melhor solução. O plasma removeu os elétrons até restar apenas 10 elétrons internos, onde os fótons então os carregaram até o estado 3p, liberando assim o feixe "suave". Um experimento em 13 de julho de 1984 provou que isso era mais do que teoria quando um espectrômetro mediu fortes emissões em 20,6 e 20,9 nanômetros de selênio (um íon semelhante ao neon). Em seguida, surgiu o primeiro laser de raios X laboratorial (não militar) com o nome Novette.
O destino de Novette
Este laser foi projetado por Jim Dunn e teve aspectos físicos verificados por Al Osterheld e Slava Shlyaptsev. Usando rápido(próximo de nanossegundos) de luz de alta energia que carregou as partículas para liberar raios-X, a Novett também usou amplificadores de vidro, que melhoram a eficiência, mas também aquecem rapidamente, o que significa que só pode funcionar 6 vezes por dia entre os resfriamentos. Mas alguns trabalhos mostraram que ele pode disparar um pulso de picossegundos enquanto a compressão retorna a um pulso de nanossegundos. Caso contrário, o amplificador de vidro será destruído. É importante notar que Novette e outros lasers de raios X "desktop" produzem feixes de raios X "soft", que têm um comprimento de onda maior, o que impede que o feixe passe por muitos materiais, mas dá uma visão sobre ligas e plasma, uma vez que facilmente brilha através deles.
Outros usos e recursos de operação
Então, para que esse laser pode ser usado? Foi observado anteriormente que um comprimento de onda mais curto pode facilitar o exame de alguns materiais, mas essa não é a única aplicação. Quando um alvo é atingido por um impulso, ele é simplesmente destruído em partículas atômicas, e a temperatura ao mesmo tempo atinge milhões de graus em apenas um trilionésimo de segundo. E se essa temperatura for suficiente, o laser fará com que os elétrons se desprendam de dentro. Isso ocorre porque o nível mais baixo de orbitais de elétrons implica a presença de pelo menos dois elétrons, que são ejetados da energia gerada pelos raios X.
O tempo que um átomo leva paraperdeu todos os seus elétrons, é da ordem de alguns femtossegundos. O núcleo resultante não permanece por longas e rápidas transições para um estado de plasma conhecido como "matéria densa quente", que é encontrado principalmente em reatores nucleares e nos núcleos de grandes planetas. Experimentando com o laser, podemos ter uma ideia de ambos os processos, que são formas diferentes de fusão nuclear.
O uso do laser de raios X é verdadeiramente universal. Outra característica útil desses raios X é seu uso com síncrotrons ou partículas acelerando ao longo de todo o caminho do acelerador. Com base em quanta energia é necessária para fazer esse caminho, as partículas podem emitir radiação. Por exemplo, os elétrons, quando excitados, emitem raios X, que têm um comprimento de onda do tamanho de um átomo. Então poderíamos estudar as propriedades desses átomos através da interação com os raios X. Além disso, podemos alterar a energia dos elétrons e obter diferentes comprimentos de onda dos raios X, alcançando maior profundidade de análise.
No entanto, é muito difícil criar um laser de raios X com suas próprias mãos. Sua estrutura é extremamente complexa mesmo do ponto de vista de físicos experientes.
Em biologia
Até os biólogos puderam se beneficiar dos lasers de raios-x (bombeados nucleares). Sua radiação pode ajudar a revelar aspectos da fotossíntese anteriormente desconhecidos pela ciência. Eles capturam mudanças sutis nas folhas das plantas. Longos comprimentos de onda de feixes de laser de raios X suaves permitem que você explore sem destruir tudo o queocorre dentro da planta. O injetor de nanocristais aciona a fotocélula I, a proteína chave para a fotossíntese necessária para ativá-la. Isso é interceptado por um raio laser de raios-X, que faz com que o cristal literalmente exploda.
Se os experimentos acima continuarem sendo bem sucedidos, as pessoas poderão desvendar os mistérios da natureza, e a fotossíntese artificial pode se tornar realidade. Também levantará a questão da possibilidade de uso mais eficiente da energia solar, provocando o surgimento de projetos científicos por muitos anos.
Ímãs
Que tal um ímã eletrônico? Os cientistas descobriram que quando tinham átomos de xenônio e moléculas limitadas de iodo atingidos por um raio-X de alta potência, os átomos liberavam seus elétrons internos, criando um vazio entre o núcleo e os elétrons mais externos. Forças atrativas colocam esses elétrons em movimento. Normalmente isso não deveria acontecer, mas devido à queda repentina de elétrons, ocorre uma situação excessivamente "carregada" no nível atômico. Os cientistas acham que o laser pode ser usado no processamento de imagens.
Laser de raios X gigante Xfel
Alojado no Laboratório Nacional de Aceleração dos EUA, especificamente no linac, este laser de 3.500 pés usa vários dispositivos engenhosos para atingir alvos com raios-X rígidos. Aqui estão alguns dos componentes de um dos lasers mais poderosos (abreviações e anglicismos significam os componentes do mecanismo):
- Drive Laser - criaum pulso ultravioleta que remove elétrons do cátodo. Emite elétrons até um nível de energia de 12 bilhões de eW manipulando o campo elétrico. Há também um acelerador em forma de S dentro do movimento chamado Bunch Compressor 1.
- Compressor de Grupo 2 - mesmo conceito do Grupo 1, mas estrutura em forma de S mais longa, aumentada devido a energias mais altas.
- Transport Hall - permite certificar-se de que os elétrons são adequados para focalizar pulsos usando campos magnéticos.
- Undulator Hall - Consiste em ímãs que fazem com que os elétrons se movam para frente e para trás, gerando assim raios X de alta energia.
- Beam Dump é um ímã que remove elétrons, mas deixa passar os raios X sem se mover.
- LCLS Estação Experimental é uma câmara especial na qual o laser é fixado e que é o principal espaço para experimentos relacionados a ele. Os feixes gerados por este dispositivo criam 120 pulsos por segundo, com cada pulso durando 1/10000000000 de segundo.
- Meio de descarga de plasma capilar. Nesta configuração, um capilar de vários centímetros de comprimento, feito de um material estável (por exemplo, alumina), limita um pulso elétrico de alta precisão, sub-microssegundo em um gás de baixa pressão. A força de Lorentz causa compressão adicional da descarga de plasma. Além disso, um pulso elétrico ou óptico de pré-ionização é frequentemente usado. Um exemplo é um laser capilar tipo néon Ar8 + (que gera radiação a 47nm).
- Meio alvo de uma placa sólida - após ser atingido por um pulso óptico, o alvo emite um plasma altamente excitado. Novamente, um "pré-pulso" mais longo é frequentemente usado para criar o plasma, e um segundo pulso, mais curto e mais energético, é usado para aquecer ainda mais o plasma. Para vidas curtas, uma mudança de momento pode ser necessária. O gradiente do índice de refração do plasma faz com que o pulso amplificado se desvie da superfície do alvo, uma vez que em frequências acima da ressonância o índice de refração diminui com a densidade da matéria. Isso pode ser compensado usando vários alvos em uma rajada, como no laser de elétrons livre de raios X europeu.
- Plasma excitado por um campo óptico - em densidades ópticas altas o suficiente para efetivamente tunelar elétrons ou mesmo suprimir uma barreira de potencial (> 1016 W / cm2), é possível ionizar fortemente um gás sem contato com um capilar ou alvo. Normalmente, uma configuração colinear é usada para sincronizar os pulsos.
Em geral, a estrutura deste mecanismo é semelhante ao laser de elétrons livre de raios X europeu.
