Hur fungerar lasrar? Genom att en foton träffar en atom med en viss energi kan du få atomen att avge en foton med den energin i en process som kallas stimulerad emission. Genom att upprepa denna process i stor skala får du en kedjereaktion som resulterar i en laser. Vissa kvantfångster orsakar emellertid att denna process inte sker som förutspådd, varvid fotonen ibland absorberas utan utsläpp alls. Men för att säkerställa att de maximala oddsen för processen kommer att inträffa, höjs fotonernas energinivåer och speglar placeras parallellt med ljusbanan för att hjälpa tillfälliga fotoner att reflektera tillbaka i spelet. Och med röntgenstrålarnas höga energi avslöjas speciell fysik (Buckshaim 69-70).

Utvecklingen av röntgenlaser

I början av 1970-talet verkade röntgenlasern vara utom räckhåll eftersom de flesta tidens lasrar nådde en höjdpunkt på 110 nanometer, vilket var kort än de största röntgenstrålarna på 10 nanometer. Detta berodde på den mängd energi som krävdes för att få materialet stimulerat var så högt att det behövde levereras i en snabb avfyringspuls som ytterligare komplicerade den reflekterande förmågan som behövs för att ha en kraftfull laser. Så forskare såg på att plasma var deras nya material att stimulera, men de kom också till kort. Ett team 1972 hävdade att de äntligen uppnådde det, men när forskare försökte kopiera resultaten misslyckades det också (Hecht).

På 1980-talet såg en stor spelare in i insatserna: Livermore. Forskare där hade tagit små men viktiga steg där i flera år men efter att Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) slutade betala för röntgenundersökningar blev Livermore ledare. Det ledde fältet i flera lasrar inklusive fusionsbaserade. Även lovande var deras kärnvapenprogram vars högenergiprofiler antydde på en möjlig pulsmekanism. Forskarna George Chapline och Lowell Wood undersökte först fusionsteknologi för röntgenlasrar på 1970-talet och skiftade sedan till det kärnkraftalternativet. Tillsammans utvecklade de två en sådan mekanism och var redo att testa den 13 september 1978 men ett utrustningsfel grundade den. Men det var kanske till det bästa. Peter Hagelstein skapade ett annat tillvägagångssätt efter att ha granskat den tidigare mekanismen och den 14 november 1980 bevisade två experiment med titeln Dauphin att installationen fungerade! (Ibid)

Och det tog inte lång tid innan ansökan som ett vapen realiserades eller som ett försvar. Ja, det är otroligt att utnyttja ett kärnvapens kraft till en fokuserad stråle men det kan vara ett sätt att förstöra ICBM: er i luften. Det skulle vara mobilt och enkelt att använda i omloppsbana. Vi känner detta program idag som Star Wars -programmet. En 23 februari 1981-nummer av luftfartsveckan och rymdtekniken beskrev inledande tester av konceptet inklusive en laserstråle skickad med en våglängd på 1, 4 nanometer som mätte flera hundra terawatts, med upp till 50 mål eventuellt riktade på en gång trots vibrationer längs fartyget (Ibid).

Ett test 26 mars 1983 gav ingenting på grund av ett sensorfel men Romano-testet av den 16 december 1983 demonstrerade ytterligare kärnkraftsröntgen. Men några år senare den 28 december 1985 visade Goldstone-testet att inte bara laserstrålarna inte var så ljusa som misstänkta utan att fokuseringsfrågor också fanns närvarande. Star Wars gick vidare utan Livermore-laget (Ibid).

Men Livermore-besättningen gick också vidare och tittade tillbaka på fusionslaser. Ja, det kunde inte vara så hög pumpenergi men det gav möjlighet till flera experiment om dagen OCH inte ersätta utrustningen varje gång. Hagelstein föreställde sig en tvåstegsprocess, med en fusionslaser som skapade en plasma som skulle frigöra upphetsade fotoner som skulle kollidera med ett annat material s elektroner och få röntgenstrålar att släppas när de hoppade nivåer. Flera uppsättningar testades men slutligen var en manipulation av neonliknande joner nyckeln. Plasman avlägsnade elektroner tills endast de 10 inre var kvar, där fotoner sedan exciterade dem från ett 2p till ett 3p-tillstånd och därmed släppte en mjuk röntgenstråle. Ett experiment den 13 juli 1984 bevisade att det var mer än en teori när spektrometern mätte starka utsläpp vid 20, 6 och 20, 9 nanometer av selen (vår neonliknande jon). Den första röntgenlaser från laboratoriet, som heter Novette, föddes (Hecht, Walter).

Nova och fler barn av Nouvette

Uppföljningen av Novette, denna laser designades av Jim Dunn och hade de fysiska aspekterna av den verifierad av Al Osterheld och Slava Shlyaptsev. Det började sin verksamhet 1984 och var den största lasern i Livermore. Med hjälp av en kort (ungefär ett nanosekund) puls med högenergiljus för att väcka materialet för att frigöra röntgenstrålar använde Nova även glasförstärkare som förbättrar effektiviteten men också värmer snabbt, vilket innebär att Nova bara kunde arbeta 6 gånger om dagen mellan cool-offs. Uppenbarligen gör detta för att testa vetenskapen ett svårare mål. Men en del arbete visade att du kunde avfyra en pikosekundpuls och testa många gånger om dagen, så länge kompressionen återförs till en nanosekundpuls. Annars förstörs glasförstärkaren. Viktig anmärkning är att Nova och andra "bordsskiva" röntgenlasrar gör mjuka röntgenstrålar, som har en längre våglängd som förhindrar penetrering av många material men ger insikt i fusions- och plasmavetenskap (Walter).

Linac koherent ljuskälla (LCLS)

Beläget på SLAC National Accelerator Laboratory, speciellt vid den linjära gaspedalen, använder denna 3500 fotlaser flera geni-enheter för att träffa mål med hårda röntgenstrålar. Här är några av komponenterna i LCLS, en av de starkaste lasrarna där ute (Buckshaim 68-9, Keats):

  • -Drivlaser: Skapar en ultraviolett puls som tar bort elektroner från katoden, en tidigare befintlig del av SLAC-acceleratorn.
  • -Accelerator: Gör elektronerna till energinivåer på 12 miljarder eVolts genom att använda elektriskt fältmanipulation. Totalt i halva SLAC-föreningens längd.
  • -Bunch-kompressor 1: S-böjd formanordning som "avger arrangemanget av elektroner med olika energier.
  • -Bunch-kompressor 2: Samma koncept i grupp 1 men en längre S på grund av de högre energierna som uppstått.
  • -Transport Hall: Se till att elektroner är bra att använda genom att fokusera pulserna med hjälp av magnetfält.
  • -Undulator Hall: Sammansatt av magneter som får elektroner att röra sig fram och tillbaka, vilket genererar röntgenstrålar med hög energi.
  • -Beam Dump: Magnet som tar ut elektronerna men låter röntgenstrålarna passera ostörda.
  • -LCLS Experimental Station: Plats där vetenskap händer aka där förstörelse inträffar.

Strålarna som genereras av denna anordning uppgår till 120 pulser per sekund, varvid varje puls varar 1/10000000000 av en sekund.

tillämpningar

Så vad kan denna laser användas för? Det antyddes tidigare att den kortare våglängden kan underlätta utforskningen av skillnadsmaterial, men det är inte det enda syftet. När ett mål träffas av pulsen, utplånas det helt enkelt i sina atomdelar med temperaturer som når miljoner Kelvin på så lite som en biljon sekund. Wow. Och om detta inte var tillräckligt coolt får lasern att elektroner kastas inifrån och ut . De skjuts inte ut utan avvisas! Detta beror på att den lägsta nivån av elektroniska orbitaler har två av dem som matas ut med tillstånd av den energi som röntgenstrålarna ger. De andra orbitalerna blir destabiliserade när de faller inåt och möter sedan samma öde. Den tid det tar för en atom att förlora alla sina elektroner är i storleksordningen några femtosekunder. Den resulterande kärnan hänger dock inte länge men avtar snabbt till ett plasmatillstånd som kallas varm tät substans, som främst finns i kärnreaktorer och kärnorna i stora planeter. Genom att titta på detta kan vi få insikt i båda processerna (Buckshaim 66).

En annan cool egenskap hos dessa röntgenstrålar är deras applicering med synkrotroner eller partiklar som accelereras genom en bana. Baserat på hur mycket energi som krävs för den vägen, kan partiklar avge strålning. Till exempel släpper elektroner när exciterade röntgenstrålar, som råkar ha en våglängd ungefär storleken på en atom. Vi kunde sedan lära oss egenskaperna hos dessa atomer genom interaktionen med röntgenstrålarna! Dessutom kan vi förändra elektronernas energi och få olika våglängder av röntgenstrålar, vilket möjliggör ett större djup av analysen. Den enda fången är att justeringen är kritisk, annars kommer våra bilder att vara suddiga. En laser skulle vara perfekt för att lösa detta eftersom det är sammanhängande ljus och kan skickas i kontrollerade pulser (68).

Biologer har till och med fått ut något av röntgenlasrar. Tro det eller inte, men de kan hjälpa till att avslöja aspekter av fotosyntes som tidigare varit okänd för vetenskapen. Det beror på att spärra ett blad med strålning vanligtvis dödar det, ta bort all information om katalysatorn eller reaktionen det genomgår. Men de långa våglängderna med mjuka röntgenstrålar möjliggör studier utan förstörelse. En nanokristallinjektor avfyrar fotosystem I, en proteinnyckel till fotosyntes, som en stråle med grönt ljus för att aktivera det. Detta avlyssnas av en laserstråle av röntgenstrålar som får kristallen att explodera. Det låter som att det inte är mycket vinst med den här tekniken, eller hur? Tja, med användning av en höghastighetskamera som spelar in vid femto andra intervall kan vi göra en film av händelsen före och efter och voila, vi har femtosekundkristallografi (Moskvitch, Frome 64-5, Yang).

Vi behöver röntgenstrålar för detta eftersom bilden inspelad av kameran är diffraktionen genom kristallen, som kommer att vara skarpast i den delen av spektrumet. Den diffraktionen ger oss en inre topp vid kristallens funktion och därmed hur den fungerar, men det pris vi betalar är förstörelsen av den ursprungliga kristallen. Om vi ​​lyckas, kan vi gudomliga hemligheter från naturen och utveckla konstgjord fotosyntes kan bli verklighet och öka hållbarhets- och energiprojekt under många år framöver (Moskvitch, Frome 65-6, Yang).

Vad sägs om en elektronmagnet? Forskare fann att när de hade en xenonatom och jodbundna molekyler blandade av en högeffekt röntgenstråle, atomerna hade sina inre elektroner borttagna, vilket skapade ett tomrum mellan kärnan och de yttersta elektronerna. Krafter förde in dessa elektroner men behovet av mer var så stort att elektroner från molekylerna också avlägsnades! Normalt borde detta inte hända, men på grund av suddnessen av borttagningen uppstår en mycket laddad situation. Forskare tror att detta kan ha vissa applikationer i bildbehandling (Scharping).

Citerade verk

Buckshaim, Phillip H. The Ultimate X-Ray Machine. Scientific American Jan. 2014: 66, 68-70. Skriva ut.

Frome, Petra och John CH Spence. "Delade andra reaktioner." Scientific American maj 2017. Tryck. 64-6.

Hecht, Jeff. The X-Ray Laser 's History. Osa-opn.org . The Optical Society, maj 2008. Web. 21 juni 2016.

Keats, Jonathan. "Atomic Movie Machine." Upptäck september 2017. Skriv ut.

Moskvitch, Katia. Artificerad fotosyntesen Energiforskning Powered by X-ray Lasers. Feandt.theiet.org . Institutionen för teknik och teknik, 29 april 2015. Webb. 26 juni 2016.

Scharping, Nathaniel. "X-ray Blast producerar ett 'Molecular Black Hole.'" Astronomy.com . Kalmbach Publishing Co., 01 juni 2017. Web. 13 november 2017.

Walter, Katie. Röntgenlaser. Llnl.gov. Lawrence Livermore National Laboratory, sept.1998. Webb. 22 juni 2016.

Yang, Sarah. "Kommer till en laboratoriebänk nära dig: Femtosekund röntgenspektroskopi." innovation-report.com . innovationsrapport, 7 april 2017. Webben. 5 mars 2019.