Ilmainen elektroni laser

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 2. toukokuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Vapaa elektronilaser ( FEL ) on eräänlainen laser  , jossa säteilyä tuottaa monoenergeettinen elektronisuihku , joka etenee aaltoputkessa  - jaksollisessa poikkeavien ( sähkö- tai magneettikenttien ) järjestelmässä. Jaksottaista värähtelyä suorittavat elektronit emittoivat fotoneja , joiden energia riippuu elektronien energiasta ja aaltolaitteen parametreista.

Kuvaus

Toisin kuin kaasu- , neste- tai solid -state lasereissa, joissa elektronit viritetään sitoutuneissa atomi- tai molekyylitilassa, FEL-säteilylähde on elektronisuihku tyhjiössä, joka kulkee magneettisarjan läpi, jotka sijaitsevat erityisellä tavalla - aaltoilija ( wiggler), sädeelektronit liikkuvat rataa pitkin lähellä siniaaltoa , menettäen energiaa, joka muuttuu fotonivirraksi , kun taas esiintyy röntgensäteilyä , jota käytetään esimerkiksi atomien sijoittelun tutkimiseen kiteissä ja muiden nanorakenteiden tutkimiseen.

Muuttamalla elektronisäteen energiaa sekä magneettikentän voimakkuutta ja aaltolaitteen magneettien välistä etäisyyttä voidaan muuttaa lasersäteilyn taajuutta laajalla alueella FEL:stä, joka on tärkein ero FEL:n ja muiden vastaavien järjestelmien lasereiden välillä. FEL:n tuottamaa säteilyä käytetään nanometrirakenteiden tutkimiseen  – jopa 100 nanometrin kokoisia hiukkasia on kuvattu röntgenmikroskoopilla noin 5 nm :n resoluutiolla [1] .

Ensimmäisen vapaan elektronisen laserin suunnittelun julkaisi vuonna 1971 John Maidy osana tohtoriprojektiaan Stanfordin yliopistossa . Vuonna 1976 Maidy ja kollegat esittelivät ensimmäiset FEL-kokeet, joissa käytettiin 24 MeV elektroneja ja 5 metrin keinuja säteilyn vahvistamiseen [2] . Laserteho oli 300 mW, ja elektronisäteen energian muuntamisen hyötysuhde säteilyksi oli vain 0,01%, mutta tällaisten laitteiden toimivuus osoitettiin, mikä johti kiinnostuksen lisääntymiseen ja tutkimusten määrän kasvuun. FEL:n alalla.

Röntgenlasersäteilyn saaminen

Laserröntgensäteiden luomiseen tarvitaan elektronisäde, joka kiihdytetään kiihdyttimessä lähellä valonnopeutta . Tuloksena oleva säde lähetetään heiluttajalle .

Wiggler on magneetti , joka luo voimakkaan poikittaisen (yleensä pystysuoran) magneettikentän, joka muuttuu avaruudessa. Se voidaan kuvitella lyhyiden dipolimagneettien sarjana, viereisten napojen suuntaus on päinvastainen.

Wiggler asennetaan elektronisynkrotronin lineaariseen rakoon , ja ultrarelativistinen säde, jota heiluttimen magneettikenttä poikkeuttaa, etenee siinä käämitysrataa pitkin lähellä siniaaltoa, lähettäen fotoneja, joiden etenemissuunta on keskittynyt kapeaan kartioon. säteen akselia pitkin. Wigglerin tuottaman synkrotronisäteilyn tyypillinen aallonpituusalue on kovasta ultraviolettisäteilystä pehmeisiin röntgensäteisiin . On myös heilureita, joiden fotonienergiat ovat jopa useita MeV .

Fabry-Perot-resonaattoriin (esimerkiksi kahden rinnakkaisen peilin muodossa) sijoitettu heiluri on yksinkertaisin vapaiden elektronien laserlaite . Wiggler-magneetit voivat olla tavallisia sähkömagneetteja, suprajohtavia tai pysyviä. Wigglerin tyypillinen magneettikenttä on jopa 10 Tesla . Synkrotronisäteilyn teho on jopa satoja kW  ja riippuu säteen virrasta, kentän voimakkuudesta ja myös wiggler-magneettinapojen lukumäärästä, joka vaihtelee kolmesta useaan kymmeneen.

Röntgenlaser vaatii elektronikiihdyttimien käyttöä, joissa on biologinen säteilysuojaus, koska kiihdytetyt elektronit muodostavat merkittävän säteilyvaaran. Nämä kiihdyttimet voivat olla syklisiä kiihdyttimiä (kuten syklotroni ) tai lineaarisia kiihdyttimiä . On olemassa projekti käyttää supertehokasta lasersäteilyä elektronien kiihdyttämiseen . Itse elektronisuihku etenee tyhjiössä , jonka ylläpito vaatii lukuisten pumppujen käyttöä.

Sovellus

Sitä käytetään kristallografiaan ja atomien ja molekyylien rakenteen tutkimiseen ( laserröntgemikroskoopia ).

Röntgenlaserit, mukaan lukien FEL:t, pystyvät tuottamaan "pehmeitä" röntgensäteitä lääketieteellisillä aallonpituuksilla. Se ei tunkeudu edes paperiarkin läpi, mutta soveltuu ionisoitujen kaasujen tutkimiseen, joilla on suuri ionisoitujen hiukkasten tiheys (mitä lyhyempi aallonpituus, sitä syvemmälle säde tunkeutuu tiheään plasmaan) sekä uusien ja olemassa olevien tutkimiseen. materiaaleja.

Näkökulmat

Röntgenmikroskopia paranee edelleen ja lähestyy 1 angströmin (0,1 nm) resoluutiota ja avaa mahdollisuuksia atomien ja molekyylirakenteiden kuvaamiseen. Sille löytyy käyttöä myös lääketieteellisiin tarkoituksiin ja mikroelektroniikkaan.

Asennusten koon jatkuva pienentäminen, kustannusten aleneminen, työpöytäröntgenlaserien valmistus tulee laboratorioissa tutuksi plasmafysiikan tutkimiseen, joten niiden etuna on alhainen energiankulutus, korkea pulssin toistonopeus ja lyhyt aallonpituus. Niiden joustavuus tekee niistä hyödyllisiä monilla aloilla, mukaan lukien lääketieteellisen diagnostiikan alalla, tuhoamattomissa tutkimusmenetelmissä jne. [3]

Vuonna 2009 eurooppalaisen röntgenvapaiden elektronien laserin rakentaminen aloitettiin lähellä Hampuria (Saksa) , ja sen odotetaan olevan maailman suurin röntgenlaser. Saksa, Ranska ja Venäjä ovat mukana tässä hankkeessa. Hankkeen kustannukset ovat yli miljardi euroa [4] . Tämä laser otettiin käyttöön 1. syyskuuta 2017 [5] .

Yhdysvaltain laivasto tutkii mahdollisuuksia käyttää vapaiden elektronien laseria ilma- ja ohjuspuolustusaseena. Jefferson Labissa kehitetyn laserin lähtöteho on jopa 14 kW [6] .

Parhaillaan on käynnissä megawatin ilmalaserin tutkimus [7] .

Toukokuun 9. päivänä 2009 Bureau of Naval Research ilmoitti, että se oli tehnyt Raytheonin kanssa sopimuksen kokeellisen 100 kW:n vapaiden elektronien laserin kehittämiseksi [8] .

18. maaliskuuta 2010 Boeing Directed Energy Systems ilmoitti saaneensa päätökseen Yhdysvaltain laivaston tilaaman vapaaelektronilaseriin perustuvan asejärjestelmän alustavan suunnittelun [9] .

Näitä lasereita tutkitaan myös Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa , ja täysimittainen prototyyppitestaus on suunniteltu vuodelle 2018 [10] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Röntgenmikroskoopin uusi resoluutioraja saavutettu . Haettu 15. lokakuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 18. syyskuuta 2008.
  2. ↑ Ilmaiset elektronilaserit ja muut kehittyneet valonlähteet: Tieteelliset tutkimusmahdollisuudet (1994)
  3. ↑ Röntgenlaser: maanalaisesta työpöydälle | Nro 11, 2005 | Journal "Science and Life" . Haettu 10. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 28. marraskuuta 2007.
  4. ↑ Aineen salaisuuksien hakkerointi: nykyiset ja tulevat XFEL-röntgenlaserit | Nanoteknologia Nanonewsnet . Haettu 15. lokakuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 1. lokakuuta 2009.
  5. ↑ Molekyylielokuva: kuinka tehokkain röntgenvapaiden elektronien laser toimii  (venäjäksi) , RT venäjäksi . Arkistoitu alkuperäisestä 5. syyskuuta 2017. Haettu 6. syyskuuta 2017.
  6. ↑ Jefferson Lab Free-Electron Laser -ohjelma . Thomas Jefferson National Accelerator Facility . Haettu 21. joulukuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 8. joulukuuta 2015.
  7. ↑ Roy Whitney; David Douglas; George Neil Airbornen megawattiluokan vapaiden elektronien laser puolustukseen ja turvallisuuteen (1. maaliskuuta 2005). Haettu 21. joulukuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 22. joulukuuta 2015.
  8. ↑ Raytheon sai sopimuksen Office of Naval Researchin Free Electron Laser -ohjelmasta  (9. kesäkuuta 2009). Arkistoitu alkuperäisestä 22. joulukuuta 2015. Haettu 21. joulukuuta 2015.
  9. ↑ Boeing: Boeing saa päätökseen Free Electron Laser Weapon System -järjestelmän alustavan suunnittelun (18. maaliskuuta 2010). Haettu 21. joulukuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 22. joulukuuta 2015.
  10. ↑ Läpimurto laser voisi vallankumouksen laivaston aseista , Fox News  (20. tammikuuta 2011). Arkistoitu alkuperäisestä 22. joulukuuta 2015. Haettu 21. joulukuuta 2015.

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa
 hiukkaskiihdyttimiä
Suunnittelultaan
Ajanvarauksella