Kanuni ya kazi ya leza ya X-ray ni ipi? Kwa sababu ya faida kubwa katika kizazi cha kati, maisha mafupi ya hali ya juu (1-100 ps), na matatizo yanayohusiana na vioo vya kujenga vinavyoweza kutafakari mihimili, lasers hizi kawaida hufanya kazi bila vioo. Boriti ya X-ray inazalishwa na kupita moja kupitia njia ya kupata. Mionzi iliyotolewa kulingana na boriti iliyoimarishwa ya hiari ina mshikamano wa chini wa anga. Soma makala hadi mwisho na utaelewa kuwa hii ni laser ya X-ray. Kifaa hiki kinafaa sana na ni cha kipekee katika muundo wake.
Kernels katika muundo wa utaratibu
Kwa kuwa mabadiliko ya leza ya kawaida kati ya hali inayoonekana na ya kielektroniki au ya mtetemo yanalingana na nishati ya hadi eV 10, midia tofauti amilifu inahitajika kwa leza ya X-ray. Tena, viini mbalimbali vilivyochajiwa vinaweza kutumika kwa hili.
Silaha
Kati ya 1978 na 1988 katika mradi wa ExcaliburJeshi la Marekani lilijaribu kutengeneza leza ya X-ray yenye kulipuka kwa nyuklia kwa ajili ya ulinzi wa makombora kama sehemu ya Mpango wa Ulinzi wa Kimkakati wa Star Wars (SDI). Mradi, hata hivyo, uligeuka kuwa wa gharama kubwa sana, ukaburuzwa, na hatimaye ukawekwa rafu.
Midia ya Plasma ndani ya leza
Midia inayotumika sana ni pamoja na plasma iliyo na ioni nyingi iliyoundwa katika kutokwa kwa kapilari au wakati mpigo wa moyo unaolenga mstari unafikia lengo thabiti. Kulingana na mlinganyo wa ionization wa Saha, usanidi wa elektroni thabiti zaidi ni neon, na elektroni 10 zimesalia, na nikeli-kama, na elektroni 28. Mabadiliko ya elektroni katika plazima yenye ioni nyingi kwa kawaida hulingana na nishati kwenye mpangilio wa mamia ya volti za elektroni (eV).
Njia mbadala ya kukuza ni boriti ya elektroni inayohusiana ya leza ya elektroni isiyolipishwa ya X-ray, ambayo hutumia mtawanyiko wa Compton uliochangamshwa badala ya mionzi ya kawaida.
Maombi
Matumizi madhubuti ya X-ray yanajumuisha upigaji picha wa mgawanyiko thabiti, plasma mnene (ya kutoweka kwa miale inayoonekana), hadubini ya X-ray, picha ya kimatibabu iliyosuluhishwa kwa awamu, uchunguzi wa uso wa nyenzo na uwekaji silaha.
Toleo jepesi zaidi la leza linaweza kutumika kwa mwendo wa leza ablative.
leza ya X-ray: jinsi inavyofanya kazi
Je, leza hufanya kazi vipi? Kutokana na ukweli kwamba photonhupiga atomi kwa nishati fulani, unaweza kufanya atomi kutoa fotoni kwa nishati hiyo katika mchakato unaoitwa stimulated emission. Kwa kurudia mchakato huu kwa kiwango kikubwa, utapata mmenyuko wa mnyororo unaosababisha laser. Hata hivyo, baadhi ya vifundo vya quantum husababisha mchakato huu kukoma, kwani fotoni wakati mwingine hufyonzwa bila kutolewa kabisa. Lakini ili kuhakikisha uwezekano wa juu zaidi, viwango vya nishati ya fotoni huongezeka na vioo huwekwa sambamba na njia ya mwanga ili kusaidia fotoni zilizotawanyika kuanza kutumika tena. Na kwa nguvu nyingi za X-rays, sheria maalum za kimaumbile hupatikana ambazo ni asili katika jambo hili mahususi.
Historia
Mapema miaka ya 1970, leza ya X-ray ilionekana kutoweza kufikiwa, kwani leza nyingi za siku hiyo zilifikia kilele cha nm 110, chini ya miale kubwa zaidi ya X-ray. Hii ni kwa sababu kiasi cha nishati kinachohitajika kuzalisha nyenzo iliyochangamshwa kilikuwa cha juu sana hivi kwamba ilibidi kutolewa kwa mpigo wa haraka, hivyo kutatiza zaidi uakisi unaohitajika ili kuunda leza yenye nguvu. Kwa hiyo, wanasayansi waliangalia plasma, kwa sababu ilionekana kama njia nzuri ya kufanya. Timu ya wanasayansi mwaka wa 1972 ilidai kuwa hatimaye walipata matumizi ya plasma katika uundaji wa leza, lakini walipojaribu kutoa matokeo yao ya awali, walishindwa kwa sababu fulani.
Katika miaka ya 1980, mchezaji mkuu kutoka duniani alijiunga na timu ya utafitiSayansi - Livermore. Wanasayansi, wakati huo huo, wamekuwa wakipiga hatua ndogo lakini muhimu kwa miaka, lakini baada ya Wakala wa Miradi ya Utafiti wa Kina (DARPA) kuacha kulipia utafiti wa X-ray, Livermore alikua kiongozi wa timu ya kisayansi. Aliongoza maendeleo ya aina kadhaa za lasers, ikiwa ni pamoja na wale kulingana na fusion. Mpango wao wa silaha za nyuklia ulikuwa wa kufurahisha, kwa sababu viashirio vya juu vya nishati ambavyo wanasayansi walipata wakati wa mpango huu vilidokeza uwezekano wa kuunda utaratibu wa ubora wa juu ambao ungefaa katika ujenzi wa leza ya elektroni isiyolipishwa ya X-ray.
Mradi ulikuwa unakaribia kukamilika hatua kwa hatua. Wanasayansi George Chaplin na Lowell Wood waligundua kwanza teknolojia ya muunganisho wa leza ya X-ray katika miaka ya 1970 na kisha kubadili chaguo la nyuklia. Kwa pamoja walitengeneza utaratibu kama huo na walikuwa tayari kwa majaribio mnamo Septemba 13, 1978, lakini kushindwa kwa vifaa kulipunguza. Lakini labda ilikuwa kwa bora. Peter Hagelstein aliunda mbinu tofauti baada ya kusoma utaratibu wa awali, na mnamo Novemba 14, 1980, majaribio mawili yalithibitisha kuwa mfano wa leza ya X-ray ilifanya kazi.
Mradi wa Star Wars
Hivi karibuni, Idara ya Ulinzi ya Marekani ilivutiwa na mradi huo. Ndiyo, kutumia nguvu za silaha ya nyuklia katika boriti iliyolengwa ni hatari sana, lakini nguvu hiyo inaweza kutumika kuharibu makombora ya balestiki ya mabara (ICBM) angani. Itakuwa rahisi zaidi kutumia utaratibu kama huo kwenye Dunia ya karibuobiti. Ulimwengu wote unajua mpango huu unaoitwa Star Wars. Hata hivyo, mradi wa kutumia leza ya X-ray kama silaha haukufaulu kamwe.
Toleo la Februari 23, 1981 la Wiki ya Usafiri wa Anga na Uhandisi wa Anga liliripoti matokeo ya majaribio ya kwanza ya mradi, ikijumuisha boriti ya leza iliyofikia nanomita 1.4 na kugonga malengo 50 tofauti.
Majaribio ya tarehe 26 Machi 1983 hayakuzaa matunda kutokana na hitilafu ya vitambuzi. Hata hivyo, majaribio yafuatayo ya tarehe 16 Desemba 1983 yalionyesha uwezo wake halisi.
Hatma zaidi ya mradi
Hagelstein alifikiria mchakato wa hatua mbili ambapo leza itaunda plasma ambayo ingetoa fotoni zenye chaji ambazo zingegongana na elektroni katika nyenzo nyingine na kusababisha X-ray kutolewa. Usanidi kadhaa ulijaribiwa, lakini mwishowe udanganyifu wa ioni ulithibitisha kuwa suluhisho bora. Plasma iliondoa elektroni hadi zile 10 tu za ndani ziliachwa, ambapo fotoni kisha zikawashtaki hadi hali ya 3p, na hivyo kutoa boriti "laini". Jaribio la Julai 13, 1984 lilithibitisha kuwa hii ilikuwa zaidi ya nadharia wakati spectrometer ilipima utoaji wa hewa kali katika nanomita 20.6 na 20.9 za selenium (ioni-kama ioni). Kisha maabara ya kwanza (si ya kijeshi) leza ya X-ray ilionekana yenye jina Novette.
Hatima ya Novette
Leza hii iliundwa na Jim Dunn na vipengele vya kimwili vilithibitishwa na Al Osterheld na Slava Shlyaptsev. Kutumia haraka(karibu na nanosecond) mapigo ya mwanga wa nishati ya juu ambayo yalichaji chembe ili kutoa mionzi ya X, Novett pia alitumia vikuza vya kioo, ambavyo huboresha ufanisi lakini pia joto haraka, kumaanisha kwamba inaweza tu kukimbia mara 6 kwa siku kati ya baridi. Lakini baadhi ya kazi imeonyesha kuwa inaweza kuwasha mpigo wa picosecond wakati mgandamizo unarudi kwenye mshipa wa nanosecond. Vinginevyo, amplifier ya kioo itaharibiwa. Ni muhimu kutambua kwamba Novette na lasers nyingine za "desktop" za X-ray huzalisha "laini" mihimili ya X-ray, ambayo ina urefu mrefu wa wavelength, ambayo huzuia boriti kupitia vifaa vingi, lakini inatoa ufahamu katika aloi na plasma, tangu. inawaangazia kwa urahisi.
Matumizi mengine na vipengele vya uendeshaji
Kwa hivyo leza hii inaweza kutumika kwa matumizi gani? Hapo awali imebainisha kuwa urefu mfupi wa wavelength unaweza kufanya iwe rahisi kuchunguza baadhi ya vifaa, lakini hii sio maombi pekee. Wakati shabaha inapopigwa na msukumo, inaharibiwa tu kuwa chembe za atomiki, na joto wakati huo huo hufikia mamilioni ya digrii katika trilioni tu ya sekunde. Na ikiwa hali ya joto hii ni ya kutosha, laser itasababisha elektroni kujiondoa kutoka ndani. Hii ni kwa sababu kiwango cha chini kabisa cha obiti za elektroni kinamaanisha uwepo wa angalau elektroni mbili, ambazo hutolewa kutoka kwa nishati inayozalishwa na mionzi ya X.
Muda inachukua kwa atomiimepoteza elektroni zake zote, ni juu ya utaratibu wa femtoseconds chache. Msingi unaotokana haukawii kwa mabadiliko ya muda mrefu na ya haraka hadi katika hali ya plasma inayojulikana kama "jambo lenye joto", ambalo hupatikana zaidi katika vinu vya nyuklia na msingi wa sayari kubwa. Kwa kufanya majaribio ya leza, tunaweza kupata wazo la michakato yote miwili, ambayo ni aina tofauti za muunganisho wa nyuklia.
Matumizi ya leza ya X-ray ni ya ulimwengu wote. Kipengele kingine muhimu cha X-rays hizi ni matumizi yao na synchrotrons au chembe zinazoongeza kasi kwenye njia nzima ya kasi. Kulingana na kiasi gani cha nishati inachukua kutengeneza njia hii, chembe zinaweza kutoa mionzi. Kwa mfano, elektroni, wakati wa msisimko, hutoa X-rays, ambayo ina urefu wa urefu wa ukubwa wa atomi. Kisha tunaweza kusoma sifa za atomi hizi kupitia mwingiliano na X-rays. Kwa kuongeza, tunaweza kubadilisha nishati ya elektroni na kupata urefu tofauti wa mawimbi ya X-ray, na kupata kina cha uchambuzi.
Hata hivyo, ni vigumu sana kuunda leza ya X-ray kwa mikono yako mwenyewe. Muundo wake ni changamano mno hata kwa mtazamo wa wanafizikia wazoefu.
Katika biolojia
Hata wanabiolojia wameweza kufaidika na leza za x-ray (nuclear pumped). Mionzi yao inaweza kusaidia kufichua vipengele vya usanisinuru ambavyo hapo awali havikujulikana na sayansi. Wanachukua mabadiliko ya hila katika majani ya mmea. Urefu wa urefu wa mihimili laini ya laser ya X-ray hukuruhusu kuchunguza bila kuharibu kila kituhufanyika ndani ya mmea. Injector ya nanocrystal huchochea photocell I, ufunguo wa protini kwa usanisinuru unaohitajika ili kuiwasha. Hii hunaswa na miale ya leza ya eksirei, ambayo husababisha fuwele kulipuka kihalisi.
Majaribio yaliyo hapo juu yakiendelea kufanikiwa, watu wataweza kutendua mafumbo ya asili, na usanisinuru bandia unaweza kuwa ukweli. Pia itaibua swali la uwezekano wa matumizi bora zaidi ya nishati ya jua, na hivyo kuchochea kuibuka kwa miradi ya kisayansi kwa miaka mingi ijayo.
Sumaku
Vipi kuhusu sumaku ya kielektroniki? Wanasayansi waligundua kwamba wakati walikuwa na atomi za xenon na molekuli zisizo na iodini zilizopigwa na X-ray ya nguvu ya juu, atomi zilitupa elektroni zao za ndani, na kusababisha utupu kati ya kiini na elektroni za nje. Nguvu za kuvutia huweka elektroni hizi katika mwendo. Kwa kawaida hii haipaswi kutokea, lakini kutokana na ghafla ya kushuka kwa elektroni, hali ya "kushtakiwa" kupita kiasi hutokea kwenye ngazi ya atomiki. Wanasayansi wanafikiri leza inaweza kutumika katika kuchakata picha.
Giant X-ray laser Xfel
Inapangishwa katika Maabara ya Kitaifa ya Kuongeza kasi ya Marekani, haswa katika linac, leza hii ya futi 3,500 hutumia vifaa kadhaa vya ustadi kugonga shabaha kwa kutumia mionzi mikali ya X-ray. Hapa kuna baadhi ya vijenzi vya mojawapo ya leza zenye nguvu zaidi (vifupisho na anglicisms huwakilisha vijenzi vya utaratibu):
- Drive Laser - huundamapigo ya ultraviolet ambayo huondoa elektroni kutoka kwa cathode. Hutoa elektroni hadi kiwango cha nishati cha eW bilioni 12 kwa kuchezea uwanja wa umeme. Pia kuna kichapuzi chenye umbo la S ndani ya harakati hiyo kiitwacho Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - dhana sawa na Bunch 1 lakini muundo mrefu wenye umbo la S, ulioongezeka kutokana na nishati nyingi zaidi.
- Jumba la Usafiri - hukuruhusu kuhakikisha kuwa elektroni zinafaa kwa kulenga mipigo kwa kutumia sehemu za sumaku.
- Undulator Hall - Hujumuisha sumaku zinazosababisha elektroni kusonga mbele na nyuma, hivyo basi kutoa eksirei zenye nishati nyingi.
- Beam Dampo ni sumaku inayotoa elektroni lakini kuruhusu X-ray kupita bila kusonga.
- Kituo cha Majaribio chaLCLS ni chumba maalum ambamo leza imewekwa na ambayo ndiyo nafasi kuu ya majaribio yanayohusiana nayo. Mihimili inayotengenezwa na kifaa hiki huunda mipigo 120 kwa sekunde, na kila mpigo hudumu 1/10000000000 ya sekunde.
- Mitambo ya kutoa damu ya kapilari. Katika usanidi huu, kapilari yenye urefu wa sentimita kadhaa, iliyotengenezwa kwa nyenzo thabiti (kwa mfano aluminiumoxid), huweka kikomo cha mpigo wa umeme wa usahihi wa juu, wa sekunde ndogo katika gesi yenye shinikizo la chini. Nguvu ya Lorentz husababisha mgandamizo zaidi wa kutokwa kwa plasma. Kwa kuongeza, pigo la umeme au macho kabla ya ionization hutumiwa mara nyingi. Mfano ni leza ya neon-kama Ar8 + ya kapilari (ambayo hutoa mionzi kwa 47nm).
- Miti inayolengwa ya bamba gumu - baada ya kupigwa na mpigo wa macho, lengwa hutoa plasma yenye msisimko mkubwa. Tena, "prepulse" ndefu mara nyingi hutumiwa kuunda plazima, na mshipa wa pili, mfupi na wenye nguvu zaidi hutumiwa kuongeza joto la plasma. Kwa maisha mafupi, mabadiliko ya kasi yanaweza kuhitajika. Kiwango cha kielelezo cha refractive cha plasma husababisha mapigo yaliyoimarishwa kujipinda kutoka kwa uso unaolengwa, kwa kuwa katika masafa ya juu ya resonance index ya refractive hupungua kwa msongamano wa jambo. Hii inaweza kulipwa kwa kutumia shabaha nyingi katika mlipuko, kama ilivyo katika leza ya elektroni ya elektroni isiyolipishwa ya X-ray.
- Plasma iliyosisimuliwa na uga wa macho - katika msongamano wa macho juu ya kutosha kuweza kupitisha elektroni kwa ufanisi au hata kukandamiza kizuizi kinachowezekana (> 1016 W / cm2), inawezekana kuanisha gesi kwa nguvu bila kugusa kapilari au lengo. Kwa kawaida mpangilio wa collinear hutumiwa kusawazisha mipigo.
Kwa ujumla, muundo wa utaratibu huu unafanana na leza ya elektroni ya X-ray isiyolipishwa ya Ulaya.
