Apa prinsip kerja laser sinar-X? Karena gain tinggi dalam media pembangkitan, masa pakai keadaan atas yang pendek (1-100 ps), dan masalah yang terkait dengan cermin bangunan yang dapat memantulkan sinar, laser ini biasanya beroperasi tanpa cermin. Berkas sinar-X dihasilkan oleh satu lintasan melalui media penguatan. Radiasi yang dipancarkan berdasarkan pancaran spontan yang diperkuat memiliki koherensi spasial yang relatif rendah. Baca artikel sampai akhir dan Anda akan mengerti bahwa ini adalah laser sinar-X. Perangkat ini sangat praktis dan unik dalam strukturnya.
Kernel dalam struktur mekanisme
Karena transisi laser konvensional antara keadaan tampak dan elektronik atau vibrasi sesuai dengan energi hingga 10 eV, media aktif yang berbeda diperlukan untuk laser sinar-X. Sekali lagi, berbagai inti bermuatan aktif dapat digunakan untuk ini.
Senjata
Antara 1978 dan 1988 dalam proyek ExcaliburMiliter AS berusaha mengembangkan laser sinar-X peledak nuklir untuk pertahanan rudal sebagai bagian dari Inisiatif Pertahanan Strategis Star Wars (SDI). Namun, proyek tersebut ternyata terlalu mahal, berlarut-larut, dan akhirnya ditangguhkan.
Media plasma di dalam laser
Media yang paling umum digunakan termasuk plasma terionisasi tinggi yang dibuat dalam pelepasan kapiler atau ketika pulsa optik terfokus linier mengenai target padat. Menurut persamaan ionisasi Saha, konfigurasi elektron yang paling stabil adalah neon, dengan 10 elektron tersisa, dan seperti nikel, dengan 28 elektron. Transisi elektron dalam plasma yang sangat terionisasi biasanya sesuai dengan energi pada orde ratusan elektron volt (eV).
Media penguat alternatif adalah berkas elektron relativistik dari laser elektron bebas sinar-X, yang menggunakan hamburan Compton terstimulasi alih-alih radiasi standar.
Aplikasi
Aplikasi sinar-X yang koheren mencakup pencitraan difraksi koheren, plasma padat (buram terhadap radiasi yang terlihat), mikroskop sinar-X, pencitraan medis fase-resolve, pemeriksaan permukaan material, dan persenjataan.
Laser versi yang lebih ringan dapat digunakan untuk gerakan laser ablatif.
Laser sinar-X: cara kerjanya
Bagaimana cara kerja laser? Karena fakta bahwa fotonmenabrak atom dengan energi tertentu, Anda dapat membuat atom memancarkan foton dengan energi itu dalam proses yang disebut emisi terstimulasi. Dengan mengulangi proses ini dalam skala besar, Anda akan mendapatkan reaksi berantai yang menghasilkan laser. Namun, beberapa simpul kuantum menyebabkan proses ini berhenti, karena foton terkadang diserap tanpa dipancarkan sama sekali. Tetapi untuk memastikan peluang maksimum, tingkat energi foton ditingkatkan dan cermin ditempatkan sejajar dengan jalur cahaya untuk membantu foton yang tersebar kembali bermain. Dan pada sinar-X energi tinggi, ditemukan hukum fisika khusus yang melekat pada fenomena khusus ini.
Sejarah
Pada awal 1970-an, laser sinar-X tampaknya tidak terjangkau, karena sebagian besar laser saat itu mencapai puncaknya pada 110 nm, jauh di bawah sinar-X terbesar. Ini karena jumlah energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan bahan yang distimulasi sangat tinggi sehingga harus dikirim dalam denyut nadi yang cepat, semakin memperumit reflektifitas yang diperlukan untuk membuat laser yang kuat. Oleh karena itu, para ilmuwan melihat plasma, karena tampak seperti media penghantar yang baik. Sebuah tim ilmuwan pada tahun 1972 mengklaim bahwa mereka akhirnya mencapai penggunaan plasma dalam pembuatan laser, tetapi ketika mereka mencoba untuk mereproduksi hasil sebelumnya, mereka gagal karena suatu alasan.
Pada 1980-an, pemain utama dunia bergabung dengan tim penelitiSains - Livermore. Sementara itu, para ilmuwan telah membuat langkah kecil namun penting selama bertahun-tahun, tetapi setelah Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan (DARPA) berhenti membayar untuk penelitian sinar-X, Livermore menjadi pemimpin tim ilmiah. Dia memimpin pengembangan beberapa jenis laser, termasuk yang berbasis fusi. Program senjata nuklir mereka menjanjikan, karena indikator energi tinggi yang dicapai para ilmuwan selama program ini mengisyaratkan kemungkinan menciptakan mekanisme berdenyut berkualitas tinggi yang akan berguna dalam konstruksi laser elektron bebas sinar-X.
Proyek ini secara bertahap mendekati penyelesaian. Ilmuwan George Chaplin dan Lowell Wood pertama kali mengeksplorasi teknologi fusi untuk laser sinar-X pada 1970-an dan kemudian beralih ke opsi nuklir. Bersama-sama mereka mengembangkan mekanisme seperti itu dan siap untuk pengujian pada 13 September 1978, tetapi kegagalan peralatan memotongnya. Tapi mungkin itu yang terbaik. Peter Hagelstein menciptakan pendekatan yang berbeda setelah mempelajari mekanisme sebelumnya, dan pada 14 November 1980, dua percobaan membuktikan bahwa prototipe laser sinar-X bekerja.
Proyek Star Wars
Segera, Departemen Pertahanan AS menjadi tertarik dengan proyek tersebut. Ya, menggunakan kekuatan senjata nuklir dalam sinar terfokus terlalu berbahaya, tetapi kekuatan itu dapat digunakan untuk menghancurkan rudal balistik antarbenua (ICBM) di udara. Akan lebih mudah untuk menggunakan mekanisme serupa di dekat Bumiorbit. Seluruh dunia tahu program yang disebut Star Wars ini. Namun, proyek untuk menggunakan laser sinar-X sebagai senjata tidak pernah membuahkan hasil.
Aviasi Week and Space Engineering edisi 23 Februari 1981 melaporkan hasil tes pertama proyek tersebut, termasuk sinar laser yang mencapai 1,4 nanometer dan mengenai 50 target berbeda.
Tes tanggal 26 Maret 1983 tidak menghasilkan apa-apa karena kegagalan sensor. Namun, tes berikut pada 16 Desember 1983 menunjukkan kemampuannya yang sebenarnya.
Nasib proyek lebih lanjut
Hagelstein membayangkan proses dua langkah di mana laser akan membuat plasma yang akan melepaskan foton bermuatan yang akan bertabrakan dengan elektron dalam bahan lain dan menyebabkan sinar-X dipancarkan. Beberapa pengaturan dicoba, tetapi pada akhirnya manipulasi ion terbukti menjadi solusi terbaik. Plasma melepaskan elektron sampai hanya 10 elektron dalam yang tersisa, di mana foton kemudian mengisinya ke keadaan 3p, sehingga melepaskan sinar "lunak". Eksperimen pada 13 Juli 1984 membuktikan bahwa ini lebih dari sekadar teori ketika spektrometer mengukur emisi kuat pada 20,6 dan 20,9 nanometer selenium (ion seperti neon). Kemudian laser sinar-X laboratorium (bukan militer) pertama muncul dengan nama Novette.
Nasib Novette
Laser ini dirancang oleh Jim Dunn dan memiliki aspek fisik yang diverifikasi oleh Al Osterheld dan Slava Shlyaptsev. Menggunakan cepat(mendekati nanodetik) pulsa cahaya berenergi tinggi yang mengisi partikel untuk melepaskan sinar-X, Novett juga menggunakan amplifier kaca, yang meningkatkan efisiensi tetapi juga cepat panas, yang berarti hanya dapat berjalan 6 kali sehari di antara waktu pendinginan. Tetapi beberapa pekerjaan telah menunjukkan bahwa ia dapat menembakkan pulsa picosecond sementara kompresi kembali ke pulsa nanosecond. Jika tidak, penguat kaca akan hancur. Penting untuk dicatat bahwa Novette dan laser sinar-X "desktop" lainnya menghasilkan berkas sinar-X "lunak", yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, yang mencegah sinar melewati banyak bahan, tetapi memberikan wawasan tentang paduan dan plasma, karena itu dengan mudah bersinar melalui mereka.
Kegunaan dan fitur operasi lainnya
Jadi laser ini bisa digunakan untuk apa? Sebelumnya telah dicatat bahwa panjang gelombang yang lebih pendek dapat mempermudah untuk memeriksa beberapa bahan, tetapi ini bukan satu-satunya aplikasi. Ketika target terkena impuls, itu hanya dihancurkan menjadi partikel atom, dan suhu pada saat yang sama mencapai jutaan derajat hanya dalam sepertriliun detik. Dan jika suhu ini cukup, laser akan menyebabkan elektron terkelupas dari dalam. Ini karena tingkat orbital elektron terendah menyiratkan adanya setidaknya dua elektron, yang dikeluarkan dari energi yang dihasilkan oleh sinar-X.
Waktu yang dibutuhkan atom untuktelah kehilangan semua elektronnya, berada di urutan beberapa femtosekon. Inti yang dihasilkan tidak bertahan lama dan transisi cepat ke keadaan plasma yang dikenal sebagai "materi padat hangat", yang sebagian besar ditemukan di reaktor nuklir dan inti planet besar. Dengan bereksperimen dengan laser, kita bisa mendapatkan gambaran tentang kedua proses tersebut, yang merupakan bentuk fusi nuklir yang berbeda.
Penggunaan laser sinar-X benar-benar universal. Fitur lain yang berguna dari sinar-X ini adalah penggunaannya dengan sinkrotron atau partikel yang berakselerasi di sepanjang jalur akselerator. Berdasarkan berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk membuat jalur ini, partikel dapat memancarkan radiasi. Misalnya, elektron, ketika tereksitasi, memancarkan sinar-X, yang memiliki panjang gelombang seukuran atom. Kemudian kita bisa mempelajari sifat-sifat atom ini melalui interaksi dengan sinar-X. Selain itu, kita dapat mengubah energi elektron dan memperoleh panjang gelombang sinar-X yang berbeda, sehingga menghasilkan analisis yang lebih mendalam.
Namun, sangat sulit untuk membuat laser sinar-X dengan tangan Anda sendiri. Strukturnya sangat kompleks bahkan dari sudut pandang fisikawan berpengalaman.
Dalam biologi
Bahkan ahli biologi dapat mengambil manfaat dari laser sinar-x (pompa nuklir). Radiasi mereka dapat membantu mengungkap aspek fotosintesis yang sebelumnya tidak diketahui sains. Mereka menangkap perubahan halus pada daun tanaman. Panjang gelombang panjang sinar laser sinar-X yang lembut memungkinkan Anda menjelajah tanpa merusak semua yangberlangsung di dalam tumbuhan. Injektor nanocrystal memicu fotosel I, kunci protein untuk fotosintesis yang diperlukan untuk mengaktifkannya. Ini dicegat oleh sinar laser sinar-X, yang menyebabkan kristal benar-benar meledak.
Jika eksperimen di atas terus berhasil, manusia akan dapat mengungkap misteri alam, dan fotosintesis buatan dapat menjadi kenyataan. Ini juga akan menimbulkan pertanyaan tentang kemungkinan penggunaan energi matahari yang lebih efisien, yang memicu munculnya proyek-proyek ilmiah selama bertahun-tahun yang akan datang.
Magnet
Bagaimana dengan magnet elektronik? Para ilmuwan menemukan bahwa ketika mereka memiliki atom xenon dan molekul terbatas yodium yang terkena sinar-X berdaya tinggi, atom-atom itu melepaskan elektron terdalamnya, menciptakan kekosongan antara nukleus dan elektron terluar. Gaya tarik menarik membuat elektron-elektron ini bergerak. Biasanya ini seharusnya tidak terjadi, tetapi karena tiba-tiba menjatuhkan elektron, situasi yang terlalu "bermuatan" terjadi pada tingkat atom. Para ilmuwan berpendapat bahwa laser dapat digunakan dalam pemrosesan gambar.
Laser sinar-X raksasa Xfel
Diselenggarakan di Laboratorium Akselerator Nasional AS, khususnya di linac, laser setinggi 3.500 kaki ini menggunakan beberapa perangkat canggih untuk mencapai target dengan sinar-X yang keras. Berikut adalah beberapa komponen dari salah satu laser yang paling kuat (singkatan dan anglicisme adalah singkatan dari komponen mekanisme):
- Drive Laser - buatpulsa ultraviolet yang menghilangkan elektron dari katoda. Memancarkan elektron hingga tingkat energi 12 miliar eW dengan memanipulasi medan listrik. Ada juga akselerator berbentuk S di dalam mesin yang disebut Kompresor Bunch 1.
- Bunch Compressor 2 - konsep yang sama dengan Bunch 1 tetapi struktur berbentuk S yang lebih panjang, meningkat karena energi yang lebih tinggi.
- Aula Transportasi - memungkinkan Anda memastikan bahwa elektron cocok untuk memfokuskan pulsa menggunakan medan magnet.
- Undulator Hall - Terdiri dari magnet yang menyebabkan elektron bergerak maju mundur, sehingga menghasilkan sinar-x berenergi tinggi.
- Beam Dump adalah magnet yang menghilangkan elektron tetapi membiarkan sinar-X masuk tanpa bergerak.
- Stasiun Percobaan LCLS adalah ruang khusus tempat laser dipasang dan merupakan ruang utama untuk eksperimen yang terkait dengannya. Sinar yang dihasilkan oleh perangkat ini menghasilkan 120 pulsa per detik, dengan masing-masing pulsa berlangsung 1/10000000000 detik.
- Media pelepasan plasma kapiler. Dalam pengaturan ini, kapiler sepanjang beberapa sentimeter, terbuat dari bahan yang stabil (misalnya alumina), membatasi pulsa listrik sub-mikrodetik presisi tinggi dalam gas bertekanan rendah. Gaya Lorentz menyebabkan kompresi lebih lanjut dari pelepasan plasma. Selain itu, pulsa listrik atau optik pra-ionisasi sering digunakan. Contohnya adalah laser Ar8 + seperti neon kapiler (yang menghasilkan radiasi pada 47nm).
- Media target dari lempengan padat - setelah terkena pulsa optik, target memancarkan plasma yang sangat bersemangat. Sekali lagi, "prepulse" yang lebih panjang sering digunakan untuk membuat plasma, dan pulsa kedua yang lebih pendek dan lebih energik digunakan untuk memanaskan plasma lebih lanjut. Untuk masa pakai yang pendek, pergeseran momentum mungkin diperlukan. Gradien indeks bias plasma menyebabkan pulsa yang diperkuat membelok dari permukaan target, karena pada frekuensi di atas resonansi indeks bias menurun dengan kepadatan materi. Ini dapat dikompensasikan dengan menggunakan beberapa target dalam satu ledakan, seperti pada laser elektron bebas sinar-X Eropa.
- Plasma tereksitasi oleh medan optik - pada kerapatan optik yang cukup tinggi untuk secara efektif menyalurkan elektron atau bahkan untuk menekan penghalang potensial (> 1016 W / cm2), adalah mungkin untuk mengionisasi gas secara kuat tanpa kontak dengan kapiler atau target. Biasanya pengaturan collinear digunakan untuk menyinkronkan pulsa.
Secara umum, struktur mekanisme ini mirip dengan laser elektron bebas sinar-X Eropa.
