Gratis elektronlaser

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 2. maj 2022; checks kræver 2 redigeringer .

Fri elektronlaser ( FEL ) er en type laser  , hvor stråling genereres af en monoenergetisk elektronstråle , der udbreder sig i en undulator  - et periodisk system af afbøjelige ( elektriske eller magnetiske ) felter. Elektroner, der laver periodiske svingninger, udsender fotoner , hvis energi afhænger af elektronernes energi og undulatorens parametre.

Beskrivelse

I modsætning til gas- , væske- eller faststoflasere , hvor elektroner exciteres i bundne atomare eller molekylære tilstande, er FEL-strålingskilden en elektronstråle i et vakuum, der passerer gennem en række magneter placeret på en særlig måde - en undulator ( wiggler), stråleelektroner bevæger sig langs en bane tæt på sinusoid , og mister energi omdannet til en strøm af fotoner , mens røntgenstråling forekommer , der for eksempel bruges til at studere arrangementet af atomer i krystaller og studere andre nanostrukturer.

Ved at ændre elektronstrålens energi, samt styrken af ​​magnetfeltet og afstanden mellem undulatorens magneter, er det muligt at ændre frekvensen af ​​laserstråling over et bredt område fra FEL, som er den vigtigste forskel mellem FEL og lasere fra andre lignende systemer. Strålingen produceret af FEL bruges til at studere nanometerstrukturer  - partikler så små som 100 nanometer i størrelse er blevet afbildet ved hjælp af røntgenmikroskopi med en opløsning på omkring 5 nm [1] .

Designet til den første frie elektronlaser blev offentliggjort i 1971 af John Maidy som en del af hans ph.d.-projekt ved Stanford University . I 1976 demonstrerede Maidy og kolleger de første eksperimenter med FEL ved hjælp af 24 MeV elektroner og en 5-meter wiggler til at forstærke stråling [2] . Lasereffekten var 300 mW, og effektiviteten af ​​at omdanne elektronstrålens energi til stråling var kun 0,01%, men funktionsdygtigheden af ​​sådanne enheder blev vist, hvilket førte til en stigning i interessen og en stigning i antallet af undersøgelser i inden for FEL.

Opnåelse af røntgenlaserstråling

For at skabe laserrøntgenstråler er der brug for en elektronstråle, der accelereres i en accelerator til en hastighed tæt på lysets hastighed . Den resulterende stråle sendes til en wiggler .

En wiggler er en magnet , der skaber et stærkt tværgående (normalt lodret) magnetfelt, der ændrer sig i rummet. Det kan forestilles som en sekvens af korte dipolmagneter, orienteringen af ​​polerne på naboerne er modsat.

Wiggleren er installeret i elektronsynkrotronens lineære mellemrum , og den ultrarelativistiske stråle, afbøjet af wigglerens magnetiske felt, forplanter sig i den langs en snoet bane tæt på en sinusoide og udsender fotoner, hvis udbredelsesretning er koncentreret i en smal kegle langs stråleaksen. Det typiske bølgelængdeområde for synkrotronstråling genereret af en wiggler er fra hård ultraviolet stråling til bløde røntgenstråler . Der er også wigglere med genererede fotonenergier op til adskillige MeV .

En wiggler placeret i en Fabry-Perot-resonator (for eksempel i form af to parallelle spejle) er den enkleste fri-elektron-laseranordning. Wiggler-magneter kan være almindelige elektromagneter, superledende eller permanente. Det typiske magnetfelt for en wiggler er op til 10 Tesla . Effekten af ​​den resulterende synkrotronstråling er op til hundredvis af kW  og afhænger af strålestrømmen, af feltstyrken og også af antallet af wiggler-magnetpoler, som spænder fra tre til flere tiere.

Røntgenlaseren kræver brug af elektronacceleratorer med biologisk strålingsafskærmning, fordi de accelererede elektroner udgør en betydelig strålingsfare. Disse acceleratorer kan være cykliske acceleratorer (såsom en cyklotron ) eller lineære acceleratorer . Der er et projekt om at bruge superkraftig laserstråling til at accelerere elektroner . Selve elektronstrålen forplanter sig i et vakuum , hvis vedligeholdelse kræver brug af adskillige pumper.

Ansøgning

Det bruges til krystallografi og undersøgelse af strukturen af ​​atomer og molekyler ( laser røntgenmikroskopi ).

Røntgenlasere, herunder FEL'er, er i stand til at producere "bløde" røntgenstråler ved medicinske bølgelængder. Det trænger ikke selv gennem et ark papir, men er velegnet til at sondere ioniserede gasser med en høj tæthed af ioniserede partikler (jo kortere bølgelængde, jo dybere trænger strålen ind i tæt plasma), samt til undersøgelse af nye og eksisterende materialer.

Perspektiver

Røntgenmikroskopi fortsætter med at forbedre sig og nærmer sig en opløsning på 1 ångstrøm (0,1 nm) og åbner muligheder for billeddannelse af atomer og molekylære strukturer. Det vil også finde anvendelse i medicinske formål og mikroelektronik.

Den konstante reduktion i størrelsen af ​​installationer, reduktionen i deres omkostninger, produktionen af ​​stationære røntgenlasere vil blive et velkendt værktøj i laboratorier til undersøgelse af plasmafysik, så deres fordel er lavt energiforbrug, høj pulsgentagelseshastighed og kort bølgelængde. Deres fleksibilitet gør dem nyttige på mange områder, herunder inden for medicinsk diagnostik, ikke-destruktive forskningsmetoder osv. [3]

I 2009 begyndte konstruktionen af ​​den europæiske røntgenfri elektronlaser nær Hamborg (Tyskland) og forventes at blive den største røntgenlaser i verden. Tyskland, Frankrig og Rusland deltager i dette projekt. Omkostningerne ved projektet overstiger 1 milliard euro [4] . Denne laser blev sat i drift den 1. september 2017 [5] .

Den amerikanske flåde undersøger mulighederne for at bruge en fri elektronlaser som et luft- og missilforsvarsvåben. Laseren, der er udviklet på Jefferson Lab , har en udgangseffekt så høj som 14 kW [6] .

Forskning er i gang på en megawatt luftbåren laser [7] .

Den 9. maj 2009 annoncerede Bureau of Naval Research , at det havde tildelt Raytheon en kontrakt om at udvikle en eksperimentel 100 kW fri elektronlaser [8] .

Den 18. marts 2010 annoncerede Boeing Directed Energy Systems færdiggørelsen af ​​det foreløbige design af et våbensystem baseret på en fri elektronlaser, bestilt af den amerikanske flåde [9] .

Forskning på disse lasere er også i gang på Los Alamos National Laboratory , med en fuldskala prototypetest planlagt til 2018 [10] .

Se også

Noter

  1. ↑ Ny røntgenmikroskopopløsningsgrænse nået . Hentet 15. oktober 2009. Arkiveret fra originalen 18. september 2008.
  2. ↑ Gratis elektronlasere og andre avancerede lyskilder: Scientific Research Opportunities (1994)
  3. ↑ Røntgenlaser: fra undergrunden til skrivebordet | Nr. 11, 2005 | Tidsskrift "Science and Life" . Hentet 10. august 2009. Arkiveret fra originalen 28. november 2007.
  4. ↑ Hacking the Secrets of Matter: Nuværende og fremtidige XFEL X-ray Lasers | Nanoteknologi Nanonewsnet . Hentet 15. oktober 2009. Arkiveret fra originalen 1. oktober 2009.
  5. ↑ Molekylær biograf: hvordan den mest kraftfulde røntgenfri elektronlaser vil fungere  (russisk) , RT på russisk . Arkiveret fra originalen den 5. september 2017. Hentet 6. september 2017.
  6. ↑ Jefferson Lab Free-Electron Laser Program . Thomas Jefferson National Accelerator Facility . Hentet 21. december 2015. Arkiveret fra originalen 8. december 2015.
  7. ↑ Roy Whitney; David Douglas; George Neil Airborne megawatt-klasse frielektronlaser til forsvar og sikkerhed (1. marts 2005). Hentet 21. december 2015. Arkiveret fra originalen 22. december 2015.
  8. ↑ Raytheon tildelt kontrakt for Office of Naval Research's Free Electron Laser Program  (9. juni 2009). Arkiveret fra originalen den 22. december 2015. Hentet 21. december 2015.
  9. ↑ Boeing: Boeing fuldfører det foreløbige design af gratis elektronlaservåbensystem (18. marts 2010). Hentet 21. december 2015. Arkiveret fra originalen 22. december 2015.
  10. ↑ Gennembrudslaser kunne revolutionere flådens våben , Fox News  (20. januar 2011). Arkiveret fra originalen den 22. december 2015. Hentet 21. december 2015.

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger
 partikelacceleratorer
Af design
Efter aftale