Txoj cai ua haujlwm ntawm X-ray laser yog dab tsi? Vim tias qhov kev nce qib siab hauv cov tiam nruab nrab, lub neej luv luv ntawm lub xeev (1-100 ps), thiab cov teeb meem cuam tshuam nrog lub tsev iav uas tuaj yeem cuam tshuam cov kab teeb, cov lasers feem ntau ua haujlwm yam tsis muaj iav. X-ray beam yog tsim los ntawm ib qho dhau los ntawm qhov nce nruab nrab. Lub emission hluav taws xob raws li amplified spontaneous beam muaj ib tug kuj tsis tshua muaj spatial coherence. Nyeem tsab xov xwm mus rau qhov kawg thiab koj yuav nkag siab tias qhov no yog X-ray laser. Cov cuab yeej no siv tau heev thiab tshwj xeeb hauv nws cov qauv.
Kernels hauv cov qauv txheej txheem
Txij li cov kev hloov pauv ntawm cov laser ib txwm nyob nruab nrab ntawm qhov pom thiab hluav taws xob lossis lub zog vibrations sib haum rau lub zog mus txog 10 eV, cov xov xwm sib txawv xav tau rau X-ray lasers. Ntxiv dua thiab, ntau yam active charged nuclei tuaj yeem siv rau qhov no.
riam phom
Nruab nrab ntawm 1978 thiab 1988 hauv Excalibur projectCov tub rog Asmeskas tau sim tsim lub foob pob hluav taws xob hluav taws xob hluav taws xob rau hluav taws xob tiv thaiv raws li ib feem ntawm Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Qhov project, txawm li cas los xij, tau dhau los ua kim dhau, rub rau, thiab thaum kawg raug tso tseg.
Plasma media hauv laser
Cov xov xwm uas siv ntau tshaj plaws suav nrog cov ntshav ionized heev uas tsim nyob rau hauv cov kab mob capillary tawm los yog thaum ib qho linearly tsom optical mem tes hits lub hom phiaj. Raws li Saha ionization kab zauv, qhov ruaj khov electron configurations yog neon, nrog 10 electrons tshuav, thiab npib tsib xee zoo li, nrog 28 electrons. Kev hloov hluav taws xob nyob rau hauv cov ntshav ionized heev feem ntau cuam tshuam rau lub zog ntawm qhov kev txiav txim ntawm pua pua ntawm electron volts (eV).
Ib qho kev nthuav dav lwm qhov nruab nrab yog cov kab hluav taws xob sib txuas ntawm lub X-ray dawb electron laser, uas siv cov Compton tawg tawg ua rau tsis muaj hluav taws xob txheem.
Daim ntawv thov
Cov ntawv thov X-ray muaj xws li kev sib txawv ntawm qhov sib txawv, cov ntshav tuab (opaque rau pom hluav taws xob), X-ray microscopy, theem daws teeb meem kev kho mob, cov khoom siv tshuaj ntsuam xyuas, thiab riam phom.
Lub teeb ntawm lub laser tuaj yeem siv rau kev txav ntawm lub laser.
X-ray laser: nws ua haujlwm li cas
lasers ua haujlwm li cas? Vim lub fact tias lub photonhits ib atom nrog ib lub zog, koj tuaj yeem ua rau lub atom emit ib photon nrog lub zog ntawd hauv cov txheej txheem hu ua stimulated emission. Los ntawm kev rov ua cov txheej txheem no ntawm qhov loj, koj yuav tau txais cov tshuaj tiv thaiv kab mob uas ua rau lub laser. Txawm li cas los xij, qee qhov quantum knots ua rau cov txheej txheem no nres, vim tias qee zaum photon yog absorbed yam tsis tau emission kiag li. Tab sis kom ntseeg tau tias muaj feem ntau, cov qib photon zog tau nce ntxiv thiab cov iav tau muab tso rau tib lub sijhawm rau txoj kev teeb pom kev zoo los pab cov photons tawg rov qab los ua si. Thiab ntawm lub zog siab ntawm X-rays, cov cai tshwj xeeb ntawm lub cev tau pom tias muaj nyob hauv qhov tshwm sim tshwj xeeb no.
History
Nyob rau xyoo 1970s thaum ntxov, X-ray laser zoo li tsis ncav cuag, vim tias feem ntau cov lasers ntawm hnub tau nce siab ntawm 110 nm, zoo hauv qab cov X-ray loj tshaj plaws. Qhov no yog vim hais tias tus nqi ntawm lub zog yuav tsum tau los tsim cov khoom txhawb zog siab heev uas nws yuav tsum tau muab xa mus rau hauv lub plawv dhia ceev, ntxiv nyuaj rau qhov xav tau los tsim lub laser muaj zog. Yog li ntawd, cov kws tshawb fawb tau saib cov ntshav plasma, vim nws zoo li qhov nruab nrab zoo. Ib pab neeg ntawm cov kws tshawb fawb hauv xyoo 1972 tau lees tias thaum kawg lawv tau ua tiav kev siv cov ntshav plasma hauv kev tsim cov lasers, tab sis thaum lawv sim rov tsim lawv cov txiaj ntsig yav dhau los, lawv ua tsis tiav vim qee yam.
Nyob rau xyoo 1980, ib tug neeg tseem ceeb hauv ntiaj teb tau koom nrog pab pawg tshawb fawbKev tshawb fawb - Livermore. Cov kws tshawb fawb, lub sijhawm no, tau ua me me tab sis tseem ceeb strides rau xyoo, tab sis tom qab lub Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) tau tso tseg tsis them nyiaj rau X-ray kev tshawb fawb, Livermore tau los ua tus thawj coj ntawm pab neeg tshawb fawb. Nws coj txoj kev loj hlob ntawm ntau hom lasers, nrog rau cov raws li fusion. Lawv txoj kev pab cuam riam phom nuclear tau cog lus tseg, vim tias qhov ntsuas lub zog siab uas cov kws tshawb fawb tau ua tiav thaum lub sijhawm qhov kev pab cuam no qhia txog qhov muaj peev xwm ntawm kev tsim cov tshuab pulsed zoo uas yuav muaj txiaj ntsig zoo hauv kev tsim kho X-ray dawb electron laser.
Qhov project tau maj mam ua kom tiav. Cov kws tshawb fawb George Chaplin thiab Lowell Wood thawj zaug tshawb nrhiav fusion thev naus laus zis rau X-ray lasers hauv xyoo 1970 thiab tom qab ntawd hloov mus rau kev xaiv nuclear. Ua ke lawv tau tsim cov txheej txheem zoo li no thiab tau npaj rau kev sim rau lub Cuaj Hlis 13, 1978, tab sis cov khoom siv tsis ua haujlwm tau txiav luv luv. Tab sis tej zaum nws yog qhov zoo tshaj plaws. Peter Hagelstein tau tsim ib txoj hauv kev sib txawv tom qab kawm txog cov txheej txheem dhau los, thiab thaum lub Kaum Ib Hlis 14, 1980, ob qhov kev sim ua pov thawj tias tus qauv X-ray laser ua haujlwm.
Star Wars Project
Tsis ntev, US Department of Defense tau txaus siab rau txoj haujlwm. Yog lawm, kev siv lub zog ntawm riam phom nuclear nyob rau hauv lub teeb tsom teeb yog qhov txaus ntshai heev, tab sis lub zog ntawd tuaj yeem siv los rhuav tshem cov foob pob hluav taws sib txuas (ICBMs) hauv huab cua. Nws yuav yooj yim tshaj plaws los siv cov txheej txheem zoo sib xws ntawm lub ntiaj teb nyob zelub voj voog. Tag nrho lub ntiaj teb paub qhov program hu ua Star Wars. Txawm li cas los xij, txoj haujlwm los siv X-ray laser ua riam phom yeej tsis tuaj yeem ua tiav.
Lub Ob Hlis 23, 1981 qhov teeb meem ntawm Aviation Week thiab Space Engineering qhia cov txiaj ntsig ntawm thawj qhov kev sim ntawm qhov project, suav nrog lub teeb laser uas ncav cuag 1.4 nanometers thiab ntaus 50 lub hom phiaj sib txawv.
Kev ntsuas hnub tim 26 Lub Peb Hlis, 1983 tsis muaj dab tsi tshwm sim vim qhov tsis ua haujlwm sensor. Txawm li cas los xij, cov kev sim hauv qab no rau lub Kaum Ob Hlis 16, 1983 tau pom tias nws muaj peev xwm tiag tiag.
Txoj hmoo ntxiv ntawm qhov project
Hagelstein tau pom txog ob kauj ruam txheej txheem uas lub laser yuav tsim cov ntshav uas yuav tso tawm cov duab hluav taws xob uas yuav sib tsoo nrog cov khoom siv hluav taws xob hauv lwm cov khoom thiab ua rau X-rays tawm. Ntau qhov kev teeb tsa tau sim, tab sis thaum kawg ion manipulation ua pov thawj tias qhov kev daws teeb meem zoo tshaj plaws. Lub plasma tshem tawm cov hluav taws xob kom txog thaum tsuas yog 10 sab hauv sab laug, qhov uas cov photons ces them lawv mus rau 3p lub xeev, yog li tso cov "mos" beam. Ib qho kev sim thaum Lub Xya Hli 13, 1984 tau ua pov thawj tias qhov no yog ntau tshaj qhov kev xav thaum lub spectrometer ntsuas muaj zog emissions ntawm 20.6 thiab 20.9 nanometers ntawm selenium (ib tug neon-zoo li ion). Tom qab ntawd thawj chav kuaj (tsis yog tub rog) X-ray laser tshwm sim nrog lub npe Novette.
Txoj hmoo ntawm Novette
Lub laser no tau tsim los ntawm Jim Dunn thiab muaj lub cev qhov tseeb los ntawm Al Osterheld thiab Slava Shlyaptsev. Siv ceev ceev(ze nanosecond) mem tes ntawm lub teeb hluav taws xob siab uas tau them cov khoom kom tso X-rays, Novett kuj tau siv iav amplifiers, uas txhim kho kev ua haujlwm zoo tab sis kuj ua kom sov sai, txhais tau tias nws tsuas yog khiav tau 6 zaug hauv ib hnub ntawm qhov txias. Tab sis qee qhov haujlwm tau pom tias nws tuaj yeem tua picosecond mem tes thaum lub compression rov qab mus rau nanosecond mem tes. Txwv tsis pub, lub iav amplifier yuav raug puas tsuaj. Nws yog ib qho tseem ceeb uas yuav tsum nco ntsoov tias Novette thiab lwm yam "desktop" X-ray lasers tsim "mos" X-ray beams, uas muaj lub wavelength ntev, uas tiv thaiv cov nqaj los ntawm ntau cov ntaub ntawv, tab sis muab kev pom rau cov hlau thiab cov ntshav, txij li thaum Nws yooj yim ci hla lawv.
Lwm yam kev siv thiab nta ntawm kev ua haujlwm
Yog li no laser siv tau li cas? Yav dhau los nws tau raug sau tseg tias qhov luv luv wavelength tuaj yeem ua kom yooj yim rau kev tshuaj xyuas qee cov ntaub ntawv, tab sis qhov no tsis yog tib daim ntawv thov. Thaum lub hom phiaj raug ntaus los ntawm lub zog, nws tsuas yog rhuav tshem mus rau hauv atomic hais, thiab qhov kub ntawm tib lub sijhawm nce mus txog ntau lab degrees hauv ib trillionth ntawm ib thib ob. Thiab yog tias qhov kub no txaus, lub laser yuav ua rau cov hluav taws xob tev tawm ntawm sab hauv. Qhov no yog vim qhov qis tshaj plaws ntawm electron orbitals txhais tau hais tias muaj tsawg kawg yog ob lub electrons, uas tau tawm los ntawm lub zog tsim los ntawm X-rays.
Lub sijhawm nws siv rau atom rautau poob tag nrho nws cov electrons, yog nyob rau ntawm qhov kev txiav txim ntawm ob peb femtoseconds. Cov tub ntxhais uas tau tshwm sim tsis nyob ntev thiab hloov pauv sai sai rau hauv lub xeev plasma hu ua "sov ntom ntom", uas feem ntau pom muaj nyob rau hauv nuclear reactors thiab cov cores ntawm cov ntiaj chaw loj. Los ntawm kev sim nrog lub laser, peb tuaj yeem tau txais ib lub tswv yim ntawm ob txoj kev, uas yog cov ntaub ntawv sib txawv ntawm cov fusion nuclear.
Kev siv X-ray laser yog qhov tseeb thoob ntiaj teb. Lwm qhov tseem ceeb ntawm cov X-rays yog lawv siv nrog synchrotrons lossis cov khoom nrawm nrawm raws tag nrho txoj hauv kev ntawm lub accelerator. Raws li nws siv zog npaum li cas los ua txoj hauv kev no, cov khoom tuaj yeem tawm hluav taws xob. Piv txwv li, electrons, thaum zoo siab, emit X-rays, uas muaj ib tug wavelength txog qhov loj ntawm lub atom. Tom qab ntawd peb tuaj yeem kawm txog cov khoom ntawm cov atoms los ntawm kev sib cuam tshuam nrog X-rays. Tsis tas li ntawd, peb tuaj yeem hloov lub zog ntawm cov hluav taws xob thiab tau txais qhov sib txawv wavelengths ntawm X-rays, ua tiav qhov tob ntawm kev tsom xam.
Txawm li cas los xij, nws nyuaj heev los tsim lub X-ray laser nrog koj tus kheej tes. Nws cov qauv yog qhov nyuaj heev txawm tias los ntawm qhov pom ntawm cov kws paub txog physicists.
Nyob hauv biology
Txawm cov kws paub txog tsiaj txhu muaj peev xwm tau txais txiaj ntsig los ntawm x-ray lasers (nuclear pumped). Lawv cov hluav taws xob tuaj yeem pab nthuav tawm cov duab photosynthesis yav dhau los tsis paub txog kev tshawb fawb. Lawv ntes hloov maj mam hloov ntawm nplooj nplooj. Ntev wavelengths ntawm mos X-ray laser beams tso cai rau koj mus tshawb nrhiav yam tsis tau rhuav tshem txhua yam uastshwm sim hauv cov nroj tsuag. Lub nanocrystal injector ua rau photocell I, cov protein tseem ceeb rau photosynthesis xav tau los qhib nws. Qhov no cuam tshuam los ntawm lub teeb ci laser ntawm X-rays, uas ua rau cov siv lead ua kom tawg.
Yog tias qhov kev sim siab saum toj no txuas ntxiv ua tiav, tib neeg yuav tuaj yeem tshem tawm qhov tsis paub tseeb ntawm qhov xwm txheej, thiab cov txheej txheem photosynthesis yuav dhau los ua qhov tseeb. Nws tseem yuav tsa cov lus nug txog qhov ua tau zoo ntawm kev siv lub hnub ci zog, ua rau muaj kev tshwm sim ntawm kev tshawb fawb ntau xyoo tom ntej.
Magnets
Yuav ua li cas txog cov hlau nplaum hluav taws xob? Cov kws tshawb fawb pom tias thaum lawv muaj xenon atoms thiab iodine-limited molecules ntaus los ntawm high-power X-ray, cov atoms pov tawm lawv cov electrons sab hauv, tsim ib tug void ntawm lub nucleus thiab sab nraud electrons. Txaus nyiam zog tso cov electrons nyob rau hauv kev txav. Feem ntau qhov no yuav tsum tsis txhob tshwm sim, tab sis vim yog qhov poob ntawm cov hluav taws xob tam sim ntawd, qhov xwm txheej dhau "them" tshwm sim ntawm qib atomic. Cov kws tshawb fawb xav tias lub laser tuaj yeem siv los ua cov duab.
Giant X-ray laser Xfel
Hosted ntawm US National Accelerator Laboratory, tshwj xeeb tshaj yog nyob rau hauv linac, lub laser 3,500-ko taw no siv ntau yam ingenious li ntaus lub hom phiaj nrog nyuaj X-rays. Nov yog qee qhov ntawm cov khoom ntawm ib qho ntawm cov lasers muaj zog tshaj plaws (cov ntawv luv thiab anglicisms sawv cev rau cov khoom ntawm lub tshuab):
- Drive Laser - tsimib qho ultraviolet pulse uas tshem cov electrons los ntawm cathode. Emits electrons mus txog qib zog ntawm 12 billion eW los ntawm kev tswj cov hluav taws xob. Kuj tseem muaj S-shaped accelerator hauv lub zog hu ua Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - tib lub tswv yim zoo li Bunch 1 tab sis ntev S-shaped qauv, nce vim muaj zog dua.
- Tsheb Thauj Mus Los - tso cai rau koj kom paub tseeb tias cov khoom siv hluav taws xob tsim nyog rau kev tsom pulses siv cov hlau nplaum.
- Undulator Hall - Muaj cov hlau nplaum uas ua rau cov electrons txav mus los, yog li tsim hluav taws xob x-rays.
- Beam Dump yog cov hlau nplaum uas tshem tawm cov hluav taws xob tab sis cia X-rays tsis txav mus.
- LCLS Chaw Tshawb Fawb yog chav tshwj xeeb uas lub laser raug kho thiab uas yog qhov chaw tseem ceeb rau kev sim cuam tshuam nrog nws. Cov kab teeb uas tsim los ntawm cov cuab yeej no tsim 120 pulses ib ob, nrog rau txhua tus mem tes ntev 1/10000000000 ntawm ib thib ob.
- Capillary plasma-pas tawm nruab nrab. Hauv qhov teeb tsa no, lub capillary ob peb centimeters ntev, ua los ntawm cov khoom ruaj khov (xws li alumina), txwv tsis pub muaj qhov siab-precision, sub-microsecond hluav taws xob pulse hauv cov pa roj tsawg. Lub Lorentz quab yuam ua rau compression ntxiv ntawm cov ntshav tawm. Tsis tas li ntawd, feem ntau siv hluav taws xob ua ntej ionization lossis optical pulse. Ib qho piv txwv yog capillary neon zoo li Ar8 + laser (uas tsim hluav taws xob ntawm 47nm)
- Lub hom phiaj nruab nrab ntawm cov khoom slab - tom qab raug ntaus los ntawm kev kho qhov muag pulse, lub hom phiaj emits lub plasma zoo siab heev. Ib zaug ntxiv, qhov ntev "prepulse" feem ntau yog siv los tsim cov ntshav, thiab ib qho thib ob, luv dua thiab muaj zog mem tes yog siv los ua kom cov ntshav plasma ntxiv. Rau lub neej luv luv, lub sijhawm hloov pauv yuav xav tau. Lub refractive index gradient ntawm lub plasma ua rau lub amplified mem tes khoov deb ntawm lub hom phiaj nto, txij li thaum lub frequencies saum toj no resonance lub refractive index txo nrog qhov ceev ntawm qhov teeb meem. Qhov no tuaj yeem tau txais txiaj ntsig los ntawm kev siv ntau lub hom phiaj hauv qhov tawg, xws li European X-ray dawb electron laser.
- Plasma zoo siab los ntawm qhov chaw kho qhov muag - ntawm qhov muag qhov muag siab txaus kom ua tau zoo hauv qhov hluav taws xob lossis txawm tias txhawm rau txhawm rau muaj qhov cuam tshuam (> 1016 W / cm2), nws muaj peev xwm ua kom muaj zog ionize roj yam tsis muaj kev sib cuag nrog lub capillary lossis phiaj. Feem ntau ib qho kev teeb tsa collinear yog siv los synchronize cov pulses.
Feem ntau, cov qauv ntawm cov txheej txheem no zoo ib yam li European X-ray dawb electron laser.
