¿Cuál es el principio de funcionamiento del láser de rayos X? Debido a la alta ganancia en el medio de generación, la corta vida útil del estado superior (1-100 ps) y los problemas asociados con la construcción de espejos que puedan reflejar los haces, estos láseres normalmente funcionan sin espejos. El haz de rayos X se genera mediante un solo paso a través del medio de ganancia. La radiación emitida basada en el haz espontáneo amplificado tiene una coherencia espacial relativamente baja. Lea el artículo hasta el final y comprenderá que se trata de un láser de rayos X. Este dispositivo es muy práctico y único en su estructura.
Núcleos en la estructura del mecanismo
Dado que las transiciones del láser convencional entre los estados visible y electrónico o vibracional corresponden a energías de hasta 10 eV, se necesitan diferentes medios activos para los láseres de rayos X. Nuevamente, se pueden usar varios núcleos cargados activos para esto.
Armas
Entre 1978 y 1988 en el proyecto ExcaliburEl ejército de EE. UU. intentó desarrollar un láser de rayos X explosivo nuclear para la defensa antimisiles como parte de la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) de Star Wars. Sin embargo, el proyecto resultó ser demasiado costoso, se prolongó y finalmente se archivó.
Medios de plasma dentro de un láser
Los medios más utilizados incluyen plasma altamente ionizado creado en una descarga capilar o cuando un pulso óptico enfocado linealmente golpea un objetivo sólido. Según la ecuación de ionización de Saha, las configuraciones electrónicas más estables son las de neón, con 10 electrones restantes, y las de níquel, con 28 electrones. Las transiciones de electrones en plasmas altamente ionizados normalmente corresponden a energías del orden de cientos de electronvoltios (eV).
Un medio de amplificación alternativo es el haz de electrones relativistas de un láser de electrones libres de rayos X, que utiliza dispersión Compton estimulada en lugar de radiación estándar.
Solicitud
Las aplicaciones de rayos X coherentes incluyen imágenes de difracción coherente, plasma denso (radiación opaca a visible), microscopía de rayos X, imágenes médicas resueltas en fase, examen de la superficie del material y armamento.
La versión más ligera del láser se puede utilizar para el movimiento láser ablativo.
Láser de rayos X: cómo funciona
¿Cómo funcionan los láseres? Debido al hecho de que el fotóngolpea un átomo con cierta energía, puede hacer que el átomo emita un fotón con esa energía en un proceso llamado emisión estimulada. Al repetir este proceso a gran escala, obtendrá una reacción en cadena que dará como resultado un láser. Sin embargo, algunos nudos cuánticos hacen que este proceso se detenga, ya que a veces se absorbe un fotón sin emitirse en absoluto. Pero para garantizar las máximas posibilidades, se aumentan los niveles de energía de los fotones y se colocan espejos paralelos a la trayectoria de la luz para ayudar a que los fotones dispersos vuelvan a entrar en juego. Y a altas energías de los rayos X, se encuentran leyes físicas especiales que son inherentes a este fenómeno en particular.
Historia
A principios de la década de 1970, el láser de rayos X parecía estar fuera de nuestro alcance, ya que la mayoría de los láseres de la época alcanzaban un máximo de 110 nm, muy por debajo de los rayos X más grandes. Esto se debió a que la cantidad de energía requerida para producir el material estimulado era tan alta que tenía que administrarse en un pulso rápido, lo que complicaba aún más la reflectividad necesaria para crear un láser potente. Por lo tanto, los científicos observaron el plasma porque parecía un buen medio conductor. En 1972, un equipo de científicos afirmó que finalmente habían logrado el uso de plasma en la creación de láseres, pero cuando intentaron reproducir sus resultados anteriores, fallaron por alguna razón.
En la década de 1980, un jugador importante del mundo se unió al equipo de investigaciónCiencia - Livermore. Mientras tanto, los científicos han logrado avances pequeños pero importantes durante años, pero después de que la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) dejó de pagar por la investigación de rayos X, Livermore se convirtió en el líder del equipo científico. Lideró el desarrollo de varios tipos de láseres, incluidos los basados en la fusión. Su programa de armas nucleares era prometedor, porque los indicadores de alta energía que los científicos lograron durante este programa insinuaban la posibilidad de crear un mecanismo pulsado de alta calidad que sería útil en la construcción de un láser de electrones libres de rayos X.
El proyecto se acercaba gradualmente a su finalización. Los científicos George Chaplin y Lowell Wood exploraron por primera vez la tecnología de fusión para láseres de rayos X en la década de 1970 y luego cambiaron a una opción nuclear. Juntos desarrollaron un mecanismo de este tipo y estuvieron listos para la prueba el 13 de septiembre de 1978, pero la falla del equipo lo interrumpió. Pero tal vez fue lo mejor. Peter Hagelstein creó un enfoque diferente después de estudiar el mecanismo anterior, y el 14 de noviembre de 1980, dos experimentos demostraron que el láser de rayos X prototipo funcionaba.
Proyecto Star Wars
Muy pronto, el Departamento de Defensa de EE. UU. se interesó en el proyecto. Sí, usar el poder de un arma nuclear en un haz enfocado es demasiado peligroso, pero ese poder podría usarse para destruir misiles balísticos intercontinentales (ICBM) en el aire. Sería más conveniente utilizar un mecanismo similar en el cercano a la Tierraorbita. Todo el mundo conoce este programa llamado Star Wars. Sin embargo, el proyecto de utilizar el láser de rayos X como arma nunca se concretó.
La edición del 23 de febrero de 1981 de Aviation Week and Space Engineering informa los resultados de las primeras pruebas del proyecto, incluido un rayo láser que alcanzó los 1,4 nanómetros y alcanzó 50 objetivos diferentes.
Las pruebas del 26 de marzo de 1983 no arrojaron nada debido a una falla del sensor. Sin embargo, las siguientes pruebas del 16 de diciembre de 1983 demostraron sus verdaderas capacidades.
Más destino del proyecto
Hagelstein imaginó un proceso de dos pasos en el que un láser crearía un plasma que liberaría fotones cargados que colisionarían con electrones en otro material y provocarían la emisión de rayos X. Se probaron varias configuraciones, pero al final la manipulación de iones demostró ser la mejor solución. El plasma eliminó los electrones hasta que solo quedaron 10 internos, donde los fotones los cargaron hasta el estado 3p, liberando así el haz "suave". Un experimento realizado el 13 de julio de 1984 demostró que esto era más que una teoría cuando un espectrómetro midió fuertes emisiones a 20,6 y 20,9 nanómetros de selenio (un ion similar al neón). Entonces apareció el primer láser de rayos X de laboratorio (no militar) con el nombre de Novette.
El destino de Novette
Este láser fue diseñado por Jim Dunn y sus aspectos físicos fueron verificados por Al Osterheld y Slava Shlyaptsev. usando rapido(casi nanosegundo) de luz de alta energía que cargaba las partículas para liberar rayos X, Novett también usó amplificadores de vidrio, que mejoran la eficiencia pero también se calientan rápidamente, lo que significa que solo puede funcionar 6 veces al día entre enfriamientos. Pero algunos trabajos han demostrado que puede disparar un pulso de picosegundos mientras que la compresión vuelve a un pulso de nanosegundos. De lo contrario, el amplificador de vidrio se destruirá. Es importante tener en cuenta que Novette y otros láseres de rayos X "de escritorio" producen haces de rayos X "suaves", que tienen una longitud de onda más larga, lo que evita que el haz atraviese muchos materiales, pero da una idea de las aleaciones y el plasma, ya que brilla fácilmente a través de ellos.
Otros usos y características de funcionamiento
Entonces, ¿para qué se puede usar este láser? Anteriormente se ha señalado que una longitud de onda más corta puede facilitar el examen de algunos materiales, pero esta no es la única aplicación. Cuando un objetivo es golpeado por un impulso, simplemente se destruye en partículas atómicas, y la temperatura al mismo tiempo alcanza millones de grados en solo una billonésima de segundo. Y si esta temperatura es suficiente, el láser hará que los electrones se desprendan del interior. Esto se debe a que el nivel más bajo de orbitales electrónicos implica la presencia de al menos dos electrones, que son expulsados de la energía generada por los rayos X.
El tiempo que tarda un átomo enha perdido todos sus electrones, es del orden de unos pocos femtosegundos. El núcleo resultante no permanece durante largas y rápidas transiciones a un estado de plasma conocido como "materia densa y cálida", que se encuentra principalmente en reactores nucleares y en los núcleos de grandes planetas. Experimentando con el láser podemos hacernos una idea de ambos procesos, que son formas diferentes de fusión nuclear.
El uso del láser de rayos X es verdaderamente universal. Otra característica útil de estos rayos X es su uso con sincrotrones o partículas que se aceleran a lo largo de todo el camino del acelerador. Según la cantidad de energía que se necesita para hacer este camino, las partículas pueden emitir radiación. Por ejemplo, los electrones, cuando se excitan, emiten rayos X, que tienen una longitud de onda del tamaño de un átomo. Entonces podríamos estudiar las propiedades de estos átomos a través de la interacción con los rayos X. Además, podemos cambiar la energía de los electrones y obtener diferentes longitudes de onda de los rayos X, consiguiendo una mayor profundidad de análisis.
Sin embargo, es muy difícil crear un láser de rayos X con tus propias manos. Su estructura es extremadamente compleja incluso desde el punto de vista de físicos experimentados.
En biología
Incluso los biólogos han podido beneficiarse de los láseres de rayos X (bombeo nuclear). Su radiación puede ayudar a revelar aspectos de la fotosíntesis previamente desconocidos para la ciencia. Capturan cambios sutiles en las hojas de las plantas. Las largas longitudes de onda de los rayos láser de rayos X suaves le permiten explorar sin destruir todo lo quetiene lugar en el interior de la planta. El inyector de nanocristales activa la fotocélula I, la proteína clave para la fotosíntesis necesaria para activarla. Esto es interceptado por un rayo láser de rayos X, lo que hace que el cristal literalmente explote.
Si los experimentos anteriores continúan teniendo éxito, las personas podrán desentrañar los misterios de la naturaleza y la fotosíntesis artificial puede volverse una realidad. También planteará la cuestión de la posibilidad de un uso más eficiente de la energía solar, lo que provocará la aparición de proyectos científicos durante muchos años.
Imanes
¿Qué tal un imán electrónico? Los científicos descubrieron que cuando tenían átomos de xenón y moléculas limitadas en yodo golpeadas por rayos X de alta potencia, los átomos expulsaban sus electrones internos, creando un vacío entre el núcleo y los electrones más externos. Las fuerzas de atracción ponen en movimiento estos electrones. Normalmente, esto no debería suceder, pero debido a la repentina caída de los electrones, se produce una situación demasiado "cargada" a nivel atómico. Los científicos creen que el láser podría usarse en el procesamiento de imágenes.
Láser de rayos X gigante Xfel
Alojado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de EE. UU., específicamente en el acelerador lineal, este láser de 3500 pies utiliza varios dispositivos ingeniosos para alcanzar objetivos con rayos X duros. Estos son algunos de los componentes de uno de los láseres más potentes (las abreviaturas y los anglicismos representan los componentes del mecanismo):
- Drive Laser - creaun pulso ultravioleta que elimina electrones del cátodo. Emite electrones hasta un nivel de energía de 12 mil millones de eW mediante la manipulación del campo eléctrico. También hay un acelerador en forma de S dentro del movimiento llamado Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2: el mismo concepto que Bunch 1 pero con una estructura en forma de S más larga, aumentada debido a energías más altas.
- Transport Hall: le permite asegurarse de que los electrones sean adecuados para enfocar pulsos usando campos magnéticos.
- Undulator Hall: consta de imanes que hacen que los electrones se muevan de un lado a otro, generando así rayos X de alta energía.
- Beam Dump es un imán que elimina electrones pero deja pasar los rayos X sin moverse.
- LCLS Experimental Station es una cámara especial en la que se fija el láser y que es el espacio principal para los experimentos relacionados con él. Los rayos generados por este dispositivo crean 120 pulsos por segundo, cada pulso dura 1/10000000000 de segundo.
- Medio de descarga de plasma capilar. En esta configuración, un capilar de varios centímetros de largo, hecho de un material estable (p. ej., alúmina), limita un pulso eléctrico de submicrosegundos de alta precisión en un gas a baja presión. La fuerza de Lorentz provoca una mayor compresión de la descarga de plasma. Además, a menudo se utiliza un pulso eléctrico u óptico de preionización. Un ejemplo es un láser Ar8+ similar al neón capilar (que genera radiación a 47nm).
- Medio objetivo de una losa sólida: después de ser golpeado por un pulso óptico, el objetivo emite un plasma altamente excitado. Nuevamente, a menudo se usa un "prepulso" más largo para crear el plasma, y un segundo pulso, más corto y más enérgico, se usa para calentar aún más el plasma. Para tiempos de vida cortos, puede ser necesario un cambio de impulso. El gradiente del índice de refracción del plasma hace que el pulso amplificado se desvíe de la superficie del objetivo, ya que a frecuencias superiores a la resonancia, el índice de refracción disminuye con la densidad de la materia. Esto se puede compensar usando múltiples objetivos en una ráfaga, como en el láser de electrones libres de rayos X europeo.
- Plasma excitado por un campo óptico: a densidades ópticas lo suficientemente altas como para hacer un túnel de electrones de manera efectiva o incluso para suprimir una barrera potencial (> 1016 W / cm2), es posible ionizar fuertemente un gas sin contacto con un capilar o objetivo. Por lo general, se utiliza una configuración colineal para sincronizar los pulsos.
En general, la estructura de este mecanismo es similar al láser de electrones libres de rayos X europeo.
