Quel est le principe de fonctionnement du laser à rayons X ? En raison du gain élevé dans le milieu de génération, des durées de vie courtes de l'état supérieur (1-100 ps) et des problèmes associés à la construction de miroirs pouvant réfléchir les faisceaux, ces lasers fonctionnent généralement sans miroirs. Le faisceau de rayons X est généré par un seul passage à travers le milieu amplificateur. Le rayonnement émis à partir du faisceau spontané amplifié a une cohérence spatiale relativement faible. Lisez l'article jusqu'au bout et vous comprendrez qu'il s'agit d'un laser à rayons X. Cet appareil est très pratique et unique dans sa structure.
Noyaux dans la structure du mécanisme
Étant donné que les transitions laser conventionnelles entre les états visible et électronique ou vibrationnel correspondent à des énergies allant jusqu'à 10 eV, différents milieux actifs sont nécessaires pour les lasers à rayons X. Encore une fois, divers noyaux chargés actifs peuvent être utilisés pour cela.
Armes
Entre 1978 et 1988 dans le projet ExcaliburL'armée américaine a tenté de développer un laser à rayons X explosif nucléaire pour la défense antimissile dans le cadre de l'Initiative de défense stratégique Star Wars (SDI). Le projet, cependant, s'est avéré trop coûteux, a traîné en longueur et a finalement été abandonné.
Média plasma à l'intérieur d'un laser
Les médias les plus couramment utilisés incluent le plasma hautement ionisé créé dans une décharge capillaire ou lorsqu'une impulsion optique à focalisation linéaire frappe une cible solide. Selon l'équation d'ionisation de Saha, les configurations électroniques les plus stables sont le néon, avec 10 électrons restants, et le nickel, avec 28 électrons. Les transitions électroniques dans les plasmas hautement ionisés correspondent généralement à des énergies de l'ordre de centaines d'électronvolts (eV).
Un milieu d'amplification alternatif est le faisceau d'électrons relativiste d'un laser à électrons libres de rayons X, qui utilise la diffusion Compton stimulée au lieu du rayonnement standard.
Demande
Les applications cohérentes des rayons X incluent l'imagerie par diffraction cohérente, le plasma dense (opaque au rayonnement visible), la microscopie à rayons X, l'imagerie médicale à résolution de phase, l'examen de la surface des matériaux et la militarisation.
La version plus légère du laser peut être utilisée pour le mouvement laser ablatif.
Laser à rayons X: comment ça marche
Comment fonctionnent les lasers ? Du fait que le photonfrappe un atome avec une certaine énergie, vous pouvez faire en sorte que l'atome émette un photon avec cette énergie dans un processus appelé émission stimulée. En répétant ce processus à grande échelle, vous obtiendrez une réaction en chaîne qui aboutira à un laser. Cependant, certains nœuds quantiques provoquent l'arrêt de ce processus, car un photon est parfois absorbé sans être émis du tout. Mais pour garantir un maximum de chances, les niveaux d'énergie des photons sont augmentés et des miroirs sont placés parallèlement au trajet de la lumière pour aider les photons diffusés à revenir en jeu. Et aux hautes énergies des rayons X, on trouve des lois physiques particulières inhérentes à ce phénomène particulier.
Histoire
Au début des années 1970, le laser à rayons X semblait hors de portée, car la plupart des lasers de l'époque culminaient à 110 nm, bien en dessous des rayons X les plus puissants. En effet, la quantité d'énergie nécessaire pour produire le matériau stimulé était si élevée qu'elle devait être délivrée en une impulsion rapide, ce qui compliquait encore la réflectivité nécessaire pour créer un laser puissant. Par conséquent, les scientifiques ont examiné le plasma, car il ressemblait à un bon milieu conducteur. Une équipe de scientifiques en 1972 a affirmé avoir finalement réussi à utiliser le plasma dans la création de lasers, mais lorsqu'ils ont essayé de reproduire leurs résultats précédents, ils ont échoué pour une raison quelconque.
Dans les années 1980, un acteur majeur du monde rejoint l'équipe de rechercheSciences - Livermore. Les scientifiques, quant à eux, ont fait de petits mais importants progrès pendant des années, mais après que la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) a cessé de payer pour la recherche sur les rayons X, Livermore est devenu le chef de l'équipe scientifique. Il a dirigé le développement de plusieurs types de lasers, dont ceux basés sur la fusion. Leur programme d'armes nucléaires était prometteur, car les indicateurs de haute énergie obtenus par les scientifiques au cours de ce programme laissaient entrevoir la possibilité de créer un mécanisme pulsé de haute qualité qui serait utile dans la construction d'un laser à électrons libres de rayons X.
Le projet touchait à sa fin. Les scientifiques George Chaplin et Lowell Wood ont d'abord exploré la technologie de fusion pour les lasers à rayons X dans les années 1970, puis sont passés à une option nucléaire. Ensemble, ils ont développé un tel mécanisme et étaient prêts à être testés le 13 septembre 1978, mais une panne d'équipement l'a interrompu. Mais c'était peut-être pour le mieux. Peter Hagelstein a créé une approche différente après avoir étudié le mécanisme précédent, et le 14 novembre 1980, deux expériences ont prouvé que le prototype de laser à rayons X fonctionnait.
Projet Star Wars
Très vite, le département américain de la Défense s'est intéressé au projet. Oui, utiliser la puissance d'une arme nucléaire dans un faisceau focalisé est trop dangereux, mais cette puissance pourrait être utilisée pour détruire des missiles balistiques intercontinentaux (ICBM) dans les airs. Il serait plus pratique d'utiliser un mécanisme similaire sur le proche de la Terreorbite. Le monde entier connaît ce programme appelé Star Wars. Cependant, le projet d'utiliser le laser à rayons X comme arme ne s'est jamais concrétisé.
Le numéro du 23 février 1981 d'Aviation Week and Space Engineering rapporte les résultats des premiers tests du projet, y compris un faisceau laser qui a atteint 1,4 nanomètre et atteint 50 cibles différentes.
Les tests du 26 mars 1983 n'ont donné aucun résultat en raison d'une défaillance du capteur. Cependant, les tests suivants le 16 décembre 1983 ont démontré ses véritables capacités.
Autre sort du projet
Hagelstein a imaginé un processus en deux étapes dans lequel un laser créerait un plasma qui libérerait des photons chargés qui entreraient en collision avec des électrons dans un autre matériau et provoqueraient l'émission de rayons X. Plusieurs configurations ont été essayées, mais au final la manipulation des ions s'est avérée être la meilleure solution. Le plasma a éliminé les électrons jusqu'à ce qu'il ne reste plus que 10 électrons internes, où les photons les ont ensuite chargés jusqu'à l'état 3p, libérant ainsi le faisceau "doux". Une expérience du 13 juillet 1984 a prouvé que c'était plus qu'une théorie lorsqu'un spectromètre a mesuré de fortes émissions à 20,6 et 20,9 nanomètres de sélénium (un ion de type néon). Puis le premier laser à rayons X de laboratoire (non militaire) est apparu sous le nom de Novette.
Le destin de Novette
Ce laser a été conçu par Jim Dunn et ses aspects physiques ont été vérifiés par Al Osterheld et Slava Shlyaptsev. Utilisation rapide(près de la nanoseconde) de lumière à haute énergie qui chargeait les particules pour libérer des rayons X, Novett a également utilisé des amplificateurs en verre, qui améliorent l'efficacité mais chauffent également rapidement, ce qui signifie qu'il ne peut fonctionner que 6 fois par jour entre les refroidissements. Mais certains travaux ont montré qu'il peut déclencher une impulsion picoseconde tandis que la compression revient à une impulsion nanoseconde. Sinon, l'amplificateur en verre sera détruit. Il est important de noter que Novette et d'autres lasers à rayons X "de bureau" produisent des faisceaux de rayons X "mous", qui ont une longueur d'onde plus longue, ce qui empêche le faisceau de traverser de nombreux matériaux, mais donne un aperçu des alliages et du plasma, puisque il brille facilement à travers eux.
Autres utilisations et caractéristiques de fonctionnement
Alors, à quoi peut servir ce laser ? Il a été noté précédemment qu'une longueur d'onde plus courte peut faciliter l'examen de certains matériaux, mais ce n'est pas la seule application. Lorsqu'une cible est touchée par une impulsion, elle est simplement détruite en particules atomiques et la température atteint en même temps des millions de degrés en seulement un billionième de seconde. Et si cette température est suffisante, le laser fera décoller les électrons de l'intérieur. En effet, le niveau le plus bas d'orbitales d'électrons implique la présence d'au moins deux électrons, qui sont éjectés de l'énergie générée par les rayons X.
Le temps qu'il faut à un atome poura perdu tous ses électrons, est de l'ordre de quelques femtosecondes. Le noyau résultant ne s'attarde pas longtemps et passe rapidement à un état plasma connu sous le nom de "matière dense chaude", que l'on trouve principalement dans les réacteurs nucléaires et les noyaux des grandes planètes. En expérimentant avec le laser, on peut se faire une idée des deux processus, qui sont des formes différentes de fusion nucléaire.
L'utilisation du laser à rayons X est véritablement universelle. Une autre caractéristique utile de ces rayons X est leur utilisation avec des synchrotrons ou des particules accélérant sur toute la trajectoire de l'accélérateur. En fonction de la quantité d'énergie nécessaire pour faire ce chemin, les particules peuvent émettre un rayonnement. Par exemple, les électrons, lorsqu'ils sont excités, émettent des rayons X, qui ont une longueur d'onde de la taille d'un atome. Ensuite, nous pourrions étudier les propriétés de ces atomes par interaction avec les rayons X. De plus, nous pouvons modifier l'énergie des électrons et obtenir différentes longueurs d'onde de rayons X, obtenant ainsi une plus grande profondeur d'analyse.
Cependant, il est très difficile de créer un laser à rayons X de vos propres mains. Sa structure est extrêmement complexe, même du point de vue des physiciens expérimentés.
En biologie
Même les biologistes ont pu bénéficier des lasers à rayons X (à pompage nucléaire). Leur rayonnement peut aider à révéler des aspects de la photosynthèse jusque-là inconnus de la science. Ils capturent les changements subtils dans les feuilles des plantes. Les longues longueurs d'onde des faisceaux laser à rayons X mous vous permettent d'explorer sans détruire tout ce quia lieu à l'intérieur de la plante. L'injecteur de nanocristaux déclenche la photocellule I, la protéine clé de la photosynthèse nécessaire à son activation. Celui-ci est intercepté par un faisceau laser de rayons X, qui fait littéralement exploser le cristal.
Si les expériences ci-dessus continuent de réussir, les gens pourront percer les mystères de la nature et la photosynthèse artificielle deviendra peut-être une réalité. Elle posera également la question de la possibilité d'une utilisation plus efficace de l'énergie solaire, provoquant l'émergence de projets scientifiques pour de nombreuses années à venir.
Aimants
Que diriez-vous d'un aimant électronique ? Les scientifiques ont découvert que lorsqu'ils avaient des atomes de xénon et des molécules limitées en iode frappés par un rayon X de haute puissance, les atomes rejetaient leurs électrons internes, créant un vide entre le noyau et les électrons les plus externes. Des forces attractives mettent ces électrons en mouvement. Normalement, cela ne devrait pas se produire, mais en raison de la soudaineté de la chute des électrons, une situation trop "chargée" se produit au niveau atomique. Les scientifiques pensent que le laser pourrait être utilisé dans le traitement d'images.
Laser à rayons X géant Xfel
Hébergé au US National Accelerator Laboratory, plus précisément au linac, ce laser de 3 500 pieds utilise plusieurs dispositifs ingénieux pour atteindre des cibles avec des rayons X durs. Voici quelques-uns des composants de l'un des lasers les plus puissants (les abréviations et les anglicismes désignent les composants du mécanisme):
- Drive Laser - créeune impulsion ultraviolette qui élimine les électrons de la cathode. Émet des électrons jusqu'à un niveau d'énergie de 12 milliards de eW en manipulant le champ électrique. Il y a aussi un accélérateur en forme de S à l'intérieur du mouvement appelé Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - même concept que le Bunch 1 mais structure en forme de S plus longue, augmentée en raison des énergies plus élevées.
- Transport Hall - vous permet de vous assurer que les électrons conviennent à la focalisation des impulsions à l'aide de champs magnétiques.
- Ondulator Hall - Se compose d'aimants qui font aller et venir les électrons, générant ainsi des rayons X à haute énergie.
- Beam Dump est un aimant qui élimine les électrons mais laisse passer les rayons X sans bouger.
- LCLS Experimental Station est une chambre spéciale dans laquelle le laser est fixé et qui est l'espace principal pour les expériences qui lui sont liées. Les faisceaux générés par cet appareil créent 120 impulsions par seconde, chaque impulsion durant 1/10000000000 de seconde.
- Milieu de décharge plasma capillaire. Dans cette configuration, un capillaire de plusieurs centimètres de long, constitué d'un matériau stable (par exemple de l'alumine), limite une impulsion électrique de haute précision, inférieure à la microseconde, dans un gaz à basse pression. La force de Lorentz provoque une compression supplémentaire de la décharge de plasma. De plus, une impulsion électrique ou optique de pré-ionisation est souvent utilisée. Un exemple est un laser capillaire Ar8 + de type néon (qui génère un rayonnement à 47nm).
- Milieu cible d'une dalle solide - après avoir été touché par une impulsion optique, la cible émet un plasma hautement excité. Encore une fois, une "pré-impulsion" plus longue est souvent utilisée pour créer le plasma, et une seconde impulsion plus courte et plus énergique est utilisée pour chauffer davantage le plasma. Pour les durées de vie courtes, un changement de dynamique peut être nécessaire. Le gradient d'indice de réfraction du plasma fait que l'impulsion amplifiée s'éloigne de la surface cible, car à des fréquences supérieures à la résonance, l'indice de réfraction diminue avec la densité de la matière. Cela peut être compensé en utilisant plusieurs cibles dans une rafale, comme dans le laser européen à électrons libres à rayons X.
- Plasma excité par un champ optique - à des densités optiques suffisamment élevées pour tunneliser efficacement les électrons ou même pour supprimer une barrière de potentiel (> 1016 W/cm2), il est possible d'ioniser fortement un gaz sans contact avec un capillaire ou cibler. Généralement, un réglage colinéaire est utilisé pour synchroniser les impulsions.
En général, la structure de ce mécanisme est similaire à celle du laser européen à rayons X à électrons libres.
