Laser cu electroni liberi

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 2 mai 2022; verificările necesită 2 modificări .

Laserul cu electroni liberi ( FEL ) este un tip de laser  în care radiația este generată de un fascicul de electroni monoenergetic care se propagă într-un ondulator  - un sistem periodic de câmpuri de deviere ( electrice sau magnetice ). Electronii, care fac oscilații periodice, emit fotoni , a căror energie depinde de energia electronilor și de parametrii ondulatorului.

Descriere

Spre deosebire de laserele cu gaz , lichid sau solid , unde electronii sunt excitați în stări atomice sau moleculare legate, sursa de radiație FEL este un fascicul de electroni în vid care trece printr-o serie de magneți amplasați într-un mod special - un ondulator ( wiggler), fasciculul de electroni se deplasează de-a lungul unei traiectorii apropiate de sinusoid , pierzând energie convertită într-un flux de fotoni , în timp ce are loc radiația cu raze X , folosită, de exemplu, pentru a studia aranjarea atomilor în cristale și pentru a studia alte nanostructuri.

Prin modificarea energiei fasciculului de electroni, precum și a intensității câmpului magnetic și a distanței dintre magneții ondulatorului, este posibilă modificarea frecvenței radiației laser pe o gamă largă, de la FEL, care este principalul diferența dintre FEL și laserele altor sisteme similare. Radiația produsă de FEL este folosită pentru a studia structurile nanometrice  - particule de dimensiuni mici de 100 de nanometri au fost fotografiate folosind microscopia cu raze X cu o rezoluție de aproximativ 5 nm [1] .

Designul primului laser cu electroni liberi a fost publicat în 1971 de John Maidy , ca parte a proiectului său de doctorat la Universitatea Stanford . În 1976, Maidy și colegii au demonstrat primele experimente cu FEL folosind electroni de 24 MeV și un wiggler de 5 metri pentru a amplifica radiația [2] . Puterea laserului a fost de 300 mW, iar eficiența conversiei energiei fasciculului de electroni în radiație a fost de numai 0,01%, dar a fost demonstrată operabilitatea unor astfel de dispozitive, ceea ce a dus la creșterea interesului și la creșterea numărului de studii în domeniul FEL.

Obținerea radiației laser cu raze X

Pentru a crea raze X laser, este nevoie de un fascicul de electroni, accelerat cu un accelerator la o viteză apropiată de viteza luminii . Fasciculul rezultat este trimis la un wiggler .

Un wiggler este un magnet care creează un câmp magnetic transversal puternic (de obicei vertical) care se modifică în spațiu. Poate fi imaginat ca o succesiune de magneți dipol scurti, orientarea polilor celor vecini este opusă.

Wiggler-ul este instalat în decalajul liniar al sincrotronului de electroni , iar fasciculul ultrarelativist, deviat de câmpul magnetic al wiggler-ului, se propagă în el de-a lungul unei traiectorii înfășurate aproape de o sinusoidă, emițând fotoni a căror direcție de propagare este concentrată într-un con îngust. de-a lungul axei fasciculului. Gama tipică de lungimi de undă a radiației sincrotron generate de un wiggler este de la radiații ultraviolete dure la raze X moi . Există, de asemenea, wiggler cu energii fotonice generate de până la câțiva MeV .

Un wiggler plasat într -un rezonator Fabry-Perot (de exemplu, sub forma a două oglinzi paralele) este cel mai simplu dispozitiv laser cu electroni liberi. Magneții Wiggler pot fi electromagneți obișnuiți, supraconductori sau permanenți. Câmpul magnetic tipic al unui wiggler este de până la 10 Tesla . Puterea radiației sincrotron rezultate este de până la sute de kW  și depinde de curentul fasciculului, de intensitatea câmpului și, de asemenea, de numărul de poli ai magnetului wiggler, care variază de la trei la câteva zeci.

Laserul cu raze X necesită utilizarea acceleratoarelor de electroni cu ecranare biologică împotriva radiațiilor, deoarece electronii accelerați prezintă un pericol semnificativ de radiație. Acești acceleratori pot fi acceleratori ciclici (cum ar fi un ciclotron ) sau acceleratori liniari . Există un proiect de utilizare a radiațiilor laser super puternice pentru a accelera electronii . Fasciculul de electroni însuși se propagă în vid , a cărui întreținere necesită utilizarea a numeroase pompe.

Aplicație

Este folosit pentru cristalografie și studierea structurii atomilor și moleculelor ( microscopie cu raze X cu laser ).

Laserele cu raze X, inclusiv FEL, sunt capabile să producă raze X „moale” la lungimi de undă medicale. Nu pătrunde nici măcar printr-o foaie de hârtie, dar este potrivit pentru sondarea gazelor ionizate cu o densitate mare de particule ionizate (cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât fasciculul pătrunde mai adânc în plasmă densă), precum și pentru studiul noilor și existente. materiale.

Perspective

Microscopia cu raze X continuă să se îmbunătățească, apropiindu-se de o rezoluție de 1 angstrom (0,1 nm) și deschizând posibilități pentru imagistica atomilor și structurilor moleculare. De asemenea, va găsi aplicație în scopuri medicale și microelectronică.

Reducerea constantă a dimensiunii instalațiilor, reducerea costurilor acestora, producția de lasere cu raze X desktop vor deveni un instrument familiar în laboratoare pentru studiul fizicii plasmei, astfel încât avantajul lor este consumul redus de energie, rata mare de repetare a pulsului și lungime de undă scurtă. Flexibilitatea lor le face utile în multe domenii, inclusiv în domeniul diagnosticului medical, metodelor de cercetare nedistructivă etc. [3]

În 2009, în apropiere de Hamburg (Germania), a început construcția laserului european cu raze X cu electroni liberi și este de așteptat să fie cel mai mare laser cu raze X din lume. La acest proiect participă Germania, Franța și Rusia. Costul proiectului depășește 1 miliard de euro [4] . Acest laser a fost pus în funcțiune la 1 septembrie 2017 [5] .

Marina SUA explorează perspectivele utilizării unui laser cu electroni liberi ca armă de apărare anti-aeriană și antirachetă. Laserul, dezvoltat la Jefferson Lab , are o putere de ieșire de până la 14 kW [6] .

Cercetările sunt în desfășurare asupra unui laser aeropurtat de megawați [7] .

La 9 mai 2009, Biroul de Cercetare Navală a anunțat că i-a atribuit lui Raytheon un contract pentru dezvoltarea unui laser experimental cu electroni liberi de 100 kW [8] .

Pe 18 martie 2010, Boeing Directed Energy Systems a anunțat finalizarea proiectării preliminare a unui sistem de arme bazat pe un laser cu electroni liberi, comandat de Marina SUA [9] .

Cercetările asupra acestor lasere sunt, de asemenea, în curs de desfășurare la Laboratorul Național Los Alamos , cu o testare la scară largă a prototipului programată pentru 2018 [10] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Noua limită de rezoluție a microscopului cu raze X a fost atinsă . Consultat la 15 octombrie 2009. Arhivat din original la 18 septembrie 2008.
  2. ↑ Lasere cu electroni liberi și alte surse avansate de lumină: Oportunități de cercetare științifică (1994)
  3. ↑ Laser cu raze X: de la subteran la desktop | Nr. 11, 2005 | Jurnal „Știință și viață” . Preluat la 10 august 2009. Arhivat din original la 28 noiembrie 2007.
  4. ↑ Hacking the Secrets of Matter: Current and future XFEL X-ray Lasers | Nanotehnologie Nanonewsnet . Consultat la 15 octombrie 2009. Arhivat din original la 1 octombrie 2009.
  5. ↑ Cinema molecular: cum va funcționa cel mai puternic laser cu raze X cu electroni liberi  (rusă) , RT în rusă . Arhivat din original pe 5 septembrie 2017. Preluat la 6 septembrie 2017.
  6. ↑ Jefferson Lab Free-Electron Laser Program . Facilitatea Națională de Accelerație Thomas Jefferson . Preluat la 21 decembrie 2015. Arhivat din original la 8 decembrie 2015.
  7. ↑ Roy Whitney; David Douglas; George Neil Laser cu electroni liberi de clasă megawați aeropurtat pentru apărare și securitate (1 martie 2005). Preluat la 21 decembrie 2015. Arhivat din original la 22 decembrie 2015.
  8. ↑ Raytheon a primit un contract pentru programul cu laser cu electroni liber al Office of Naval Research  (9 iunie 2009). Arhivat din original pe 22 decembrie 2015. Preluat la 21 decembrie 2015.
  9. ↑ Boeing: Boeing finalizează proiectarea preliminară a sistemului de arme cu laser cu electroni liberi (18 martie 2010). Preluat la 21 decembrie 2015. Arhivat din original la 22 decembrie 2015.
  10. ↑ Breakthrough Laser Could Revolutionize Navy's Weaponry , Fox News  (20 ianuarie 2011). Arhivat din original pe 22 decembrie 2015. Preluat la 21 decembrie 2015.

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 acceleratori de particule
De proiectare
Prin programare