Volný elektronový laser

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 2. května 2022; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Volný elektronový laser ( FEL ) je typ laseru ,  ve kterém je záření generováno monoenergetickým elektronovým paprskem šířícím se v undulátoru  - periodickém systému vychylovacích ( elektrických nebo magnetických ) polí. Elektrony, které periodicky kmitají, emitují fotony , jejichž energie závisí na energii elektronů a parametrech undulátoru.

Popis

Na rozdíl od plynových , kapalinových nebo pevnolátkových laserů, kde jsou elektrony excitovány ve vázaných atomových nebo molekulárních stavech, je zdrojem záření FEL paprsek elektronů ve vakuu procházející řadou magnetů umístěných speciálním způsobem - undulátorem ( wiggler), elektrony paprsku se pohybují po trajektorii blízké sinusoidě a ztrácejí energii přeměněnou na proud fotonů , zatímco dochází k rentgenovému záření , které se používá například ke studiu uspořádání atomů v krystalech a studiu dalších nanostruktur.

Změnou energie elektronového paprsku, ale i síly magnetického pole a vzdálenosti mezi magnety zvlnění je možné měnit frekvenci laserového záření v širokém rozsahu, od FEL, který je hlavní rozdíl mezi FEL a lasery jiných podobných systémů. Záření produkované FEL se používá ke studiu nanometrových struktur  - částice o velikosti až 100 nanometrů byly zobrazeny pomocí rentgenové mikroskopie s rozlišením asi 5 nm [1] .

Návrh prvního laseru s volnými elektrony publikoval v roce 1971 John Maidy jako součást svého doktorského projektu na Stanfordské univerzitě . V roce 1976 Maidy a kolegové předvedli první experimenty s FEL pomocí 24 MeV elektronů a 5metrového wiggleru k zesílení záření [2] . Výkon laseru byl 300 mW a účinnost přeměny energie elektronového paprsku na záření byla pouze 0,01 %, ale ukázala se provozuschopnost takových zařízení, což vedlo ke zvýšení zájmu a zvýšení počtu studií v oboru FEL.

Získání rentgenového laserového záření

K vytvoření laserového rentgenového záření je potřeba elektronový paprsek, urychlený v urychlovači na rychlost blízkou rychlosti světla . Výsledný paprsek je poslán do wiggleru .

Wiggler je magnet , který vytváří silné příčné (obvykle vertikální) magnetické pole, které se mění v prostoru. Lze si to představit jako posloupnost krátkých dipólových magnetů, orientace pólů sousedních je opačná.

Wiggler je instalován v lineární mezeře elektronového synchrotronu a ultrarelativistický paprsek, vychýlený magnetickým polem wiggleru, se v něm šíří po trajektorii vinutí v blízkosti sinusoidy a emituje fotony, jejichž směr šíření je soustředěn v úzkém kuželu. podél osy paprsku. Typický rozsah vlnových délek synchrotronového záření generovaného wigglerem je od tvrdého ultrafialového záření po měkké rentgenové záření . Existují také wigglery s generovanými energiemi fotonů až do několika MeV .

Wiggler umístěný ve Fabryho-Perotově rezonátoru (například ve formě dvou paralelních zrcadel) je nejjednodušší laserové zařízení s volnými elektrony. Vigglerové magnety mohou být obyčejné elektromagnety, supravodivé nebo trvalé. Typické magnetické pole wigglera je až 10 Tesla . Výkon výsledného synchrotronového záření je až stovky kW  a závisí na proudu paprsku, na intenzitě pole a také na počtu pólů wigglerových magnetů, který se pohybuje od tří do několika desítek.

Rentgenový laser vyžaduje použití urychlovačů elektronů se stíněním proti biologickému záření, protože urychlené elektrony představují významné radiační nebezpečí. Tyto urychlovače mohou být cyklické urychlovače (jako je cyklotron ) nebo lineární urychlovače . Existuje projekt využití supervýkonného laserového záření k urychlení elektronů . Samotný elektronový paprsek se šíří ve vakuu , jehož udržování vyžaduje použití četných čerpadel.

Aplikace

Používá se pro krystalografii a studium struktury atomů a molekul ( laserová rentgenová mikroskopie ).

Rentgenové lasery, včetně FEL, jsou schopny produkovat „měkké“ rentgenové záření na lékařských vlnových délkách. Neproniká ani přes list papíru, ale je vhodný pro sondování ionizovaných plynů s vysokou hustotou ionizovaných částic (čím kratší vlnová délka, tím hlouběji paprsek proniká hustým plazmatem), stejně jako pro studium nových i stávajících materiálů.

Perspektivy

Rentgenová mikroskopie se stále zlepšuje, blíží se rozlišení 1 angstrom (0,1 nm) a otevírá možnosti pro zobrazování atomů a molekulárních struktur. Uplatnění najde i v lékařských účelům a mikroelektronice.

Neustálé zmenšování rozměrů instalací, snižování jejich nákladů, výroba stolních rentgenových laserů se stanou v laboratořích známým nástrojem pro studium fyziky plazmatu, takže jejich výhodou je nízká spotřeba energie, vysoká opakovací frekvence pulzů a krátká vlnová délka. Jejich flexibilita je činí užitečnými v mnoha oblastech, včetně oblasti lékařské diagnostiky, nedestruktivních výzkumných metod atd. [3]

V roce 2009 byla poblíž Hamburku (Německo) zahájena výstavba evropského rentgenového laseru s volnými elektrony a očekává se, že bude největším rentgenovým laserem na světě. Na tomto projektu se podílí Německo, Francie a Rusko. Náklady na projekt přesahují 1 miliardu eur [4] . Tento laser byl uveden do provozu 1. září 2017 [5] .

Americké námořnictvo zkoumá možnosti využití volného elektronového laseru jako zbraně protivzdušné a protiraketové obrany. Laser, vyvinutý v Jeffersonově laboratoři , má výstupní výkon až 14 kW [6] .

Probíhá výzkum megawattového vzdušného laseru [7] .

9. května 2009 Bureau of Naval Research oznámilo, že udělilo Raytheonu kontrakt na vývoj experimentálního 100 kW laseru s volnými elektrony [8] .

18. března 2010 oznámila společnost Boeing Directed Energy Systems dokončení předběžného návrhu zbraňového systému založeného na laseru s volnými elektrony, který si objednalo americké námořnictvo [9] .

Výzkum těchto laserů také probíhá v Los Alamos National Laboratory , přičemž testování prototypu v plném rozsahu je naplánováno na rok 2018 [10] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Nový limit rozlišení rentgenového mikroskopu dosažen . Získáno 15. října 2009. Archivováno z originálu 18. září 2008.
  2. ↑ Volné elektronové lasery a další pokročilé zdroje světla: Příležitosti pro vědecký výzkum (1994)
  3. ↑ Rentgenový laser: z podzemí na plochu | č. 11, 2005 | Časopis "Science and Life" . Získáno 10. srpna 2009. Archivováno z originálu dne 28. listopadu 2007.
  4. ↑ Hacking the Secrets of Matter: Současné a budoucí rentgenové lasery XFEL | Nanotechnologie Nanonewsnet . Získáno 15. října 2009. Archivováno z originálu 1. října 2009.
  5. ↑ Molekulární kino: jak bude fungovat nejvýkonnější rentgenový laser s volnými elektrony  (ruština) , rusky RT . Archivováno z originálu 5. září 2017. Staženo 6. září 2017.
  6. ↑ Bezelektronový laserový program Jefferson Lab . Thomas Jefferson National Accelerator Facility . Získáno 21. prosince 2015. Archivováno z originálu 8. prosince 2015.
  7. ↑ Roy Whitney; David Douglas; George Neil Airborne megawattový laser třídy volných elektronů pro obranu a bezpečnost (1. března 2005). Získáno 21. prosince 2015. Archivováno z originálu 22. prosince 2015.
  8. ↑ Raytheon získal smlouvu na program bezplatného elektronového laseru Office of Naval Research  (9. června 2009). Archivováno z originálu 22. prosince 2015. Staženo 21. prosince 2015.
  9. ↑ Boeing: Boeing dokončil předběžný návrh systému volných elektronových laserových zbraní (18. března 2010). Získáno 21. prosince 2015. Archivováno z originálu 22. prosince 2015.
  10. ↑ Průlomový laser by mohl způsobit revoluci ve výzbroji námořnictva , Fox News  (20. ledna 2011). Archivováno z originálu 22. prosince 2015. Staženo 21. prosince 2015.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 urychlovače částic
Podle návrhu
Po domluvě