Рентгеновский лазер

Рентгеновский лазер

Рентгеновский лазер - это лазерное устройство основная энергия лазерного излучения которого генерируется в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Существующие рентгеновские лазеры приводятся в действие различными способами, основными из которых являются ядерный либо термоядерный взрыв,инверсное илучение возбужденных плазменных сред, излучение возбужденных твердотельных сред, либо синхротронное излучение пучка электронов при пролёте через область переменного магнитного поля (FEL-лазер).

Содержание

История изобретения рентгеновского лазера

Рентгеновский лазер с возбуждением активной среды с помощью энергии ядерного взрыва является на сегодняшний день одним из наиболее мощных лазерных устройств(устройство одноразового применения поскольку при взрыве оно испаряется). Но при создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и этими атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Коэффициент усиления излучения составляет:K = s (Nвоз – Nосн),где s – сечение взаимодействия квантов с атомами, Nвоз и Nосн – число атомов в возбужденном и основном состояниях. В условиях термодинамического равновесия Nвоз < Nосн, поэтому поглощение преобладает над вынужденным излучением. Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям: Nвоз > Nосн. Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что s µ l2. Значит, чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление. Поэтому первые такие усилители были созданы в радиодиапазоне (мазеры) в конце 50-х годов. В 60-е годы был построен первый оптический генератор непрерывного действия (гелий-неоновый лазер). Методы нелинейной оптики позволили к середине 70-х годов создать лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета(возбужденные неоноподобные атомы) около 1000 Aнгстрем(СССР). А к концу 70-х стало ясно, что практически осуществима схема лазера с длиной волны около 10-20 Aнгстрем , на многозарядных ионах(например ионы селена-74) с возбуждением с помощью мощного лазера оптического диапазона(неодимовый лазер). А для рентгеновского диапазона с длиной волны менее 10 Ангстрем должны быть использованы ядерные переходы а так же эффект Мёссбауэра (излучение квантов в кристаллах без «отдачи» атома, а значит, без смещения частоты излучения вследствие доплер-эффекта). Для поддержки инверсной заселенности верхних уровней мощность возбуждения должна быть намного больше той, которая рассеивается в виде спонтанного излучения в среде(тепловые потери и др). Как известно, энергия кванта пропорциональна частоте излучения и к, тому же вероятность спонтанного излучения, бесполезно уносящего энергию внешнего источника возбуждения, пропорциональна третьей степени от частоты излучения. Учитывая это, получим, что мощность, необходимая для поддержания инверсной заселенности, W µ n4 µ l–4.Так например для лазеров видимого диапазона с длиной волны около 500 нм, достаточно обеспечить мощность, вводимую в см3 среды около 100–10000 Вт/см3(лампы-вспышки,хим-е реакции), то для лазера рентгеновского диапазона с длиной волны около 0,5 нм, плотность энергии "накачки" должна быть около 1010– 1015Вт/см2(!). Такой высокий уровень энергий при "накачке" может быть обеспечен только с помощью ядерного взрыва, либо в фокальном пятне мощного импульсного лазера. В 84-м году в США была осуществлена генерация лазерного рентгеновского излучения в газовой среде с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера «NOVETTA» И «NOVA» (Ливермор,лаборатория имени Лоуренса), каждый луч которого имел плотность мощности 5 ґ 1013Вт/см2в импульсе длительностью 450 пикосекунд на волне 5320 Aнгстрем. В фокусе лазера помещалась мишень – тончайшая пленка размером 0,1 ґ 1,1 см из селена-74 или иттрия.Луч испарял мишень, создавая плазму из неоноподобных ионов этих металлов. Столкновения с электронами в плазме вызывали возбуждение ионов, которое заканчивалось вынужденным излучением на волне 206,3 Ангстрема и 209,6 Aнгстрема для селена и 155 A – для ионов иттрия. Достигнутый коффиэциент усиления превысил 100000000 раз. В том же году в лаборатории физики плазмы (Принстон,США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах углекислого газа удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 182 Aнгстрем. Их лазер накачки имел импульсную мощность около 20 ГВт.Пучок лазера был сфокусирован на площади диаметром около 0,2мм, что и позволило достичь плотности энергии около 1013Вт/см2.В этих экспериментах впервые использовалось для увеличения коэффициента лазерного усиления рентгеновское сферическое зеркало, состоящее из чередующихся слоев молибдена толщиной 35 A и кремния толщиной 60 A. Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, и в следствии интерференции усиливаются, таким образом коэффициент отражения зеркала нарастает и достигает 62-75%. В 1986, полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное излучение с длиной волны 80 Aнгстрем. Дальнейшее уменьшение длины волны необходимо для уменьшения угловой расходимости лазерного пучка, и потребует огромных плотностей энергии "накачки", которые можно получить только при ядерном взрыве. Разработки в данном направлении, с целью создания боевого лазера работающего в рентгеновской части спектра велись в США(Ливермор,Э.Теллер). Во время подземных ядерных взрывовв 1983 году(полигон Невада) были проведены оценочные испытания первых рентгеновских лазеров). В 83-м году было опубликовано первое сообщение об измеренных во время эксперимента параметрах лазерного излучения: длина волны около 14 Aнгстрем, длительность импульса Ј 10–9 с, мощность излучения полученная от рентгеновского лазера при атомном взрыве превысила 400 Тераватт(!). Конструкция лазера не была подробно описана, но стало известно, что его рабочим телом были тонкие металлические стержни. После взрыва ядерного заряда вещество рабочих стержней превращается в полностью ионизованную плазму. Когда температура электронов несколько снижается, и начинается рекомбинация в основном на нижние уровни, происходит излучение в рентгеновской части спектра. Поскольку время высвечивания плазмы измеряется пикосекундами, и облако раскаленной до миллионов градусов плазмы не успевает существенно изменить свою геометрию, то оно сохраняет форму и направление рабочего стержня. Так как зеркал для работы с рентгеновским излучением с длиной волны около 10 A пока еще не существует(см.рентгеновское зеркало), то рентгеновский лазер, вероятно, должен работать без резонатора. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией и геометрией стержня. Точнее говоря, наибольшим значением из них. Принимая малое значение расходимости, получим оптимальную величину диаметра: D = (lL)1/2. Для длин волн около 10-14 Aнгстрем и L = 7 м это дает D = 0,1 мм. Даже если в процессе ионизации и рекомбинации вещества его геометрия изменится незначительно, расходимость луча достигает ~ 10-5рад. Однако более детальный расчет показывает, что к моменту рекомбинации сгусток плазмы может расшириться до 0,8-1 мм, и в этом случае расходимость лазерного луча будет порядка от 10-4 до 10-5. Для поражения межконтинентальной ракеты,то есть для достижения плотностей энергии около 10-20 кДж/см2на расстоянии до 1000 километров при расходимости луча 10–5, в импульсе такого лазера должна быть энергия ~ 1010Джоулей. При КПД лазера около 8-10% и при расстоянии стержня от ядерного заряда ~ 1 м мощность заряда должна быть около 1015Джоулей, или порядка двухсот килотонн тротилового эквивалента. При этом предположительно львиная доля энергии ядерного взрыва пойдет на испарение рабочих стержней(стержня), и сама струна ориентирована к заряду не торцом, а боковой поверхностью. Однако в литературе на эту тему упоминаются заряды значительно меньшей мощности. Возможно использовать не одну, а несколько десятков(около 50-100) параллельно ориентированных стержней наводимых на цель. Возможно также что инженеры попытаются создать концентратор энергии взрыва на одной струне, используя эффект отражения рентгеновских лучей от кристаллов или многослойные рентгеновские зеркала(с высокими характеристиками отражения), и в этой области предвидится значительный успех. Современные технологии позволяют создавать достаточно компактные рентгеновские лазеры(массой около 1-2 тонны), удобные для вывода на орбиту с помощью межконтинентальных ракет. Компьютерное управление отдельными стержнями позволит поражать одновременно до нескольких десятков целей, или гарантированно поражать одну. Таким образом можно заключить из целого ряда публикаций что рентгеновский лазер при соответствующем развитии технологий способен стать одним из основных инструментов в космических вооружениях и системах противоракетной обороны.

Типы рентгеновских лазеров

  • Рентгеновский лазер с "накачкой" ядерным взрывом: Устройство одноразового применения

Области применения

  • Космические вооружения и противоракетная оборона

Литература

  • А.М.Василевский, М.А.Кропоткин, В.В.Тихонов.Оптическая электроника.Ленинград,Энергоатомиздат.1990.г. глава 3, стр 77.
  • Бушуев В.А., Кузьмин Р.Н. Лазеры рентгеновского диапазона длин волн. – Успехи физических наук, т. 144, вып. 4. 1974
  • Рентгеновский лазер. – В мире науки, 1985, № 3
  • Н.Г. Басов, И.Г.Лебо, В.Б.Розанов.Физика лазерного термоядерного синтеза.«ЗНАНИЕ»,Москва.1988.г
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home