Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Лазер на вільних електронах



План:


Введення

Рис.1, Одержання рентгенівських лазерних променів

Лазер на вільних електронах ( англ. Free Electron Laser, FEL ) - Вид лазера, випромінювання в якому генерується моноенергетичні пучком електронів, що поширюється в ондулятором - періодичної системі відхиляють ( електричних або магнітних) полів. Електрони, здійснюючи періодичні коливання, випромінюють фотони, енергія яких залежить від енергії електронів і параметрів ондулятором.

На відміну від газових, рідинних або твердотільних лазерів, де електрони збуджуються в пов'язаних атомних або молекулярних станах - у FEL джерелом випромінювання є пучок електронів у вакуумі, що проходить крізь ряд розташованих спеціальним чином магнітів - ондулятором (вігглер), що змушує пучок рухатися по синусоїдальної траєкторії, втрачаючи енергію, яка перетвориться в потік фотонів. Далі лазерний промінь, як і в інших лазерах, збирається і посилюється системою дзеркал, встановлених на кінцях ондулятором. В результаті виробляється м'яке рентгенівське випромінювання, яке застосовується, наприклад, для дослідження кристалів та інших наноструктур.

Змінюючи енергію електронного пучка, а також параметри ондулятором (силу магнітного поля і відстань між магнітами), можна в широких межах змінювати частоту лазерного випромінювання, що виробляється FEL, що є головною відмінністю FEL від лазерів інших систем. Випромінювання отримується за допомогою FEL застосовується для вивчення нанометрових структур - є досвід отримання зображень часток розміром всього 100 нанометрів (цей результат був досягнутий за допомогою рентгенівської мікроскопії з дозволом близько 5 нм [1]). Проект першого лазера на вільних електронах був опублікований в 1971 році Джоном М. Дж. Мейд (JMJ Madey) в рамках свого PhD-проекту в Стенфордському університеті. У 1976 році Мейд і його колеги продемонстрували перші досліди з FEL використовуючи електрони з енергією 24 МеВ і 5-ти метровий вігглер для посилення випромінювання [2]. Потужність лазера складала 300 мВт, а ефективність всього 0,01%, але була показана працездатність такого класу пристроїв, що призвело до величезного інтересу і різкого збільшення кількості розробок в області FEL.


1. Отримання рентгенівського лазерного випромінювання

Зображення прискорювача заряджених часток
Рис.2, Магніти Вігглера
Рис.3, Вігглер Хальбаха

Для створення лазерного рентгенівського випромінювання необхідний пучок електронів, розігнаний в синхротроні до швидкості, близької до швидкості світла. Отриманий пучок направляється в спеціалізований прилад для генерації лазерного рентгенівського випромінювання - вігглер.

Вігглер являє собою магніт, який створює сильне поперечне (як правило, вертикальне) знакозмінні магнітне поле. Його можна уявити собі як послідовність коротких дипольних магнітів, полярність кожного наступного з яких протилежна попередньому. Вігглер встановлюється в прямолінійний проміжок електронного синхротрона, і ультрарелятивістських пучок проходить в ньому по звивистій траєкторії, близькій до синусоїді, випромінюючи фотони у вузький конус уздовж осі пучка. Типовий діапазон довжин хвиль синхротронного випромінювання, що генерується вігглером, - від жорсткого ультрафіолету до м'якого рентгена, хоча існують вігглери з енергією генеруються квантів до декількох МеВ.

Вігглер, поміщений в резонатор (наприклад, два співвісних дзеркала), - найпростіша модель лазера на вільних електронах. Магніти, з яких зібраний вігглер, можуть бути звичайними електромагнітами, надпровідними, або постійними. Типове магнітне поле вігглера - до 10 Тесла. Потужність отримуваного синхротронного випромінювання - до сотень кВт - залежить як від струму пучка, так і від поля, а також від кількості полюсів вігглера (від трьох до кількох десятків).

В даний час рентгенівський лазер вимагає використання прискорювачів електронів з вбудованим захистом (оскільки прискорені електрони являють значну променеву небезпека). Ці прискорювачі можуть являти собою клістрони, які вимагають підключення високої напруги, або лінійні прискорювачі. Є також проекти використання надпотужного лазерного випромінювання для прискорення електронів. Сам електронний промінь зазвичай підтримується в вакуумі, який вимагає використання численних насосів на шляху променя.


2. Застосування

Застосовується для кристалографії і вивчення будови атомів і молекул.

Рентгенівські лазери, включаючи FEL, здатні створювати "м'яке" рентгенівське випромінювання з довжиною, яка використовується в медичних цілях. Воно не може проникнути навіть через лист паперу, але ідеально підходить для зондування іонізованих газів з високою щільністю енергії (чим коротше довжина хвилі, тим глибше промінь проникає в щільну плазму), а також для дослідження нових та існуючих матеріалів.


3. Перспективи

Рентгенівська мікроскопія продовжує вдосконалюватися, наближаючись до вирішення в 1 ангстрем (0,1 нм) і відкриваючи можливості для отримання зображень атомів і молекулярних структур. Також знайде застосування в медичних цілях і мікроелектроніці.

Постійне зменшення розмірів установок, зниження їх вартості, отримання настільних рентгенівських лазерів стане звичним інструментом в лабораторіях по дослідженню фізики плазми, так як має майже все, що потрібно: низькі енерговитрати, повторний постріл кожні 4 хвилини і малу довжину хвилі. Їх пристосовність робить їх дуже бажаними в багатьох областях, включаючи область медичного діагнозцірованія та неруйнівного методу досліджень та ін [3]

У 2009 році під Гамбургом (Німеччина) будувався найбільший в світі рентгенівський лазер, в цьому проекті беруть участь Німеччина, Франція і Росія. Вартість проекту перевищує 1 млрд євро. [4]


Примітки


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Лазер
Твердотільний лазер
Метод вільних асоціацій
Сім вільних мистецтв
Рух вільних офіцерів (Єгипет)
Указ про вільних хліборобів
Міжнародна конфедерація вільних профспілок
Визначення вільних творів культури
Союз вільних робочих Німеччині
© Усі права захищені
написати до нас