Лазер на свободных электронах
Лазер на свободных электронах (англ. Free Electron Laser, FEL) — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.
В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях — у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов — ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов и других наноструктур.
Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур — есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров (этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм[1]). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном М. Дж. Мэйди (J.M.J. Madey) в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый вигглер для усиления излучения[2]. Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.
Содержание
Получение рентгеновского лазерного излучения
Для создания лазерного рентгеновского излучения необходим пучок электронов, разогнанный в синхротроне до скорости, близкой к скорости света. Полученный пучок направляется в специализированный прибор для генерации лазерного рентгеновского излучения — вигглер.
Вигглер представляет собой магнит, создающий сильное поперечное (как правило, вертикальное) знакопеременное магнитное поле. Его можно представить себе как последовательность коротких дипольных магнитов, полярность каждого следующего из которых противоположна предыдущему. Вигглер устанавливается в прямолинейный промежуток электронного синхротрона, и ультрарелятивистский пучок проходит в нём по извилистой траектории, близкой к синусоиде, излучая фотоны в узкий конус вдоль оси пучка. Типичный диапазон длин волн синхротронного излучения, генерируемого вигглером, — от жёсткого ультрафиолета до мягкого рентгена, хотя существуют вигглеры с энергией генерируемых квантов до нескольких МэВ.
Вигглер, помещённый в резонатор (например, два соосных зеркала), — простейшая модель лазера на свободных электронах. Магниты, из которых собран вигглер, могут быть обычными электромагнитами, сверхпроводящими, либо постоянными. Типичное магнитное поле вигглера — до 10 Тесла. Мощность получаемого синхротронного излучения — до сотен кВт — зависит как от тока пучка, так и от поля, а также от количества полюсов вигглера (от трёх до нескольких десятков).
В настоящее время рентгеновский лазер требует использования ускорителей электронов со встроенной защитой (поскольку ускоренные электроны представляют значительную лучевую опасность). Эти ускорители могут представлять собой циклические машины, или линейные ускорители. Имеются также проекты использования сверхмощного лазерного излучения для ускорения электронов. Сам электронный луч обычно поддерживается в вакууме, который требует использования многочисленных насосов на пути луча.
Применение
Применяется для кристаллографии и изучения строения атомов и молекул (лазерная рентгеновская микроскопия).
Рентгеновские лазеры, включая FEL, способны создавать «мягкое» рентгеновское излучение с длиной, которая используется в медицинских целях. Оно не может проникнуть даже через лист бумаги, но идеально подходит для зондирования ионизированных газов с высокой плотностью энергии (чем короче длина волны, тем глубже луч проникает в плотную плазму), а также для исследования новых и существующих материалов.
Перспективы
Рентгеновская микроскопия продолжает совершенствоваться, приближаясь к разрешению в 1 ангстрем (0,1 нм) и открывая возможности для получения изображений атомов и молекулярных структур. Также найдёт применение в медицинских целях и микроэлектронике.
Постоянное уменьшение размеров установок, снижение их стоимости, получение настольных рентгеновских лазеров станет привычным инструментом в лабораториях по исследованию физики плазмы, так как имеет почти все, что нужно: низкие энергозатраты, повторный выстрел каждые несколько минут и малую длину волны. Их приспособляемость делает их очень желательными во многих областях, включая область медицинского диагнозцирования и неразрушающего метода исследований и др.[3]
В 2009 году под Гамбургом (Германия) началось строительство Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах и предполагается что он будет самым крупным в мире рентгеновским лазером. В этом проекте участвуют Германия, Франция и Россия. Стоимость проекта превышает 1 млрд евро.[4]
ВМС США изучает перспективы применения лазера на свободных электронах в качестве оружия противовоздушной и противоракетной обороны. Лазер, разработанный в Лаборатории Джефферсона имеет выходную мощность, достигающую 14 кВт[5]. Ведутся исследования мегаваттного лазера воздушного базирования[6]. 9 мая 2009 года Бюро военно-морских исследований объявило о заключении с Raytheon контракта на разработку экспериментального лазера на свободных электронах мощностью в 100 кВт[7]. 18 марта 2010 года Boeing Directed Energy Systems объявили об окончании предварительного проектирования оружейной системы, основанной на лазере на свободных электронах, начатой по заказу ВМС США[8]. Исследования лазеров ведутся и в Лос-Аламосской национальной лаборатории, испытания полноразмерного прототипа намечены на 2018 год[9].
См. также
- Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах
- Рентгеновский лазер с ядерной накачкой
- Магнетрон
Напишите отзыв о статье "Лазер на свободных электронах"
Примечания
- ↑ [elementy.ru/news/430829 Достигнут новый предел разрешения рентгеновского микроскопа]
- ↑ Free Electron Lasers and Other Advanced Sources of Light: Scientific Research Opportunities (1994)
- ↑ [www.nkj.ru/archive/articles/2435/ РЕНТГЕНОВСКИЙ ЛАЗЕР: ИЗ-ПОД ЗЕМЛИ НА РАБОЧИЙ СТОЛ | № 11, 2005 год | Журнал «Наука и жизнь»]
- ↑ [www.nanonewsnet.ru/articles/2009/vzlamyvaya-sekrety-materii-sovremennye-budushchie-rentgenovskie-lazery-xfel Взламывая секреты материи: современные и будущие рентгеновские лазеры XFEL | Нанотехнологии Nanonewsnet]
- ↑ [www.jlab.org/FEL/ Jefferson Lab Free-Electron Laser Program]. Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Проверено 21 декабря 2015.
- ↑ Roy Whitney; David Douglas; George Neil [www.osti.gov/scitech/biblio/841301 Airborne megawatt class free-electron laser for defense and security] (1 марта 2005). Проверено 21 декабря 2015.
- ↑ [www.prnewswire.com/news-releases/raytheon-awarded-contract-for-office-of-naval-researchs-free-electron-laser-program-62067462.html Raytheon Awarded Contract for Office of Naval Research's Free Electron Laser Program] (June 9, 2009). Проверено 21 декабря 2015.
- ↑ [boeing.mediaroom.com/index.php?s=20295&item=1126 Boeing: Boeing Completes Preliminary Design of Free Electron Laser Weapon System] (March 18, 2010). Проверено 21 декабря 2015.
- ↑ [www.foxnews.com/tech/2011/01/20/raygun-breakthrough-revolutionize-naval-power.html Breakthrough Laser Could Revolutionize Navy's Weaponry], Fox News (January 20, 2011). Проверено 21 декабря 2015.
Литература
- Е. Н. Рагозин, И. И. Собельман [ufn.ru/ru/articles/2005/12/h/ Лазерные источники в мягкой рентгеновской области спектра] // УФН. — 2005. — Т. 175, № 12. — С. 1339—1341. — DOI:10.3367/UFNr.0175.200512h.1339.
- C. Pellegrini, A. Marinelli, S. Reiche [journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.88.015006 The physics of x-ray free-electron lasers] (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2016. — Vol. 88. — P. 015006. — DOI:10.1103/RevModPhys.88.015006.
Ссылки
- [www.xfel.eu/ Европейское агентство XFEL]
| ||||||||||||
Отрывок, характеризующий Лазер на свободных электронах
Графиня узнавшая тотчас через девушек о том, что произошло во флигеле, с одной стороны успокоилась в том отношении, что теперь состояние их должно поправиться, с другой стороны она беспокоилась о том, как перенесет это ее сын. Она подходила несколько раз на цыпочках к его двери, слушая, как он курил трубку за трубкой.На другой день старый граф отозвал в сторону сына и с робкой улыбкой сказал ему:
– А знаешь ли, ты, моя душа, напрасно погорячился! Мне Митенька рассказал все.
«Я знал, подумал Николай, что никогда ничего не пойму здесь, в этом дурацком мире».
– Ты рассердился, что он не вписал эти 700 рублей. Ведь они у него написаны транспортом, а другую страницу ты не посмотрел.
– Папенька, он мерзавец и вор, я знаю. И что сделал, то сделал. А ежели вы не хотите, я ничего не буду говорить ему.
– Нет, моя душа (граф был смущен тоже. Он чувствовал, что он был дурным распорядителем имения своей жены и виноват был перед своими детьми но не знал, как поправить это) – Нет, я прошу тебя заняться делами, я стар, я…
– Нет, папенька, вы простите меня, ежели я сделал вам неприятное; я меньше вашего умею.
«Чорт с ними, с этими мужиками и деньгами, и транспортами по странице, думал он. Еще от угла на шесть кушей я понимал когда то, но по странице транспорт – ничего не понимаю», сказал он сам себе и с тех пор более не вступался в дела. Только однажды графиня позвала к себе сына, сообщила ему о том, что у нее есть вексель Анны Михайловны на две тысячи и спросила у Николая, как он думает поступить с ним.
– А вот как, – отвечал Николай. – Вы мне сказали, что это от меня зависит; я не люблю Анну Михайловну и не люблю Бориса, но они были дружны с нами и бедны. Так вот как! – и он разорвал вексель, и этим поступком слезами радости заставил рыдать старую графиню. После этого молодой Ростов, уже не вступаясь более ни в какие дела, с страстным увлечением занялся еще новыми для него делами псовой охоты, которая в больших размерах была заведена у старого графа.
Уже были зазимки, утренние морозы заковывали смоченную осенними дождями землю, уже зелень уклочилась и ярко зелено отделялась от полос буреющего, выбитого скотом, озимого и светло желтого ярового жнивья с красными полосами гречихи. Вершины и леса, в конце августа еще бывшие зелеными островами между черными полями озимей и жнивами, стали золотистыми и ярко красными островами посреди ярко зеленых озимей. Русак уже до половины затерся (перелинял), лисьи выводки начинали разбредаться, и молодые волки были больше собаки. Было лучшее охотничье время. Собаки горячего, молодого охотника Ростова уже не только вошли в охотничье тело, но и подбились так, что в общем совете охотников решено было три дня дать отдохнуть собакам и 16 сентября итти в отъезд, начиная с дубравы, где был нетронутый волчий выводок.
В таком положении были дела 14 го сентября.
Весь этот день охота была дома; было морозно и колко, но с вечера стало замолаживать и оттеплело. 15 сентября, когда молодой Ростов утром в халате выглянул в окно, он увидал такое утро, лучше которого ничего не могло быть для охоты: как будто небо таяло и без ветра спускалось на землю. Единственное движенье, которое было в воздухе, было тихое движенье сверху вниз спускающихся микроскопических капель мги или тумана. На оголившихся ветвях сада висели прозрачные капли и падали на только что свалившиеся листья. Земля на огороде, как мак, глянцевито мокро чернела, и в недалеком расстоянии сливалась с тусклым и влажным покровом тумана. Николай вышел на мокрое с натасканной грязью крыльцо: пахло вянущим лесом и собаками. Чернопегая, широкозадая сука Милка с большими черными на выкате глазами, увидав хозяина, встала, потянулась назад и легла по русачьи, потом неожиданно вскочила и лизнула его прямо в нос и усы. Другая борзая собака, увидав хозяина с цветной дорожки, выгибая спину, стремительно бросилась к крыльцу и подняв правило (хвост), стала тереться о ноги Николая.
– О гой! – послышался в это время тот неподражаемый охотничий подклик, который соединяет в себе и самый глубокий бас, и самый тонкий тенор; и из за угла вышел доезжачий и ловчий Данило, по украински в скобку обстриженный, седой, морщинистый охотник с гнутым арапником в руке и с тем выражением самостоятельности и презрения ко всему в мире, которое бывает только у охотников. Он снял свою черкесскую шапку перед барином, и презрительно посмотрел на него. Презрение это не было оскорбительно для барина: Николай знал, что этот всё презирающий и превыше всего стоящий Данило всё таки был его человек и охотник.
– Данила! – сказал Николай, робко чувствуя, что при виде этой охотничьей погоды, этих собак и охотника, его уже обхватило то непреодолимое охотничье чувство, в котором человек забывает все прежние намерения, как человек влюбленный в присутствии своей любовницы.
– Что прикажете, ваше сиятельство? – спросил протодиаконский, охриплый от порсканья бас, и два черные блестящие глаза взглянули исподлобья на замолчавшего барина. «Что, или не выдержишь?» как будто сказали эти два глаза.
– Хорош денек, а? И гоньба, и скачка, а? – сказал Николай, чеша за ушами Милку.
Данило не отвечал и помигал глазами.
– Уварку посылал послушать на заре, – сказал его бас после минутного молчанья, – сказывал, в отрадненский заказ перевела, там выли. (Перевела значило то, что волчица, про которую они оба знали, перешла с детьми в отрадненский лес, который был за две версты от дома и который был небольшое отъемное место.)
– А ведь ехать надо? – сказал Николай. – Приди ка ко мне с Уваркой.
– Как прикажете!
– Так погоди же кормить.
– Слушаю.
Через пять минут Данило с Уваркой стояли в большом кабинете Николая. Несмотря на то, что Данило был не велик ростом, видеть его в комнате производило впечатление подобное тому, как когда видишь лошадь или медведя на полу между мебелью и условиями людской жизни. Данило сам это чувствовал и, как обыкновенно, стоял у самой двери, стараясь говорить тише, не двигаться, чтобы не поломать как нибудь господских покоев, и стараясь поскорее всё высказать и выйти на простор, из под потолка под небо.
Окончив расспросы и выпытав сознание Данилы, что собаки ничего (Даниле и самому хотелось ехать), Николай велел седлать. Но только что Данила хотел выйти, как в комнату вошла быстрыми шагами Наташа, еще не причесанная и не одетая, в большом, нянином платке. Петя вбежал вместе с ней.
– Ты едешь? – сказала Наташа, – я так и знала! Соня говорила, что не поедете. Я знала, что нынче такой день, что нельзя не ехать.
– Едем, – неохотно отвечал Николай, которому нынче, так как он намеревался предпринять серьезную охоту, не хотелось брать Наташу и Петю. – Едем, да только за волками: тебе скучно будет.
– Ты знаешь, что это самое большое мое удовольствие, – сказала Наташа.
– Это дурно, – сам едет, велел седлать, а нам ничего не сказал.
– Тщетны россам все препоны, едем! – прокричал Петя.
– Да ведь тебе и нельзя: маменька сказала, что тебе нельзя, – сказал Николай, обращаясь к Наташе.
– Нет, я поеду, непременно поеду, – сказала решительно Наташа. – Данила, вели нам седлать, и Михайла чтоб выезжал с моей сворой, – обратилась она к ловчему.
И так то быть в комнате Даниле казалось неприлично и тяжело, но иметь какое нибудь дело с барышней – для него казалось невозможным. Он опустил глаза и поспешил выйти, как будто до него это не касалось, стараясь как нибудь нечаянно не повредить барышне.
Старый граф, всегда державший огромную охоту, теперь же передавший всю охоту в ведение сына, в этот день, 15 го сентября, развеселившись, собрался сам тоже выехать.
Через час вся охота была у крыльца. Николай с строгим и серьезным видом, показывавшим, что некогда теперь заниматься пустяками, прошел мимо Наташи и Пети, которые что то рассказывали ему. Он осмотрел все части охоты, послал вперед стаю и охотников в заезд, сел на своего рыжего донца и, подсвистывая собак своей своры, тронулся через гумно в поле, ведущее к отрадненскому заказу. Лошадь старого графа, игреневого меренка, называемого Вифлянкой, вел графский стремянной; сам же он должен был прямо выехать в дрожечках на оставленный ему лаз.
Всех гончих выведено было 54 собаки, под которыми, доезжачими и выжлятниками, выехало 6 человек. Борзятников кроме господ было 8 человек, за которыми рыскало более 40 борзых, так что с господскими сворами выехало в поле около 130 ти собак и 20 ти конных охотников.
