Рентгеновский лазер. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рентгеновский лазер - источник когерентного эл--магн. излучения рентг. диапазона. Иногда используется термин «разер» по аналогии с «гразер» (см. Лазер, Гамма-лазер). Идея создания Р. л. появилась в нач. 1960-х гг. сразу же после создания лазеров. Осн. концепции создания сложились к нач. 70-х гг. Первый лабораторный Р. л. был создан в Ливерморской лаборатории им. Э. Лоуренса (США) в 1985 (была получена генерация на серии линий Ne-подобного иона селена в области 182-263

, наиб. яркая из к-рых - линия 206,3

). К настоящему времени (1991) получено квазикогерентное рентг. излучение в режиме усиления спонтанного излучения с длиной волны от неск. сотен до десятков ангстрем, напр. 206

(Se²⁴⁺), 182

(С⁶⁺), 81

(F⁸⁺), 46

(Al¹¹⁺). Длительность импульса генерации Р. л. составляет 0,1-10 нс и определяется, как правило, временем жизни плазменного образования. Величина коэф. усиления за один проход лежит в пределах 3-16. Т. о., макс. усиление относительно уровня спонтанного излучения составляет

. Макс. энергия, полученная в импульсе, ~10 мДж, угл. расходимость пучка ~10 мрад. Сравнение параметров импульса лазера накачки и импульса рентг. излучения показывает, что коэф. преобразования по энергии составляет лишь ~10^-5. Однако уже этого достаточно для проведения ряда физ. и биол. экспериментов. Р. л. обладают наивысшей импульсной яркостью по сравнению с др. источниками рентг. излучения.

Активная среда Р. л.- высокоионизиров. плазма с электронной температурой от неск. сотен эВ до неск. кэВ, создаваемая при облучении мишени (напр., тонкой фольги из селена и иттрия) мощными лазерами видимого и ИК-дпапазонов. Плазменное образование имеет длину в неск. см (0,5-5 см) и поперечный размер 0,01 - 0,1 см. Плазма создаётся, как правило, фокусировкой излучения либо 2-й гармоники Nd : YAG-лазера (см. Твердотельный лазер ),либо излучения СО₂-лазера, имеющих энергию излучения ~1 кДж и длительность импульса генерации 0,1-10 нс. Энергия, необходимая для создания иона заданной кратности, и плотность атомов активного элемента в мишени определяют плотность энергии лазерного излучения накачки, необходимую для создания активной среды. Пороговые условия генерации Р. л. определяют мин. значения плотности ионов в плазме. Если длина поглощения генерируемого рентг. излучения больше длины активной области L кристалла, то пороговое условие генерации имеет вид

здесь

; N₂, N₁ - населённости верх. и ниж. рабочих уровней, g₂, g₁ - кратности их вырождения, Г - ширина линии усиления, T₁ - спонтанное время жизни. Пороговая уд. мощность накачки определяется условием

где

и - отношение энергии рабочего перехода к энергии

и, затрачиваемой на создание иона требуемой кратности на верх. рабочем уровне. В предположении, что лазерное излучение полностью поглощается в слое плазмы, являющейся активной средой и имеющей длину L и поперечный диаметр d, а также что ширина линии усиления определяется доплеровским уширением

, пороговая интенсивность лазерного излучения накачки

Требования к мощности накачки не являются очень жёсткими в области

= (0,1 -10) нм. Гораздо более жёсткие требования предъявляются к энерговкладу. Из (4) следует, что

здесь n_поp - пороговая концентрация понов. Если

= 0,1 и n_пор ~ 10²² см^-3, т. e. n_пор ~ концентрации атомов в твёрдом теле, то энерговклад на единицу длины активной среды

Для значений

п L ~ 1 см пороговые значения концентрации ионов, согласно (1) и (2), определяются выражением

[нм] см~³, что существенно меньше концентрации атомов в твёрдом теле. Так, при n_пор ~ 10¹⁶ см^-3 из (6) следует

[нм] Дж/см, что выполнимо для широкого класса систем накачки.

Основные механизмы создания инверсии. Предложено ок. 10 механизмов создания инверсии между уровнями в атомах или ионах активной среды Р. л., нек-рые из них являются развитием методов, широко использующихся в традиционных оптич., ИК- и УФ-лазерах, другие применимы лишь в рентг. области. Реализованы два механизма: столкновит. возбуждение и рекомбинац. накачка. В лазерной плазме, в отличие от плазмы низкой плотности, распределение частиц по энергетич. уровням может существенно отличаться от равновесного и определяется соотношением скоростей процессов ионизации, рекомбинации электронов и ионов, возбуждения ионов, а также излучат. процессов. При высоких значениях электронной плотности преобладают процессы трёхчастичной рекомбинации: напр.,

, где

- возбуждённое состояние иона кратности п. Поскольку в этом случае третья частица принимает часть энергии, то электроны оказываются на высоковозбуждённых уровнях иона

, последующая релаксация в осн. состояние идёт либо излучательным, либо столкновит. путём.

В случае низкой плотности электронов преобладают процессы излучат. рекомбинации, когда электрон оказывается на ниж. уровнях иона Аⁿ: если электронная темп-pa при этом велика, то ион оказывается в осн. состоянии. Указанные процессы и определяют два осн. механизма создания в Р. л. инверсии. Р. л. с о с т о л к н о в и т е л ь н о й накачкой по принципу действия гораздо ближе к традиц. лазерам, работающим в видимой области. В этом случае в качестве активной среды используется высокотемпературная плазма низкой плотности. В результате излучат. рекомбинации заселяются осн. состояния рабочих ионов (напр., уровни 2s²р⁶ в случае иона Se²⁴⁺; рис.). Верхний рабочий уровень 3р заселяется из осн. состояния при соударениях ионов плазмы с электронами, нижний рабочий уровень 3s быстро опустошается за счёт быстрого излучат. распада

. Переход

запрещён. Генерация рентг. излучения идёт на излучательно разрешённом переходе

Плазма должна быть оптически тонкой для излучения на переходе

(с тем чтобы избежать заселения уровня 3s в результате пленения излучения на переходе

В лазерах срекомбинационной накачкой используется быстрое охлаждение высокоплотной плазмы, В этом случае электроны, оказавшиеся на высоких уровнях иона

, начинают релаксировать под влиянием излучат. и столкновит. переходов. Если электронная темп-pa мала, то столкновит. процессы важны лишь при переходах между верх. уровнями, когда

, где

- частота перехода с уровня с энергией

на уровень с энергией

. С ростом w_nm сечение столкновит. переходов падает, а излучательных - растёт. Чем ближе уровень к основному, тем выше скорость спонтанных переходов, поэтому возможно возникновение инверсии между возбуждёнными уровнями за счёт того, что ниж. уровень будет опустошаться быстрее, чем верхний. Если скорость притока частиц на верх. рабочий уровень за счёт рекомбинац. процессов будет удовлетворять пороговому условию (3), то в этом случае возможна квазистационарная генерация, к-рая прекратится, когда нарушится пороговое условие из-за охлаждения плазмы. Такой тип генерации рентг. излучения был реализован на Бальмера серии водородоподобных ионов (С⁵+, F⁸+).

Другие методы накачки. Среди др. методов накачки рентг. переходов атомов и ионов - процессы фотоионизации электронов внутр. оболочек атомов или ионов, фотовозбуждения на верхний рабочий уровень излучением, исходящим от ионов более высокой кратности. Этот метод требует перекрытия спектральных линий ионов разл. кратности, что встречается достаточно часто. Идея накачки за счёт перезарядки понов близка к идее рекомбинац. лазера. При перемешивании ионов с атомными пучками пли при распылении плазмы в газ возможны ионизация атомов и образование ионов меньшей кратности. Последние образуются, как правило, в возбуждённом состоянии. Дальнейшие процессы релаксации и возникновение инверсии предположительно будут происходить так же, как и в лазере с рекомбинац. накачкой.

Литература по рентгеновским лазерам

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.