Láser de electrones libres
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 2 de mayo de 2022; las comprobaciones requieren 2 ediciones .El láser de electrones libres ( FEL ) es un tipo de láser en el que la radiación se genera mediante un haz de electrones monoenergético que se propaga en un ondulador , un sistema periódico de campos de desviación ( eléctricos o magnéticos ). Los electrones, al realizar oscilaciones periódicas, emiten fotones , cuya energía depende de la energía de los electrones y los parámetros del ondulador.
Descripción
En contraste con los láseres de gas , líquido o estado sólido , donde los electrones se excitan en estados atómicos o moleculares unidos, la fuente de radiación FEL es un haz de electrones en el vacío que pasa a través de una serie de imanes ubicados de una manera especial: un ondulador ( Wiggler), los electrones del haz se mueven a lo largo de una trayectoria cercana a la sinusoide , perdiendo energía convertida en una corriente de fotones , mientras que se produce radiación de rayos X , utilizada, por ejemplo, para estudiar la disposición de los átomos en cristales y estudiar otras nanoestructuras.
Al cambiar la energía del haz de electrones, así como la fuerza del campo magnético y la distancia entre los imanes del ondulador, es posible cambiar la frecuencia de la radiación láser en un amplio rango, desde FEL, que es el principal diferencia entre FEL y láseres de otros sistemas similares. La radiación producida por FEL se utiliza para estudiar estructuras nanométricas : se han obtenido imágenes de partículas tan pequeñas como de 100 nanómetros mediante microscopía de rayos X con una resolución de aproximadamente 5 nm [1] .
El diseño del primer láser de electrones libres fue publicado en 1971 por John Maidy como parte de su proyecto de doctorado en la Universidad de Stanford . En 1976, Maidy y sus colegas demostraron los primeros experimentos con FEL utilizando electrones de 24 MeV y un ondulador de 5 metros para amplificar la radiación [2] . La potencia del láser fue de 300 mW, y la eficiencia de convertir la energía del haz de electrones en radiación fue solo del 0,01%, pero se demostró la operatividad de dichos dispositivos, lo que provocó un aumento en el interés y un aumento en el número de estudios en el campo de la FEL.
Obtención de radiación láser de rayos x
Para crear rayos X láser, se necesita un haz de electrones, acelerado en un acelerador a una velocidad cercana a la de la luz . El haz resultante se envía a un ondulador .
Un ondulante es un imán que crea un fuerte campo magnético transversal (generalmente vertical) que cambia en el espacio. Se puede imaginar como una secuencia de imanes dipolares cortos, la orientación de los polos de los vecinos es opuesta.
El ondulador está instalado en el espacio lineal del sincrotrón de electrones , y el haz ultrarrelativista, desviado por el campo magnético del ondulador, se propaga en él a lo largo de una trayectoria sinuosa cercana a una sinusoide, emitiendo fotones cuya dirección de propagación se concentra en un cono estrecho. a lo largo del eje del haz. El rango de longitud de onda típico de la radiación de sincrotrón generada por un ondulador es desde la radiación ultravioleta fuerte hasta los rayos X suaves . También hay onduladores con energías de fotones generados de hasta varios MeV .
Un ondulador colocado en un resonador Fabry-Perot (por ejemplo, en forma de dos espejos paralelos) es el dispositivo láser de electrones libres más simple. Los imanes Wiggler pueden ser electroimanes ordinarios, superconductores o permanentes. El campo magnético típico de un ondulante es de hasta 10 Tesla . La potencia de la radiación de sincrotrón resultante es de cientos de kW y depende de la corriente del haz, de la intensidad del campo y también del número de polos magnéticos oscilantes, que oscila entre tres y varias decenas.
El láser de rayos X requiere el uso de aceleradores de electrones con protección biológica contra la radiación porque los electrones acelerados representan un riesgo de radiación significativo. Estos aceleradores pueden ser aceleradores cíclicos (como un ciclotrón ) o aceleradores lineales . Hay un proyecto para usar radiación láser súper poderosa para acelerar electrones . El propio haz de electrones se propaga en el vacío , cuyo mantenimiento requiere el uso de numerosas bombas.
Aplicación
Se utiliza para la cristalografía y el estudio de la estructura de los átomos y las moléculas ( microscopía láser de rayos X ).
Los láseres de rayos X, incluidos los FEL, son capaces de producir rayos X "suaves" en longitudes de onda médicas. No penetra ni siquiera a través de una hoja de papel, pero es adecuado para sondear gases ionizados con una alta densidad de partículas ionizadas (cuanto más corta es la longitud de onda, más profundo penetra el haz en el plasma denso), así como para el estudio de nuevos y existentes materiales
Perspectivas
La microscopía de rayos X continúa mejorando, acercándose a una resolución de 1 angstrom (0,1 nm) y abriendo posibilidades para obtener imágenes de átomos y estructuras moleculares. También encontrará aplicación en aplicaciones médicas y microelectrónica.
La constante reducción del tamaño de las instalaciones, la reducción de su coste, la producción de láseres de rayos X de sobremesa se convertirán en una herramienta familiar en los laboratorios para el estudio de la física del plasma, por lo que su ventaja es el bajo consumo energético, alta tasa de repetición de pulsos y longitud de onda corta Su flexibilidad los hace útiles en muchas áreas, incluido el campo del diagnóstico médico, los métodos de investigación no destructivos, etc. [3]
En 2009, comenzó la construcción del láser de electrones libres de rayos X europeo cerca de Hamburgo (Alemania) y se espera que sea el láser de rayos X más grande del mundo. Alemania, Francia y Rusia participan en este proyecto. El coste del proyecto supera los 1.000 millones de euros [4] . Este láser se puso en funcionamiento el 1 de septiembre de 2017 [5] .
La Marina de los EE. UU. está explorando las posibilidades de utilizar un láser de electrones libres como arma de defensa antiaérea y antimisiles. El láser, desarrollado en el Jefferson Lab , tiene una potencia de salida de hasta 14 kW [6] .
Se están realizando investigaciones sobre un láser aerotransportado de megavatios [7] .
El 9 de mayo de 2009, la Oficina de Investigación Naval anunció que había otorgado a Raytheon un contrato para desarrollar un láser experimental de electrones libres de 100 kW [8] .
El 18 de marzo de 2010, Boeing Directed Energy Systems anunció la finalización del diseño preliminar de un sistema de armas basado en un láser de electrones libres, encargado por la Marina de los EE. UU. [9] .
La investigación sobre estos láseres también está en marcha en el Laboratorio Nacional de Los Álamos , con una prueba de prototipo a gran escala programada para 2018 [10] .
Véase también
Notas
- ↑ Alcanzado el nuevo límite de resolución del microscopio de rayos X. Consultado el 15 de octubre de 2009. Archivado desde el original el 18 de septiembre de 2008.
- ↑ Láseres de electrones libres y otras fuentes avanzadas de luz: Oportunidades de investigación científica (1994)
- ↑ Láser de rayos X: del subsuelo al escritorio | N° 11, 2005|Revista “Ciencia y Vida” . Consultado el 10 de agosto de 2009. Archivado desde el original el 28 de noviembre de 2007.
- ↑ Hackeando los secretos de la materia: Láseres de rayos X XFEL actuales y futuros | Nanotecnología Nanonewsnet . Consultado el 15 de octubre de 2009. Archivado desde el original el 1 de octubre de 2009.
- ↑ Cine molecular: cómo funcionará el láser de electrones libres de rayos X más potente (ruso) , RT en ruso . Archivado desde el original el 5 de septiembre de 2017. Consultado el 6 de septiembre de 2017.
- ↑ Programa de láser de electrones libres de Jefferson Lab . Instalación aceleradora nacional Thomas Jefferson . Consultado el 21 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2015.
- ↑ Roy Whitney; David Douglas; George Neil Láser de electrones libres de clase megavatio aerotransportado para defensa y seguridad (1 de marzo de 2005). Consultado el 21 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2015.
- ↑ Raytheon obtuvo contrato para el programa de láser de electrones libres de la Oficina de Investigación Naval (9 de junio de 2009). Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2015. Consultado el 21 de diciembre de 2015.
- ↑ Boeing: Boeing completa el diseño preliminar del sistema de armas láser de electrones libres (18 de marzo de 2010). Consultado el 21 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2015.
- ↑ El innovador láser podría revolucionar el armamento de la Marina , Fox News (20 de enero de 2011). Archivado desde el original el 22 de diciembre de 2015. Consultado el 21 de diciembre de 2015.
Literatura
- Ragozin E. N., Sobelman I. I. Fuentes láser en la región de rayos X blandos del espectro // Avances en Ciencias Físicas . - Academia Rusa de Ciencias , 2005 . - T. 175 , No. 12 . - S. 1339-1341 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200512h.1339 .
- Pellegrini C., Marinelli A., Reiche S. La física de los láseres de electrones libres de rayos X // Rev. Modificación. física . - 2016. - Vol. 88 . — Pág. 015006 . -doi : 10.1103 / RevModPhys.88.015006 .
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