ليزر الأشعة السينية

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

يمكن توليد ليزر الأشعة السينية بعدة طرق، إما في البلازما الساخنة والكثيفة أو كليزر إلكترون حر في مسرع الجسيمات . وتقتصر هذه المقالة على وصف ليزرات الأشعة السينية في البلازما فقط.

تعتمد ليزرات الأشعة السينية البلازمية على الانبعاث المحفز لتوليد أو تضخيم الإشعاع الكهرومغناطيسي المتماسك والموجه وعالي السطوع في منطقة الأشعة السينية القريبة أو الأشعة فوق البنفسجية القصوى من الطيف، أي عادةً من ~3 نانومتر إلى عدة عشرات من النانومترات (nm) طول الموجة .

بسبب التضخيم العالي في وسط الليزر وقصر عمر الحالة العليا (1-100 بيكو ثانية ) ، تعمل ليزرات الأشعة السينية عادةً بدون مرايا؛ حيث يتم توليد حزمة الأشعة السينية بمرور واحد عبر وسط التضخيم. يتميز الإشعاع المنبعث، القائم على الانبعاث التلقائي المُضخّم ، بتماسك مكاني منخفض نسبيًا . ويتسع الخط الطيفي في الغالب بفعل تأثير دوبلر ، والذي يعتمد على درجة حرارة الأيونات. 

بما أن انتقالات الليزر الشائعة للضوء المرئي بين الحالات الإلكترونية أو الاهتزازية تتوافق مع طاقات تصل إلى حوالي 10 إلكترون فولت فقط، فإن هناك حاجة إلى وسائط نشطة مختلفة لأشعة الليزر السينية.

بين عامي 1978 و1988، وفي إطار مشروع إكسكاليبور، حاول الجيش الأمريكي تطوير ليزر أشعة سينية يعمل بانفجار نووي للدفاع ضد الصواريخ الباليستية كجزء من مبادرة الدفاع الاستراتيجي " حرب النجوم " (SDI). [ 1 ]

الوسائط النشطة

تشمل الوسائط الأكثر استخدامًا البلازما عالية التأين ، التي تتكون في تفريغ شعري أو عند اصطدام نبضة ضوئية مركزة خطيًا بهدف صلب. ووفقًا لمعادلة ساها للتأين ، فإن أكثر التكوينات الإلكترونية استقرارًا هي تلك الشبيهة بالنيون (10 إلكترونات متبقية) وتلك الشبيهة بالنيكل (28 إلكترونًا متبقيًا). عادةً ما تتوافق انتقالات الإلكترونات في البلازما عالية التأين مع طاقات في حدود مئات الإلكترون فولت ( eV ).

غرف التفريغ في مختبر PALS في براغ، حيث تُولّد نبضة طاقة 1 كيلو جول بلازما لتوليد الأشعة السينية

تشمل الطرق الشائعة لإنشاء ليزرات الأشعة السينية البلازمية ما يلي:

  • وسط تفريغ البلازما الشعري : في هذا الإعداد، يحصر أنبوب شعري بطول عدة سنتيمترات مصنوع من مادة مقاومة (مثل الألومينا ) نبضة كهربائية عالية التيار وقصيرة المدى (أقل من ميكروثانية) في غاز منخفض الضغط. وتتسبب قوة لورنتز في مزيد من انضغاط تفريغ البلازما (انظر الانضغاط ). بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تُستخدم نبضة كهربائية أو ضوئية للتأين المسبق. ومن الأمثلة على ذلك ليزر الأرجون 8+ الشعري الشبيه بالنيون ، الذي يُولّد إشعاعًا بطول موجي 47  نانومتر، والذي تم عرضه لأول مرة عام 1994. [ 2 ]
  • وسط الهدف الصلب : بعد تعرضه لنبضة ضوئية (ليزرية) فائقة الشدة، يتبخر الهدف المعدني وينبعث منه بلازما شديدة الإثارة. وكما هو معتاد، يُستخدم زوج من النبضات في ما يُعرف بنظام "الضخ العابر": [ 3 ] (1) نبضة أطول في حدود النانوثانية (يسبقها أحيانًا نبضة أو عدة نبضات تمهيدية أصغر) تُستخدم غالبًا لتكوين البلازما، و(2) نبضة ثانية أقصر (في حدود مئات الفيمتوثانية أو البيكوثانية ) وأكثر طاقة تُستخدم لمزيد من الإثارة في حجم البلازما. وللحصول على فترات عمر قصيرة، طُوِّر ما يُسمى "الموجة المتنقلة"، حيث تُسخَّن البلازما قبل مرور فوتونات الأشعة السينية مباشرةً (ما يُعرف بهندسة "مبدأ المقصلة"). ولزيادة كفاءة نقل الطاقة من نبضة الليزر المُسخِّنة إلى الوسط النشط (البلازما)، تُستخدم أحيانًا نبضة إثارة مُقَطَّعة، فيما يُعرف بهندسة ضخ GRIP - هندسة الضخ بزاوية سقوط مماسية . يؤدي تدرج معامل انكسار البلازما إلى انحناء النبضة المُضخّمة بعيدًا عن سطح الهدف، لأن معامل الانكسار يتناقص مع كثافة المادة عند الترددات الأعلى من تردد الرنين. ويمكن تعويض ذلك باستخدام أهداف منحنية أو عدة أهداف موصولة على التوالي .
  • البلازما المُثارة بواسطة المجال الضوئي : عند كثافات ضوئية عالية بما يكفي لإحداث نفق إلكتروني فعال ، أو حتى لكبح حاجز الجهد (> 10¹⁶ واط  /سم² ) ، يُمكن تأيين الغاز بدرجة عالية دون ملامسته لأي أنبوب شعري أو هدف. عادةً ما يُستخدم إعداد خطي، مما يُتيح تزامن نبضات الضخ والإشارة.

يُعد شعاع الإلكترون النسبي في ليزر الإلكترون الحر وسيلة تضخيم بديلة ، وهو يستخدم، من الناحية الدقيقة، تشتت كومبتون المحفز بدلاً من الانبعاث المحفز.

ومن الطرق الأخرى لتوليد الأشعة السينية المتماسكة المحفزة ضوئياً ما يلي:

التطبيقات

تشمل تطبيقات إشعاع الأشعة السينية المتماسك التصوير الحيودي المتماسك ، [ 8 ] والبحث في البلازما الكثيفة [ 9 ] (غير شفافة للإشعاع المرئي)، والمجهر بالأشعة السينية ، والتصوير الطبي المعتمد على الطور ، [ 10 ] وبحوث سطح المواد ، [ 11 ] والأسلحة.

يمكن لليزر الأشعة السينية اللين أن يقوم بعملية الدفع بالليزر الاستئصالي .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "نسخة مؤرشفة" . www.darpa.mil . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 2023-11-02 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2023-11-02 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  2. ↑ روكا، ج. ج.؛ شليابتسيف، ف.؛ توماسيل، ف. ج.؛ كورتازار، أ. د.؛ هارتشورن، د.؛ تشيلا، ج. ل. أ. (17 أكتوبر 1994). "عرض توضيحي لليزر أشعة سينية ناعمة مكتبي يعمل بضخ التفريغ" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 73 (16): 2192-2195 . Bibcode : 1994PhRvL..73.2192R . doi : 10.1103/PhysRevLett.73.2192 . hdl : 10217/67823 . PMID 10056996 . 
  3. ↑ كوبا، ياروسلاف. دراسة تجريبية ونظرية لأشعة الليزر السينية التي يتم ضخها بواسطة نبضة ليزر فائقة القصر: الضخ العابر لأيونات الفضة الشبيهة بالنيكل . جامعة باريس، فرنسا 2001.
  4. ↑ تشانغ، زينغو؛ راندكويست، آندي؛ وانغ، هايوين؛ مورنان، مارغريت م.؛ كابتين، هنري س. (20 أكتوبر 1997). "توليد أشعة سينية لينة متماسكة عند 2.7 نانومتر باستخدام التوافقيات العالية". رسائل المراجعة الفيزيائية . 79 (16): 2967. رمز Bibcode : 1997PhRvL..79.2967C . doi : 10.1103/PhysRevLett.79.2967 .
  5. ^ بوبمينتشيف1، تينيو؛ تشن، مينغ تشانغ؛ بوبمينتشيف، ديميتار؛ اربين، بول. براون، سوزانا؛ أليساوسكاس، سكيرمانتاس؛ أندريوكايتيس، جيدريوس؛ بالسيوناس، تاداس؛ موكي، أوليفر د. بوجزليس، أودريوس؛ بالتوشكا، أندريوس؛ شيم، بونغو؛ شراوث، صموئيل E.؛ جايتا، الكسندر. هيرنانديز جارسيا، كارلوس؛ بلاجا، لويس؛ بيكر، أندرياس. جارون بيكر، أنيسكا؛ مورنان، مارغريت م؛ كابتين ، هنري سي. (8 يونيو 2012). “التوافقيات الفائقة الساطعة والمتماسكة في نظام الأشعة السينية بالكيلو فولت من ليزر الفيمتو ثانية تحت الحمراء المتوسطة”. علوم . 336 (6086): 1287– 1291. arXiv : 2403.19535 . Bibcode : 2012Sci...336.1287P . doi : 10.1126 /science.1218497 . hdl : 10366/147089 . PMID 22679093. S2CID 24628513 .  {{cite journal}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  6. ↑ بوبمينتشيف، د.؛ هيرنانديز-غارسيا، س.؛ دولار، ف.؛ مانكوسو، س.أ.؛ بينغ، ب.-س.؛ بارويك، ب.؛ غورمان، ت.ت.؛ ألونسو-موري، ر.؛ أليشوسكاس، س.؛ أندريوكايتيس، ج.؛ بالتوشكا، أ.؛ بوستيدت، س.؛ تشين، م.-س.؛ داكوفسكي، ج.ل.؛ دورفي، س.ج.؛ إيكرت، س.؛ فان، ت.-م.؛ فيرغسون، و.ر.؛ فريشكورن، س.ج.؛ وآخرون . (2015). "مفاجأة الأشعة فوق البنفسجية: توليد توافقيات عالية فعالة للأشعة السينية اللينة في البلازما متعددة التأين". مجلة ساينس . 350 (6265): 1225-1231 . رمز Bibcode : 2015Sci...350.1225P . doi : 10.1126/science.aac9755 . hdl : 10366/147088 . PMID 26785483 .  
  7. ↑ ويتوم، ديفيد هـ.؛ سيسلر، أندرو م.؛ داوسون، جون م. (1990). "ليزر القناة الأيونية" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 64 (21): 2511-2514 . رمز Bibcode : 1990PhRvL..64.2511W . doi : 10.1103/PhysRevLett.64.2511 . PMID 10041731 . 
  8. ↑ وولتر، أوغست؛ إيكيبيرغ، توماس (2024-10-01). "التصوير المتماسك لحيود الأشعة السينية للجسيمات المفردة: تأثير الخلفية على إعادة البناء ثلاثي الأبعاد" . مجلة علم البلورات التطبيقي . 57 (الجزء 5): 1384-1391 . Bibcode : 2024JApCr..57.1384W . doi : 10.1107/ S1600576724006101 . ISSN 0021-8898 . PMC 11460378. PMID 39387090 .   
  9. ↑ رين، شين يوان؛ شي، يوان فنغ؛ فان دن بيرغ، كوينسي واي؛ قاسم، محمد إف؛ تشونغ، هيون كيونغ؛ فرنانديز تيلو، إليسا في؛ فيلاردي، بيدرو؛ وارك، جاستن إس؛ فينكو، سام إم. (10 مايو 2023). "التطور غير الحراري للبلازما الكثيفة المدفوعة بحقول الأشعة السينية المكثفة" . فيزياء الاتصالات . 6 (1): 99. arXiv : 2208.00573 . Bibcode : 2023CmPhy...6...99R . doi : 10.1038/s42005-023-01216-x . ISSN 2399-3650 . 
  10. ↑ بولنوفا، ي.؛ باركمان، ت.؛ أنجيلوف، ب.؛ بارانوفا، إ.؛ زيماكوفا، أ.؛ سيبيشيا، س.؛ فاردين، ل.؛ يورك، ب.أ.؛ أنتيبينكوف، ر.؛ بيسيللي، د.؛ هورت، أ.؛ ماي، د.د.؛ أندرياسون، ج.؛ نيدل، ج. (2025-03-01). "مصدر أشعة سينية بلازمي مضغوط يعمل بالليزر لتجارب حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي، والتصوير المعتمدة على الزمن في خطوط حزم ELI" . مجلة إشعاع السنكروترون . 32 (الجزء 2): 486-495 . arXiv : 2410.03313 . Bibcode : 2025JSynR..32..486P . doi : 10.1107/ S1600577525000645 . ISSN 1600-5775 . PMC 11892892. PMID 39969113 .   
  11. ↑ فو، باتريك؛ راثمان، ليوين؛ مولر، ماريوس؛ حسن، محمود؛ كلارك، صموئيل ج.؛ فزاع، كامل؛ كلينغبايل، كيفن؛ ريختر، برودان؛ فولب، يورغ؛ راديل، تيم؛ بفيفيركورن، فرانك إي. (2023-01-01). "دراسة بالأشعة السينية عالية السرعة لديناميكيات العملية الناتجة عن خصائص السطح أثناء التلميع بالليزر ذي الموجة المستمرة" . حوليات CIRP . 72 (1): 201-204 . doi : 10.1016/j.cirp.2023.04.026 . ISSN 0007-8506 .