Элтон Р. Рентгеновские лазеры

Подождите немного. Документ загружается.

Р.Элтон

лазеры

здательство «Мир»

X-RAY LASERS

Raymond

C. Elton

Naval Research Laboratory

Washington,

D. C.

ACADEMIC PRESS,

INC.

Harcourt Brace Jovanovich, Publishers

Boston

San

Diego

New

York

Berkeley London Sydney

Tokyo Toronto

Р.Элтон

Рентгеновские

лазеры

Перевод с английского

В.

Е. Левашова, О. И. Толстихина

под редакцией

д-ра физ.-мат. наук А. В. Виноградова

Москва «Мир» 1994

ББК 22.545

Э53

УДК 681.7.069.24+535-34

Элтон Р.

Э53 Рентгеновские лазеры: Пер. с англ. — М.: Мир, 1994. —

335 с, ил.

ISBN 5-03-002583-9

В книге авторов из США излагаются физические особенности

и принципы построения лазеров с налой длиной волны, различ-

ные способы накачки рентгеновских лазеров. Рассмотрены также

перспективные направления: генерация гармоник и смешивание

частот, лазеры на свободных электронах, гамма-лазеры и т. д. Мо-

жет служить учебным пособием.

Для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов,

интересующихся физикой и применениями рентгеновских лазе-

ров в материаловедении, биологии, медицине.

^ 1004060000-104 ^

041(01)-94

2-SM* ББК 22.545

Федеральная целевая программа книгоиздания России

Данное издание осуществлено при участии Физического

института им. П. Н. Лебедева

Редакция литературы по физике и астрономии

ISBN 0-12-238080-0(аыгл.) ^

' © перевод на русский язык, Ле-

вашов В. Е., Толстихин О. И.,

1994

Предисловие редактора перевода

В 1901 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген стал первым

лауреатом учрежденной в то время Нобелевской премии по физи-

ке за открытие невидимых лучей, получивших его имя. Сегодня,

спустя почти 100 лет, вы держите в руках первую монографию по

рентгеновским лазерам. В ней систематически изложены идеи, те-

ория и экспериментальные результаты двадцатилетних работ, на-

правленных на получение монохроматичного и когерентного пуч-

ка рентгеновских лучей.

Как отмечает автор книги Р. С. Элтон, предчувствие появле-

ния рентгеновского лазера возникло сразу же вслед за изобрете-

нием лазеров видимого диапазона. Он не говорит, было ли это

предчувствием скорой осуществимости или же ощущением исклю-

чительной важности научных и технических приложений. Так

или иначе работы по рентгеновским лазерам постоянно привлека-

ют ученых-энтузиастов и пользуются благосклонным отношением

финансирующих организаций.

Самая короткая длина волны, на которой обнаружен сейчас

лазерный эффект^составляет 44А. Если же говорить о лазере как

о физическом инструменте, то в настоящее время имеются уста-

новки, работающие на длинах волн 182 и

206А,

в Принстонском

университете (США) и в Ливерморской лаборатории (США), ко-

торые уже в течение ряда лет постоянно используются для прове-

дения физических экспериментов с когерентным рентгеновским

пучком. Эти установки пока еще относятся к разряду уникаль-

ных, и, пожалуй, одной из главных задач этого направления явля-

ется повышение КПД, снижение мощности накачки, поиск более

устойчивых схем получения инверсии с целью создания надежно-

го и простого в эксплуатации рентгеновского лазера. На основе

такого лазера могли бы быть созданы приборы, которые найдут

применение не только в физике, но и в технологии, биологии, ме-

дицине.

Здесь надо отметить, что наиболее заманчивые применения

рентгеновских лазеров связывают с областью длин волн короче

Рентгеновское излучение этого диапазона хорошо распространяет-

ся в воздухе и веществе. В этой же области лежат характерные

размеры молекул, межатомные и межплоскостные расстояния в

Предисловие

редактора перевода

твердых телах, длины связей химических

биологических соеди-

нений

и т. п.

то же

время существующие

разрабатываемые сейчас рент-

геновские лазеры имеют значительно большие длины волн:

44-250А. Элтон относит

эту

область

диапазону мягкого рентге-

новского

(MP)

излучения. Взаимодействие этого излучения

с ве-

ществом весьма специфично,

что и

определяет сферу возможных

применений лазеров мягкого рентгеновского диапазона.

Приступая

чтению книги

по

лазерам мягкого рентгеновского

диапазона, целесообразно иметь

виду,

где

вообще применяется

эта довольно неудобная

для

работы область длин волн.

Она неудобна

по

целому ряду причин. Во-первых, излучение

с длинами волн 44-250А составляет часть диапазона вакуумного

ультрафиолетового

(ВУФ)

излучения.

Это

означает,

что в

возду-

хе

газах

оно

сильно поглощается

и на

макроскопические рас-

стояния может распространяться лишь

вакууме. Максималь-

ное давление

при

этом определяется длиной волны

химическим

составом газа. Во-вторых,

этом диапазоне длин волн лежат

максимумы коэффициента поглощения практически всех матери-

алов.

Поэтому длина пробега фотона меньше,

чем

любом другом

диапазоне,

составляет

от

нескольких единиц

до

нескольких

де-

сятых микрометра. Отсюда ясно,

что

применение линз, призм,

окон, делительных пластинок

вообще столь привычной

в ла-

зерной технике прозрачной оптики

данном случае исключено.

В-третьих, оказывается,

что и

зеркальную оптику создать

не так

просто. Дело

том,

что

отражательные способности всех матери-

алов

этой области крайне малы. Причина заключается

малой

оптической плотности веществ,

так что

диэлектрическую прони-

цаемость можно представить

виде

ε = /

—

δ +

t'/?,

где δ и β —

малые величины. Подставляя

это

выражение

формулу Френе-

ля

R = (1 -

у/е)/{1

+ y/ε) ю (β

)/16, убеждаемся,

что

коэф-

фициент отражения

при

нормальном падении очень

мал.

Нако-

нец, определенные трудности имеются

источниками излучения.

Рентгеновские трубки

аппараты, которые широко применяют-

ся

научных приборах, промышленности, медицине

для

полу-

чения излучения

длинами волн

λ <

ЗОА,

интересующем

нас

диапазоне обладают очень низкой интенсивностью.

Это

связано

с неблагоприятным соотношением вероятностей радиационных

оже-распадов вакансий

в L- и

Λί-оболочках атомов, которые

от-

ветственны

за

испускание мягких рентгеновских квантов. Боль-

шей интенсивностью обладают специализированные синхротроны

и накопители электронов, микропинчевой разряд

плазма, созда-

ваемая

при

фокусировке

на

твердые мишени импульсов излуче-

Предисловие

редактора, перевода

ния лазеров, имеющих частоту повторения единицы

—

десятки

герц.

синхротронах

накопительных кольцах мягкое рентге-

новское излучение получается

при

взаимодействии электронов

магнитными полями, создаваемыми

специальных устройствах:

ондуляторах, вигглерах, змейках. Именно

на них

достигаются

настоящее время максимальная средняя

по

времени мощность

яркость излучения, благодаря чему возможна постановка уникаль-

ных научных экспериментов. Число действующих

сооружаемых

в разных странах специализированных синхротронов приближа-

ется

к 70,

однако

они,

по-видимому,

ближайшем будущем оста-

нутся громоздким, дорогостоящим

довольно труднодоступным

инструментом научных исследований.

В то же

время микропин-

чевой разряд

лазерная плазма представляют собой компактные,

сравнительно недорогие,

но

пока

еще

довольно сложные устрой-

ства. Средняя интенсивность

их

излучения значительно меньше,

чем

каналах синхротрона,

а по

таким показателям,

как

уни-

версальность

надежность,

они

пока

еще

отстают

от

серийных

рентгеновских трубок.

Несмотря

на

указанные трудности

проведением эксперимен-

тов,

источниками

оптикой,

как

научные,

так и

прикладные

ис-

следования

использованием мягкого рентгеновского излучения

привлекают

все

больший интерес.

Прежде всего следует сказать

материаловедении

микроана-

лизе.

Здесь мягкое рентгеновское излучение, испускаемое под дей-

ствием пучка элект{юнов

или

рентгеновских фотонов, использу-

ется

для

определения химического состава облучаемых образцов,

характера химической связи, наличия ближнего порядка.

В физике плазмы мягкое рентгеновское излучение применяет-

ся

для

получения информации

процессах, протекающих

горя-

чей плазме

при

температурах свыше сотен электронвольт.

этой

области длин волн лежит максимум излучения горячей плазмы.

то

же

время

критическая электронная плотность достаточно

ве-

лика,

что

позволяет исследовать мощные импульсные разряды,

ла-

зерную термоядерную плазму, сжимающиеся лайнеры

и т. п., где

оптические

лазерные методы диагностики могут применяться

лишь

для

исследования периферических областей

электронной

плотностью

< 10

см""

В биологии

медицине рентгеновская микроскопия

по

про-

странственному разрешению занимает промежуточное место

ме-

жду оптической

электронной. Главным

ее

достоинством явля-

ется возможность изучения влажных, непрепарированных живых

клеток

тканей. Речь идет

об

образцах, имеющих толщину еди-

ницы

—

десятки микрометров,

т. е. как раз

порядка длины

про-

Предисловие

редактора, перевода

бега фотона мягкого рентгеновского излучения. Контраст види-

мого оптического излучения

на

таких толщинах мал,

необходи-

мо окрашивание образцов. Электронная микроскопия имеет дело

лишь

высушенными

препарированными объектами,

на

кото-

рые нередко необходимо напылять тонкий контрастирующий слой

металла.

соответствии

этим,

также

и с

малой длиной пробе-

га электрона (не больше нескольких десятых микрометра) элек-

тронная микроскопия дает информацию

основном

тонком по-

верхностном слое образца.

отличие

от

этого применение мягкого

рентгеновского излучения

принципе позволяет исследовать клет-

ку или биологический срез

так

же,

как

изучают болезни человека

в клинике

помощью рентгеновских аппаратов. Наконец, чрез-

вычайно важна возможность получения естественного (без окра-

шивания

введения тяжелых элементов-меток) контраста между

белками

водой. Такой контраст достигается

области так назы-

ваемого «водяного окна» 44А

23А,

где

максимально разли-

чие коэффициентов поглощения углерода

кислорода — основных

составляющих белков

воды.

В технологии производства интегральных микросхем использо-

вание мягкого рентгеновского излучения

—

один

из

путей

уве-

личению степени интеграции

созданию чипов

размерами эле-

ментов

до

0,1 мкм. Методы оптической литографии

этом случае

становятся неприменимыми из-за эффектов дифракции, размы-

вающих изображение шаблона.

По

целому ряду причин,

на

кото-

рых

мы

здесь

не

останавливаемся, наиболее перспективной

для

рентгеновской литографии принято считать область длин волн

10А

< λ <

ЮОА.

настоящее время практически все специализи-

рованные синхротроны оснащены каналами для технологических

работ

по

рентгеновской литографии. Кроме того, западные фир-

мы выпустили коммерческие рентгенолитографические установки

на основе микропинча

лазерной плазмы.

Таковы основные области применения мягкого рентгенов-

ского излучения. Безусловно,

все они

получат новый импульс

и развитие, если появится достаточно доступный

удобный

в обращении рентгеновский лазер

). Уникальные свойства

ла-

Выше

мы

упоминали,

что

длина пробега фотона

веществе

мяг-

ком

рентгеновском диапазоне минимальна.

Она все же

значительно

больше

длины пробега электронов

энергией меньше

0,5

МэВ.

—

Прим.

ред.

)

Сейчас трудно

сказать,

будет

ли это

принципиально новое

устрой-

ство

или же его

прообразом станут действующие

течение

несколь-

ких

лет

США лабораторные рентгеновские

лазеры,

описанные

книге

Р.

С. Элтона.

—

Прим.

ред.

Предисловие

редактора перевода

зерного излучения

—

монохроматичность, направленность,

яр-

кость

—

дают надежду превзойти основные параметры ныне

используемых нелазерных. источников мягкого рентгеновского

излучения.

Так, материаловедение

микроанализ нуждаются

увеличе-

нии чувствительности

локальности анализа, повышении яркости

зондирующих пучков. Представляет интерес

воздействие корот-

коволнового ВУФ-излучения

на

рельеф супергладких поверхностей

с целью

их

окончательной доводки.

плазменных исследованиях

рентгеновский лазер

мог бы

использоваться

для

просвечивания

и активной диагностики плотного

сверхсжатого вещества тер-

моядерных мишеней.

На

существующих рентгеновских лазерных

установках разрабатываются программы экспериментов

прове-

дены первые опыты

по

микроголографии биообъектов. Если

бу-

дут доступны перестраиваемые рентгеновские лазеры,

то

появит-

ся возможность исследовать

контролировать распределение

хи-

мических элементов

клетке

тканях,

что

важно

для

изучения

механизма действия лекарств.

Примечательно,

что в

последние

15 лет

наряду

развитием

рентгеновских лазеров исключительно быстро

успешно развива-

лись работы

по

рентгеновской оптике. Если раньше,

как

отмеча-

лось выше, из-за сильного поглощения

малой отражательной спо-

собности речь могла^ идти лишь

об

отражательной оптике сколь-

зящего падения,

то

сейчас появился

ряд

новых оптических эле-

ментов. Расширение экспериментальных возможностей оказалось

столь разительным,

что

появился даже термин «революция

рент-

геновской оптике». Имеются

виду прежде всего многослойные

рентгеновские зеркала

зонные пластинки.

Оба

этих элемента

относятся

оптике нормального падения

обладают большой све-

тосилой

малыми аберрациями. Применительно

рентгеновским

лазерам

они

могут использоваться

резонаторах, изображающих

и сканирующих микроскопах, устройствах управления

преобра-

зования пучков

для

фокусировки излучения

целью достижения

максимальной плотности потока рентгеновского излучения.

Как

лазерной технике видимого диапазона, использование оптики

позволит наиболее полно реализовать достоинства рентгеновского

лазера

по

сравнению

нелазерными источниками рентгеновского

излучения.

Вернемся теперь

книге «Рентгеновские лазеры».

Ее

автор

Р.

С. Эйтон

—

один

из

пионеров рентгеновских лазеров.

Ему

при-

надлежит целый

ряд

оригинальных идей

результатов: разработ-

ка концепции столкновительного рентгеновского лазера, получе-

ние когерентного излучения

далеком ВУФ-диапазоне путем гене-

Предисловие

редактора, перевода

рации высоких гармоник излучения лазеров видимого диапазона,

получение генерации

на

переходах многозарядных неоноподобных

ионов меди

германия

области 25θΑ. Очень важно,

что

послед-

ний результат

был

достигнут

на

средней

по

масштабу установке

(длина волны лазера, создающего активную среду,

1,06

мкм,

дли-

тельность импульса

1-2

не, энергия

500 Дж)

без использования

специальных мишеней. Книга написана очень ясно,

не

требует

ни-

какой специальной подготовки

и по

существу является хорошим

учебным пособием.

В то же

время

она

содержит

все, что

необ-

ходимо студенту, аспиранту, начинающему специалисту

—

экс-

периментатору

или

теоретику,

—

чтобы вникнуть

суть пробле-

мы

далее вести

уже

самостоятельные исследования

этой обла-

сти.

Ряд

специальных вопросов, примыкающих

теории актив-

ных сред рентгеновских лазеров, освещен лишь

той

мере,

какой

это необходимо

для

понимания основного материала книги. Сюда

относятся теория атомной структуры многозарядных ионов,

га-

зодинамика плазмы, расширяющейся

под

действием мощного

ла-

зерного излучения, кинетические процессы

такой плазме, ради-

ационная газовая динамика, перенос излучения

линиях, теория

ширины спектральных линий

плотной плазме, теория сверхизлу-

чения, построение одномерных

двумерных численных моделей

рентгеновских лазеров

и т. п. Вот

круг вопросов, которые реша-

ют сейчас многие исследователи, работающие

области физики

рентгеновских лазеров. Знания

опыт

этих вопросах читатель

сможет приобрести только

во

время самостоятельной работы

ла-

боратории,

за

компьютером

или

за

письменным столом.

А.

В.

Виноградов

Литература

Аристов

В. В.,

Ерко

А.

И.

Рентгеновская оптика.

—

М.:

Наука,

1991.

Skinner

С.

"Review

soft X-ray lasers

and

their applications". Phys.

Fluids,

B3,

2420-2429 (1991).

Афанасьев

Ю.

В.,

Веретенников В.

Α.,

Емельянов

Д.

Г.

др.

Моди-

фикация поверхности ВТСП пленок мощным импульсом

ВУФ

излучения.

—

ДАН,

318, 1377

(1991).

Виноградов

А.

В.,

Врытое

И.

Α.,

Грудский

А.Я. и др.

Зеркальная

рентгеновская оптика.

—

Л.: Машиностроение,

1989.

5. Бессонов

Е.

Г.,

Виноградов

А.

В.

Ондуляторные

лазерные

ис-

точники мягкого рентгеновского излучения.

—

УФН,

159, 143

(1989).