Элтон Р. Рентгеновские лазеры

Подождите немного. Документ загружается.

Предисловие

редактора, перевода.

Эттвуд

Д.,

Холбак

К., Ким

Кванг-Дже. Перестраиваемое коге-

рентное рентгеновское излучение.

—

УФН,

159,

125

(1989).

7 Рентгеновская оптика.

—

Труды ФИАН, 126.

—

М.: Наука, 1989.

я Cealio

A/.,

"Revolution

X-ray Optics", Journal

X-ray Science

and Technology,

1,7-78

(1989).

9 Держиев

В.

Жидков

А.

Г.,

Яковленко С.

И.

Излучение ионов

неравновесной плотной плазме.

—

М.: Энергоатомиздат,

1986.

Ю Sobelman Vinogradov

Α. V.

On the

problem

extreme

UV and

X-ray lasers'',

Adv.

Atomic

and Mol.

Physics, Academic Press,

20,

327 (1985).

Предисловие

Со времени изобретения лазеров постоянно предпринимались уси-

лия по их продвижению в коротковолновую область. Особенно

большие успехи в этом направлении были достигнуты за послед-

ние пять лет. Однако до сих пор нет книги, в которой излага-

лись бы основные принципы рентгеновских лазеров и полученные

к настоящему времени результаты, и в то же время достаточно

детально были бы представлены сведения, необходимые для иссле-

дователей, активно работающих в области рентгеновских лазеров.

Данная книга является попыткой заполнить этот пробел. Она мо-

жет служить учебником для начинающих и удобным справочни-

ком для ученых, знакомых с этой областью. Книга задумана не

как обзор литературы с ссылками на все предшествующие и плани-

руемые работы. Такой общий обзор литературы читатель может

найти в обширной статье 1976 г. [1] и в обзоре 1984 г. [2]. Обзоры

по специальным вопросам цитируются в соответствующих местах

текста.

Основное внимание в книге уделено рентгеновским лазерам,

использующим в качестве активной среды высокотемпературную

плазму. Именно здесь на сегодня достигнуты наибольшие успе-

хи.

Исследования по другим возможным средам также ведутся в

настоящее время, хотя и менее интенсивно. Они обсуждаются в

гл.

На протяжении всей книги длины волн излучения длиннее

12,4А (12,4·10-

см) приводятся в ангстремах (А). Помимо того

что эта единица является традиционной и широко употребляется в

литературе по рентгеновским лазерам, ее использование приводит

к величинам удобных масштабов. Энергия фотонов (his) использу-

ется в качестве единицы измерения в более коротковолновом диа-

пазоне, т. е. для энергий свыше 1 кэВ. Примерное соотношение

между этими единицами таково: А[А] = 12400/Λι/ [эВ]. В инфра-

красном диапазоне для описания лазеров накачки используются

микрометры (мкм). Остальные величины даются в единицах СГС

В гл. 1 определяются основные понятия и описываются экспе-

риментальные факты, необходимые для понимания физики рент-

геновских лазеров. В гл. 2 излагаются принципы работы, констру-

ирования и исследования рентгеновских лазеров. Гл. 3-5 посвя-

конкретным способам накачки плазменных рентгеновских

ов За анализом каждой перспективной схемы следует опи-

уме экспериментов, если они имеются. Как уже упоминалось

са

в гл. 6 описываются некоторые альтернативные (плазме)

подходы, разрабатываемые в настоящее время. В гл. 7 подводятся

итоги и рентгеновские лазеры сравниваются с другими источни-

ками высокой яркости. Многочисленные возможные применения

также описаны в этой заключительной главе. В конце книги при-

водятся список обозначений и предметный указатель.

Автор хочет поблагодарить многих своих коллег из Научно-

исследовательской лаборатории ВМС, Ливерморской националь-

ной лаборатории им. Лоуренса, Национального института стан-

дартов и технологии и Мэрилендского университета, а также всех

остальных коллег, чей вклад автор всегда помнит с уважением.

Автор весьма признателен проф. Г. П. Гриму за приобретенный с

его помощью опыт в области спектроскопии плазмы, постоянную

поддержку и сотрудничество. Особую благодарность автор прино-

сит своей жене и семье за терпение, поддержку и понимание во

время подготовки его книги.

Литература

Waynant R. W.

Elton R. С, Proc. IEEE, 64, 1059 (1976).

Hagehtein P. in: "Atomic Physics" 9, R. S. Van Dyck, Jr., E. N. Fort-

son,

eds., p. 382 (World Publ. Co., Ltd, Singapore, 1984).

Глава 1

Введение

Лазеры для рентгеновского диапазона

1.1. Предварительные замечания

Уже из первых статей по лазерам в начале 60-х годов возникало

предчувствие возможности их продвижения в рентгеновский диа-

пазон. Авторы осознавали, что трудности, с которыми столкнулось

бы такое продвижение, очень велики. В основном это а) в целом

неблагоприятная зависимость усиления от длины волны, б) не-

эффективность резонаторов и в) большие мощности накачки, ко-

торые потребовались бы для этого. Довольно рано также стало

понятно, что работа лазера была бы самоограниченной на фемто-

секундных длительностях (10"~

с), которые характерны для ско-

ростей распада традиционных К

-переходов. В то время казалось

фактически невозможным достичь столь коротких длительностей.

Однако впоследствии было осознано, что квазинепрерывный

режим работы, ограниченный лишь длительностью импульса на-

качки, может быть получен путем использования «оптических»

переходов между внешними оболочками многозарядных ионов. В

этом случае инверсия заселенностей поддерживается за счет бы-

строго истощения заселенности нижнего уровня. Обычно это осу-

ществляется через радиационный распад в основное состояние.

Такая концепция возникла в результате развития успешных ла-

зерных схем видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона,

использующих атомы низких кратностей ионизации. Именно в

этой области наибольший прогресс был достигнут за последние 20

лет. Остается надежда, что возможный прогресс в использова-

нии переходов между внутренними оболочками приведет к более

коротким длинам волн в малозарядных ионах и, возможно, даже

нейтральных атомах.

1.2. База данных

К счастью, обширная информация по структуре атомов и ради-

ационным характеристикам многозарядных ионов уже имелась

Введение

из ранних работ по астрофизике и плазме. Она была пополнена

результатами лабораторных экспериментов с вакуумной искрой,

начавшихся в 30-х годах. Экспериментальные работы по упра-

вляемому термоядерному синтезу с магнитным удержанием и, в

частности, изучение характеристик примесей и диагностика вне-

сли чрезвычайно большой вклад в базу атомных данных. Однако

именно развитие программ по термоядерному синтезу с инерци-

онным удержанием, начавшееся в начале 70-х годов, обеспечило

исследования по рентгеновским лазерам теорией, данными и высо-

кой объемной плотностью мощности, необходимой для успешных

экспериментов.

Многозарядные ионы, подобные по своей электронной струк-

туре нейтральным атомам, имеют определенные общие характери-

стики и образуют изоэлектронные последовательности. Наиболее

простой является водородоподобная последовательность, в кото-

рой у атомов удалены все электроны, кроме одного. Экстраполя-

ционные формулы для нее особенно просты и точны. Поэтому

она является излюбленной изоэлектронной последовательностью

в схемах рентгеновских лазеров и будет широко использоваться

в данной книге для иллюстрации. Дальнейшие последовательно-

сти,

включающие два, три и большее число остающихся связанных

электронов, называются гелиеподобными, литиеподобными и др.

Определенный ион обычно обозначается числом электронов,

которые были удалены, например С

+ для водородоподобного угле-

рода с зарядом ядра Ζ = 6. Мы будем использовать это обозна-

чение в большей части книги. Спектры ионов часто обозначают

римскими цифрами, начиная с I для нейтрального атома. Это обо-

значение особенно часто^потребляется в астрофизической лите-

ратуре. Следовательно, спектры водородоподобного углерода обо-

значались бы как С VI. Такое обозначение становится несколько

неуклюжим для многозарядных ионов тяжелых атомов. Там, где

необходимо его использовать, мы будем давать оба обозначения,

чтобы избежать недоразумений.

1.3. Лазерная среда

Ионы вместе со свободными электронами в некоторой области, в

целом нейтральной, образуют так называемую плазму. Ее ино-

гда называют также четвертым состоянием материи. Основны-

ми характеристиками плазмы являются температуры и плотности

электронов и ионов, а также ее размер и форма. Эти параметры

обычно обозначаются Г

, 7ί, N

и Νζ соответственно. Часто, но

не всегда Т

= TJ. Для плазмы, состоящей из ионов одного вида,

Глава,

и Ν{ связаны зарядом иона. Например, для водородоподобных

ионов с зарядом Ζ N

= (Ζ

—

l)Ni. Это соотношение будет часто

использоваться в гл. 3-5.

1.4. Конструкции

Большинство лазеров видимого и инфракрасного диапазонов излу-

чают вдоль оси, определяемой эталоном Фабри — Перо, который

служит резонатором. Лазерная среда накачивается до получения

инверсии заселенностей. Спонтанное излучение, идущее вдоль оси,

экспоненциально усиливается при каждом проходе через среду. С

помощью резонаторов с высокой добротностью достигается высо-

кая степень направленности и когерентности.

В рентгеновской области отражающая способность имеющих-

ся зеркал относительно низка, как будет подробно обсуждаться

далее. Поэтому в настоящее время рентгеновские лазеры бази-

руются в основном на усилении спонтанного излучения (УСИ) в

среде за один проход. (Более полное определение УСИ будет да-

но в разд. 2.2 гл. 2.) Для этого требуется, чтобы коэффициент

усиления был примерно в 100 раз больше, чем коэффициент уси-

ления в наиболее известных лазерах, работающих с резонаторами

с высокой добротностью. Кажется заманчивым предположение о

том, что соответствующим образом приготовленная среда может в

принципе проявлять лазерный эффект в любом направлении. Это

лежит в основе предположений о том, что некоторые астрономи-

ческие объекты могут излучать УСИ.

Однако если необходимо получить значительное усиление, дол-

жно быть определено предпочтительное направление. Это можно

осуществить в сферической плазме, например, с помощью упра-

вляющего луча от генератора низкой мощности. Такой способ

иногда называют ЗГУМ (задающий генератор — усилитель мощно-

сти).

Обычно, однако, обстоятельства требуют, чтобы геометрия

лазерной среды была линейной. Эти обстоятельства включают в се-

бя как доступную мощность накачки, так и самопоглощение, свя-

занное с оптической плотностью истощающего нижний уровень

перехода. Они будут подробно обсуждаться в гл. 2.

1.5. Этапы развития

Схема логического развития рентгеновского лазера от концепции

до применения показана на рис. 1. Численное моделирование иде!

параллельно экспериментам. Такие стадии можно будет увидет*

в ходе изложения этой книги.

Введение

Концепции

Создание

прибора

Применения

Рис.

1. Логическая схема развития исследований по рентгеновским

лазерам.

Мы можем проиллюстрировать определения диаграммы более

общими примерами. Интенсивная выработка концепции, которая

имела место в 70-х годах, является примером обобщения верхней

половины диаграммы. И только в 80-х годах, когда соответствую-

щая плазменная среда craia доступной, были достигнуты успехи

в экспериментах по демонстрации усиления и создании приборов.

Генерация гармоник длинноволновых лазеров, так же как получе-

ние полезного когерентного излучения на переходах многозаряд-

ных ионов, достигла стадии демонстрационных экспериментов. С

другой стороны, рентгеновский лазер на свободных электронах и

ядерный гамма-лазер и на сегодняшний день находятся в состоя-

нии концепции. Другие альтернативы, такие, как рентгеновский

лазер на твердых кристаллах, вынужденном электронном захвате

и комптоновском рассеянии, также находятся пока в состоянии

разработки концепции.

Глава j

70*

0,1

ЖР

γ-кванты

10°

-f-

100 300

10 зВ

1000

2000 А

РУФ

]ВУФ\

Рис.

2. Диапазоны длин волн и энергий фотонов и обозначения,

принятые для рентгеновских лазеров. ЖР — жесткий рентгенов-

ский диапазон, MP — мягкий рентгеновский диапазон, остальные

обозначения даны в тексте.

Основные понятия и особенности оптических

свойств в рентгеновском диапазоне

Прежде чем переходить к основному изложению, важно дать не-

которые определения и понять особенности характеристик корот-

коволнового диапазона, который нас интересует. Мы начнем с

определения диапазона длин волн, а затем обсудим некоторые осо-

бенности оптических свойств вещества. Эти особенности очень

важны для понимания дополнительных трудностей, связанных с

лазерами этого спектрального диапазона. Аппаратура для спек-

троскопических измерений, такая, как решетки и детекторы, об-

суждается в разд. 6 гл. 2.

2.1.

Определение диапазона длин волн

Следуя некоторым ранним рекомендациям Самсона [1], мы можем

разделить ультрафиолетовый диапазон длин волн короче

2000А

(lA = 10~

см) на различные, отчасти перекрывающиеся поддиа-

пазоны (рис. 2). Эти границы не являются совсем жесткими, хотя

они традиционно приняты в физике рентгеновских лазеров, плаз-

мы и астрофизике.

2.1.1.

Вакуумный ультрафиолетовый диапазон (ВУФ, англ.

VUV)

Широкий диапазон длин волн, простирающийся до 2А, в котором

атмосфера не пропускает излучение на обычных расстояниях

был

назван вакуумным ультрафиолетовым (ВУФ) диапазоном. Распро-

странение излучения этого диапазона возможно только в вакууме

Введение

или,

для

длинноволнового участка,

наиболее легких инертных

газах.

последующим выделением области короче

юооА

термин

ВУФ стал относиться

основном

диапазону

1000-2000А, где ра-

ботает традиционная оптика. Этим объясняется использование

комбинации пунктирной

сплошной линий

на

рис.

2.1.2. Рентгеновский вакуумный ультрафиолетовый диапазон

(РУФ)

Длины волн короче ЮООА

и в

особенности 300-ЮООА относятся

к рентгеновскому вакуумному ультрафиолетовому диапазону.

Со-

хранение слова «рентгеновский» указывает

на

соседство мягкого

рентгеновского диапазона.

2.1.3.

Рентгеновский диапазон

Весь рентгеновский диапазон перекрывает область

от 700 до

0,1

[2,

3]. Однако традиционно считают, что

он

начинается

300А,

где

кончается

РУФ. Эта

область далее разделяется

на

мягкую

(MP)

для длин волн

2-300А

жесткую

(ЖР) для

более коротких длин

волн. Рентгеновские лучи

MP-диапазоне обычно описываются

длинами волн

ангстремах.

Мы

будем следовать этой традиции

на

протяжении всей книги,

так как

рентгеновские лазеры работают

настоящий момент

этом диапазоне. Длины волн преобразуются

в частоту через соотношение

λ = с/ν, где с —

скорость света

вакууме.

Для

жестких рентгеновских лучей более традиционно

и практично использовать энергии фотрнов

hv в кэВ.

Формула

преобразования имеет

вид \

12,4/А кэВ,

\ (1)

где

λ —

длина волны

ангстремах. Следовательно, ЖР-диапазон

= 0,1

—

2А

эквивалентен

hv = 6,2

—

120 кэВ. Это

указывается

верхней шкалой

на

рис.

2. \

2.1.4-

Жесткий рентгеновский диапазон

диапазон

гамма-квантов

Фотоны, испускаемые радиоактивными ядрами

энергиями

в широком диапазоне

от 10 кэВ до 250 МэВ,

называются гамма-

квантами [3].

Это

определение перекрывает жесткий рентгенов-

ский диапазон

области низких энергий. Различие между ними

в литературе,

в том

числе

и в

этой книге проводится

по

принад-

лежности излучения

ядерным

или

атомным переходам. Следова-

тельно, задуманные

наши

дни

ядерные гамма-лазеры

области

Глава,

10—100

кэВ,

рассмотренные

в гл. 6,

вполне могут быть классифи-

цированы

как

рентгеновские.

2.2.

Окна

фильтры

В области вакуумного ультрафиолета,

как

было определено выше,

окна необходимы тогда, когда источник излучения работает

при

таком высоком давлении,

что

имеющиеся вакуумные насосы

не

могут уменьшить давление

системе регистрации настолько, что-

бы

она

пропускала излучение.

Это

зависит

как от

конкретного

газа,

так и от

длины волны

[1].

Например, такой инертный

газ,

как гелий, имеет хорошее пропускание

при

достаточно высоком

давлении

для

коротких длин волн вплоть

до

края фотоионизации

539А.

Поэтому

он

может использоваться

как

средство очистки

при

атмосферном давлении

на

средних длинах пути (поглощение

мо-

лекулярного гелия может иметь место

при

высоких давлениях

для

расстояний

> 1 м). С

другой стороны, двухатомные газы, такие,

как азот

кислород (воздух), являются сильно непрозрачными

для длин волн короче

2000А и

должны быть удалены. Окна,

та-

ким образом, изолируют систему регистрации

от

источника. Газы

могут также служить фильтрами

от

нежелательного излучения

на

длинах волн короче края пропускания. Например, аргон

при да-

влении

~ 1 мм рт. ст.

ослабляет длины волн короче

800А.

Менее

привлекательной альтернативой окнам являются маленькое сквоз-

ное отверстие

или

узкая щель, рассмотренные

в п.

2.2.3.

2.2.1.

Кристаллы

Ряд диэлектриков остаются прозрачными

ВУФ-области спектра.

Они могут использоваться

для

окон, линз

пластинок

λ/4, λ/2

(если материал двулучепреломляющий). Пропускание остается

высоким вблизи

(~ 50А)

края поглощения. Зависимость пропус-

кания

от

длины волны

для

различных диэлектриков

[4]

показана

на

рис. 3.

Популярным примером является кварц высокого каче-

ства, который может использоваться

до

1650А. Пропускание

80%

на 1500А было получено

на

искусственных кристаллах

[5].

Кри-

сталлический фторид лития пропускает вплоть

до ПООА.

(Однако

поглощение увеличивается

и его

край эффективно сдвигается

длинноволновую область, если образуются активные центры из-за

плазменной бомбардировки.)

другой стороны, края поглоще-

ния

коротковолновой области

не

являются вредными, когда

они

служат

для

устранения спектров высоких порядков

при

анализе

большого числа линий.