Элтон Р. Рентгеновские лазеры

Подождите немного. Документ загружается.

Заключение. Применения и перспективы

301

Рис. 4. Сравнение абсолютных спектральных яркостей различных

рентгеновских источников [1, 4]. / — рентгеновские лазеры; 2 —

плазма высокой плотности; 3 — линейчатое излучение; 4 — непре-

рывный спектр; 5 — синхротронное излучение.

их характеристики с прогнозируемыми параметрами рентгенов-

ских лазеров в табл. 2.

Имеется много способов такого сравнения. Например, источ-

ники непрерывного спектра, такие, как синхротроны (см. рис. 5)

могут излучать большое количество энергии в широком спектре,

но относительно малое количество в узкой полосе и короткой дли-

тельности (низкая яркость). При таком сравнении рентгеновские

лазеры превосходят все другие источники (см. разд. 3.2 и рис. 4).

Однако если брать среднюю яркость за большое время, то, чтобы

равняться с синхротронами, рентгеновские лазеры должны были

бы работать с большой частотой. Это в настоящее время невоз-

можно. Таким образом, выбор наилучшего источника зависит от

Конкретного приложения.

В табл. 2 яркость измеряется в единицах фотон/с

·см

ср в поло-

се ДА/А

10~*

Результаты сравнения из работ [1] и [4] показаны

рис.

Глава

•β-

Lj 1 ι ι ι

0,1 1,0 10 100 1000

10000

Рис.

Универсальная форма спектра синхротронного излучения.

По

оси

ординат отложено число фотонов

единицу времени гори-

зонтального угла

на

единицу энергии пучка

тока

в ГэВ и мА

соответственно.

По оси

абсцисс отложена длина волны

единицах

критической А

н*, которая определяется формулой

(6) [13].

3.1.

Источники с электронной бомбардировкой

3.1.1.

Стандартная рентгеновская трубка

Наиболее известным

распространенным источником рентгенов-

ского излучения является узкая область мишени, бомбардируемая

электронами. Такие устройства были первыми источниками рент-

геновского излучения, которые

и в

настоящее время используются

наиболее широко. Излучение таких источников состоит

как из не-

прерывного,

так и из

линейчатого спектров. Обычно мощность,

непрерывно рассеиваемая мишенью

площадью

с 0,1 см

соста-

вляет десятки киловатт.

Это

рассеяние нагретым анодом огра-

ничивает интенсивность рентгеновского излучения

при

напряже-

ниях выше нескольких киловольт.

При

меньших напряжениях

основным ограничением являются эффекты пространственного

заряда

[7]. В

рентгеновское излучение преобразуется лишь около

энергии падающих электронов. Поэтому максимальная интен-

сивность излучения рентгеновской трубки

на

несколько порядков

меньше,

чем у

других источников

[8, 9], и

потому

она не

показана

на

рис. 4. Для

рентгеновской литографии

на

фоторезисте

высо-

ким разрешением требуются нереально большие времена экспози-

ции

при

использовании

качестве источника рентгеновской труб-

ки.

По

рентгеновским трубкам имеется огромное количество

ли-

Заключение. Применения и перспективы

303

тературы. Одним из удобных справочников, который часто здесь

цитируется, является книга Сэмсона [10].

3.L2. Релятивистские пучки электронов

Огромное количество рентгеновского излучения испускается при

импульсной бомбардировке твердой мишени мощным пучком реля-

тивистских электронов. Такие пучки работают при напряжениях

на уровне мегавольт и токах порядка мегаампера (см. п. 4.2.2.

гл.

2). Их невозможно сфокусировать в малую область в отли-

чие от лазерного излучения. Это обусловлено главным образом ку-

лоновским отталкиванием электронов. Они также неудобны для

управления и транспортировки на удаленную или труднодоступ-

ную мишень. Однако их эффективность является, видимо, доста-

точно высокой.

В открытой печати отсутствуют данные по выходу рентгенов-

ского излучения у таких вакуумных диодов. Однако у аналогич-

ных установок, работающих с газом, рентгеновский выход соот-

ветствует уровню плотной плазмы (см. рис 4 и п. 3.3.2).

3.2. Синхротронное излучение

3.2.1.

Основные принципы

Синхротронное излучение представляет собой магнитно-тормоз-

ное излучение электронов, подверженных центростремительному

ускорению на круговой орбите в магнитном поле. Такое название

оно получило от установок, на которых оно впервые было обнару-

жено.

В современных синхротронных источниках рентгеновского

излучения обычно используются накопительные кольца электро-

нов.

Электроны удерживаются на круговых орбитах в накопитель-

ном кольце постоянно, так что синхротронное излучение является

непрерывным по времени. Добавление виглеров и ондуляторов в

прямые участки накопительных колец, как описано в разд. 2 гл. 6,

посвященной лазерам на свободных электронах, существенно уве-

личивает интенсивность излучения фотонов высокой энергии и

суммарную эффективность этих установок [11].

В настоящее время значительное количество синхротронов спе-

циально предназначено для приложений рентгеновского излуче-

ния, в особенности для анализа и создания материалов. По этой

теме имеется обширная литература [12]. Однако эта активно раз-

рабатываемая область находится за рамками настоящей книги.

Синхротронные источники здесь используются лишь для сравне-

304

Глава 7

ния их характеристик с теми, которые считаются реалистичными

для рентгеновских лазеров, в частности для сравнения спектраль-

ных яркостей.

3.2.2. Спектр излучения

Спектр синхротронного излучения всегда имеет одинаковую фор-

му, показанную на рис. 5 из работы [13]. В длинноволновой области

кривая обладает широким непрерывным участком с максимумом

вблизи критической длины волны, а в коротковолновой быстро па-

дает до нуля. Эта критическая длина волны определяется соотно-

шением

Xcrit = -—J"

, (6)

где λ измеряется в А, радиус орбиты электронов г

— в метрах

и их энергия Е

— в ГэВ. Следовательно, электроны с энергией

4 ГэВ на орбите с радиусом 20 м излучает непрерывный спектр

с максимумом на 1,7А. Полоса излучения может простираться на

много порядков в длинноволновый край от максимума.

3.2.3. Параметры выходного излучения

3.2.3а. Интенсивность. Излучение от накопительного кольца на-

правлено по касательной к траектории электронов. Так как эти

касательные полностью заполняют плоскость кольца, то излучение

сосредоточивается в плоскости орбиты. В современных синхро-

тронных источниках вокруг орбиты могут размещаться от девяти

до двадцати экспозиционных станций. В горизонтальной плоско-

сти расходимость излучения составляет «10 мрад. Ширина на

полувысоте вертикального углового распределения на длине вол-

ны максимума интенсивности равна 570(тс

/Е

) в миллирадиа-

нах, где Е

— энергия электронов [13]. Это составляет лишь 0,1

мрад при энергии Е

= 4 ГэВ в направлении, перпендикулярном

плоскости орбиты. Следовательно, излучение заключено в телес-

ном угле ~ 10"

ср.

Интенсивность синхротронного излучения может быть рассчи-

тана очень точно, поэтому синхротроны являются прекрасными

источниками для абсолютной калибровки в MP-диапазоне. Этим

они отличаются от всех остальных источников, которые здесь рас-

сматриваются. Типичный синхротрон может излучать в свой те-

лесный угол с площади 1 мм

> 10

фотон/с-А.

Для сравнения с

Заключение. Применения и перспективы

305

рентгеновскими лазерами спектральный диапазон ограничен вели-

чиной ΔΑ/Α = 10~

, например, с помощью монохроматора. Следо-

вательно, на длине волны ЮОА на работающих в настоящее время

приборах можно получить интенсивность излучения 10

(в вы-

шеприведенных единицах) (см. рис. 4). В настоящее время раз-

рабатывается новое поколение синхротронов, которые имеют яр-

кость на 4-5 порядков больше [10]. Однако это все равно далеко от

возможностей рентгеновских лазеров. По сравнению со стандарт-

ными источниками рентгеновского излучения время экспозиции

фоторезиста для литографии с синхротронным источником соста-

вляет 10

—

с вместо многих часов и дней [7].

3.2.36.

Поляризация излучения. Другая особенность синхротрон-

ного излучения заключается в том, что оно сильно поляризовано,

причем электрический вектор лежит в плоскости орбиты. Кроме

того,

степень поляризации может быть точно рассчитана из пара-

метров установки. Это обстоятельство является особенно выгод-

ным для приложений, где требуется поляризованное излучение.

Одним из примеров служит изучение анизотропных кристаллов

[8].

Кроме того, поляризованное излучение полезно при определе-

нии углового распределения испускаемых электронов в фотоэлек-

тронной спектроскопии кристаллических структур. Плазменные

резонансы также связаны с поляризационными свойствами лазер-

ного луча. Измерение коэффициентов отражения с помощью по-

ляризованного излучения позволяет определить оптические кон-

станты материалов по различным направлениям. Однако поляри-

зация излучения может оказаться помехой при определении эф-

фективности зеркал, решеток и абсолютных калибровок приборов,

работающих в неполяризованном свете. В этих случаях необходи-

мы измерения при различных ориентациях приборов относитель-

но синхротронного пучка.

3.2.8в. Ширина полосы излучения. Непрерывность спектра син-

хротронного излучения важна при изучении узких резонансов в

фотоионизационном континууме и экситонных структур в твер-

дых телах. Однако могут иметься неоднозначности, связанные с

рассеянным светом и вкладом высоких порядков в монохромато-

рах в интересующую область длин волн. В этих случаях полезны

селективные отражатели и фильтры (см. разд. 2 гл. 1), так же как

и спектрометры с двойной дисперсией. Высокие требования к ва-

кууму (< 10~

мм рт. ст.) также могут стать проблемой. В этих

случаях требуется дополнительная изоляция. Все эти недостатки

в действительности можно преодолеть с помощью перестраиваемо-

306

Глава 7

го интенсивного коллимированного когерентного рентгеновского

лазера с узкой линией.

3.3.

Плотная плазма

Высокотемпературная плазма позволяет эффективно преобразо-

вывать энергию в интенсивное линейчатое и непрерывное рентге-

новское излучение. Для этих целей высокотемпературная плазма

может создаваться с помощью мощных лазеров от ультрафиоле-

тового до инфракрасного диапазонов или путем электрического

разряда. Мы рассмотрим каждый из этих методов.

3.3.1. Лазерная плазма

Преимущество мощных лазеров ультрафиолетового /видимого/ ин-

фракрасного диапазонов, используемых для создания плазмы, за-

ключается в возможности концентрировать энергию в очень ма-

лом (десятки и сотни микрометров) пятне на мишени. Напри-

мер,

обычно плазма образуется в фокальной области с объемом

« 10""

см

. При необходимости мишень может быть удалена или

располагаться в труднодоступном месте на значительном рассто-

янии. Лазерное излучение может быть легко сфокусировано в ли-

нию для создания активной среды рентгеновских лазеров, что уже

упоминалось в различных разделах этой книги. Лазерная плазма

является почти точечным источником с высокой степенью коге-

рентности, что важно для некоторых приложений. Энергия фо-

тонов лежит в диапазоне от 10 эВ до десятков кэВ. Длительность

импульса излучения может быть очень короткой и перестраивае-

мой, обычно она лежит в диапазоне от 1 пс до десятков наносе-

кунд. Это очень ценно для мгновенной диагностики движущихся

объектов (см. далее). Излучение лазерной плазмы может состоять

как из непрерывного, так и из линейчатого спектров. Эффектив-

ность преобразования излучения накачки в некоторые резонанс-

ные линии (например, переход He-подобного иона сп = 2вп = 1)

может достигать

1-10%.

Суммарная эффективность преобразова-

ния в рентгеновское излучение, как было найдено, превышает 20%.

Типичные величины абсолютных яркостей приводятся на рис. 4.

Яркость линии лазерной плазмы можно оценить исходя из дан-

ных работы, в которой мощность излучения в 2тг стерадиан в ли-

нии llA с шириной Δ λ/λ « 10~

составила 25 МВт. Объем фо-

кальной области был ~ 10"

см

. Это дает для яркости величину

~ 10

в тех же единицах, что и ранее. Такая величина соответ-

ствует на рис. 4 излучению плотной плазмы.

Заключение. Применения и перспективы

307

Преимуществом лазерной плазмы при изучении материалов

является высокая яркость, т. е. большая энергия, сконцентри-

рованная в коротком импульсе и малом объеме. Наличие в излуче-

нии непрерывного и линейчатого спектров имеет как преимуще-

ства, так и недостатки. Одна из сложностей, связанных с этим,

обсуждалась при рассмотрении синхротронного излучения. Кро-

ме того, при исследовании спектров поглощения наличие большо-

го количества линий является иногда серьезным недостатком. Эти

проблемы, по-видимому, можно разрешить с помощью монохрома-

тического рентгеновского источника на основе лазерной плазмы.

3,3.2. Плазма электрического разряда

Импульсная дуговая плазма для получения рентгеновского излу-

чения обычно создается в высоковольтных (мегавольты) диодных

установках. Они также используются для создания релятивист-

ских электронных пучков, рассмотренных ранее. В этих установ-

ках либо инжектируется газ в диодную область, либо взрывается

тонкая проволочка. Затем происходит самопроизвольное сжатие

и разогрев наряду с испусканием большого количества рентгенов-

ского излучения. Получение лазерной генерации с использованием

таких установок описано в разд. 4.2.2 гл. 2.

Рентгеновский выход у этих установок значительно больше,

чем у лазерной плазмы. Например, на той же линии llA (см. при-

мер выше) мощность излучения составила 25 ГВт [16]. Однако раз-

мер плазмы электрического разряда обычно составляет несколько

миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Следо-

вательно, объем плазмы равен по крайней мере 10"

см

, что в 10

раз больше, чем в случае лазерной плазмы. Это дает практически

ту же яркость ~ 10

(см. рис. 4).

Кроме того, длительность электрического разряда обычно со-

ставляет 10-100 не, что значительно больше, чем в случае лазерной

плазмы. Это является преимуществом для реализации многопро-

ходного усиления в резонаторе. Однако при регистрации движу-

щихся объектов длинный импульс является недостатком. Другой

недостаток таких установок заключается в ограниченном доступе

к источнику, который обычно находится в большой вакуумной ка-

хМере и окружен изолирующими материалами при высоком (MB)

напряжении. Это представляет особенно сложную проблему, ко-

гда требуется большое число измерений в различных направлениях

в отличие от лазер-плазменного источника, который может быть

расположен в любом месте, куда можно направить лазерный луч.

308

Глава 7

Применение рентгеновских лазеров

4.1.

Введение

Вопросы применения рентгеновских лазеров затрагиваются в боль-

шинстве статей по этой тематике. Это отражает общую точку

зрения, что, вероятно, наиболее важные области их использова-

ния будут обнаружены после того, как рентгеновские лазеры при-

обретут вид готовых прибрров. Эти приложения в значительной

степени будут определяться характеристиками конкретных рент-

геновских лазеров. Например, субпикосекундный лазер мог бы

открыть новые возможности быстрой рентгенографии. Лазер с

высокой когерентностью будет весьма перспективен для интерфе-

рометрических и голографических приложений.

Тот факт, что наиболее важные области применения обнару-

живаются лишь после разработки или изобретения, характерен не

только для лазерной техники, но и для других областей науки. Бы-

ло бы неразумно с этой точки зрения ограничивать исследования

рамками конкретных приложений. Хотя значительные коэффи-

циенты усиления недавно были получены несколькими способа-

ми,

было бы нежелательно прекращать исследования по альтер-

нативным подходам. Обсуждение возможных приложений рент-

геновских лазеров, вероятно, будет неточным. Часто именно эти

непредвиденные изменения характеристик приводят к наиболее

важным приложениям в будущем.

Тем не менее полезно и важно периодически оценивать в свете

современного состояния науки и потребностей диапазон возмож-

ных применений, хотя иногда это может показаться «гаданием

на кофейной гуще». Были предприняты три серьезные попыт-

ки таких оценок многими авторитетами в дисциплинах, связан-

ных с рентгеновскими лазерами. Первая из них была организова-

на Военно-Морской лабораторией (США) и проводилась во время

конференции по лазерам и электрооптике [17] в 1973 г. Вторая и

наиболее полная из всех была собрана и опубликована компанией

«Физикл Дайнэмикс» в 1977 г. [8]. Самая последняя была органи-

зована Ливерморской национальной лабораторией им. Лоренса в

1985 г. [18]. Кроме того, применениям рентгеновских лазеров по-

священо заключение из обзора 1976 г. [19]. Наконец, этот вопрос

освещен в трудах двух конференций 1982 [20] и 1986 гг. [21], при-

чем в трудах последней были выделены четыре конкретные обла-

сти таких применений (см. далее).

Многочисленные возможные применения рентгеновских лазе-

ров,

описанные в этом разделе, суммируются в табл. 3 (из работы

Заключение. Применения

перспективы

309

[8]).

Они

перечисляются

порядке обсуждения,

а не

приорите-

та. Неудивительно,

что

многие

из

применений относятся

науч-

ным исследованиям. Кроме того, исследовательский характер

им

придает необходимость

настоящий момент создания громоздких,

уникальных установок.

В табл.

включены такие важные

для

приложений параме-

тры рентгеновских лазеров,

как

длина волны (Α

/), интенсивность

(инт.),

узость линии (ДА

/), расходимость (расх.), малость диаме-

тра луча, малость длительности импульса

частота повторения.

Эффективность

не

имеет здесь существенного значения.

Она,

оче-

видно, может стать важной

для

промышленных приложений.

мы

рассмотрим области применений, перечисленные

табл.

3, по

отдельности.

4.2.

Применения

для

научных исследований

4-2.1.

Атомная физика

ускорители

Ниже приводятся некоторые возможные приложения рентгенов-

ских лазеров

исследованию элементарных процессов

атомной

физике.

42.1а.

Фотовозбуждение

фотоионизация. Рентгеновский лазер

может использоваться

для

накачки других лазеров

на

переходах

большей длиной волны

за

счет процессов, рассмотренных

разд.

гл.

3 и 5

соответственно. Цель этого состояла

бы в

создании лазера

с другой длиной волны,

также

исследовании атомной кинети-

ки механизмов накачки. Например, предлагалось

[22]

использо-

вать линии

206 и

209А лазера

на

ионах селена

для

фотоионизации

2р-электрона

натрии, чтобы получить генерацию

на

самоогра-

ниченном переходе 3s-2p

(см.

разд.

3.2 гл. 5).

4.2.16.

Много электронная фотоионизация. Многозарядные ионы

представляют большой интерес

для

ускорительных источников

на-

правленных

мощных пучков. Источники холодных ионов более

предпочтительны,

чем

горячих (плазменных) ионов. Когда

фо-

тоионизуется электрон

из

АГ-оболочки, может иметь место много-

электронная ионизация

за

счет каскадов

Оже. В

этом случае

ка-

ждая вакансия

/^-оболочке образует

две

вакансии

L-оболочке,

каждая

из

которых образует

две

вакансии

М-оболочке,

и так

далее. Двойные оже-процессы

еще

больше увеличивают число

вы-

свобожденных электронов. Возмущение if-оболочки также

вы-

свобождает электроны. Например, образование одной вакансии

в L-оболочке,

как

было показано, приводит

образованию много-

310

Глава 7

Таблица 3. Применения рентгеновских лазеров

|, Разм. _ Час-

ИНТ

- А

РаСХ

- луча

ДЛИТ

ТОТа

повт.

Научные

Атом,

физика/

ускор.

1-200 + ++ +4- ++

ESCA 10 ++ < 1 эВ

Термояд.

диагност.

1-1000

++ + ++ ++ 10~

с +

Ядерные

распады 5-100 + -f- -f -f

Радиа-

ционная

химия 1 ++ Ю~

ΙΟ""

с +

Технические

Решетки/растры 4-4- 4-4- 4-

Литография 5-20 4-4- 4-+ 4- 4-4-

Фотоэлектронная

спектроскопия

1-1000

4-+ 4-4- 4-4- +

Металлургия 10* 4-+ 4- 4- 4-4- +

0, 5

Биологические/

медицинские:

Микроскопия 10 4-4- 4- 4-4- +

Голография

4·+ 4—Ь +

Макро-

молекулы,

Кристалло-

графия 10 4-4- 4- 4- +4- + 4-

Радиография 1-10 4-4- 4-4- 4-+ 4- 4-

Поверхностные исследования.

Объемные исследования.

Требуется когерентность.

Ширина линии в энергетических единицах.