Стихи
Проза
Разное
Песни
Форум
Отзывы
Конкурсы
Авторы
Литпортал

Учёные ...не для мира!?


Учёные ...не для мира!?
­Друзья!

Сначала из Сети.
"В период с 1978 по 1988 год в проекте Excalibur военные США попытались разработать рентгеновский лазер с ядерным взрывным устройством для противоракетной обороны в рамках Стратегической оборонной инициативы «Звездные войны» (SDI). Проект, однако, оказался слишком дорогостоящим, затянулся и в итоге был заморожен".
https://fb.ru/
Что же сегодня?
"Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (англ. European x-ray free electron laser, European XFEL) — международный проект по созданию самого крупного в мире лазера на свободных электронах. Проект разработан исследовательским центром DESY и представлен в 2002 году. На строительство и ввод в эксплуатацию лазера было потрачено 1,22 млрд евро. 58 % этой суммы предоставила Германия, 27 % — Россия.
Лазерная установка длиной 3,4 километра расположена в Германии на глубине от 6 до 38 метров под землёй и протянулась от лаборатории DESY в Гамбурге до окраины Шенефельда, где на территории 15 гектаров построены административные здания, экспериментальные станции и лаборатории.
Лазер генерирует синхротронное излучение высокой интенсивности, излучённое электронами, ускоренными до релятивистских скоростей. XFEL построен так, чтобы электроны синхронизировано вызывали рентгеновское излучение, что обеспечивает рентгеновские импульсы со свойствами лазерного излучения и интенсивностью, значительно превосходящей получаемую в традиционных источниках СИ так называемого третьего поколения. Лазер будет самым мощным в мире источником рентгеновского излучения.
Электроны через сверхпроводящий линейный ускоритель с максимальной энергией 17,5 ГэВ попадут в магнитные поля ондуляторов, где они будут двигаться по искривленным (синусоидальным) траекториям, излучая в рентгеновском диапазоне. Для создания эффекта сверхпроводимости элементы ускорителя охлаждаются жидким гелием до температуры минус 271 °C.
Рентгеновское излучение будет генерироваться самоусиливающейся спонтанной эмиссией, когда электроны взаимодействуют с излучением, создаваемым соседними электронами. Спонтанная эмиссия волновых пакетов позволит получать до 30 тысяч импульсов в секунду, а яркость излучения будет на порядки превосходить существующие аналоги.
Продолжительность импульсов не будет превышать 100 фемтосекунд, что позволит исследовать химические реакции, которые слишком быстры, чтобы изучать их иными методами. Длина волны рентгеновского лазерного излучения будет меняться от 0,05 до 6 нм, позволяя проводить измерения на атомном масштабе длины.
Сначала предполагается создать 3 канала вывода фотонных пучков с 6 экспериментальными станциями, в дальнейшем планируется увеличить эти числа до 5 каналов и 10 станций. Лазер будет использоваться для экспериментов в области физики, химии, наук о материалах, биологии и нанотехнологии".https://ru.wikipedia.org/wiki/
...Други!
Остаётся надеяться, что немцы не используют свои научные открытия против России, которая внесла более четверти финансовых средств на создание .
European XFEL.
Вл.Назаров
****************
1.Строим ускоритель. Зачем оно надо???
Технически, к ускорителям можно отнести и электронно-лучевые трубки, и рентгеновские трубки и т.п. Но поговорим мы о полноценных ускорителях.
С помощью электромагнитного поля ускорить можно все, что имеет электрический заряд: электроны и протоны (и их античастицы - позитроны и антипротоны), их комбинацию - ионы или голые ядра, а еще мюоны и т.д., но это уже экзотика.
Базовые принципы для их ускорения совершенно одинаковые, но, при одинаковом электрическом заряде, протон в 1840 раз тяжелее электрона. Так как ускорение происходит только благодаря заряду, то электрон разгоняется намного легче. И поворачивает в магнитном поле тоже "резче". Именно из-за этого дизайн лептонных (электроны или позитроны) ускорителей значительно отличается от адронных (протоны/антипротоны/ионы/ядра).
Зачем их вообще ускорять? Ну, во-первых, их можно столкнуть друг с другом или с чем-нибудь еще и посмотреть, что получится. Такое делают в коллайдерах. Сумеречные гении используют их для подтверждения своих теорий о строении вселенной. И, хотя коллайдеры у всех на слуху, они занимают лишь малую долю среди ускорителей.
Еще ускорители используют в медицине: разгоняют протоны и направляют в человека. Протоны залетают вглубь тканей и там тормозятся. Причем, тормозятся на определенной глубине (зависит от начальной энергии протонов) почти не повреждая ткани, через которые они прошли. При торможении выделяется тепло и ионизирующее излучение и убивает клетки вокруг. Таким способом можно убить опухоль в глубине тканей, ничего не разрезая.
Большая же часть ускорителей используются в качестве источников излучения, как в науке, так и в индустрии. Индустрии, как правило, интересно рентгеновское излучение для просвечивания всего на свете. Получается оно от торможения ускоренных электронов о препятствие-мишень, а затем направляется на исследуемый объект.
Для просвечивания чего-нибудь более плотного, чем человек (например, этого Porsche), рентгеновской трубки недостаточно, нужен ускоритель. Но просвечивали мы там вовсе не Porsche.
В научных исследованиях ускорители используются для получения излучения разных длин волн для огромного количества методов спектроскопии, микроскопии и структурного анализа. Ими пользуются физики, химики, биологи и еще большое число специалистов в своих исследованиях. И требования к излучению у ученых намного выше, чем в индустрии. Нужно поярче, получше сфокусировать, нужна произвольная длина волны от глубокого инфракрасного излучения до жесткого рентгена, с нужной поляризацией (или без нее). А еще лучше, если излучение будет лазерным, а не просто светом (на первой фотографии - рентгеновский лазер длиной в 3,5 км в строительстве которого я участвовал, про него я еще напишу). А еще иногда нужны сами электроны, а не излучение.
Для таких исследований во многих странах построены центры синхротронного излучения. Сердцем такого центра является синхротрон: кольцо-накопитель, в котором по кругу (на самом деле там не совсем круг) летают ускоренные до скорости света электроны. Ладно, почти до скорости света - 99% и выше. На практике их скорость принимают равной скорости света и говорят не о скорости, а о энергии. В синхротронах энергия электронов обычно от 0,5 ГэВ до десятка ГэВ (гига-электрон-вольт).
Вокруг кольца построены измерительные станции - к ним от кольца подается луч света. А на станции сидят лохматые ученые с кучей оборудования и используют этот луч для своих измерений. На одном синхротроне может быть до нескольких десятков станций (или линий, по английски beam-line).
Обычно ученые с этим ускорителем никак не связаны: они приезжают из своих институтов, меряют несколько дней и уезжают. На их место приезжают другие и т.д. Время измерений на каждой линии расписано на полгода - год вперед. Для ускорителя ученые - пользователи. А ускоритель для пользователей - просто инструмент.
Наука развивается и пользователи хотят более высокие разрешение (не только пространственное, но и временное, частотное, по энергии) и интенсивность. Иногда этого можно добиться модернизацией ускорителя, а зачастую надо проектировать и строить новый. Поскольку ускоритель круглосуточно работает на пользователей, то экспериментировать с его настройками/апгрейдами очень непросто. Для отработки некоторых решений приходится строить отдельные ускорители.
https://pikabu.ru/
********************
2.Впервые испытан мощнейший в мире лазер на свободных электронах
Европейский лазер на свободных электронах (European XFEL) сгенерировал свой первый пучок когерентного рентгеновского излучения. Согласно проекту, установка станет самым ярким источником рентгена, в десятки тысяч раз превзойдя светимость синхротронов. Официально XFEL начнет работу в сентябре, его основное предназначение — исследование атомарной и молекулярной структуры материалов (в том числе биологических). Об этом сообщает пресс-релиз организации.
Длина волны рентгеновского излучения в сотни раз меньше, чем у видимого света — она сопоставима или гораздо меньше размеров атомов. Это позволяет активно использовать его для изучения атомарной структуры кристаллов. Есть несколько видов источников рентгеновского излучения. Впервые рентген был обнаружен в катодных трубках — приборах, в которых электроны срываются с катода, ускоряются электрическим полем и врезаются в анод, заставляя последний генерировать излучение за счет электронных переходов в атомах. Подобные источники используются, например, в рентгеновских аппаратах в поликлиниках.
Более интенсивное излучение генерируется на ускорителях заряженных частиц. Согласно законам электродинамики, заряженная частица, которая движется с ускорением, излучает фотоны. Если при этом кинетическая энергия (и скорость) частицы велика, то большой оказывается и энергия фотонов. Одними из самых мощных источников рентгеновского излучения являются синхротроны. В них электроны движутся с околосветовыми скоростями по кругу, диаметром в сотни метров и испытывают центростремительное ускорение благодаря поворотным магнитам. Яркость синхротронов на несколько порядков выше, чем у катодных трубок.
Следующий шаг развития рентгеновских источников — лазеры на свободных электронах. В отличие от синхротронов, эти установки линейные. Электроны в них ускоряются сверхпроводящими резонаторами и направляются в ондуляторную линию. Она состоит из огромного числа магнитов с чередующейся полярностью — они отклоняют электроны от изначальной траектории то влево, то вправо. На каждом таком повороте испускаются кванты рентгеновского излучения.
В Европейском лазере на свободных электронах количество таких магнитов превышает 17 тысяч. Прежде чем попасть в ондулятор, электрон пролетает через 2,1-километровую ускорительную линию. Общая его длина составляет 3,4 километра, прибор располагается неподалеку от Гамбурга (Германия). Основная часть лазера находится под землей. Это крупнейший лазер на свободных электронах из существующих.
В рамках первого пуска установки ученым удалось получить лазерные пучки с длиной волны 0,8 нанометра. Частота генерации коротких импульсов составляла один герц — один импульс в секунду. Когда установка выйдет на проектную мощность, за одну секунду будет генерироваться 27 тысяч таких 100-фемтосекундных импульсов. Ожидается, что с ее помощью можно будет заснять «видео» того, как изменяются молекулы в ходе химических реакций. К примеру, с помощью предшественников E-XFEL физики засняли взрывы нанометровых ксеноновых кластеров, разрыв связи в молекуле иода и циклогексадиена, а также движение ударной волны в алмазе.
European XFEL — не первый лазер на свободных электронах. Впервые подобный лазер был создан в 1971 году в Стенфорде. Частота излучения таких систем может варьироваться от рентгеновской до инфракрасной. Самый яркий рентгеновский лазер на свободных электронах находится на данный момент в национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стенфорд) — LINAC. Длина волны его излучения может быть установлена в пределах от 0,13 до 6,2 нанометров.
https://nplus1.ru/

*************
Материалы из Сети подготовил Вл.назаров
Нефтеюганск
29 июля 2022 года.
***************
ПРИЛОЖЕНИЕ
История рентгеновского лазера
Эта статья от 2008 года опубликована на сайте http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_19/is... Ее автор - Джеф Хечт (Jeff Hecht) из Бостона пишет на темы науки и техники. Первое впечатление было таким, что драматическую историю рентгеновского лазера он наблюдал в режиме реального времени. Статья написана грамотно и интересно. В той части, которая касается истории рентгеновского лазера с накачкой ядерным взрывом (NEPXL), она не противоречит публикации http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_19/is... Однако трудно согласиться с автором в том, как он оценивает идею этого устройства. Которая несомненно заслуживает эпитета «технически сладкая», сказанного Оппенгеймером по другому поводу. Оценки программы СОИ («Звездные войны»), как одной из самых диких затей правительства США, также весьма субъективны, хотя и популярны в научной среде. Некоторые факты из этой статьи являются эксклюзивными жемчужинами, которые очень ее украсили. Главная иллюстрация не связана с публикацией и проблемой рентгеновской лазерной генерации. Однако она близка к идее накачки, которая выглядит наиболее перспективной и отличается от традиционного представления о NEPXL, как рекомбинационном лазере. В данной статье ее можно прочитать между строк, хотя сделать это не просто и читать нужно внимательно )).
____________________________________________________________________________________________
Долгая и любопытная история рентгеновского лазера начиналась, как попытка расширить границы знаний и достигла кульминации в одном из самых диких проектов, которыми когда-либо занималось правительство Соединенных Штатов.
После того, как Тед Мэймэн (Ted Maiman) в 1960 продемонстрировал первый лазер, оптическое сообщество немедленно приступило к поиску все более и более коротких длин волн, через видимые в ультрафиолетовую область. К началу 1970-х лазеры достигли вакуумного ультрафиолета. Тем не менее, продвижение к более коротким длинам волн застопорилось около 110 нм, поскольку возникли проблемы с коротко-волновой лазерной физикой.
Поскольку энергия лазерных переходов возрастает, время жизни возбужденного состояния уменьшается, и возрастает энергия накачки, необходимая для создания инверсной населенности. Дальнейшей трудностью является отсутствие материалов, способных отражать рентгеновские лучи или эффективно пропускать свет в диапазоне глубокого или экстремального ультрафиолета, что делает обычные зеркала и окна неосуществимыми.
Встретившись с этими проблемами, разработчики поменяли свои подходы. Вместо попыток сделать лазерный осциллятор, они устремились к сильно возбужденным цилиндрическим плазмам, которые могли бы генерировать интенсивный рентгеновский импульс за счет усиленного спонтанного излучения вдоль своей длины. Очевидным способом возбудить такую плазму было выстрелить в мишень интенсивным, оптическим, лазерным импульсом, и к счастью, высокомощные лазеры уже становились доступными. Хотя эта теория была многообещающей, эксперименты ученых не могли преодолеть рентгеновский лазерный порог.
Ложная тревога в Юте
Первой большой новостью в поисках рентгеновского лазера был отчет Джона Дж. Кепрос (John G. Kepros) и его коллег по университету Юта в июльском от 1972 года выпуске Трудов Национальной Академии Наук. Они растворили сульфат меди в безвкусном желатине Нокса и нанесли тонкий слой этой смеси на слайды микроскопа, после чего просветили их импульсами до 30 Дж из 20-наносекундного лазера на неодимовом стекле. Когда они поместили позади образца рентгеновскую пленку, экранированную темной бумагой и алюминиевой фольгой, и обстреляли материал лазерными импульсами, на рентгеновской пленке появились хорошо выровненные пятна. Кепрос заключил, что эти пятна запечатлели жесткий рентгеновский лазер
Тем не менее, вспышка внимания быстро угасла, когда другие лаборатории не смогли воспроизвести эти результаты. Внешние исследователи заключили, что накачивающий лазер не имел достаточной мощности, чтобы создать рентгеновский лазер. Этот случай был вскоре забыт, и никто так и не смог убедительно определить, что именно оставило пятна на пленке.
Эта ложная тревога не омрачила оптимизм исследователей рентгеновского лазера. После встречи в Вашингтоне на следующий год, организатор конференции Роналд Эндрюс (Ronald Andrews) из Военно-морской Исследовательской Лаборатории предсказал, что первый рентгеновский лазер будет высоко ионизированной плазмой несколько миллиметров длиной и несколько микрометров в диаметре, возбужденной примерно джоулем энергии в пикосекундном импульсе. Свободные электроны, опускаясь на более низкие уровни энергии в ионах плазмы, произвели бы индуцированное излучение в усилителе бегущей волны, с длинами волн от 0.12 до 1.2 нм, что соответствует энергиям перехода от 1 до 10 КэВ.
Первые приложения ожидались в науке о материалах и фундаментальных исследованиях. «Грандиозные приложения, которые требуют достаточных мощностей, такие как коммуникации и оружие, еще слишком далеко в будущем, чтобы размышлять о них», сказал Эндрюс.
Концептуальный дизайн рентгеновского лазера из статьи Чэплайна и Вуда 1975 года http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/... Длинный, тонкий рентгеновский лазер мог бы быть накачан посредством разделения лазерного импульса пополам, затем подведения энергии из импульса к серии точек для освещения стержня вдоль всей его длины.
Подробные модели показали, что импульсы накачки должны быть экстремально короткими и мощными. В обзорной статье 1975 годаб Джордж Чэплайн и Лоувелл Вуд (George Chapline, Lowell Wood) из Ливерморской Национальной Лаборатории им. Лоуренса оценили, что время излучения рентгеновского лазерного перехода будет приблизительно равно сек умножить на квадрат длины волны в ангстремах. Накачка 10-КэВ (0.12 нм) лазера потребует около одного ватта на атом в недостижимо коротком импульсе.
Тем не менее они писали, что требования к накачке могли бы быть уменьшены до порядка тераватта для 1-КэВ (1.2 нм) лазера. Ливерморские исследователи размышляли о пошиве импульса из их нового лазера «Циклоп» тераваттного класса, чтобы произвести длинную, тонкую плазму. Этот импульс был бы разбит на части, которые доставлялись к участкам вдоль мишени для накачки бегущей волной.
Между тем, пригоршня новых экспериментов произвела умеренно обнадеживающие, но далеко не окончательные результаты. Пьер Жегле (Pierre Jaegle) из Университета Париж-Юг в Орсее сообщал о мягком рентгеновском суперизлучении в расширяющейся плазме алюминиевых паров. Русские физики сообщали об излучении из высоко ионизированных кальция и титана, но не претендовали на лазерную операцию. Были случайные слухи о прорывах по ту сторону Железного Занавеса, но никаких окончательных свидетельств так и не появилось.
Этого было недостаточно для Агентства Передовых Исследовательских Проектов в Обороне (DARPA), которое поддержало большинство исследований рентгеновского лазера в США. DARPA обычно финансирует многообещающие идеи в течении нескольких лет, затем бросает программы, которые не показывают достаточного прогресса для передачи другим агентствам. Рентгеновские лазеры не стали исключением, и в 1976 DARPA переключила свои лазерные исследования на новые в ту пору лазеры на свободных электронах.
Некоторые исследования продолжались за пределами Соединенных Штатов, но не было достигнуто никакого прогресса до 1980 года, когда Джеффри Перт (Geoffrey Pert) из Университета Халл в Британии сообщил о «лазерном усилении» на длине волны 18.2 нм. Он и его коллеги использовали 5 Дж, 100-пикосекундные импульсы лазера на неодимовом стекле, сфокусированные на линии 2 мм на 40 мкм для испарения углеродных волокон. Рекомбинация свободных электронов с водородоподобными ионами углерода () генерировала индуцированное излучение с показателем усиления 5 (т.е. логарифмическое усиление = 5 — прим. переводчика). Это было намного больше, чем 0.1, о которых сообщал Жегле, но не достаточно, чтобы считаться убедительным.
Две Ливерморские программы рентгеновских лазеров
После того, как DARPA прекратило свою поддержку, центром исследований рентгеновских лазеров в США стал Ливермор. Он одновременно имел людей и ресурсы, необходимые, чтобы энергично взяться за проблему, которая порой казалась невозможной. Это была ведущая лаборатория страны в области лазерного термоядерного синтеза, и эта лаборатория была вовлечена в программы ядерного оружия, которое также могло бы доставить короткий, интенсивный всплеск энергии для накачки рентгеновского лазера.
Чэплайн вспоминает, что он и Вуд впервые подумали о рентгеновском лазере с накачкой от бомбы, прогуливаясь по холмам над Ливермором в начале 1970-х. Конгресс сделал запрос оружейным лабораториям: могли бы они что-нибудь сделать с помощью технологий ядерного оружия, кроме разработки боеголовок, и эти двое решили, что накачка рентгеновского лазера была бы интересной идеей.
Но пройдут годы, прежде чем Чэплайн придумает работоспособную концепцию. В промежутке он и Вуд размышляли о том, как импульсы из лазера для термоядерного синтеза могли бы накачать рентгеновский лазер. Они предлагали эту идею в своем обзоре от 1975 года http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/... но не указали многих подробностей. Они не упомянули ядерную накачку, но они все-таки написали, что «взрывая мишень рентгеновской вспышкой очень большой интенсивности» можно было бы произвести рентгеновскую инверсию населенности, при этом добавляя, что «никакие обычные источники рентгеновских вспышек » не смогли бы обеспечить достаточную энергию. О чем они не сказали, так это о том, что ядерные бомбы производят экстремально интенсивные рентгеновские вспышки.
К концу 1970-х Ливермор рассматривал как бомбы, так и лазеры для термоядерного синтеза, чтобы накачивать рентгеновские лазеры. Хотя эти подходы могут звучать, как старая теория лазерного излучения «телефонного столба» — т.е., накачайте что угодно достаточной энергией, даже телефонный столб, и он будет излучать, как лазер — в действительности процесс был намного более сложным, потому что следовало не просто нагреть мишень, а выборочно заселить верхние уровни лазерных переходов.
»Есть много неверных способов сделать это», сказал Питер Хэгелстейн, работающий сегодня в Массачусетском Технологическом Институте, который приехал в Ливермор в середине 1970-х и написал диссертацию о том, как сделать рентгеновский лазер. Вуд сказал ему, что поскольку никто не знает, как сделать рентгеновский лазер, то он должен выбрать какую-нибудь схему, допуская ее ошибочность, но попытаться что-нибудь узнать из нее. Хэгелстейн вспоминает: «Я закончил работу над 45 схемами рентгеновского лазера, прежде чем наткнулся на ту первую, которая, согласно моим компьютерным кодам, действительно могла бы работать».
Потенциальные применения, которые интересовали Ливермор, не были подробно описаны. Чэплайн и Вуд провидчески писали, что когерентные рентгеновские импульсы могли бы быть использованы для импульсной рентгенографии, чтобы изучать ударные волны и плотные плазмы, включая те, что возникают при лазерном термоядерном синтезе. «Даже для примитивных рентгеновских лазеров, яркость такого луча должна быть экстраординарно высокой», писали также они, не говоря в столь многих словах о том, что экстремально яркий луч можно было бы использовать, как оружие.
Двух-лучевой лазер Novette в Ливерморе генерировал импульсы второй гармоники зеленого света для первого лабораторного рентгеновского лазера. Примечание переводчика: прямым наследником лазера Novette сегодня является NIF http://extremal-mechanics.org/archives/423.
Рентгеновский лазер, накачиваемый бомбой
Источником вдохновения для первого Чэплайновского дизайна рентгеновского лазера с ядерной накачкой стал доклад Советского физика И.И. Собельмана, который он услышал на конференции в Новосибирске (в Академгородке в 1975 http://extremal-mechanics.org/archives/75 - прим. переводчика). Но эта идея никак «не собиралась в кучку» до тех пор, пока Чэплайн не услышал о ядерных испытаниях, которые Соединенные Штаты проводили в Неваде. «Я немедленно соединил вместе те идеи, которые получил из доклада Собельмана, с результатами экспериментов, и через 5 минут додумался до общей идеи о чем-то таком, что наиболее вероятно будет работать, чтобы сделать рентгеновский лазер с ядерным устройством», вспоминает он. За пару недель он набросал детальный план. Его эксперимент был добавлен к ядерному тесту, запланированному с другими целями на 13 сентября 1978 года, но сбой оборудования не позволил Чэплайну получить измерения, в которых он нуждался.
После критического обзора идеи Чэплайна, Хэгелстейн придумал альтернативный подход. Будучи первоначально настроенным скептически, Вуд стал адвокатом и убедил Теллера (Teller), оказавшего им поддержку, в которой они нуждались для проведения выделенного ядерного испытания обоих подходов. Оба успешно прошли 14 ноября 1980 года, эксперимент назывался Dauphin. Ливермор решил проводить идею Хэгелстейна, потому что она предлагала более интенсивный луч.
Теллер был воодушевлен перспективами того, что он называл «ядерным оружием третьего поколения», которое могло бы направлять свою энергию в сторону конкретных мишеней, а не рассеивать ее во всех направлениях (статья на эту тему http://extremal-mechanics.org/archives/1208 - прим. переводчика). Теллер хотел найти способ защитить Соединенные Штаты от Советских межконтинентальных, баллистических ракет. Пентагон долго изучал проекты противоракетной обороны, а Конгресс подталкивал к разработке орбитальных боевых станций, оснащенных химическими лазерами. Но Теллер и Вуд верили в то, что рентгеновские лазеры с ядерной накачкой будут намного меньше, легче и смертоносней, что сделает их более эффективными в оборонительной системе космического базирования. Вскоре после теста Dauphin они начали проталкивать эту идею через новую Администрацию Рейгана.
Наиболее видимым результатом была утечка результатов испытания и плана противоракетной обороны 23 февраля 1981 года, в номере журнала Aviation Week & Space Technology. Эта статья утверждала, что рентгеновский лазер излучал пиковую мощность несколько сотен тераватт на 1.4 нм Эти данные никогда официально не подтверждались, но Ливермор сообщил в 1990, что эта длина волны была самой короткой из всех, которые когда-либо излучались лазерами. Эта статья не указывала лазерный переход или тестовый материал, но Чэплайн говорил мне о том, что образец был «органическим материалом» из марихуаны, растущей на одном пустыре в Walnut Creek Калифорния (Чэплайн несомненно пошутил и следует отдать должное его чувству юмора, но у автора статьи с этим возможно проблемы — прим. переводчика).
Посторонние наблюдатели были настроены скептически. Они ожидали, что импульсы рентгеновского лазера продлятся только пикосекунды или фемтосекунды, хотя в статье было сказано, что импульс длился «порядка наносекунд, один из самых коротких импульсов, измеренных в Ливерморе». Чэплайн объясняет, что этот лазер излучал «непрерывную волну» в течении ядерного взрыва, так как энергия взрыва поддерживала инверсию населенности в течении наносекунд. Не ясно, что Aviation Week подразумевал под импульсом, являющимся одним из самых коротких, которые измеряли в Ливерморе; эта лаборатория имела оборудование, способное к пикосекундным измерениям.
Самой противоречивой частью этой статьи была система противоракетной обороны космического базирования. Предположительно одна бомба могла бы обеспечить энергией массив из около 50 тонких рентгеновских лазерных стержней от 1 до 2.5 м длины, где каждый стержень нацеливался на отдельную вражескую ракету на расстоянии в сотни или тысячи километров; одиночная детонация вывела бы из строя дюжины боеголовок.
Зтот проект звучал, как научная фантастика. Мог ли одиночный рентгеновский стержень сфокусировать смертельную дозу энергии на такую далекую мишень ? Не могли ли движения стержней вызвать вибрации, которые нацелили бы их далеко от мишеней ? Не могла ли детонация обычных взрывчаток, которые сжимают делящуюся ступень оружия встряхнуть стержни ? Как система могла бы одновременно нацелить 50 длинных, тонких стержней — подобных кускам сырых спагетти метровой длины — на 50 различных мишеней, движущихся независимо ? Как насчет договоров о контроле вооружений, которые запретили испытания или размещение ядерного оружия в космосе ?
Эти возражения не остановили Рональда Рейгана и Конгресс от накачивания денег в исследования ядерных рентгеновских лазеров. Тем не менее, такого не было до 26 марта 1983 — через три дня после Рейгановской речи «Звездные войны» — Ливермор попытался провести другой взрыв на ядерном испытательном полигоне в Неваде, только для того, чтобы получить ошибку датчиков. 16 декабря 1983 тест, который назвали Romano достиг успеха, став еще одним свидетельством в пользу ядерного рентгеновского лазера. Теллер проталкивал рентгеновский лазер, чтобы сделать его главным украшением Рейгановской Стратегической Оборонной Инциативы. Рейган соглашался поддерживать исследования, но сопротивлялся размещению нового поколения ядерного оружия в космосе, потому что он хотел покончить со всем ядерным оружием .
Это могло бы стать высшей точкой рентгено-лазерной противоракетной обороны. 28 декабря 1985 тест, названный Goldstone, показал менее яркий луч, чем ожидалось. Попытки сфокусировать луч — что было критически важно для противоракетной обороны — также оказались неудачными. Наиболее убийственным было то, что поскольку этот военный проект рухнул в последние годы президентства Рейгана, Теллера и Вуда обвинили в сознательном искажении результатов испытаний и перспектив рентгеновского лазера. Стратегическая Оборонная Инициатива повернулась к другим вариантам ядерной обороны, хотя подземные тесты рентгеновских лазеров с накачкой от бомб продолжались до тех пор, пока Соединенные Штаты не остановили программу испытаний в 1992 году.
Оглядываясь на два десятилетия назад, эта ядерная программа может обоснованно претендовать на первый рентгеновский лазер, но результаты никогда не были открыто опубликованы, делая это самым непрозрачным из всех лазерных открытий. Не ясно, почему Теллер и Вуд были так чрезмерно оптимистичны в отношении схемы этого оружия. Как физики-теоретики, разве они не могли понять инженерные трудности ? Пытались ли они претендовать на большую долю славы или были слишком увлечены этой идеей, чтобы увидеть ее недостатки ? Или они пытались обмануть Советы, чтобы те думали о том, что новое поколение американского супер-оружия вскоре сделает их ядерный арсенал устаревшим ? Я подозреваю, что были вовлечены все эти факторы, и мы никогда не узнаем их относительную значимость.
«Лабораторный» рентгеновский лазер
То, что Ливермор осторожно называл проектом лабораторного рентгеновского лазера, не начиналось до тех пор, пока не заработал лазер с накачкой от бомбы. Получение времени на лазерах для термоядерного синтеза не было простым делом, но экспериментальная логистика была намного более простой. Лазеры для термоядерного синтеза доставляли намного меньше энергии накачки, но они могли выстреливать по много раз за день, и испытательное оборудование могло использоваться многократно.
Первоначально Хэгелстейн предложил двухступенчатый процесс с первым лазером для термоядерного синтеза, генерирующим плазму, после чего фотоны высокой энергии из этой плазмы возбуждают действие рентгеновского лазера в другом материале. В первоначальных экспериментах исследователи пытались оголить атомы хрома от всех кроме трех электронов, надеясь, что фотоны из этой плазмы возбудят лазерное излучение водородоподобных атомов газообразного фтора, заключенного внутри хромовой фольги. Тем не менее, эти мишени оказались слишком сложными в изготовлении и адекватном испытании на двух-лучевом лазере Novett.
Мишень лазера Novett. Свет из двух рукавов Novett был сфокусирован на противоположных сторонах мишени из селеновой фольги в Ливерморском рентгеновском лазере.
Затем они опробовали вариацию русского предложения о столкновительном возбуждении 3p-3s переходов в неоно-подобных ионах. Идея Хэгелстейна заключалась в том, чтобы вырвать внешние электроны тяжелых атомов, оставляя только 10 внутренних электронов в неоно-подобной конфигурации. Столкновения со свободными электронами в плазме могли бы возбуждать 2p электроны на уровень 3p, с которого они падают на уровень 3s и испускают мягкие рентгеновские лучи. Они наносили селен на тонкий пластик, надеясь, что Novette сможет ионизировать его до неоно-подобного , создавая плазму с электронным распределением, которое могло бы направить рентгеновские лучи вдоль оси цилиндрической плазмы. Первоначальные эксперименты производили неоно-подобные ионы, но не было никаких признаков рентгеновского лазерного усиления, поэтому экспериментаторы удвоили длительность накачивающего импульса до 500 пикосекунд. В следующем испытании 13 июля 1984 «рентгеновские линии практически прожгли дыру в пленке», вспоминает Денис Мэтьюс (Dennis Matthews), глава экспериментаторов. Тем не менее, их спектрометры не могли определить, какие линии были излучены. Они ожидали сильного излучения на 18.3 нм, но один новый спектрометр определил сильное излучение линий 20.6 нм и 20.9 нм неоно-подобного селена. Они измерили показатель усиления около 6.5 и усиление около 700, что рассматривалось, как убедительное свидетельство рентгеновского усиления.
Ливермор был горд этим достижением и продвигал его, как первый лабораторный рентгеновский лазер. Но когда Мэттьюс описал эти эксперименты на октябрьском 1984 года совещании Физического Общества по физике плазмы в Бостоне, он разделил цент р внимания с Зимоном Сакьюэром (Szymon Suckewer) из Принстонского Университета, который измерил показатель усиления 6.5 на 18.2 нм углеродной линии и усиление около 100, больше чем сообщал Перт. Сакьюэр использовал лазер на 300 Дж, менее мощный, чем Novette, но намного меньшего размера и менее дорогой, и удерживал плазму магнитным полем.
Короче длины волн и меньше лазеры
Эти селеновые эксперименты стали важными вехами для Ливермора, но имели два существенных ограничения. Длина волны 20 нм является относительно большой. Исследователи биологической визуализации хотели длины волн короче, чем 4.5 нм, и некоторые определения рентгеновских лучей включают только длины волн короче 10 нм. И хотя выстрелы лазеров для термоядерного синтеза стоили на порядки меньше, чем ядерные тесты, гигантский 20-лучевой лазер Nova занял свое собственное здание и мог делать только несколько пусков за день, каждый стоимостью $30 000. Исследователи хотели лабораторный лазер, который мог бы поместиться в их лабораторию.
Логическим путем к более коротким длинам волн было использовать неоно-подобные ионы более тяжелых элементов. Молибден принес Ливермору 13.3 нм, но Nova не имела достаточной мощности, чтобы достичь 4.5 нм посредством более тяжелых, неоно-подобных ионов. Для достижения этой цели требовалось перейти к никеле-подобным ионам, тяжелым элементам, лишенным всех своих электронов кроме 28 самых внутренних. Европий был первым, дал 7.1 нм, и позднее Ливермор достиг 4.316 нм с вольфрамом.
Сакьюэр использовал сравнительно маленький лазер, поэтому он мог выстреливать импульсы каждые три минуты, делая эксперименты более простыми, чем с Novette или Nova. Позднее он увеличил показатель усиления до 8, производя рентгеновские импульсы в 3 мДж с впечатляюще малой угловой расходимостью 5 миллирадиан. В поисках большого усиления в настольном лазере, а получение большого усиления в настольном лазере требовало аккуратного сшивания импульсов, Хэгелстейн, который в 1986 перешел в MIT, разработал двух-импульсный подход, с первым импульсом, ионизирующем плазму и вторым, возбуждающим ионы для создания инверсии населенности в никеле-подобном ниобии. Джим Данн (Jim Dunn) из Ливермора позднее использовал пару 5 Дж импульсов — первый длился наносекунду, а второй пикосекунду с пиковой мощностью в 1 000 раз больше — для столкновительного возбуждения индуцированного излучения из никеле-подобного палладия на 14.7 нм.
Непрерывные обновления увеличили пиковую мощность и уменьшили длительность импульса настольных лазеров, породив более качественные рентгеновские лазеры. За счет направления накачивающего луча под настильным углом вдоль произведенной лазером, цилиндрической плазмы, исследователи реализовали увеличенную длину взаимодействия и передачу энергии. Накачивая 8-пс импульсами по 1 Дж с частотой повторения 5 Гц, Джордж Рокка (Jorge Rocca) из Университета Штата Колорадо произвел насыщенное усиление на 13.3 нм из никеле-подобного кадмия (). Он также наблюдал усиление, но не насыщенное, на 10.9 нм из никеле-подобного теллура ().
Не имея зеркал, подходящих для рентгеновских осцилляторов, все эти демонстрации рентгеновских лазеров генерировали только усиленное спонтанное излучение с ограниченной когерентностью. В начале этого года группа Рокка сообщила о новом важном повороте — нацеливании высоких гармоник из титаново-сапфирового лазера в возбужденную плазму. Когда усиление плазмы совпадает с частотой гармоники, плазма усиливает первичный гармонический импульс, генерируя насыщенное усиление на 18.9 нм из никеле-подобного молибдена и 13.9 нм из никеле-подобного серебра. Эти эксперименты являются большими шагами в направлении практичного, когерентного, настольного рентгеновского источника, а более короткая длина волны притягательна для будущих поколений полупроводниковой фотолитографии.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах и новые приложения
Большие рентгеновские лазеры занимали свое место в генерации более коротких, рентгеновских длин волн. Еще в 1975 Чэплайн и Вуд предположили, что электронный пучок, проходящий через периодическое электрическое или магнитное поле мог бы генерировать индуцированное излучение в рентгеновском диапазоне. Эта идея пришла из пионерской работы Джона Мэди (John Madey) из Стэнфордского Университета о лазере на свободных электронах. Первого успеха Мэди добился в инфракрасном диапазоне, но электроны больших энергий и магниты с более короткими периодами обещали более короткие длины волн.
В последние несколько лет лазеры на свободных электронах (XFEL) достигли рентгеновских длин волн. Первым в мягком рентгеновском диапазоне был лазер на свободных электронах в Гамбурге, также называемый FLASH, который начал работать с пользователями в 2005 в Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Германия. Сейчас он прошел апгрейд, чтобы сделать возможной настройку от 6.5 до 47 нм, и в октябре сгенерировал серию быстрых импульсов на рекордно короткой длине волны 6.5 нм.
В следующем году XFEL будет превзойден Источником Когерентного Света на Линейном ускорителе (Linac Coherent Light Source — LCLS), который строится в Стэнфордском Центре Линейных Ускорителей. Он будет использовать последний километр линейного ускорителя SLAC, чтобы накачать электроны энергией от 4.5 до 14.3 ГэВ, затем провести пучок через 112 метров магнитов-ондуляторов для генерации жестких рентгеновских импульсов от 0.15 до 1.5 нм длительностью от 1 до 260 фемтосекунд.
Ливермор находится среди лабораторий, работающих с LCLS и, когда это новое оборудование заработает в следующем году, может потускнеть пара рекордов, которые Ливермор хранил в секретной оболочке в течении более, чем двух десятилетий — самый короткая рентгеновская длина волны и самый яркий источник жесткого рентгена. Доставляя триллионы рентгеновских фотонов в одном импульсе, LCLS должен быть в 10 миллиардов раз ярче, чем наиболее мощные из сегодняшних синхротронных источников.
Но импульсы из LCLS не уничтожат вражеские ядерные боеголовки или другие военные мишени в космическом пространстве. Вместо этого они осветят структуру протеинов, экстремальные состояния материи, химическую динамику, динамику в нано-масштабах и ультра-быстрые явления. Все это было среди целей исследования, которые Чэплайн и Вуд рисовали в своем воображении 30 лет назад — до того, как повернулись к противоракетной обороне.
2008 год, автор Jeff Hecht, перевод Дмитрия Зотьева
послесловие
Прелестный эпизод с ответом на вопрос автора о том, какой материал использовался в рентгеновском лазере, успешно испытанном в ходе ядерного теста Dauphin в далеком 1980 ! Ответ Чэплайна примерно был таков: «органические волокна из марихуаны» Как это ни странно, но в тексте данный эпизод не выглядит юмористичным. Что касается духа статьи, то в чем-то она созвучна яркой публикации 1986 года из журнала «Ровесник», посвященной Питеру Хэгелстейну. Ее можно прочитать по ссылке http://extremal-mechanics.org/archives/2804. Все тот же праведный пацифизм, хотя не стоит забывать о том, что величайшие открытия науки слишком часто совершались в процессе создания оружия. Эта трагическая диалектика прогресса отражена в потрясающем эпизоде эпического фильма 2001: A Space Odyssey, когда прапредок человека 4 млн. лет назад восторженно подбрасывает в небо большую кость, которой только что, впервые убил своего сородича в скандале у водопоя.
Что касается предметной критики идеи NEPXL (рентгеновский лазер с накачкой ядерным взрывом), как системы космического оружия, то на каждый из доводов автора нетрудно возразить. Однако мы коснемся лишь некоторых деталей. Что касается вибраций и деформаций стержней, хотя точнее называть их струнами, которые могли бы сбить прицел NEPXL на расстояниях в сотни км. … Совсем не обязательно использовать струны. Возможно, что их нельзя будет использовать по другим причинам, связанным с процессами генерации рентгеновского излучения. Вместо струн (стержней) можно предложить синтетические волокна с вкраплениями микрочастиц металла, не из марихуаны разумеется )), которые натягиваются в процессе наведения на цель. Пучок таких параллельных нитей может быть не связан жестко с корпусом устройства, несущего ядерную бомбу, поэтому действие имплозирующего, химического взрыва, о котором пишет автор, вполне возможно исключить. Проблемы NEPXL лежат в фундаментальной области, на самом деле, а весь этот инжинеринг кажется преодолимым.
Автор придает слишком большое значение ошибочному утверждению Кларенс Робинсон в культовой статье 1981 года из Aviation Week & Space Technology о том, что рентгеновский импульс теста Dauphin был самым коротким из всех, которые когда-либо измерялись в Ливерморе. Следует иметь ввиду, что К. Робинсон была не ученым, а журналистом, хотя и пишущим на научно-технические темы, как сам Джефф Хэтчет. Поэтому вполне могла ошибиться, пытаясь сделать материал более интересным и сенсационным. Само по себе это ничего не доказывает, скорее даже опровергает конспирологическую гипотезу о том, что утечка секретной информации через Aviation Week & Space Technology была специально организована для того, чтобы ввести СССР в заблуждение. А в целом, спасибо Джефу Хечту за интересную публикацию !
Дмитрий Зотьев
http://extremal-mechanics.org/






Количество отзывов: 0
Количество сообщений: 0
Количество просмотров: 7
© 29.07.2022г. Владимир Назаров
Свидетельство о публикации: izba-2022-3357107

Рубрика произведения: Проза -> Статья











1