Идея рентгеновских лазеров восходит к 1970-м годам, когда физики поняли, что ионные пучки будут иметь более высокую энергию по сравнению с теми, которые получаются при использовании газов. В рамках программы Стратегической оборонной инициативы (СОИ), развивавшейся в 1980-х годах в США, на подземном полигоне в Неваде были получены рентгеновские лазерные пучки, инициированные ядерными взрывами.
Первая демонстрация рентгеновского лазера состоялась в 1984 году в Ливерморской лаборатории (США). Для накачки в нем использовались одиночные световые импульсы длительностью около наносекунды (чем короче импульс, тем выше его мощность при той же энергии). Однако они сильно нагревали стеклянные детали резонатора, поэтому между выстрелами системе необходимо было остывать, и запускать лазер можно раз шесть в день. В конце 80-х годов была разработана система создания импульсов с линейной частотной модуляцией: короткий импульс света сначала растягивается, проходит через стекло, а затем снова сжимается и фокусируется на мишени (см. "Наука и жизнь" № 9, 2003 г.). Поскольку энергия импульса невысока, стекло не перегревается, так что систему можно запускать многократно.
Вскоре команда в Ливерморе (Джим Данн (Jim Dunn), физик-экспериментатор, и теоретики Эл Остерхельд (Al Osterheld) и Вячеслав Шляпцев (Slava Shlyaptsev), сотрудник ФИАНа) создала небольшой "настольный" рентгеновский лазер, который приходит в рабочее состояние за 3-4 минуты. В нем использованы два импульса. Сначала наносекундный импульс с энергией всего 5 Дж ударяет в мишень - палладиевую или титановую пластину, создавая ионизованную плазму. Затем идет 5-джоулевый пикосекундный импульс. Он короче первого в тысячу раз и, следовательно, почти во столько же раз мощнее - порядка тераватт (1012 Вт). К мишени он прибывает на долю секунды позже первого импульса и возбуждает ионы. В процессе ионизации плазма быстро растекается, и значительная часть затраченной энергии теряется. Поэтому быстрое возбуждение плазмы играет главную роль в повышении эффективности лазера. Лазер стал гораздо экономичней и не требует длительного охлаждения.
В рентгеновских лазерах получают лазерную плазму с максимально высокой долей рабочих ионов. Мишень сделана из титана, у атома которого 22 электрона, после ионизации из них остаются 10, так что ион титана по электронной конфигурации похож на неон, а неоноподобные атомы в плазме очень стабильны. Ионы палладия после отрыва 18 электронов становятся похожими на никель и тоже стабильны. С палладиевой мишенью удалось получить излучение длиной волны 14,7 нм при накачке лазерным импульсом с энергией 10 Дж. Сегодня идут поиски дальнейших путей повышения эффективности лазера, материалов мишени и величины задержки второго импульса.
Рентгеновские лазеры создают "мягкое" рентгеновское излучение, их длина волны немного больше той, которая используется в медицинских целях. Оно не может проникнуть даже через лист бумаги, но идеально подходит для зондирования ионизированных газов с высокой плотностью энергии (чем короче длина волны, тем глубже луч проникает в плотную плазму), а также для исследования новых и существующих материалов .
Когда удастся уменьшить размеры установки и снизить ее стоимость, настольный рентгеновский лазер станет привычным инструментом в лаборатории по исследованию физики плазмы, так как имеет почти все, что нужно: низкие энергозатраты, повторный выстрел каждые 4 минуты и малую длину волны.
В следующем году исследователи планируют ввести в камеру мишени вторую плазму. Первая будет излучать рентгеновские импульсы, а вторая исследоваться. Полученные изображения должны будут иметь очень высокую четкость.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Схема военного спутника с рентгеновским лазером, который проектировался в рамках СОИ. Накачкой лазера служит атомный взрыв мощностью несколько килотонн. Он за 50 наносекунд превращает в плазму несколько тысяч алюминиевых или магниевых лазерных стержней диаметром около миллиметра и длиной 10 метров. Плазменные шнуры излучают рентгеновские импульсы большой мощности, и весь спутник погибает в пламени взрыва. Лазер создавался для уничтожения баллистических ракет и спутников, но, по всей видимости, так и не был построен.
