身体的

在桌子上产生X和伽马射线

Grâ这在唤醒波浪中éé与UltraBr激光脉冲èves qui traversent un gaz, 
研究人员开发紧凑强大的来源
de rayons x 或伽玛。

金塔普普,Cédricthaury和Sébastien绳索 科学N°446
本文保留用于科学用户

想象一个比100,000核反应堆更强大的激光束。仅限建立它,无需构建植物的字段,因为它的权力仅与其冲动的简洁相连!实际上,力量是一段时间的能量;能量花费常数,如果过程的持续时间降低,则功率增加。因此,通过将气体脉冲超大的气体延伸到数千千亿瓦的瞬时功率,物理学家最近设法生产了光束 x 和伽马(g)超级。这种新型辐射源的命名为激光等离子加速器仍在开发中,但已经到达或超过了这些圆形加速器内的光束产品的性能,这些圆形加速器在几百米的周长周围是同步调节。这实际上是一个只有几毫米长的真正微型同步。我们将看到我们如何获得这些新的紧凑,强烈和合理的成本来源,以及他们的架子闪烁 x只有几亿千升可能为。


为了探讨材料的亲密关系和采取行动,我们经常使用灯具。辐射 x 是其一部分。它的波长是Angström的顺序(10–10 仪表,或0.1纳米)或特征内原子距离。这些波长的电磁辐射可以露出原子和分子结构。例如,我们可以通过半径的衍射来确定材料中原子的排列 x。在这种技术中,辐射 x 到达样品的各个方向返回,这取决于主题中原子的排列:据说它是衍射的。衍射图使得可以推断原子的位置。衍射通常使用 x 研究晶体等有序材料,但这种技术还可用于研究液体或无序的圆圈。


辐射 x 也具有很大的渗透力,但取决于越过的材料。它被小致密材料弱吸收,并且在致密材料中强烈耐受。辐射 x 波长等于0.4英亩的十字架,例如三毫米铝或40厘米的塑料。这种效果使得可以获得对比度取决于吸收的图像。它是经典的射线照相,例如在诊断医学中,还用于行业进行非破坏性机械零件控制。


几种类型的弹簧 x 存在。最常见的是在医院发现的那些,是半径管 x。在这些来源中,辐射 x 通过用加速电子轰击金属靶来获得,其与材料产生辐射的碰撞。这种类型的源具有非常紧凑和便宜的优点,但产品辐射不好。在所有方向发行,必须集中注意力;它具有各种波长(所以它不相干),并且发射区域的重要尺寸限制了放射线图像的分辨率。


当图像应该更精确时,优选使用辐射 x 由同步roton生产。在20世纪40年代开发,这些仪器被研究人员广泛使用。它们包括能够产生和加速电子的装置,以靠近光速和磁体的周期性结构 - “逆变器” - 这是垂直于其传播方向的这些电子。它们在轨迹的每个曲率上遭受的加速度具有将一部分动能转化为辐射的效果 x。产品光束具有简单且有趣的特性:它以低锥形的形式发出;通过改变电子的能量或其振荡的时期,可以直接控制其能量。因此,电子的能量越多,更快地振荡并且更加发射的辐射将是能量的,因此短的波长。


到达光线的范围 x 在同步调节中,振荡电子通常具有几厘米的空间周期,并以等于光的速度等于0.999999倍。


加速电子能量高达此类速度达到几个GigaElectonVolts,即10亿电子避险。请记住,电压是使用伏特的电压通过加速电子获得的能量。在能量单位中,电子的质量为0.511兆元电池(百万电源)。因此,当电子的动能到达两个GigaElectonVolts时,它代表了与其质量相当的4,000倍的能量......用于在室温下进行大气分子的动能。,04电器。


FIlmer atomesen运动


在法国,有两种同步额: 太阳 在萨利高原上ESRF. 在grenoble。这些大型安装产生红外辐射(微米波长)到搁架上 x (Angström的顺序的波长)。这些机器非常可靠,每天都被各学科的许多科学家使用。他们导致物质结构和生活结构的巨大科学和技术进步。 2009年,诺贝尔化学奖化学奖有奖励工作,其中同步辐射用于研究核糖体的结构和功能,这些细胞内蛋白质合成机器测量约20纳米,可容纳300,000。原子......这种进展特别适用于理解生物的方式和运作的方式。


如今,这些新强度的光束的应用 x 开始出现。研究人员并不满足原子结构的静态图像。他们现在想在运动中拍摄原子并理解物质的基本反应的动态。为此,它必须能够以非常短的时间捕获图像,非常简短,使得原子没有时间基本上移动。与散光盘一样(发出一系列光闪烁的设备),我们可以使用这些图像重建移动和动态。从我们想要观察的机制的速度推断出必要的简洁。但是元素原子运动只持续了几百万千万千万千万千分之几,或一些飞秒(Femtosecond = 10–15 第二)。看看这样的快速运动,所以光的闪光有相当的时间。


发射可见光束的激光器 - 即0.4到0.8微米之间的波长 - 或靠近可见域允许您获得必要的超级闪光。它们用于根据所谓的“泵探针”方法研究化学反应:第一超级闪光激发反应,然后第二次分析激发的结果。这项工作导致了化学,生物学和药理学的主要进步。然而,这种闪光不能通过沿着纳米峰值的波长遵循原子运动,因为可见辐射的波长大约大约1000倍的原子位移。要拍摄原子的运动,它需要一方面闪烁,其持续时间在飞秒内测量,另一方面,波长为原子大小的辐射,所以光线 x.


超越同步rotrons.


经典的同步rotons几乎没有生产半径闪光 x 很简单。当然,有一些方法可以从同步辐射产生短脉冲,但由于电子包的长度,很难得到一些漂亮的闪烁进入超快速反应。因此,有必要开发新机器:自由电子激光器。这些设施是2005年首次进入运营的设施,是几十多年发展的结果。非常有效,它们提供了光线的脉冲 x 比任何现有来源更辉煌的数百万次。自由电子激光器基于非常接近同步调节的原理,也就是说它们将电子加速器与逆变器相结合。但是在一个自由的电子激光器中,一切都是巨大的,这就是为什么它目前只存在于世界上这个家伙的三台大机器,在那里选择经验更加顽固,而不是在同步rotron中更加顽固 太阳.


激光等离子促进剂


在这种情况下,半径来源 x 具有激光器的产品已经开发出:激光等离子加速器。目标是生产与最便宜的设施的强烈冲动。毫无疑问,与自由电子激光器竞争,而是获得脉冲源 x 很大程度上足够了很多应用程序。另一个目标是在一系列能量中产生辐射,即同步调节和自由电子激光器无法达到:G射线或伽玛。通常由放射性原子核发出,这些电磁辐射具有波长的核现象的测量,因此小于原子的直径。非常能,伽马辐射穿过几毫米的钢,使其成为一种特别危险的放射性形式;然而,它也是探索原子内结构的适当辐射。


但物理学家已经设法创造持有桌子的来源,利用飞秒激光和改善对激光物质相互作用的理解。它们使得可以在长度的长度上再现同步的原理,只要获得光线的强烈闪光 x 和凝视着飞秒的伽马。


要生产这些来源,我们在红外线中使用飞秒激光。正如我们在本文开始的那样,他们的峰值力量 - 即光冲动峰值的功率 - 是数万只千兆瓦。它仅在一些飞秒的脉冲期间简要存在。这些超细脉冲对几百毫米斑点的聚焦在空间和时间内集中能量,其产生极其强烈的电磁场,能够立即撕裂原子的电子并因此撕裂等离子体。气体或固体。 


它在这种等离子体中,这些等离子体产生了同步转变器。它们的物理原理类似于同步rotron:电子需要加速和振荡以发射辐射。然而,这里一切都发生在更小的尺度上,因为加速电子,在激光束的唤醒中使用等离子体波。在该唤醒中,激光脉冲的电场将电子与正离子分开。这种间隔为外部的电子产生加速电场。一切都发生在冲浪者(自由电子)下降到强大的血管(光脉冲)的唤醒波浪(光脉冲)之浪时,其斜率扮演电场的角色 (见对面)。这次冲浪者可以以速度遵循船只;这就是加速电子,因为它们在其速度上遵循动力,即光线......


闪烁x超级@


因此,电子从此加速达到高于毫米的GigaElectronoolt的能量,而需要数百米以获得经典加速器中的相同能量。关于激光等离子加速器的实验搜索很快进展了:当几年前,电子束很少可重复和适度的能量,我们今天管理,产生具有良好控制的特性和能量的梁,达到几个Gigaelectronvolts。未来几年的理想技术发展将使这种类型的加速器作为经典加速器稳定,同时瞄准更大的能量。 


从这种激光等离子促进剂,今天使用两种方法来产生光束 x,两者都在应用的光学实验室(遗址,一个混合的单位 CNRIC., 的'爱好者 和理工学院)。第一个是激光等离子加速器本身所固有的。捕获并加速在唤醒波中的电子也经过垂直于加速器场的轴对称电场。该字段在传播轴的任一侧上振荡电子,一段时间为一百微米,这与同步辐射的闪光呈现出来,这完全相同 X, 我们称之为Betatron辐射。


......和伽玛闪烁


该辐射的波长是Angström的顺序,许多应用的有趣波长。它以锥形发射,其开放角度是度的秩序,并且它只持续了几个矮小的紫色症。这种短持续时间与唤醒时的加速电子包的简洁相连。 Bettratron辐射还具有从小表面发射的非常有趣的特征,其尺寸为千分尺的顺序。这使得具有高分辨率的射线照相或相位对比度放射线照相,一种用于在传统的射线照相中看到看不见细节的方法。


第二种方法使得可以产生与类似于β辐射的性质的辐射,但是波长短的比较短。最近证明,它需要来自同一激光系统的第二强烈的激光脉冲并在电子的相反方向上传播。当她遇到电子时,这种脉冲使它们具有极短的时期振荡。因此,伽马射线的形式以闪烁的形式产生比在这种能量范围内的任何现有来源的辉煌的形式。


这种UltraBreff Gamma Flash的新来源打开了很大的发展观点,因为它允许在宽的光谱范围内使用相同的光束仪器产生,从光线范围内 x 伽马射线。这足以调节激光等离子体加速器中的电子的能量,例如通过改变等离子体的长度。电子的能量越多,辐射越短,波长短。


激光同步调节仍然是基本的研究仪器,但它们的原理被证明。为了使他们能够获得可靠,现在是工程努力所必需的。如今,这样的来源是在一个大约50平方米的房间里,花费几十万欧元,激光系统的大部分成本。将来,电力激光器应该变得更加紧凑,但也更便宜,这些新X来源的应用可能会在实验室中传播。 


然而,第一个应用程序已经实现了。在X射线范围内,Betatron辐射突出显示半导体的融合,持续几百个飞秒的现象。它还用于X射线,具有单一的辐射闪光和非常高的分辨率,生物兴趣的小标本,允许立即看到经典射线照相无法透露的细节。在较高的能量下,激光同步产生的辐射在工业射线照相中开辟了一系列重要的应用。非常精力充沛,伽马辐射允许例如检查金属部件或厚物体的内部以检测任何缺陷。


安全项目也在进行中,包括创建用于检查卡车内容的来源。还设想了医学应用,特别是高分辨率射线照相形式,它将突出更多细节而不是传统的射线照相。 


在这些来源成为可访问的工作仪器之前,它将需要几年的发展。投资是值得的,因为他们的技术原则承诺使它们比通常的来源更紧凑,更便宜。


已经像X射线领域的同步奖励一样辉煌,比任何现有的伽玛域中的任何现有来源更辉煌,激光器同步ron在未来应该非常有用。如今,许多实验室都配备了商业激光系统,并已经开始了这一有前途的研究方向。它可以预测,所开展的工作将很快导致新一代来源 x 和紧凑的伽玛,它将找到多种用途,无论是物理,化学,医学还是工业。

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