<Desc/Clms Page number 1>
WERKWIJZE VOOR HET OPWEKKEN VAN COHERENTE X-STRALEN EN HUN VERSTERKING
Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en apparatuur voor de produkte van coherente monochromatische X-stralenbundels en hun versterking door gestimuleerde emissie.
Volgens INside R & D"Special Report on FutureTech", 17 April, 1985, p.
3-4 is men er na meer dan 15 jaar in geslaagd het golflengtegebied van de laser uit te breiden tot het X-stralen gebied. De-X-stralen laser, ook genoemd XRASER, vervaardigd in het Lawrence Livermore National Laboratory, University of California, U. S. A. maakt gebruik van een metaalplasma met tamelijk laag atoomnummer, bv. een selenium-plasma, om zachte X-stralen te produceren (golflengte 20, 63 en 20, 96 nm). De pompenergie wordt geleverd door 450-ps pulsen van groen licht (532 nm) en komt van de "giant Novette"
EMI1.1
t Q ? glaslaser die een invallende lichtintensiteit van 5 x N/cm produceert. De in de praktijk gebruikte XRASER werkt in "single pass", waarmede bedoeld wordt dat er geen resonantiecaviteit voorzien is en de X-stralen in een enkele doorgang het medium met stimuleerbare emissie verlaten.
Om het rendement op te drijven wordt er gedacht aan het gebruik van X-stralenspiegels om een resonantlecaviteit te vormen.
Het woord XRASER is een acronym voor : "X-Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation".
De ontwikkeling van een X-stra1en laser met de mogelijkheid
EMI1.2
- 18 X-stralen-flitsen van een attoseconde s) op te wekken is aangekondigd in VDI-Nachrichten, 11 Juli, 1986.
Opdat gestimuleerde emissie zou kunnen verkregen worden, moeten meer atomen van een bepaald midden zieh in een meer energ1erijke vorm (geëxciteerde of aangeslagen vorm) bevinden dan in de grondtoestand.
Zu1ke toestand noemt men populatie-inversie. De aangeslagen vorm voor het verkrijgen van X-stralenemissie is de geïoniseerde vorm van het atoom, waarbij een of meerdere electronen uit de binnenste electronen-schillen, 1n het bijzonder uit de K schil, uit het atoom verwijderd zijn.
De ontwikkeling van een X-stralenlaser (XRASER) stelt bijzondere problemen met betrekking tot het verkrijgen van populatie-inversie met voldoende lange leefduur, aangezien de tijd van spontane stralingsemissie omgekeerd evenredig is met de stralingsfrekwentie.
Een ander probleem is verbonden met de moeilijkheid een resonantiecaviteit op te bouwen (cavity-feedback), aangezien het weerkaatsend vermogen van de gebruikelijke spiegelende materialen voor
<Desc/Clms Page number 2>
X-stralen zeer klein is.
Het is een doelstelling van onderhavige uitvinding een werkwijze en apparaat ter beschikking te stellen voor het produceren van coherente X-stralen.
Het is verder een doelstelling van onderhavige uitvinding uitvoeringsvormen en apparaten voor de productie van coherente monochromatische X-stralen ter beschikking te stellen waarbij deze stralen versterkt worden door gestimuleerde emissie.
Volgens onderhavige uitvinding omvat de werkwijze voor het opwekken van coherente X-stralen volgende stappen : (1) het produceren van een electronenbundel die wezenlijk bestaat uit electronen met dezelfde snelheid (equi-energetische electronen) die coherent, dit is in faze, geëxtraheerd worden uit een fotokathode door deze te treffen met coherente monochromatische electromagnetische straling waarvoor de fotokathode gevoelig is, bv. door deze te bestralen met zichtbaar of ultraviolet laserlicht. en (2) het treffen van een materiaal met deze electronen met voldoende
EMI2.1
snelheid om hiermede bij de inslag op dit materiaal. bv. anode materiaal, X-stralen coherent uit te zenden.
Volgens de wet van het foto-electrisch effect verschaffen fotonen voldoende energie aan electronen in een metaal om hieruit te ontsnappen bij een zekere drempel-frekwentie van de gebruikte electromagnetische straling. Deze drempelfrekwent1e is voor de meeste metalen gelegen in het ultraviolet golflengtegebied, maar is voor kalium en cesiumoxide gelegen in het zichtbaar spectrum.
Volgens de foto-electrische vergelijking van Einstein :
1/2 mv2 (max) = h. - waarbij :
EMI2.2
m de massa is van het electron (rustmassa is 9, kg). v is de snelheid van het ontsnappend electron (m/s), h is de konstante van Planck (6, 63x10-34 J. s), f is de frekwentie van het bestralend foton (Hz), en 15 de werkfunktie van het bestraald oppervlak (J), is het mogelijk om electronen met een constante maximum snelheid uit te stoten.
Bij toepassing van coherente straling zal deze uitstoting coherent, d. w. z. in faze gebeuren waardoor een bundel van coherent geëmitteerde electronen verkregen wordt.
De electronenstromen die bij de bestraling van vacuum
<Desc/Clms Page number 3>
fotokathodebulzen verkregen worden zijn maar van de grootte-orde van micro-ampères zodat om een sterkere electronenbundel te verkrijgen bv. beroep gedaan wordt op grotere fotokathode-oppervlakken en technieken om de geëmitteerde elektronen te focuseren zoals o. a. bekend uit beeldversterkerbuizen.
Zoals bekend uit het boek Elementaire inleiding tot de physische scheikunde"", deel II, door A. J. Verbrugh en W. L. Ghijsen - J. B.
Wolters, Groningen, Nederland (1955) p. 110. is het materiaaldoordringingsvermogen van electronen vele malen kleiner dan van X-stralen. Bij voorbeeld, 40 keV electronen zijn enkel in staat tot op een diepte van 50 nm door te dringen, wat overeenkomt met ongeveer 200 atoom-lagen in een anode. Dit betekent dat dunne anodes kunnen gebruikt worden voor bestraling met electronen ter opwekking van X-stralen die gemakkelijk zulke anode nog kunnen penetreren.
Er werd experimenteel vastgesteld [zie het boek"Optik und Atomphysik", van Robert Wichard Pohl-Springer Verlag, Berlin- Göttingen-Heidelberg. BRD, 0985), p. 251] dat wanneer monochromatische X-stralen zilver treffen, dat fungeert als fotokathode, groepen van equi-energetische electronen uitgezonden worden, waarbij in elke groep de geëmitteerde electronen dezelfde snelheid bezitten (aangetoond door iijnenspectrmn).
De scheiding of afzondering van een groep van equi-energetische electronen kan uitgevoerd worden met een magnetisch veld volgens een techniek bekend uit massaspektroscopie.
In een praktische uitvoeringsvorm volgens de uitvinding worden coherent geëmitteerde equi-energetische electronen versneld met een electrisch potentiaalverschil in de grootte-orde van keV en MeV om een anode-materiaal te treffen zoals gebruikt bv. in een klassieke röntgenbuis.
Gestimuleerde emissie van electromagnetische straling kan verkregen worden wanneer een foton (hier een X-stralenfoton) een aangeslagen atoom (voor X-stralen emissie een geYoniseerd atoom) ontmoet en dit dwingt een ander foton met dezelfde frekwentie uit te zenden, in dezelfde richting en in faze, zodat twee fotonen vertrekken als coherente straling.
Aangezien er zieh normalerwijze enkel een gering aantal atomen in aangeslagen toestand bevindt moet er eerst een populatie-inversie gecreëerd worden door het vormen van geïoniseerde atomen in een aantal dat de atomen in de grondtoestand overtreft. De ionisatie moet
<Desc/Clms Page number 4>
resulteren in electronen-leemten"electron vacancies"in de binnenwaartse K, L en/of M electronenschillen. De aldus geïoniseerde atomen behouden de ion1satietoestand voor een zekere tijd, waarin het mogelijk is met coherente X-straling het process van de hervulling van vacante electronenplaatsen met electronen uit hoger gelegen schillen in de lager gelegen schillen te stimuleren, zodat gestimuleerd geëmitteerde coherente X-straling verkregen wordt.
Volgens een bepaalde werkwijze volgens. onderhavige uitvinding wordt de productie van coherente X-stralen door gestimuleerde emissie verkregen door coherente X-stra1en te introduceren in een midden gekarakteriseerd door de"superradant state".
De"superradiant state"is een toestand van een materieel mediun waarin populatie-inversie bestaat en waarin tenminste met een deel van de aangeslagen atomen de uitzending van coherente straling wordt ontketend door coöperatieve gestimuleerde emissie zonder voordeel te hebben van een caviteits-terugkoppeling (cavity-feedback) [zie, Encyclopedia of Physics, ed. Rita G. Lerner e. a.-Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
Advanced Book Program-Reading, Massachusetts, U. S. A. (1981), p. 504.].
Het medium in"superradiant state"is bv. een metaalplasma. Een metaalplasma kan verkregen worden door technieken bekend aan de vakman, bv. door Joule-effect verwarming, bv. door electrische ontlading tussen electroden of door inductieve stroomverwarming, door microgolfverwarming van een metaaldamp of door laser-energie geïnduceerde verdamping en ionisatie van metaal (zie voor de productie van een metaalplasma met laserlicht het tijdschrift : Anal. Chem. zo 59, p. 1250-1255).
Volgens een bepaalde uitvoeringsvorm volgens de uitvinding wordt gestimuleerde emissie van coherente X-stralen verkregen in een enkelvoudige doorgang (single-pass) doorheen een metaalplasma gevormd onder subatmosferlsche voorwaarden (vacuum) door electrische ontlading.
Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm wordt het metaalplasma gedwongen zieh te concentreren in een klein volume (smal kanaal of smalle bundel) door een magnetisch veld dat een knijp-effect (pinch) veroorzaakt zoals toegepast wordt in reeds bestaande plasma-opsluitingstoestel1en, bv. bekend uit nucleaire fusie. De magnetische kompressie van het plasma door het knijp-effect maakt dat de coherente X-stralen verplicht worden doorheen een hogere concentratie van geïoniseerde atomen te penetreren dan dit het geval zou zijn zonder genoemd knijp-effect.
Een verder voordeel van deze magnetische opsluiting is het verhinderen van contact
<Desc/Clms Page number 5>
van het plasma met de opsluitwand van de caviteit waardoor koelproblemen kleiner worden en verontreinigingen uit de wand minder gemakkelijk toegang krijgen tot de plasmabundel met geïoniseerde atomen.
Het magnetisch veld dat het knijp-effect produceert wordt volgens een bepaalde uitvoeringsvorm pulsgewijs in sterkte gemoduleerd waardoor een pulsgewijs gemoduleerde plasmabundel ontstaat waarin pulsgewijs in sterkte gemoduleerde door stimulatie-emissie coherent geëmitteerde X-stralen geproduceerd worden.
In de uitvoeringsvorm waarin gebruik gemaakt wordt van een metaalplasma zal er relatief weinig energie nodig zijn om het plasma te vormen wanneer gewerkt wordt met metalen die gemakkelijk in dampvorm overgaan, bv. seleen en kwik. De anodes voor het opwekken van de coherente X-straling zullen om in metaalplasmas van genoemde metalen gestimuleerde emissie op te wekken bestaan uit of deze metalen bevatten.
Wanneer een kwikmetaalplasma gebruikt wordt, wordt bij voorkeur een vaste-toestand-anode gebruikt. Bij voorbeeld bevat de anode of bestaat uit een vaste kwiklegering (kwikamalgaam) die niet verdampt of smelt bij het treffen met de coherent geproduceerde foto-electronen. De anode-materialen worden bij voorkeur gekoeld, bv. met water en/of zijn roterende anodes met van plaats wisselende brandvlek.
Volgens een andere uitvoeringsvorm voor het opwekken van gestimuleerde emissie met coherente X-stralen in een"enkelvoudige doorgang" (single-pass) doorheen een medium met populatie-inversie wordt de coherente X-straling gestuurd doorheen een ruimte (caviteit) die een aerosol van colloidaal metaal gedispergeerd in een draaggas bevat.
Genoemde aerosol wordt bv. doorheen genoemde caviteit gestuurd onder druk in een gesloten omloop waarin een compressor (pomp) is opgesteld. De ionizatie van de metaalatomen uit genoemd aerosol wordt bv. verkregen door rondom de caviteit een of meerdere (klassieke) niet-coherent emitterende X-stralen bronnen op te stellen en met hun straling de metaalatomen in de caviteit te ioniseren.
De versterking van coherente X-straling in een"enkelvoudige doorgang" (single-pass) uitvoeringsvorm is rechtstreeks evenredig met de lengte van de caviteit en de concentratie van geïoniseerde atomen in de doorgang. De intensiteit van de coherente X-stralenbundel kan verhoogd worden door meerdere van genoemde caviteiten in serie op te stellen.
Volgens een andere werkwijze voor het produceren van coherente X-straling door gestimuleerde emissie worden coherent geëmitteerde
<Desc/Clms Page number 6>
X-stralen versterkt door terugkoppeling (feedback) doorheen een resonantiecaviteit, die reeds geYoniseerde atomen bevat.
Om deze terugkoppeling tot tot stand te brengen zouden X-stralenspiegels zoals beschreven in het reeds vermelde Inside R & D Special Report on FutureTech, p. 4 kunnen gebruikt worden, maar zulke spiegels bezitten voor loodrechte relectie gebaseerd op de vorming van staande golven een zeer inefficiënt weerkaatsingsvermogen voor harde X-stralen.
Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm volgens onderhavige uitvinding wordt de terugkoppelingsintroductie van coherente X-stralen in een caviteit verkregen door gebruik te maken van meerdere X-stralenbuigingsroosters in de vorm van een kristal zoals gebrulkt in een spectrometer van Bragg. Meerdere van zulke kristallen worden dan zodanig opgesteld dat de coherente X-stralenbundel rakelings (onder een bepaalde glanshoek) de kristallen treft en van het ene naar het volgende kristal gerelecteerd wordt waarbij tenslotte de X-stralenbunde1 een hoek van 180 0 maakt en de caviteit weer lntreedt op een plaats tegenover de uitgangsplaats. De X-stralenbuigingskrlstal1en treden hierbij ook op als monochromators.
De golflengte van de X-straling die effectief kan gereflecteerd worden met een kristal (bv. groot monokristal) wordt bepaald met de afbuigingswet van Bragg volgens volgende vergelijking n. X = 2d. sin , waarin"d"de atoomlagenafstand (kristalroosterafstand) is, lamda (A) de golflengte is n een positief getal is dat de buigingsorde aangeeft en 9 de hoek (glanshoek) die de straling met het krista1vlakkenrooster maakt (zie bv. het reeds vermelde boek van R. W. Pohl, Abb. 242, p. 107).
Als voorbeeld wordt vermeld een kaliumiodid kristal (KI) dat als glanshoeken heeft 4, 78 0, 9, 51 0 en 14, 50"overeenstemmende respectievelijk met volgende sinuswaarden 0, 0834, 0, 1670 en 0, 2503 dit voor de karakteristieke X-straling uitgezonden door palladium met golflengte 5, 89 nm. Het gebruik van een germanium monokristal als X-stralen reflector dienende als monochromator voor synchrotron-straling is beschreven in het tijdschrift Physik in unserer Zeit"17. Jahrg.
EMI6.1
1986, Nr. 2, p. 65.
Uitvoeringswerkwijzen en apparaten volgens onderhavige uitvinding voor het produceren van coherente X-stralen die kan versterkt worden door gestimuleerde emissie worden geïllustreerd bij middel van bijgevoegde Figuren 1, 2 en 3.
<Desc/Clms Page number 7>
Figuur 1 stelt een schematische tekening voor van een apparaat voor het produceren van coherente X-stralen. In genoemde Figuur stelt element 1 een bron voor die laserstraling 2 emitteert (coherente monochromatische zichtbare of ultraviolet straling). Deze straling 2 wordt gericht op een vacuum-fotokathode 3 die hierbij coherent foto-electronen 4 emitteert als gevolg van het in faze getroffen worden van de fotokathode door de coherente laserstraling. De coherent geëmitteerde foto-electronen 4 die eventueel gefilterd worden om een groep van streng equi-energetische electronen te verkrijgen worden gericht op een anode 5, bv. wolfram- of molybdeenanode.
In vacuum wordt een versnellingspotentiaal tussen de fotokathode en anode aangelegd, waarbij de foto-electronen bij hun inslag op de anode coherente X-stralen 6 produceren met een golflengte (s) karakteristiek voor het anodemateriaal.
Figuur 2 stelt schematisch een tekening voor van een apparaat voor gestimuleerde emissie van coherente X-stralen in enkelvoudige doorgang (single-pass) doorheen een medium met populatie-inversie (superradiant state).
In Figuur 2 stelt element 20 een bron van laserlicht voor die coherent monochromatisch emitteert in het zichtbare of ultraviolet spectrumgebied en deze straling richt op een fotokathode 22 die voor genoemd laserlicht gevoelig is. De hierbij coherent geëmitteerde foto-electronen 23 worden met een electrisch potentiaalverschil versneld naar een watergekoelde dunne anode 24, die een anodemetaal bevat voor het produceren van zachte X-stralen, bv. selenium of yttrium.
De coherent uit de anode 24 geëmitteerde X-stralen 25 worden doorheen een diafragma 32 in een caviteit 26 gezonden die een plasma 27 van een metaal overeenkomend met het anodemateriaal van anode 24 bevat. Het plasma is vervat in een kwartsbuis en wordt geproduceerd met een electr1sche ontlading tussen de electrodes 28. Het plasma wordt geconcentreerd in een smal kanaal (bundel) door middel van het magnetisch knijp-effect en inductief verwarmd met magnetische spoelen 29, bij voorkeur supergeleidende spoelen die een magnetisch veld van meer dan 1 tesla (T) produceren.
De coherente X-stralen 30 die geproduceerd worden door gestimuleerde emissie met coherent in de caviteit 26 intredende X-straling 25 verlaten de caviteit doorheen een X-stralen transparant venster 31.
Figuur 3 stelt een schematische tekening voor van een apparaat voor de productie en versterking van coherent geëmitteerde X-stralen door
<Desc/Clms Page number 8>
gestimuleerde emissie in terugkoppeling in een resonantiecaviteit waarin zieh atomen in populatie-inversie bevinden door pompenergie ontleend aan een niet-coherent emitterende X-stralenbron die voldoende ionisatie-energie levert.
In genoemde Figuur 3 is element 40 een stralingsbron die coherente monochromatische electromagnetische straling 41 emitteert, bv. een xraser-of laserbron. Deze straling 41 wordt gericht op een halfdoorlatende spiegel 42 en vandaar op de fotokathoden 44 en 45. De hierbij coherent geëmitteerde fotoelectronen 43 worden versneld met een electrisch potentiaalverschil naar een roterende met vloeistof in doorstroom gekoelde cylindrische anodebuis 46, die aan haar oppervlak bekleed is met een anode-metaal, bv. koper, molybdeen of wolfram.
Watergekoelde diafragma's 47 en 48 isolieren elk een smalle bundel van coherent geëmitteerde X-stralen 49. Deze X-stralenbundels worden respectievelijk gericht op X-stralenbuigingskristallen 50 en 51 zoals gebruikt worden in een Bragg-spectrofotometer onder een geschikte glanshoek voor weerkaatsing. Een veelvoud van zulke buigingskristallen 52 is zodanig opgesteld dat genoemde bundels 49 over een hoek van 180 0 afgebogen worden en de caviteit (anodebuis) 46 weer binnentreden doorheen de met fotoelectronen gebombardeerde wand in een plaats tegenover de intredeplaats. In genoemde anodebuis 46 circuleert een koelvloeistof 54.
De koelvloeistof bevat bij vookeur om tot een verhoogde stimulatie-emissie te komen een opgeloste of gedispergeerde stof die uit atomen bestaat of bevat gelijk aan deze in de anodewand getroffen door de foto-electronen. Deze atomen worden in geïoniseerde vorm gebracht waarbij electronen uit de binnenste schillen zoals K, L en M schillen, geslagen worden door bestraling met X-stralen die uitgezonden worden door een niet-coherent emitterende X-stralenbron 53 die dus voor populatie-Inversie de nodige pompenergie levert. Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm wordt de pompenergie geleverd door een radio-actieve bron die gamma-stralen en/of neutronen uitzendt voor stoot-ionizatie.
Volgens een uitvoeringsvorm geYllustreerd in Figuur 3 verloopt het uittreden (output) van coherente door stimulatie geproduceerde X-straling pulsatiegewijs door het periodisch in translatie, vibratie of rotatie bewegen van het buigingskristal 50. Op deze wijze wordt enkel tijdens de tijd dat de juiste glanshoek is ingesteld coherente X-straling heen en weer door de resonantie-caviteit gestuurd en bij niet juiste
<Desc/Clms Page number 9>
glanshoekstand of tijdens het niet aanwezig zijn van het kristal in de stralengang wordt straling uit de caviteit afgevoerd. De buigingskristallen fungeren als monochromators zodat monochromatische X-stralen verkregen worden.
Cm de leefduur van de geïoniseerde toestand van de aangslagen atomen te verlengen is het voordelig in de resonantie-caviteit in combinatie met de ioniseerbare atomen een electronen-nemende stof te gebruiken, bv. in opgeloste of gedispergeerde-vorm in genoemde koelvloeistof, die bij voorkeur water is. Electronen-nemende stoffen (electron-accepting compounds) zijn bekend uit de zilverhalogenide fotografie als desensibilisatoren [zie, bv. het boek Photographic Chemistry van P.
Glafk1dès. Chapter XLII, Fountain Press, (1961)].
Coherente X-stralen vinden een nuttige toepassing in spectroscopie, kristallografie, chemische structuuranalyse, straalverbindingscommunicatie en voorwerpdetectie, fotonenbewerkingen van materialen, o. a. foto-etsen en snijden van materialen, lassen van hoogsmeltbare metalen en in nucleaire fusie waarmede wanneer genoemde straling voldoende energie heeft een stralingsdruk kan opgebouwd worden waarmede de te fusioneren kernen een temperatuur In het gebied van
EMI9.1
7 Q P wordt berekend met de 2-2 2 vergelijking P = W. waarin W. het vermogen in watt per Q van de stralingsbundel en c de lichtsnelheid m/s) voorstelt.
Bij toepassing in magnetische plasma-opsluitingsapparatuur voor kernfusie bv. van het toroldaal of open-lijn (mirror-) type wordt de coherente X-straling radiaal of axiaal in de plasmabundel gestuurd waarbij stralingsdruk en magnetische druk samen kunnen werken om de Coulomb-repulsie van de te fusioneren kernen te overwinnen. Bij voorkeur wordt hiervoor een coherente X-stralenenergie van 50 tot 500 keV gebruikt.
Coherente X-stralenbundels kunnen ook gebruikt worden In het vervaardigen van hologrammen, fotolithografie en in industriële en medische röntgentoepassingen, bv. in CAT-scanners.
Coherent geëmitteerde equi-energetische electronen vormen naast hun toepassing in de productie van coherente X-stralen een geschikte electronenbron voor electronenmicroscopen om hiermede een verbeterde magnetische focussering van de beeldvormende electronenstraal te verkrijgen.