Könnten Sie mir bitte helfen zu verstehen, wie man die Ausgangsfrequenz eines Freie-Elektronen-Lasers messen kann (vorausgesetzt, wir kennen die Größe der magnetischen Domänen und der Elektronenenergie) ? Dies sollte eine Funktion der Größe der magnetischen Domänen und der Elektronengeschwindigkeit sein? Aber die Elektronengeschwindigkeit sollte aufgrund der Photonenemission sinken - bedeutet das, dass der FEL ein "breitbandiges" Spektrum hat? Warum konzentrieren sich militärische Benutzer auf Röntgenstrahlung, während UV-in-Luft-Transparenzfenster möglicherweise weniger Luftabsorption aufweisen?
Fett ist noch unbeantwortet :-)
Ich dachte, ich fange vielleicht erst einmal mit einer Einführung an. :)
Das Grundprinzip des Freie-Elektronen-Lasers ist das der Synchrotronstrahlung. Wenn Elektronen oder geladene Teilchen dazu gebracht werden, ihren Impuls zu ändern (wie wenn sie in einem Bogen gebogen werden, wo die Kraft radial nach innen wirkt), senden sie elektromagnetische Strahlung aus.
Wenn die Teilchen relativistisch sind, dann wird die elektromagnetische Strahlung der Laborbeobachter relativ zum Elektron beobachten, wie die elektromagnetische Strahlung in einem Kegel in Bewegungsrichtung emittiert wird. (Ich werde Zahlen posten, wenn die Leute es wirklich wollen!)
Im Fall des Freie-Elektronen-Lasers benötigen Sie magnetische Arrays, die einfach Dipolmagnete sind, die so ausgerichtet sind, dass die Elektronen sehen, wie sie sich in einer geraden Linie bewegen, abwechselnd vertikale Magnetfelder. Dies bewirkt, dass die Elektronen horizontal "wellig" werden. Mit relativistischen Elektronen (was nicht schwer ist) emittieren Sie Synchrotronstrahlung wie einen Bleistiftstrahl. Die Wellenlänge eines Undulators ist gegeben durch Lambda = Undulator_Periode/(2Gamma^2)*(1+a^2/2), wobei Gamma der relativistische Gammafaktor ist, a = e*B*Undulator_Periode/(2*Pi*Elektronenmasse *Blitzgerät) wobei B die Stärke des Magnetfeldes und e die elektrische Ladung ist. Aber die Strahlung aller Elektronen ist zeitlich nicht sehr kohärent!
Nun, warum es Laser heißt! Das grundlegende Merkmal, warum Laser leistungsstark sind, liegt darin, dass die von allen Quellen emittierten Wellen zeitlich kohärent emittiert werden. Das heißt, alle elektrischen Felder addieren sich konstruktiv, sodass die Gesamtleistung wie pN ^ 2 skaliert , wobei p die von einer einzelnen Quelle emittierte Leistung und N die Anzahl der Quellen ist.
In einem FEL ist die Wellung klein genug, dass die Elektronen von seiner eigenen Synchrotronstrahlung bestrahlt werden und sich daher sowohl in einem optischen Feld als auch im Magnetfeld der Dipolmagnete bewegen. Das optische Feld bewirkt eine Mikrobündelung der Elektronen und eine weitere Verstärkung dieser bestimmten Wellenlänge (Mikrobündelungseffekt) und wird als selbstverstärkte spontane Emission (SASE) bezeichnet. Diese positive Rückkopplung erzeugt Kräfte, die eine zusätzliche Verstärkung von N ergeben . Typische Elektronenbündel sind 10 ^ 11 Elektronen, sodass Sie um Größenordnungen mehr Leistung erhalten können.
Ich nehme an, Sie können die Größe der magnetischen Arrays auf nur eine Materialstrecke mit sorgfältig ausgerichteten Domänen reduzieren, es wird jedoch schwierig sein, die erforderlichen Felder zu erreichen. Das zu messen ist das mir weniger bekannte Gebiet der Spektroskopie. Für UV benötigen Sie ein Material mit Dispersionseigenschaften wie eine Art Prisma und einen Detektor, der auf UV-Strahlung reagiert. Für Röntgenstrahlen können Sie Monochromatoren verwenden, die das Bragg-Prinzip verwenden und die Energie bestimmen (kalibriert, um Emissionslinien von Elementen zu kennen).
Der Energieverlust entlang des Undulators ist ein kleiner Faktor. Die emittierten Photonen sind sehr kleine Bruchteile seiner Gesamtenergie. Für Wellenlängen von 10 bis 100 nm benötigen Sie beispielsweise etwa 300 MeV Elektronen (Ruhemasse eines Elektrons beträgt 0,5 MeV), also Beta = 0,9999986, und 10 nm Photonen sind nur 10 eV.
Ich dachte, das Militär konzentriert sich auf UV-FELs, wie Sie sagten, um die Wasseraufnahme zu reduzieren. Röntgenstrahlen sind viel schwieriger zu erzeugen, wenn sie genügend Energie haben, um Schaden zu verursachen.
Das war mehr als ich ursprünglich sagen wollte. Hoffe es ist nützlich.
Georg
BarsMonster