Pro někoho jen rentgenový laser, pro jiného gama laser

aneb jak získat laserové záření gama, když ještě gama laser udělat neumíme

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

Než se dostaneme k rentgenovým nebo gama laserům, připomenu, že laser je zařízení, které produkuje pomocí stimulované emise intenzivní elektromagnetické záření s velmi přesně definovanou vlnovou délkou (a tedy i frekvencí a energií fotonů). Navíc musí být toto záření koherentní, tedy jeho amplitudy musí být velmi přesně sfázovány (mají stejnou fázi nebo je definovaně posunutá) a záření tak může interferovat. Nejznámější jsou lasery pracující v oblasti viditelného světla. S tím se setkáváme velice často, když tak aspoň ve formě laserového ukazovátka.

Pro vyšší energie elektromagnetického vlnění je situace složitější. Technologicky vede k získání laserové záření v rentgenové nebo gama oblasti několik různých cest. V klasickém případě potřebujeme systém, ať už atom, jádro nebo vázaný systém dvojice částic (na Oslu jsme již zmiňovali pozitronium) ve vybuzeném stavu. Vybuzené stavy pak jsou v daném okamžiku stimulovaným způsobem vybíjeny za vzniku koherentního záření s energií danou rozdílem energií vybuzeného stavu a stavu s nižší energií, do kterého systém přechází. Čím vyšší intenzitu a frekvenci záření má laser mít, tím větší energetický zdroj na vybuzení potřebujeme. Při hledání cesty k velmi intenzivním rentgenovým laserům, se dokonce v osmdesátých letech v Nevadě při výzkumech v rámci americké Strategické obrané iniciativy zkoušely jako zdroje energie podzemní jaderné výbuchy. To se však ukázalo být nepříliš praktické.

První rentgenové lasery v osmdesátých letech získávaly energii pro získání vysoce vybuzených iontů pomocí jaderného výbuchu. Studovaly se v laboratoři LLNL v Livermoru (USA) v rámci programu Strategické obrané iniciativy (zdroj J. Nilsen)

Klasické rentgenové lasery

Klasický rentgenový laser lze připravit na základě plazmy z vysoce ionizovanými ionty. Jde například o ionty titanu (Z=22) nebo selenu (Z=34), kterým zůstalo jen tolik elektronů, kolik má neutrální neon (Z=10). Může jít i o velmi těžké ionty, například wolframu (Z=74), kterému zůstalo jen tolik elektronů, jako má neutrální nikl (Z=28). Vnější elektron v takovém iontu je třeba vybudit do definovaného vybuzeného stavu nebo vyrazit ven z iontu, ať už postupně světlem světelného laseru nebo i najednou srážkami elektronů nebo iontů s ionty. Během stimulované emise, která probíhá hned nebo po rekombinaci (zachycení vyraženého elektronu), se pak produkuje laserové rentgenové záření.

Pokud chceme produkovat intenzivní pulz rentgenového laserového záření, musíme použít velmi intenzivní pulz světelného laseru. Pracovní plyn se musí extrémně ohřívat a je problém jej pak ochladit. Pulzy se tak nemohou moc často opakovat. Je tak silný požadavek na zkracování pulzu laseru, aby celková energie a tedy i ohřev byly menší. Jedním z největších rentgenových laserů z devadesátých let bylo zařízení NOVA v laboratoři v Livermoru (USA). V tomto případě se plazma získala ozářením folie ze dvou stran svazkem záření ze dvou laserů pracujících ve viditelné oblasti spektra. Do prostoru o velikosti špendlíkové hlavičky se mohl napumpovat výkon dosahující řádu MW. Fólie se vypařila a vznikla vysoce ohřátá plazma s ionty zbavenými velké části svých elektronů. Tyto ionty se excitovaly srážkami s elektrony vysoce ohřátého „elektronového plynu“ ve vzniklé plazmě. Takto velká zařízení jsou však velmi drahá a náročná. V průběhu posledního desetiletí se testovala řada různých typů velkých rentgenových laserů. Jejich vlnová délka se pohybuje od desítek nanometrů až po jednotky nanometru.

Schéma pracoviště NOVA-2 v Livermore (zdroj J. Nilsen)

Cesta k menším, a tím i dostupnějším, zařízením je však náročná. Problém je nejen získání potřebné plazmy s ionty, hodně „oholenými“ od elektronů, ale i zajištění toho, aby nedocházelo k míchání různých přechodů, a tedy různých vlnových délek rentgenového záření (energií vyzařovaných fotonů). Jednoduché není ani dosažení úzké směrovosti, časového sladění a koherence vyzařování. Koherenci nám narušuje hlavně to, že rentgenové záření se může šířit pracovním mediem jinou rychlostí než záření v oblasti viditelného světla, které se podílí na procesu buzení i stimulování emise. Tak se ztrácí koherence záření pocházejících z různých oblastí pracovního media. V nedávné době se našel způsob, jak tento problém překonat. Lze to dosáhnout použitím druhého světelného laseru, jehož málo intenzivní paprsek přichází do pracovního plynu z opačného směru než intenzivní světelný paprsek generující laserové rentgenové záření. Tím se otevírá možnost vývoje jednoduchého, levného a dostatečně malého rentgenového laseru, který by nepotřeboval enormní zdroje energie a nezabíral obrovský prostor. Ten by uvítali biologové a lékaři, aby mohli zobrazovat i velmi malé struktury. Například malá počáteční stádia nádorů, miniaturní jednobuněčné organizmy nebo i viry. Připomeňme si, že rozměry virů se pohybují mezi 20 nm až 800 nm.

Nakonec je dobré připomenout, že s rentgenovým laserem se můžete setkat i v Česku. Na společném pracovišti několika našich výzkumných organizací PALS, které má nejvýkonnější světelný laser u nás, který je schopen připravit vysoce ionizované plazma, potřebné pro provoz rentgenového laseru. Podařilo se dosáhnout i vlnové délky okolo 20 nm.

Vnitřek vakuového komory laserového zařízení PALS (Prague Asterix Laser System) (zdroj bulletin AVČR)

Rentgenové lasery založené na volných elektronech

Úplně odlišnou cestou k získání koherentního svazku rentgenového záření je využití urychlovače elektronů na relativistické energie. Těmto zařízením se říká lasery založené na volných elektronech. Princip jejich funkce spočívá v tom, že elektrony, urychlené na rychlosti velmi blízké rychlosti světla, jsou přivedeny do magnetického pole, které vytváří řada magnetů. Ty jsou řazeny tak, že se u nich pravidelně střída polarita. Tedy, jestliže má magnet severní pól na jedné straně ve směru kolmém na pohyb urychleného elektronu a jižní pól na opačné straně, tak u následujícího je tomu právě naopak. Vzdálenosti mezi magnety jsou zhruba několik centimetrů (2-5). Takový systém se nazývá undulátor. Magnetické pole působí na pohybující se elektrony tzv. Lorentzovou silou, která mění směr pohybu elektronu ve směru kolmém na směr pohybu elektronu a zároveň kolmém na směr intenzity magnetického pole. Velikost jejich rychlosti i hybnosti a tedy i kinetická energie se nemění. Při průletu řadou magnetů se střídající se orientací magnetického pole se elektron střídavě vychyluje nalevo a napravo od směru svého pohybu. Pole střídajících se magnetů tak způsobí, že elektron začne oscilovat ve směru kolmém ke svému pohybu a směru intenzity magnetického pole magnetů. Zrychlení, kterým působí na elektron síla magnetického pole, způsobuje, že vyzařuje elektromagnetické záření. Dá se označit za brzdné (synchrotronové) záření, o kterém jsem zde nedávno psal. Vznikající elektromagnetické záření interaguje s pohybujícími se elektrony a podporuje další emisi fotonů. Navíc pravidelná struktura, rychlost elektronů, téměř rovna rychlosti světla, a interakce elektronů s elektromagnetickým zářením zajišťuje koherenci vyzařovaného rentgenového záření.

Dovolím si ještě malou poznámku na doplnění. Za chvíli si řekneme, jak se situace může změnit se změnou úhlu pohledu při přechodu od jedné relativistické souřadné soustavy ke druhé. Na vznik záření v undulátoru se můžeme podívat z pohledu souřadné soustavy spojené s pohybujícím se elektronem. Magnetické pole je zdrojem virtuálních fotonů a ty se rozptylují Comptonovým rozptylem a mění se na reálný foton s vysokou energií.

Princip funkce undulátoru (zdroj Wikipedie)

Jedním z největších současných laserů tohoto typu je supravodivé zařízení TTF v laboratoří DESY na západě Hamburku, kde je i známý velký kruhový urychlovač elektronů. Dosažená vlnová délka vyzařovaného záření je okolo 30 nm, tedy ve velmi měkké rentgenové oblasti (energie zhruba 40 eV) a lze dosáhnout extrémně krátkých pulsů 25 fs.

Největší rentgenový laser se pod označením LCLS (Linac Coherent Light Source) buduje pro urychlovač elektronů v Laboratoři SLAC ve Stanfordu. Energie urychlených elektronů bude až 16 GeV. Systém magnetů – undulátor - bude 130 m dlouhý. Až v roce 2009 začne laser pracovat, bude jeho intenzita miliardkrát větší než libovolného rentgenového laseru dostupného v současnosti. Navíc bude možné produkovat laserové rentgenové světlo s dosud nedostupnou vlnovou délkou okolo 0,1 nm (to odpovídá energii fotonu zhruba 12 keV). Na takové zařízení netrpělivě čekají biologové, lékaři a fyzici zabývající se materiálovým výzkumem a nanotechnologiemi, kteří budou moci zkoumat i velmi malé struktury s rozměry srovnatelnými s dosaženou vlnovou délkou laserového záření. V daném případě jsou to už rozměry srovnatelné s velikostí atomu.

Undulátor vyvíjený v DESY a část zařízení TTF (zdroj CERN).

Připomeňme, že i Evropa má své želízko v tomto ohni. V již zmíněné německé laboratoři DESY by se měl v tomto roce začít stavět Evropský rentgenový laser tohoto typu XFEL (European X-ray Free Electron Laser). Hlavní součástí budou supravodivý lineární urychlovač elektronů o délce 2,1 km a undulátor. Energie svazku elektronů má být 7 GeV. Zařízení budou umístěna v podzemím tunelu o délce 3,4 km. Téměř miliarda euro, která je potřeba na výstavbu tohoto zařízení, je zajištěna. Můžeme tedy doufat, že bude dokončeno v plánovaném termínu, tedy v roce 2013. 

Schematický nákres budoucího lineárního urychlovače plánovaného evropského rentgenového zdroje XFEL (Zdroj XFEL - Technical Design Report)

Urychlená jádra a proměna rentgenového laserového záření v záření gama

Teď se dostaneme ke slíbenému přecházení od jedné relativisticky se pohybující souřadné soustavy ke druhé. Nedávno jsem zde psal o právě dokončovaném největším urychlovači LHC, který bude urychlovat jádra na rychlosti blízké rychlosti světla. V rámci úvah o nástupci tohoto urychlovače se uvažuje o systému lineárních urychlovačů CLIC, které by srážely elektrony s pozitrony. Obojí částice by zde byly urychleny na extrémně vysoké energie. Je jasné, že si fyzikové nemohli nevšimnout, že bychom mohli mít pohromadě urychlovač elektronů a urychlovač jader. V případě, že bychom k plánovanému lineárnímu urychlovači elektronu přidali undulátor, dostaneme velice výkonný rentgenový laser. Pokud svazek laserového světla vhodně nasměrujeme, tak jej můžeme čelně srazit se svazkem jader urychlených na LHC. Když se podíváme na přicházející svazek fotonů z rentgenového laseru z pohledu urychleného jádra (tedy v souřadné soustavě, ve které je jádro v klidu), bude energie těchto fotonů Dopplerovým jevem velmi silně posunuta k velmi vysokým energiím. Zdroj těchto fotonů se k nim totiž přibližuje rychlostí blízkou rychlosti světla. Pokud použijeme relativistický vztah pro podélný Dopplerův jev, zjistíme, že pro jádra LHC, která se pohybují s kinetickou energií 2700 GeV na jeden nukleon, bude toto zvětšení energie větší než o tři řády. Foton vyzářeným rentgenovým laserem má tak z pohledu jádra energii v oblasti energií záření gama. Například, když bude mít rentgenový laser energii fotonů až do 12 keV (vlnová délka 0,1 nm) plánovaných ve Standfordu, můžeme získat z pohledu urychleného jádra energii jednotky až desítku MeV. To už pokrývá oblast většiny energií, na které můžeme běžně jádra excitovat a lze tak velmi efektivně studovat vybuzené stavy jader.

A proč takové zařízení stavět? Je to pěkná kombinace klasické nízkoenergetické jaderné spektroskopie, kterou jsem dělal ve své diplomce a doktorské práci, a jaderné fyziky při relativistických energiích, kterou se zabývám teď. Ale to by asi nebyl ten správný důvod pro grantové agentury, aby na takový projekt uvolnily peníze. Je však i pádnější důvod. Takové zařízení by umožňovalo velice přesně měřit doby života a vlastnosti vybuzených stavů jader. Využívala by se tzv. rezonanční metoda. Jak bylo uvedeno, energie rentgenového laseru se dá kontinuálně měnit. Doba života vybuzeného stavu jádra je spojena Heisenbergovou relací neurčitosti s rozmazáním energie tohoto stavu. Šířka této neurčitosti v definici energie je tím větší, čím kratší je doba života stavu. Když tedy budeme měnit energii záření laseru, bude docházet k excitování jader jen v tom případě, když se strefíme do oblasti s energií danou energií stavu a šířkou rozmazání. Můžeme tak pomocí změny energie určit šířku rozmazání a dobu života excitovaného stavu jádra. Díky specifickým vlastnostem laserového záření můžeme určit i další vlastnosti excitovaného stavu jádra. Takové znalosti můžou být velmi důležité pro pochopení některých velmi exotických astrofyzikálních reakcí nebo právě při hledání možností pro vytvoření opravdového gama laseru. Návrhy na stavbu a využití takového zařízení už prezentovalo několik skupin. Teď je ovšem důležité, aby fyzikové našly co nejvíce zajímavých stavů jader, jejichž vlastnosti potřebujeme znát a potřebné informace nelze získat jednodušeji.

A jak dostat skutečný gama laser?

Jak už bylo zmíněno, vyrobit gama laser zatím nedokážeme. Na cestě k jeho vytvoření zatím leží řada technologických i principiálních překážek. V tomto případě budeme muset najít vhodné vybuzené stavy jader s relativně delší dobou života (takovým stavům se říká izomerní), které bychom dokázaly stimulovanou emisí záření gama vybíjet. Problémem bude také, jak do použitého aktivního media dodat dostatek energie pro excitaci velkého počtu použitých jader. Hledání vhodných stavů a potřebných technologických postupů probíhají. Kdy nás dovedou k cíli však nelze zatím říci. Jinou možností, o které se uvažuje, je stimulovaná anihilace pozitronia, o kterém jsem se na Oslu už zmiňoval. I tady jsme na začátku cesty. Jestli jde o správný směr nebo slepou uličku, nelze zatím rozhodnout.

---