לייזר אלקטרונים חופשיים

לייזר אלקטרונים חופשיים (באנגלית: Free electron laser, בראשי תיבות: FEL) הוא מקור חזק של קרינה אלקטרומגנטית קוהרנטית. עקרון הפעולה שלו שונה מעקרון הפעולה של לייזר רגיל.

עקרון הפעולה

מכשיר לייזר אלקטרונים חופשיים מורכב באופן עקרוני, ממאיץ חלקיקים המאיץ אלקטרונים למהירויות גבוהות ביותר, עד למהירויות יחסותיות, כלומר קרוב למהירות האור. קרן האלקטרונים מועברת דרך מגנט מסוג וויגלר (Wiggler) או אנדולטור (Undulator) הבנוי ממערך של מגנטים דו-קוטביים עוקבים, בעלי קוטביות משתנה. השדה המגנטי גורם לאלקטרונים לנוע במסלול סינוסואידי, ועקב כך, לפלוט קרינה אלקטרומגנטית (פוטונים) כתוצאה מהשינוי בכיוון התנועה (תופעה המכונה קרינת בלימה - Bremsstrahlung). הקרינה הנפלטת בתהליך זה מכונה קרינה סינכרוטרונית. בקצות המגנט מוצבות לרוב מראות (המהוות מהוד), שתפקידן להחזיר את הפוטונים הנפלטים ולגרום להם לנוע קדימה ואחורה בדומה ללייזר רגיל. הפוטונים הנעים הלוך וחזור באזור בו נעים גם האלקטרונים, גורמים לפליטה מאולצת קוהרנטית, בדומה ללייזר הרגיל. ההבדל היחיד בין לייזר אלקטרונים חופשיים לבין לייזר רגיל הוא שהאלקטרונים חופשיים ולכן האנרגיה הנפלטת (הקובעת את אורך הגל של הקרינה) אינה קבועה כמו בלייזר גז, לדוגמה, אלא תלויה באנרגיית האלקטרונים (מהירותם) ומאפיני השדה המגנטי המשתנה. כמו כן כאן כל אלקטרון פולט מיליוני פוטונים, חלק מהאנרגיה הקינטית שלו, לעומת פוטון בודד בלייזר רגיל. ההגברה (הפליטה המאולצת) לא מתקיימת בכל אורכי הגל שבשימוש. לרוב, לאחר המעבר במהוד מאטים את הקרן באמצעות מנגנון משמר אנרגיה, ולכן, זו איננה מתבזבזת.

הקרינה הנפלטת מהאלקטרונים מתקדמת במקביל לצידו הארוך של המגנט, והיא מקיימת אינטראקציה עם אלקטרונים אחרים במסלול התקדמותה. אינטראקציה זו גורמת לאלקטרונים מסוימים להאיץ ולאחרים להאט. כתוצאה מכך, האלקטרונים מסתדרים בקבוצות דחוסות (bunches) כשהמרחק ביניהן שווה לכפולה שלמה של אורכי גל, בדומה לתהודה. הסידור מביא ליצירת פליטה קוהרנטית של קרינה, כלומר הפוטונים הנפלטים מקבוצת אלקטרונים אחת מצטרפים לפוטונים הנפלטים מקבוצות אחרות.

תדר הקרינה הנפלטת מלייזר אלקטרונים חופשיים ניתן לכוונון בתחום רחב ביותר, המשתרע מגלי מיקרו, דרך תת-אדום, אור נראה, על-סגול, ועד קרינת X "רכה". הוא תלוי במהירות האלקטרונים ובמחזוריות השדה המגנטי במגנט. זאת בניגוד לרוב הלייזרים הרגילים שבהם תדר הקרינה הנוצרת תלוי בתכונות החומר בו מתרחש תהליך הלזירה, ואינו ניתן לכוונון (מלבד לייזרי צבע, בהם התחום הספקטרלי קטן בהרבה).

חסרונו של מכשיר לייזר זה הוא בגודלו ובמורכבותו. עם זאת, יתרון חשוב שלו נובע מפעולת המתקן תחת ריק, ולכן איבודי אנרגיה עקב התחממות החומר ותהליכים מבזבזים אחרים, הם מזעריים בהשוואה ללייזרים רגילים, בהם גורמים אלה מגבילים את היעילות האנרגטית של תהליך הלזירה.

עקרון הפעולה של לייזר אלקטרונים חופשיים - מגנטים בכיוונים שונים גורמים לקרן האלקטרונים של המאיץ לנוע בצורה סינוסואידיאית ולקרון בתוך המהוד.

היסטוריה

ההמצאה והניסוי הראשון בנושא בוצע ב-1971, על ידי ג'. מ. ג' מאדיי (J.M.J. Madey) באוניברסיטת סטנפורד. מדידת הגבר ראשונה התקיימה רק ב-1976 (גם היא על ידי אותו צוות) באורך גל 10 מיקרון. אותו מתקן הופעל כמקור של קרינת 3 מיקרון ב-1977, וגרם להתעניינות מרובה בשטח המחקר החדש.

מתקנים קיימים

בעולם מצויים כמה עשרות מתקני לייזר אלקטרונים חופשיים^[1]. באירופה מאוגדים 16 מתקנים בארגון גג המקיים קשר רציף בין כולם.

בישראל, מצוי לייזר אלקטרונים חופשיים באוניברסיטת אריאל, המופעל בשיתוף עם אוניברסיטת תל אביב ורפא"ל.

שימושים

ללייזר אלקטרונים חופשיים שימושים מחקריים בתחומים רבים.

השימושים במתקן בישראל:

חומרים: טיפול פני שטח במתכות, בדיקת תכונות על ידי קרינה מוחזרת, ייצור גבישים ועוד.
ביולוגיה: בדיקת שינויים גנטיים בתאי דם לבנים על ידי קרינה.
תקשורת: תקשורת בגלים מילימטריים.
הדמיה בגלים מילימטריים.

במתקני לייזר אלקטרונים חופשיים מועברת הקרן באמצעות מערכות שונות (צינורות, מעבירי גלים וכו') ל"נקודות שימוש" בהן משתמשים שונים (חוקרים, מוסדות חיצוניים שונים וכו') יכולים להשתמש בקרינה למטרותיהם השונות.