Laser à rayons X

1993/06/01 Alargunsoro, F. Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Si vous voulez voir un objet, vous devez l'éclairer. Mais la lumière, la lumière visible, est un rayonnement électromagnétique de certaines longueurs d'onde et aucun objet inférieur à ces longueurs d'onde n'est visible. Plus ou moins semblable à ce qui se passe avec le crayon à un dessinateur. Si vous voulez dessiner une maison sur le papier, il est obligatoire que la taille de la maison sur papier soit supérieure à la pointe du crayon. Aucune maison inférieure à l'épaisseur de la pointe de ce crayon peut dessiner sur le papier avec cet outil.

Types de rayonnement

La longueur d'onde de la ^lumière visible est généralement de 10-6 ^{et 10-7} mètres, soit le millième du millimètre. Par conséquent, aucun objet inférieur à cette taille ne peut être vu avec un rayonnement de lumière visible. Pour ce faire, les physiciens ont utilisé jusqu'à présent des lasers de rayonnement ultraviolet, car ils sont de longueur d'onde plus courte, mais quand on veut voir des cellules des personnes et des animaux, les radiations ultraviolettes ont également une longueur d'onde trop grande. Cependant, en dessous de la longueur d'onde de 1,5x10 à ⁷ m (ou 1.500 eltngström), il existe d'importants problèmes de fabrication de lasers dans le domaine des rayons X et des rayons gamma. Si tous sont des radiations électromagnétiques (seulement une longueur d'onde différente), pourquoi y a-t-il ces barrières?

Il faut recourir à la physique atomique pour le clarifier. La lumière est formée par les photons émis par les atomes quand ils ont subi des changements énergétiques. La clé est dans les électrons qui tournent autour du noyau. Quand l'atome est dans son état énergétique fondamental, les électrons circulent tranquillement dans son orbite. Cependant, lorsque l'atome est excité, les électrons reçoivent de l'énergie et plus l'énergie reçue est élevée, plus l'orbite est grande. Une fois l'excitation de l'atome terminée, les électrons descendent dans une orbite d'énergie inférieure, émettant des photons. La longueur d'onde de l'émission dépend des orbites initiales et finales des électrons.

Base laser

Dans la lumière émise par le soleil ou la voile, les photons s'étendent à toutes les directions et à différentes longueurs d'onde. Le mécanisme laser est fondamentalement le même, mais l'émission de photons est unidirectionnelle et à une seule longueur d'onde.

Pour mieux comprendre, nous allons faire une comparaison. Nous pensons que les électrons sont des balles et que les orbites sont des marches d'un escalier bruyant. Les photons seront le bruit produit par les balles lors de la montée des marches, chacun d'eux avec un ton particulier. Si les balles sont lancées au hasard par le palier, un son faible avec de nombreuses notes sortira. Mais si toutes les balles sont lancées à la fois et à un niveau, vous entendrez avec force la note correspondant à ce niveau.

C'est ce que fait le laser. Et c'est que les physiciens profitent d'une tendance des électrons, car dans certaines conditions ils ont tendance à aller à des niveaux d'énergie. Ce que vous devez faire est de créer ces conditions.

Grâce à une source externe de rayonnement, de nombreux atomes d'un corps (peut être solide, liquide ou gaz) seront placés dans le même état d'excitation. Cette opération est appelée «pompage optique» et quand les atomes ainsi excités forment la majorité, les physiciens disent qu’il y a eu un «investissement de population». Cela déclenche l'effet laser.

Le photon émis par un atome de la population excité a de grandes chances de heurter un autre atome excité. Cette dernière se “discite” en émettant l’énergie de l’attaquant et le photon de la même direction. Ce photon fait la même chose que le précédent. Par conséquent, un ensemble de réactions amplifiera immédiatement le rayonnement produit. Le mécanisme qui atteint une grande intensité est la cavité optique. Il dispose de deux miroirs parallèles pour envoyer des photons à l'endroit où l'effet laser se produit. Ainsi, le rayonnement est amplifié à chaque avance des photons et s'échappe par une petite fente située dans l'un des miroirs.

Ce flux de photons diffère considérablement du flux émis par le fil de la lampe électrique incandescente. Dans la lampe, la lumière dépasse dans toutes les directions et pour une certaine quantité d'énergie l'intensité est inférieure à mesure que le filament est épaississant. Au contraire, le flux laser se dirige vers l'intérieur d'un cône très étroit, et en outre, plus le corps dans lequel le laser est généré (ou plus le recul des photons), plus l'intensité est élevée. Les photons sont du même niveau d'énergie (ou longueur d'onde).

Difficultés des rayons X

Ce schéma général du laser est facilement réalisé en lumière visible ou rayonnement ultraviolet, mais jusqu'à présent il a été impossible de réaliser un laser à rayons X. Une des raisons a été l'absence de miroirs capables de refléter les rayons X, mais c'est aussi un obstacle plus grave. Une loi physique indique que plus la longueur d'onde du rayonnement est faible, plus l'émission elle-même est élevée. Par exemple, si la longueur d'onde est dix fois plus petite, l'émission elle-même est mille fois plus grande. Par conséquent, le rayonnement excité est immergé dans de nombreux photons émis naturellement et le laser à rayons X ne peut pas être séparé de ce rayonnement mélangé. Donc, n'y at-il pas de solution pour le laser à rayons X?

Nous revenons à la base du laser mentionné ci-dessus. Nous devons générer un «investissement de population» spécial et les atomes très excités doivent descendre d’un niveau d’énergie déterminé à un autre pour émettre des rayons X. Il a été démontré qu'il est théoriquement possible au milieu des années 70, mais en pratique, il n'a été obtenu qu'à moitié, puisque la vie des niveaux d'excitation nécessaires est très courte (équivalent au milliard de seconde ou à la picosecondes, ^{10 à 12} s environ). Dans la lumière visible, au contraire, la vie des niveaux d'excitation se situe autour de quarante nanosecondes (10 à ⁹ secondes), augmentant le temps à mesure que la longueur d'onde du rayonnement augmente.

Les physiciens ont de grands problèmes pour obtenir des excitations au niveau des rayons X sur les atomes. Si vous utilisiez le pompage optique, la source lumineuse s'évaporerait ou reviendrait parce que la source utilisée devrait être très puissante.

La solution peut être d'utiliser du plasma. Lorsque le matériau est en état de plasma, ses atomes sont tellement excités qu'ils perdent une partie (ou la totalité) du nuage électronique. Ces plasmas, lorsqu'ils sont très chauds, c'est-à-dire très excités, émettent en réalité des rayons X. En outre, les atomes se réchauffent et refroidissent très rapidement et dans le plasma abondent les tourbillons, les pressions et les dépressions. En conséquence, les investissements démographiques pourraient être générés spontanément.

Cependant, au cours des dernières années, certaines séances de laser à rayons X ont été réalisées dans certains laboratoires. En Amérique du Nord, les laboratoires Livermore étaient Denis Matthews et Szimon Suckewer de Princenton, pour la première fois, l'objectif, et le physicien Pierre Jeagle à l'Université d'Orsay en France. Des lasers à rayons X avec longueurs d'onde entre 43,2 et 200 gström ont été utilisés.

Création de rayons X

Il existe deux façons de produire des rayons X. Dans la première, on utilise des collisions entre les électrons libres et les ions plasmatiques. Le choc excite l'ion et certains de ses électrons passent à une orbite plus grande. Puis ils sont “excités”, mais les électrons reviennent à l'orbite la plus basse possible. Ainsi, des photons X sont libérés d'une certaine énergie et direction, c'est-à-dire qu'un faisceau laser est formé. Dans le laboratoire Livermore, ils ont le laser Nova, le plus haut du monde. Denis Mathewsen utilise deux rayons de ce laser, 20 milliards de kilowatts. Aux atomes de Sélénium, le laser Nova enlève 24 des 34 électrons et les laisse avec 10 (parce que le néon a aussi 10 électrons qui sont semblables aux néons). Dans le Limeil français (Val-de-Marne) ils utilisent le laser Phebus de la Commission de l'énergie atomique pour toucher les atomes de sélénium.

L'équipe de Szimon Suckewer de Princenton, le laboratoire Rutherford d'Angleterre et l'équipe de Pierre Jeagle d'Orsay de France utilisent un autre phénomène appelé « recombinaison ». Les électrons tombent aux noyaux plasmatiques (les atomes se recombinent) lorsqu'ils sont refroidis par choc laser. Ainsi, les niveaux supérieurs de l'échelle initialement citée sont remplis avant les niveaux inférieurs, générant un investissement de population à la base du phénomène laser. Szimon Suckewer dirige le rayon vers l'atome de carbone et le laisse avec un seul électron (comme l'hydrogène). Pierre Jeagle travaille avec des atomes d'aluminium et ne lui laisse que trois électrons (comme le lithium). C'est la voie la plus économique, car les électrons qui sont plus attachés au noyau et qui coûte le plus d'extraction sont déposés.

Selon Pierre Jeagle, si la technique de choc sur des lasers à rayons X avance, il sera très coûteux et un instrument très lourd. Mais si le chemin de la recombinaison continue, les lasers à rayons X seront obtenus en utilisant beaucoup moins de puissance, ils seront beaucoup moins chers et pourront finalement être utilisés dans n'importe quel laboratoire.

Longueur d'onde/m	fréquence/kHz
10 -13 – 10 – 12 – 10 – 11 – 10 – 10 – 10 – 10 – 9 – 10 – 8 – 10 – 7 – 10 – 6 – 10 – 5 – 10 – 4 – 10 – 3 – FD 10 -2 – FS10 – 1 – FEC 1 – 10 – FVHF 10 – HF 10 2 – FMI 10 3 – LF 10 – 10 – 10	rayons gamma rayons X rayonnement ultraviolet lumière visible rayonnement infrarouge radiofréquence micro-ondes	– 10 19 – 10 18 – 10 17 – 10 17 – 10 16 – 10 15 – 10 15 – 10 14 – 10 13 – 10 11 – 10 – 10 – 10 9 – 10 8 – 10 7 – 10 5 – 10 5 – 10 4 – 10 3 – 10 2 – 10 – 1

Le tableau suivant montre le spectre de rayonnement électromagnétique. Dans la colonne de gauche sont indiquées les longueurs d'onde des radiations et dans celle de droite les fréquences correspondantes dans les kilohertz. Comme on le voit clairement, les rayons X et les rayons gamma sont les plus faibles radiations d'onde (donc plus souvent).