لیزرهای الکترون آزاد (3)

نکتة دیگر در طراحی ویگلر، انتخاب میان ویگلر مارپیچی و ویگلر صفحه‌ای است. ویگلر مارپیچی باریکة الکترون را در مسیری حلزونی هدایت می‌کند در حالی که ویگلر صفحه‌ای مسیری سینوسی به آن تحمیل می‌کند. در مسیر حلزونی سرعت‌های عرضی و محوری باریکه ثابت می‌مانند، ولی سرعت در حرکتی که ویگلر صفحه‌ای تحمیل می‌کند نوسانی است. برای انجام برهم کنشی یکسان میان باریکة الکترونی و موج گرانرو، میدان مغناطیسی مورد نیاز در ویگلر مارپیچی 70 درصد میدان ویگلر صفحه‌ای است. ولی در عوض ویگلر صفحه‌ای تنظیمش ساده‌تر و بنابراین برای کار با دوکی کننده‌های مختلف مناسب‌تر است.
اگرچه ویگلرهای پیشرفته می‌توانند انرژی بیشتری از باریکة الکترون بگیرند، ولی کارایی مطلوب مستلزم باریکه‌ای با کیفیت عالی است. آزمایشگران به اصلاح شتابدهنده‌های الکترون مشغول‌اند تا بتوانند باریکه‌های موردنیاز لیزرهای الکترون آزاد را فراهم کنند. برای کارایی مطلوب، هر لیزر الکترون آزاد خاصی به شتابدهندة مناسب خود نیاز دارد. برایی مثال، "حلقه‌های انباشت الکترون" باریکه‌های الکترون با کیفیت خوب و انرژی زیاد با جریان‌های کم و متوسط تولید می‌کنند، بنابراین برای لیزرهای کم توان و با طول موج کوتاه بسیار مناسبند. بازده لیزرهای الکترون آزادی که با الکترون‌های پرانرژی کار می‌کنند عموماً کم است؛ زیرا جرم مؤثر الکترون‌هایی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند زیاد است و بنابراین در بر هم کنش با میدان ویگلر حساسیت کمتری نشان می‌دهند. باریکة الکترون در حلقة انباشت متشکل از یک رشته تپ‌های پیکو ثانیه‌ای است، این تپ‌ها پیوسته در حلقه گردش می‌کنند و امکان می‌دهند که لیزر الکترون آزاد به صورت نوسانگر عمل کند. نور لیزر الکترون آزادی که به کمک باریکة الکترونی حلقة انباشت تولید می‌شود شامل تپ‌های کوتاهی است که با تپ‌های باریکه تطبیق می‌کنند. این تپ‌ها رفت و برگشت‌های متعددی در کاواک انجام می‌دهند تا توان لازم را کسب کنند.
در شتابدهنده‌های خطی رادیو ـ بسامدی از یک مجموعه کاواک استفاده می‌شود که حاوی میدان‌های الکترومغناطیسی با تغییرات سریع برای شتاب دادن الکترون‌هاست. این شتاب‌دهنده‌ها باریکه‌هایی تولید می‌کنند که شامل ماکروتپ‌هایی (نوعاً با طولی در حدود میکروثانیه) است که هریک از آن‌ها از یک رشته میکروتپ پیکو ثانیه‌ای تشکیل می‌شود. در حال حاضر، این شتاب‌دهنده‌ها برای نوسانگرهای لیزرهای الکترون آزادی که نور مرئی گسیل می‌دارند الکترون فراهم می‌کنند. لیزرهایی که با شتاب‌دهنده‌های خطی رادیو ـ بسامدی کار می‌کنند نیز مثل لیزرهایی که با حلقة انباشت کار می‌کنند، نور را به صورت تپ، منتها با توان‌های بسیار زیادتر، ارسال می‌کنند. شتاب‌دهنده‌های خطی القایی هم قادرند لیزرهای الکترون آزاد پرتوانی را به کار بیاندازند. اساس کار آن‌ها بر این است که با تغییر سریع شدت میدان مغناطیسی در یک کاواک، نیروی محرکة القایی ایجاد می‌شود. باریکة الکترون کار سیم‌پیچ ثانویه در مبدل مغناطیسی را انجام می‌دهد. قلة توانی که شتاب‌دهنده‌های خطی القایی تولید می‌کنند بلندتر از قله‌ای است که شتابدهنده‌های رادیو ـ بسامدی تولید می‌کنند، اما برای رسیدن به توان متوسط زیاد باید به آنها پی‌در‌پی الکترون شلیک کرد. آزمایشگران در لیومور توانسته‌اند به تپ‌هایی به مدت 50 نانوثانیه، جریان 10000 آمپر، و انرژی MEV 50 دست بیابند. پژوهشگران لیومور در حال تکمیل شتاب‌دهنده‌هایی هستند که بتوانند چنین تپ‌هایی را 10000 بار در ثانیه تولید کنند.
گرچه شتاب‌دهنده‌های الکتروستاتیکی در مقایسه با شتاب‌دهنده‌های خطی از توان متوسط کمتری برخوردارند، ولی می‌توانند باریکه‌های الکترونی پیوسته فراهم کنند که برای لیزرهای الکترون آزادی مناسب است که در گسترة میکروموج تا مرئی نور گسیل می‌کنند. میکروترون‌ها نیز قادر به این کار هستند. میکروترون دستگاهی است که فقط از یک کاواک شتابدهندة رادیو ـ بسامدی و آهنربایی که باعث دور زدن باریکة الکترون می‌شود تشکیل شده است؛ بنابراین، باریکه بارها از کاواک شتاب‌دهنده می‌گذرد. این احتمال هست که شتاب‌دهنده‌های الکتروستاتیکی و میکروترون‌ها برای تحقیقات و کاربردهای زیست پزشکی خیلی مناسب باشند، زیرا در این موارد همدوسی و قابلیت کوک شدن نور لیزر مهمتر از توان فوق العاده زیاد است.
کاربرد لیزرهای الکترون آزاد، حتی در وضع ناکامل فعلی، به عنوان چشمه‌های پرتوان تپی و پیوستة نور مرئی و فروسرخ در کارهای پژوهشی شروع شده است. از هم اکنون پیداست که این نوع لیزرها در رشته‌های بسیار مختلف، از زیست پزشکی گرفته تا فیزیک حالت جامد، ابزارهایی کارامد برای آزمایشند. اولین تجهیزات استفاده از لیزرهای الکترون آزاد در سال 1984 توسط لوییس الیاس از دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا برپا شد. در این تجهیزات الکترون‌ها در یک شتابدهندة الکتروستاتیکی MEV3 بلند ـ تپ فراهم می‌شوند. قلة توانی که این سیستم در گسترة فروسرخ دور ـ یعنی 390 تا 1000 میکرون ـ تولید می‌کند 10 کیلووات است. در یکی از اولین آزمایش‌هایی که با این دستگاه انجام شد، پژوهشگران اثر طول موج را در جهش‌های "نور ـ برانگیخته" در مولکول‌های DNA مطالعه کردند. از تسهیلات سانتا باربارا برای مطالعة ساختار نوارهای انرژی الکترون در نیم‌رساناها، تقسیم اشتارکی خطوط طیفی در میدان‌های شدید الکتریکی، و برانگیزش خطی و غیرخطی فونون‌ها (امواج صوتی کوانتیده) در بلورها استفاده شده است.
به تازگی میدی تسهیلاتی برای استفاده‌های "عمومی"تر در استانفورد دایر کرده است. این لیزر الکترون آزاد متکی بر یک شتاب‌دهندة خطی رادیو ـ بسامدی است. نور آن را می‌توان روی طول موج مرئی 5ر0 میکرون تا فروسرخ میانی 10 میکرون کوک کرد. این لیزر می‌تواند قطاری از تپ‌های چند میکروثانیه‌ای گسیل کند و قلة توان آن تا دو مگاوات می‌رسد. سومین مرکز کاربرد لیزر الکترون آزاد قرار است در اوایل سال 1990 در دانشگاه واندر بیلت شروع به کار کند. طبق طرحی که ارائه شده این لیزر روی طول موج‌های 2ر0 میکرون در فرابنفش میانی، تا 10 میکرون قابل کوک خواهد بود.
لیزرهای الکترون آزاد بخصوص برای جراحی مناسبند. از این لیزرها می‌توان هم برای بریدن و هم برای انجام عمل فوتون ـ جوش (انعقاد از طریق داغ کردن) استفاده کرد. برای بریدن معمولاً نور فروسرخ سه میکرونی لازم است، و این طول موجی است که شدیداً جذب مولکول‌های آب در بافت می‌شود و پراکندگی آن نسبتاً کم است. اما برای جوش دادن به طول موج‌هایی میان 0 تا 5ر1 میکرون نیاز است، که هم جذب و هم پراکنش آن‌ها شدید است؛ بنابراین شعاع عمل به لایه‌ای نازک از بافت محدود خواهد بود. علی‌الاصول، لیزر الکترون آزاد را می‌توان در حین عمل جراحی، بنا به ضرورت، روی طول موج‌های کوتاه و بلند کوک کرد.
دستگاه پرقدرت استانفورد برای مطالعة کاربردهای جراحی بسیار مناسب است. این لیزر بافت نرم و همچنین استخوان را خیلی سریع گرم می‌کند و پلاسمای فراگرم به وجود می‌آورد. (مکانیسم برش با لیزرهای جراحی عموماً سوزاندن یا جزغاله کردن است.) در مقایسه با لیزرهای فعلی، لیزر الکترون آزاد با توان زیاد و تپ‌های کوتاه امکان می‌دهد که زخم‌ها سریع‌تر التیام پیدا کنند و آاثار آن‌ها محدودتر شود.
یک مانع احتمالی که کاربرد لیزر الکترون آزاد را محدود می‌کند، همان توان خیلی زیاد تپ‌های آن است. اگرچه توان زیاد برای جراحی خوب است؛ ولی جابه‌جا کردن این سیل عظیم فوتون ممکن است برای تارهای نوری فعلی کار مشکلی باشد. بنابراین باید در فکر تارهای نوری جدیدی بود که بتوانند توان‌های زیادتری را تحمل کنند. مسئلة دیگر که حل آن مشکل‌تر است حجم و پیچیدگی این سیستم لیزری است. باریکه‌های الکترونی پرانرژی که برای تولید نور با طول موج‌های کوتاه مورد نیازند، پرتوهای X و نوترون نیز به میزان زیاد تولید می‌کنند. مجموعة منبع تغذیه، شتابدهنده، ویگلر، تجهیزات اپتیکی، و حفاظ، مجتمع پر حجمی را به وجود می‌آورد و بنابراین امکان دارد تسهیلات لیزر الکترون آزاد در انحصار مراکز تحقیقاتی چند مؤسسه خاص بماند.