Unia ultimaattisesta lampusta

Mietiskelin joskus aiemmin multispektraalilampun värkkäämistä hervottoman kokoisesta ledipankista. Nyt tuli unessa aavistuksen verran teoreettisempi ajatus, mutta jossain määrin jopa kiintoisampi. Mitäs jos sen valonlähteen värkkäisikin vapaaelektronilaserista (free electron laser, FEL)?

FEL:n hauska puoli on siinä, että se on jatkuvasti viritettävä ja tehonsa puolesta varsin skaalautuva. Huono puoli on, että perinteisesti se on vaatinut vähintäänkin kymmenien metrien hiukkaskiihdyttimen että siitä on saanut mitään irti. Tuossa mielessä se siis on hieman heikko kandidaatti hehkulampunkorvikkeeksi, mutta kun tässä nyt joka tapauksessa on kysymys ajatusleikistä, leikitäänpä silti leikki loppuun.

FEL:in juju on saattaa relativistinen elektronivirta "undulaattorissa" periodiseen magneettikenttään, jolloin sen sisäinen mekaniikka muuttuu ja se tuottaa koherenttia synktrotronisäteilyä taajuudella, joka riippuu elektronien nopeudesta ja magneettikentän periodista. Säteily etenee samaan suuntaan kuin elektronit, ja sen intensiteetti riippuu magneettikentän intensiteetistä ja elektronisuihkussa kulkevasta virrasta. Taajuutta siis viritetään muuttamalla elektronien nopeutta—lineaarikiihdyttimessä siis potentiaalieroa, synkrotronissa taajuutta—ja intensiteettiä moduloidaan virralla.

Periaatteessa tällaisen rakenteen pitäisi olla miniaturisoitavissa varsin pitkälle, etenkin näkyvällä valolla jonka aallonpituus on kuitenkin rajallinen: lisäämällä potentiaalia tarvittavan undulaattorin pituus vähenee annetulle syklien määrälle, ja jos oikein pikkuisia rakenteita mietitään, voisi jopa kuvitella että kovalevy- ja kiintomagneettiteknologiasta voisi löytyä keinoja rakentaa vahvoja undulaattoreita joiden periodi on jotain välillä mikrometreistä millimetriin.

Tarvittavat jännitteet tuskin nykyisin olisivat ongelma edes puhtaalta puolijohdepohjalta. Jopa diodisilloilla päästään näppärästi miljoonan voltin tuntumaan, ja tietty kaiken sortin kummallisia resonantteja hakkurimuuntajarakenteita on myös olemassa. Joo, oishan siinä varmaan vähän virittämistä, mutta en usko että tuo puoli on ongelma.

Tuon jälkeen undulaattorin läpi pitäisi vain saada puskettua tarpeeksi virtaa että sen auttamattoman alhainen hyötysuhde saadaan kompensoitua. Se onkin sitten jo haastavampi juttu, kun ainakaan nuo diodisillat eivät kanna korkeisiin virtoihin järkevin häviöin. Mutta sitten, ehkäpä se auttaisi jos ratkaisisimme erään toisen ongelman ensin ja palaisimme?

Nimittäin tuo alhainen hyötysuhde on tällaisissa vekottimissa tavallistakin painavampi ongelma. Siinä missä useimmissa valonlähteissä ylimääräinen energia ihan vain muuttuu lämmöksi, tässä se on varastoituneena edelleen relativistisen elektronisuihkun kineettiseksi energiaksi. Jos tuollaisen ihan vain dumppaa vaikkapa grafiittiin, tuloksena ei ole vain lämpöä vaan valoa. Tarkemmin sanoen, huomattavan äkäistä brehmstrahlung-säteilyä, laajalla spektrillä jossa on mukana kaikki pehmeää gammaa myöten. Lisäksi alhainen hyötysuhde tarkoittaa että tarvittavia komponentteja muihin osiin ei ehkä löydy. Eli olisi kätevää, jos tuo hukkaanmennyt energia saataisiin jotenkin talteen.

Intuitiivisesti ajatellen tuon ei pitäisi olla kamalan vaikeaa: sillä se nopeus tippuu millä se nousikin, eli vastakkaisella sähköstaattisella kentällä. Sen sijaan että elektronien annetaan vain tippua korkeasta potentiaalista undulaattorin kautta maahan, heilautetaan ne sen jälkeen takaisin lähelle alkuperäistä potentiaalia, niin että ne hidastuvat, kerätään ne alhaisella nopeudella talteen, ja kierrätetään takaisin. Tuolloin putki olisi suunnilleen 6-7-osainen: (hehku?)katodi korkeassa potentiaalissa, metri kiihdytystä, fokusointimagneetit, miniaturisoitu undulaattori joka on asetettu maapotentiaaliin, ehkä deflektorimagneetti jos valo täytyy tosiaan saada ulos putkesta jo tuossa vaiheessa, toinen metri jarrurataa, ja viimein isokokoinen anodi miltei yhtä korkeassa potentiaalissa kuin katodikin oli. (Jos putki rakentuisi niin että se on ihan vain suora, luultavasti jarrualue olisi tehty hopeoimalla tai dikroiditekniikoilla peiliksi, kuten anodikin, ja jälkimmäinen sitten viskaisi syntyneen valon ulos putkesta sivusuuntaan.)

Se mikä tässä voi mennä pahimmin pieleen on elektronisuihkun epävakaus sen lähestyessä taas korkeaa potentiaalia, mutta luulisi että tuo voitaisiin magneettisesti hallita siinä määrin että tehohäviöt niin lämpöön kuin eritoten säteilyynkin pysyvät putken alapäässä järkevissä rajoissa.

Tuollainen arkkitehtuuri sitten ratkaisisi ison osan virransyötön ongelmista, koska teoriassa se olisi jaettavissa kahtia: se hillitön potentiaaliero joka kiihdytinhommissa aina tarvitaan voitaisiin aikaansaada ihan vain diodisillalla tai vastaavalla. Varsinainen korkeavirtatyöskentely tapahtuisi kokonaan putken päiden välillä, suhteellisen alhaisella potentiaalierolla, eli olisi toteutettavissa tunnetuilla puolijohdetekniikoilla. Kun hommaa miettii noin, systeemi myös kannattaisi kääntää niin päin, että kaikki paitsi undulaattorin potentiaali on lähellä ympäröivää maata, ja vain putken keskiosa työnnetään diodisillalla staattiseen megavolttiin or-so. Potentiaalin ohjauksesta tosin tulee tuossa vaiheessa hiukka hankalaa kun näkyvän valon taajuus–kaistanleveys-suhde on kuitenkin yli 0.5, mutta oletetaan nyt että moiset ongelmat saadaan ratkottua jollain häijyllä putkimagialla.

Kaiken tuon jälkeen mitä meillä ideaalisesti olisi käsissä? Noh, toivottavasti semmoinen sadan, parinsadan watin hehkulampun valotehoinen, hyvinintegroitu, parimetrisen paksun loisteputken kokoluokassa toimiva laser, joka on täysin vapaaviritteinen näkyvän valon aallonpituuksien yli, nopea kuin piru, ja toimii mielekkäillä hyötysuhteilla. Tommoseen ei sitten tarvita kuin yksi palanen, niin mun valounet ois totta: ohjain.

Ohjaimen työnä on moduloida putken virtaa ja potentiaalia niin, että potentiaali pyyhkii sanotaanko 60 kertaa sekunnissa jollakin (voimakkaasti vaihtuvalla) nopeudella koko näkyvän valon aallonpituudet läpi, samalla kun virtaa moduloidaan tietyssä mielessä komplementaarisesti. Homman jujuna on, että toisin kuin diodipankeilla, tuolla arkkitehtuurilla putken kokonaisteho voidaan jakaa täysin mielivaltaisesti ja jatkuvasti näkyvien aallonpituuksien yli, aina valkoisesta valosta (okei, lähes) täysin monokromaattiseen laseriin, tai useampaan, tai mielivaltaiseen jatkuvaan spektriin yhdistettynä mielivaltaiseen diskreettiin. Kaikki menee, eikä koskaan törmätä siihen ongelmaan mitä addittiivisilla LED-pankeilla, että kun punainen diodi ei nyt vain pysty tuottamaan sinistä valoa, siitä sinisestä valosta ei koskaan saa yhtä kirkasta kuin saman lampun tuottamasta valkoisesta valosta; FEL:in kanssa ei tarvitse kuin jättää potentiaali lepäämään toivotulle alueelle, niin aikalailla vakioteho kuluu sitten sille.

Ennen kuin joku pahemmin debugaa ylläolevaa, se todellakin tuli unessa. En ole aivan niin tyhmä että kuvittelisin hiukkaskiihdytinlamppuja helpoksi, järkeväksi, turvalliseksi tai edes mahdolliseksi jutuksi. Mutta pakko kai kunkin myöntää että miehekäs ajatus yhtä kaikki.