stringtranslate.com

Гамма-лазер

Гамма -лазер , или гразер , — это гипотетическое устройство, которое будет производить когерентные гамма-лучи , так же как обычный лазер производит когерентные лучи видимого света. [1] Потенциальные области применения гамма-лазеров включают медицинскую визуализацию, движение космических аппаратов и лечение рака. [2]

В своей Нобелевской лекции 2003 года Виталий Гинзбург назвал гамма-лазер одной из 30 важнейших проблем физики. [3]

Усилия по созданию практического гамма-лазера являются междисциплинарными, охватывающими квантовую механику , ядерную и оптическую спектроскопию , химию , физику твердого тела и металлургию , а также генерацию, замедление и взаимодействие нейтронов , и требуют специальных знаний и исследований во всех этих областях. Предмет включает как фундаментальную науку , так и инженерные технологии. [4]

Исследовать

Проблема получения достаточной концентрации резонансно возбужденных (изомерных) ядерных состояний для возникновения коллективного вынужденного излучения включает уширение спектральной линии гамма-излучения . [5] Из двух форм уширения однородное уширение является результатом времени жизни изомерного состояния: чем короче время жизни, тем больше уширена линия. [6] [7] [8] [9] Неоднородное уширение охватывает все механизмы, посредством которых однородно уширенная линия распространяется по спектру. [10]

Наиболее известным неоднородным уширением является уширение отдачи Допплера от теплового движения молекул в твердом теле, содержащем возбужденный изомер, и отдача от гамма-излучения, при котором спектр излучения одновременно смещен и расширен. Изомеры в твердых телах могут испускать резкий компонент, наложенный на фон с допплеровским уширением; это называется эффектом Мессбауэра . [11] Это излучение без отдачи демонстрирует резкую линию поверх фона с допплеровским уширением, которая лишь немного смещена от центра фона. [12] [13] [14] [15] [16]

При удалении неоднородного фона и наличии резкой линии, кажется, что у нас есть условия для усиления . [17] [18] [19] Но другие трудности, которые могут ухудшить усиление, — это невозбужденные состояния, которые резонансно поглощают излучение, непрозрачные примеси и потери при распространении через кристалл, в котором находятся активные ядра. [20] Большая часть последнего может быть преодолена с помощью умного выравнивания кристалла матрицы [21] для использования прозрачности, обеспечиваемой эффектом Боррмана . [22] [23] [24]

Другая трудность, дилемма гразера , заключается в том, что свойства, которые должны обеспечивать усиление, и те, которые допускают достаточную плотность ядерной инверсии, кажутся несовместимыми. [25] [26] Время, необходимое для активации, разделения, концентрации и кристаллизации значительного числа возбужденных ядер с помощью обычной радиохимии, составляет по крайней мере несколько секунд. Чтобы гарантировать сохранение инверсии, время жизни возбужденного состояния должно быть значительно больше. Кроме того, нагрев, который возник бы в результате нейтронной накачки инверсии in situ, кажется несовместимым с поддержанием эффекта Мёссбауэра, хотя все еще есть возможности для исследования. [ необходима цитата ]

Нагрев можно уменьшить с помощью двухступенчатой ​​нейтронно-гамма-накачки, [27] при которой захват нейтронов происходит в исходном легированном конвертере, где он генерирует мёссбауэровское излучение, которое затем поглощается ядрами в основном состоянии в гразере. [28] Двухступенчатая накачка нескольких уровней дает множество преимуществ. [29] [30] [ необходимо разъяснение ]

Другой подход заключается в использовании ядерных переходов, управляемых коллективными электронными колебаниями. [31] [32] Схема будет использовать триаду изомерных состояний: долгоживущее состояние хранения, в дополнение к верхнему и нижнему состоянию генерации. Состояние хранения будет энергетически близко к короткоживущему верхнему состоянию генерации, но разделено запрещенным переходом, включающим одну квантовую единицу спинового углового момента. Гразер будет иметь возможность с помощью очень интенсивного оптического лазера плескать электронное облако вперед и назад и насыщать запрещенный переход в ближнем поле облака. Население состояния хранения затем будет быстро выравниваться с верхним состоянием генерации, переход которого в нижнее состояние генерации будет как спонтанным, так и стимулированным резонансным гамма-излучением. «Полная» таблица нуклидов, вероятно, содержит очень большое количество изомерных состояний, и существование такой триады кажется вероятным, но ее еще предстоит найти. [21] [33]

Нелинейности могут приводить как к пространственным, так и к временным гармоникам в ближнем поле на ядре, [34] [35], открывая ряд возможностей для быстрого перехода из состояния хранения в верхнее состояние генерации с использованием других видов триад, включающих энергии перехода, кратные энергии оптического лазерного кванта и при более высоких мультиполярностях.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Болдуин, GC (1979). «Библиография исследований GRASER». Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-7783-MS . doi :10.2172/6165356. OSTI  6165356.
  2. ^ Pittalwala, Iqbal (2019-12-05). «Гамма-лазер становится на шаг ближе к реальности». Калифорнийский университет, Риверсайд . Получено 2022-11-27 .
  3. ^ Гинзбург, ВЛ (2003). «О сверхпроводимости и сверхтекучести». Нобелевская премия по физике 2003 г .: 96–127.
  4. ^ Болдуин, GC; Солем, JC; Гольданский, VI (1981). «Подходы к разработке гамма-лазеров». Reviews of Modern Physics . 53 (4): 687–744. Bibcode :1981RvMP...53..687B. doi :10.1103/revmodphys.53.687.
  5. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1979). «О прямой накачке гамма-лазеров с помощью захвата нейтронов». Ядерная наука и инженерия . 72 (3): 290–292. doi :10.13182/NSE79-A20385.
  6. ^ Вали, В.; Вали, В. (1963). «Индуцированное гамма-излучение». Труды IEEE . 51 (1): 182–184. doi :10.1109/proc.1963.1677.
  7. ^ Летохов, ВС (1973). «К проблеме гамма-лазера на ядерном переходе». Журнал экспериментальной и теоретической физики . 37 (5): 787–793. Архивировано из оригинала 2016-03-11 . Получено 2016-02-24 .
  8. ^ Каменов, П.; Бончев, Т. (1975). «О возможности реализации гамма-лазера с долгоживущими изомерными ядрами». Болгарская академия наук, Доклады АН 28 (9): 1175–1177. Bibcode :1975BlDok..28.1175K.
  9. ^ Ильинский, Ю. А.; Хохлов, Р.В. (1976). «Возможность создания гамма-лазера». Радиофизика и квантовая электроника . 19 (6): 561–567. Бибкод : 1976R&QE...19..561I. дои : 10.1007/bf01043541. S2CID  120340405.
  10. ^ Болдуин, GC (1977). "О возможности гразеров". Лазерное взаимодействие и родственные плазменные явления . Том 4A. С. 249–257. doi :10.1007/978-1-4684-8103-7_13. ISBN 978-1-4684-8105-1.
  11. ^ Андреев, АВ; Ильинский, Ю. А.; Хохлов, Р. В. (1977). "Роль коллективных и индуцированных процессов в генерации мёссбауэровского гамма-излучения". Журнал экспериментальной и теоретической физики . 46 (4): 682–684. Bibcode :1977JETP...46..682A. Архивировано из оригинала 2016-03-11 . Получено 2016-02-24 .
  12. ^ Hien, PZ (1970). «Спонтанное испускание гамма-квантов системой, содержащей идентичные ядра». Журнал экспериментальной и теоретической физики . 31 (1): 83–86. Bibcode :1970JETP...31...83Z. Архивировано из оригинала 2016-03-11 . Получено 2016-02-24 .
  13. ^ Гольданский, В. И.; Каган, Ю. М. (1973). «Осуществимость гамма-лазера на ядерных переходах (Грейзера)». Успехи физических наук . 16 (4): 563–565. doi :10.1070/pu1974v016n04abeh005305.
  14. ^ Namiot, VA (1973). «Сужение стимулированной линии и эффект Мёссбауэра для долгоживущих изомеров». Письма в ЖЭТФ . 18 (6): 369–373. Архивировано из оригинала 2019-02-07 . Получено 2016-02-24 .
  15. ^ Андреев, АВ; Ильинский, Ю. А.; Хохлов, Р. В. (1974). «Сужение линий гамма-резонанса в кристаллах непрерывными радиочастотными полями». Журнал экспериментальной и теоретической физики . 40 (5): 819–820. Bibcode :1975JETP...40..819A. Архивировано из оригинала 27-09-2016 . Получено 24-02-2016 .
  16. ^ Болдуин, GC (1979). "Временная спектроскопия безоткатных гамма-лучей". Ядерные приборы и методы . 159 (2–3): 309–330. Bibcode : 1979NucIM.159..309B. doi : 10.1016/0029-554x(79)90656-6.
  17. ^ Terhune, IH; Baldwin, GC (1965). «Ядерное сверхизлучение в твердых телах». Physical Review Letters . 14 (15): 589–591. Bibcode : 1965PhRvL..14..589T. doi : 10.1103/physrevlett.14.589.
  18. ^ Болдуин, GC (1974). «Есть ли предел высокой частоты для лазерного воздействия?». Взаимодействие лазеров и родственные плазменные явления . Том 3B. С. 875–888. doi :10.1007/978-1-4684-8416-8_23. ISBN 978-1-4684-8418-2.
  19. ^ Андреев, А. В.; Ильинский, Ю. А. (1975). «Усиление в гамма-лазере при выполнении условия Брэгга». Журнал экспериментальной и теоретической физики . 41 (3): 403–405. Bibcode :1975JETP...41..403A. Архивировано из оригинала 2016-03-11 . Получено 2016-02-24 .
  20. ^ Ильинский, Ю. А.; Хохлов, Р. В. (1974). «О возможности наблюдения стимулированного гамма-излучения». Успехи физических наук . 16 (4): 565–567. doi :10.1070/pu1974v016n04abeh005306.
  21. ^ ab Baldwin, GC; Solem, JC (1997). "Безоткатные гамма-лазеры". Reviews of Modern Physics . 69 (4): 1085–1117. Bibcode : 1997RvMP...69.1085B. doi : 10.1103/revmodphys.69.1085.
  22. ^ Боррманн, Г. (1941). «Диаграмма Über Extinctions der Röntgenstrahlen von Quarz». Physikalische Zeitschrift . 42 : 157–162.
  23. ^ Каган, Ю. М. (1974). «Использование эффекта аномального прохождения для получения вынужденного излучения гамма-квантов в кристалле». Письма в ЖЭТФ . 20 (1): 11–12. Архивировано из оригинала 2016-09-06 . Получено 2016-02-24 .
  24. ^ Андреев, А. В.; Ильинский, Ю. А. (1976). «Возможное использование эффекта Бормана в гамма-лазере». Журнал экспериментальной и теоретической физики . 43 (5): 893–896. Bibcode :1976JETP...43..893A. Архивировано из оригинала 2016-03-11 . Получено 2016-02-24 .
  25. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1979). «Максимальная плотность и скорости захвата нейтронов, замедленных импульсным источником». Ядерная наука и инженерия . 72 (3): 281–289. Bibcode : 1979NSE....72..281B. doi : 10.13182/NSE79-A20384.
  26. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1995). «Кинетика гамма-лазеров с накачкой нейтронными импульсами». Laser Physics . 5 (2): 326–335.
  27. ^ Гольданский, ВИ; Каган, Ю.; Намиот, ВА (1973). «Двухступенчатая накачка мёссбауэровских гамма-лазеров». Письма в ЖЭТФ . 18 (1): 34–35. Архивировано из оригинала 2016-03-06 . Получено 2016-02-24 .
  28. ^ Гольданский, ВИ; Каган, Ю. (1973). "Возможность создания ядерного гамма-лазера". Журнал экспериментальной и теоретической физики . 37 (1): 49. Bibcode :1973JETP...37...49G. Архивировано из оригинала 2016-03-11 . Получено 2016-02-24 .
  29. ^ Болдуин, GC; Солем, JC (1980). «Двухступенчатая накачка трехуровневых мессбауэровских гамма-лазеров». Журнал прикладной физики . 51 (5): 2372–2380. Bibcode : 1980JAP....51.2372B. doi : 10.1063/1.328007.
  30. ^ Болдуин, GC (1984). "Многоступенчатые схемы накачки для коротковолновых лазеров". Взаимодействие лазеров и родственные плазменные явления . Том 6. С. 107–125. doi :10.1007/978-1-4615-7332-6_8. ISBN 978-1-4615-7334-0.
  31. ^ Солем, Дж. К.; Биденхарн, Л. К. (1987). "Учебник по связи коллективных электронных колебаний с ядрами" (PDF) . Отчет Национальной лаборатории Лос-Аламоса LA-10878 . Bibcode : 1987pcce.rept.....S.
  32. ^ Biedeharn, LC; Baldwin, GC; Boer, K. (1986). Ядерное возбуждение когерентными колебаниями внешней электронной оболочки, возбуждаемыми лазером . Труды Первой международной конференции по лазерной науке, Даллас, Техас, 18–22 ноября 1985 г. Stwalley, WC; Lapp, M.; Ред. Том 146. стр. 52–53. Bibcode : 1986AIPC..146...52B. doi : 10.1063/1.35933.
  33. ^ Солем, Дж. К.; Биденхарн, Л. К.; Ринкер, ГА (1987). «Расчет гармонического излучения атомов, подвергнутых воздействию сильных лазерных полей, и возможность ядерного возбуждения». Журнал Оптического общества Америки, A. 4 : 53. Bibcode : 1987JOSAA...4...53S.
  34. ^ Solem, JC; Biedenharn, LC (1988). «Взаимодействие лазера с ядрами посредством коллективных электронных колебаний: простое эвристическое модельное исследование». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 40 (6): 707–712. Bibcode : 1988JQSRT..40..707S. doi : 10.1016/0022-4073(88)90066-0.
  35. ^ Солем, Дж. К. (1988). «Теорема, связывающая пространственные и временные гармоники для ядерного межуровневого переноса, управляемого коллективными электронными колебаниями». Журнал количественной спектроскопии и радиационного переноса . 40 (6): 713–715. Bibcode : 1988JQSRT..40..713S. doi : 10.1016/0022-4073(88)90067-2.

Дальнейшее чтение