Гамма-лазер , или Graser , является гипотетическим устройством , которое будет производить когерентные гамма - лучи , так же , как обычный лазера производит когерентные лучи видимого света. [1]
В своей Нобелевской лекции 2003 года Виталий Гинзбург назвал гамма-лазер одной из тридцати важнейших проблем физики. [2]
Усилия по созданию практического гамма-лазера являются междисциплинарными, охватывают квантовую механику , ядерную и оптическую спектроскопию , химию , физику твердого тела и металлургию, а также генерацию, замедление и взаимодействие нейтронов, и требуют специальных знаний и исследования во всех этих областях. Предмет включает как фундаментальные науки, так и инженерные технологии. [3]
Исследовать
Проблема получения достаточной концентрации резонансно возбужденных (изомерных) ядерных состояний для коллективного вынужденного излучения включает уширение спектральной линии гамма-излучения . [4] Из двух форм уширения однородное уширение является просто результатом времени жизни изомерного состояния: чем короче время жизни, тем более уширенная линия. [5] [6] [7] [8] Неоднородное уширение включает в себя все механизмы, с помощью которых однородно уширенная линия распространяется по спектру. [9]
Наиболее известным неоднородным уширением является доплеровское уширение отдачи от теплового движения молекул в твердом теле, содержащем возбужденный изомер, и отдача от гамма-излучения, в котором спектр излучения как смещен, так и уширен. Изомеры в твердых телах могут излучать резкую составляющую, наложенную на доплеровский уширенный фон; это называется эффектом Мёссбауэра . [10] Это безоткатное излучение показывает резкую линию поверх доплеровского уширения фона, которая лишь слегка смещена от центра фона. [11] [12] [13] [14] [15]
После удаления неоднородного фона и резкой линии казалось бы, что у нас есть условия для усиления . [16] [17] [18] Но другие трудности, которые могут ухудшить усиление, - это невозбужденные состояния, которые могут резонансно поглощать излучение, непрозрачные примеси и потери при распространении через кристалл, в который встроены активные ядра. [19] Большая часть последнего может быть преодолена с помощью умного выравнивания кристалла матрицы [20], чтобы использовать прозрачность, обеспечиваемую эффектом Боррмана . [21] [22] [23]
Другая трудность, более серьезная дилемма , состоит в том, что свойства, которые должны обеспечивать усиление, и те, которые допускают достаточную плотность ядерной инверсии, кажутся несовместимыми. [24] [25] Время, необходимое для активации, разделения, концентрации и кристаллизации значительного числа возбужденных ядер с помощью традиционной радиохимии, составляет по крайней мере несколько секунд. Чтобы инверсия сохранялась, время жизни возбужденного состояния должно быть значительно больше. Более того, нагрев, который может возникнуть в результате нейтронной накачки инверсии на месте, кажется несовместимым с поддержанием эффекта Мессбауэра, хотя есть еще возможности для изучения. [ необходима цитата ]
Нагрев может быть уменьшен двухступенчатой нейтронно-гамма-накачкой [26], при которой нейтронный захват происходит в преобразователе, легированном родительской примесью, где он генерирует мессбауэровское излучение, которое затем поглощается ядрами основного состояния в гразере. [27] Двухступенчатая перекачка нескольких уровней дает множество преимуществ. [28] [29] [ требуется разъяснение ]
Другой подход - использовать ядерные переходы, вызываемые коллективными электронными колебаниями. [30] [31] Схема будет использовать триаду изомерных состояний: долгоживущее состояние накопления в дополнение к верхнему и нижнему состояниям генерации. Состояние хранения будет энергетически близко к короткоживущему верхнему лазерному состоянию, но разделено запрещенным переходом с участием одной квантовой единицы спинового углового момента. С помощью очень мощного оптического лазера газонокосилку можно было бы раскачивать электронное облако взад и вперед и насыщать запрещенный переход в ближнем поле облака. Население накопительного состояния тогда будет быстро уравновешено с верхним лазерным состоянием, переход которого в нижнее лазерное состояние будет как спонтанным, так и стимулированным резонансным гамма-излучением. «Полная» диаграмма нуклидов, вероятно, содержит очень большое количество изомерных состояний, и существование такой триады кажется вероятным, но ее еще предстоит найти. [20] [32]
Нелинейность может приводить к возникновению как пространственных, так и временных гармоник в ближнем поле ядра [33] [34], открывая диапазон возможностей для быстрого перехода из состояния накопления в верхнее состояние генерации с использованием других видов триад, включающих кратные энергии перехода. энергии кванта оптического лазера и при более высоких мультиполярностях.
дальнейшее чтение
- Балко, Б .; Cohen, L .; Воробей, Д.А. ред. (1989). Гамма-лазеры . Пергамон. ISBN 978-0-08-037015-6 http://www.sciencedirect.com/science/book/9780080370156 Предоставляет исчерпывающий обзор текущего состояния гамма-лазеров.
- Киллус, Дж. (2006). «Гамма-лазер» . Непреднамеренная ирония . Обзор для обывателей.
Рекомендации
- ^ Болдуин, GC (1979). «Библиография исследований GRASER» . Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-7783-MS . DOI : 10.2172 / 6165356 . ОСТИ 6165356 .
- ^ Гинзбург, ВЛ (2003). «О сверхпроводимости и сверхтекучести» . Нобелевская премия по физике 2003 : 96–127.
- ^ Болдуин, GC; Solem, JC; Гольданский В.И. (1981). «Подходы к разработке гамма-лазеров». Обзоры современной физики . 53 (4): 687–744. Полномочный код : 1981RvMP ... 53..687B . DOI : 10,1103 / revmodphys.53.687 .
- ^ Болдуин, GC; Solem, JC (1979). «О прямой накачке гамма-лазеров нейтронным захватом» . Ядерная наука и инженерия . 72 (3): 290–292. DOI : 10,13182 / NSE79-A20385 .
- ^ Вали, В .; Вали, В. (1963). «Индуцированное гамма-излучение γ-квантов». Труды IEEE . 51 (1): 182–184. DOI : 10,1109 / proc.1963.1677 .
- ^ Летохов В. С. (1973). «К проблеме гамма-лазера на ядерных переходах» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 37 (5): 787–793.
- ^ Каменов, П .; Бончев, Т. (1975). «О возможности реализации гамма-лазера с долгоживущими ядрами изомеров». Болгарская Академия Наук, Доклады . 28 (9): 1175–1177. Bibcode : 1975BlDok..28.1175K .
- ^ Ильинский, Ю. А .; Хохлов, Р.В. (1976). «Возможность создания гамма-лазера». Радиофизика и квантовая электроника . 19 (6): 561–567. Bibcode : 1976R & QE ... 19..561I . DOI : 10.1007 / bf01043541 .
- ^ Болдуин, GC (1977). О целесообразности травок . Труды Четвертого семинара по взаимодействию с лазерами и связанным с ним плазменным явлениям, Трой, штат Нью-Йорк, 8–12 ноября 1976 г. Schwarz, HJ; Hora, H .; Ред . 4А . С. 249–257. DOI : 10.1007 / 978-1-4684-8103-7_13 . ISBN 978-1-4684-8105-1.
- ^ Андреев А.В.; Ильинский, Ю. А .; Хохлов, Р.В. (1977). «Роль коллективных и индуцированных процессов в генерации мессбауэровского гамма-излучения» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 46 (4): 682–684.
- ^ Хиен, П.З. (1970). «Спонтанное излучение гамма-квантов системой, содержащей идентичные ядра» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 31 (1): 83–86. Bibcode : 1970JETP ... 31 ... 83Z .
- ^ Гольданский, В.И. Каган, Ю. М. (1973). «Возможность создания гамма-лазера на ядерных переходах (Graser)». Успехи советской физики . 16 (4): 563–565. DOI : 10,1070 / pu1974v016n04abeh005305 .
- ^ Намиот, Вирджиния (1973). «Вынужденное сужение линии и эффект Мессбауэра для долгоживущих изомеров» . Письма в ЖЭТФ . 18 (6): 369–373.
- ^ Андреев А.В.; 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 .
- ^ Болдуин, GC (1979). "Спектроскопия гамма-излучения без отдачи во временной области". Ядерные инструменты и методы . 159 (2–3): 309–330. Bibcode : 1979NucIM.159..309B . DOI : 10.1016 / 0029-554x (79) 90656-6 .
- ^ Terhune, IH; Болдуин, GC (1965). «Ядерное сверхизлучение в твердых телах». Письма с физическим обзором . 14 (15): 589–591. Bibcode : 1965PhRvL..14..589T . DOI : 10.1103 / physrevlett.14.589 .
- ^ Болдуин, GC (1973). Есть ли ограничение по высокой частоте для лазерного воздействия? . Труды Третьего семинара по лазерному взаимодействию и связанным с ним плазменным явлениям, Трой, штат Нью-Йорк, 13–17 августа 1973 г. Schwarz, HJ; H. Hora, H .; Ред . 3Б . С. 875–888. DOI : 10.1007 / 978-1-4684-8416-8_23 . ISBN 978-1-4684-8418-2.
- ^ 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 .
- ^ Ильинский, Ю. А .; Хохлов, Р.В. (1974). «О возможности наблюдения вынужденного гамма-излучения». Успехи советской физики . 16 (4): 565–567. DOI : 10,1070 / pu1974v016n04abeh005306 .
- ^ а б Болдуин, GC; Solem, JC (1997). «Безоткатные гамма-лазеры» . Обзоры современной физики . 69 (4): 1085–1117. Bibcode : 1997RvMP ... 69.1085B . DOI : 10,1103 / revmodphys.69.1085 .
- ^ Боррманн, Г. (1941). "Über Extinktionsdiagramme der Röntgenstrahlen von Quarz". Physikalische Zeitschrift . 42 : 157–162.
- ^ Каган, Ю. М. (1974). «Использование эффекта аномального прохождения для получения вынужденного излучения гамма-квантов в кристалле» . Письма в ЖЭТФ . 20 (1): 11–12.
- ^ 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 .
- ^ Болдуин, GC; Solem, JC (1979). «Максимальная плотность и скорость захвата нейтронов, замедляемых от импульсного источника» . Ядерная наука и инженерия . 72 (3): 281–289. DOI : 10,13182 / NSE79-A20384 .
- ^ Болдуин, GC; Solem, JC (1995). «Кинетика гамма-лазеров с накачкой нейтронными вспышками» . Лазерная физика . 5 (2): 326–335.
- ^ Гольданский, В.И. Каган Ю.А. Намиот, Вирджиния (1973). «Двухступенчатая накачка мессбауэровских гамма-лазеров» . Письма в ЖЭТФ . 18 (1): 34–35.
- ^ Гольданский, В.И. Каган, Ю. (1973). «Возможность создания ядерного гамма-лазера» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 37 (1): 49. Bibcode : 1973JETP ... 37 ... 49G .
- ^ Болдуин, GC; Solem, JC (1980). «Двухступенчатая накачка трехуровневых мессбауэровских гамма-лазеров». Журнал прикладной физики . 51 (5): 2372–2380. Bibcode : 1980JAP .... 51.2372B . DOI : 10.1063 / 1.328007 .
- ^ Болдуин, GC (1984). Многоступенчатые схемы накачки коротковолновых лазеров . Труды 6-го Международного семинара по взаимодействию лазеров и родственным плазменным явлениям, Монтерей, Калифорния, 25–29 октября 1982 г. Hora, H .; Майли, GH; Ред . 6 . С. 107–125. DOI : 10.1007 / 978-1-4615-7332-6_8 . ISBN 978-1-4615-7334-0.
- ^ Solem, JC; Биденхарн, LC (1987). «Букварь по взаимодействию коллективных электронных колебаний с ядрами» (PDF) . Отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-10878 . Bibcode : 1987pcce.rept ..... S .
- ^ Biedeharn, LC; Болдуин, GC; Бур, К. (1986). «Возбуждение ядра с помощью лазерных когерентных электронных колебаний внешней оболочки». Труды Первой Международной конференции по лазерной науке, Даллас, Техас, 18–22 ноября 1985 г. Стволли, WC; Лапп, М .; Ред . 146 : 52–53. Bibcode : 1986AIPC..146 ... 52В . DOI : 10.1063 / 1.35933 .
- ^ Solem, JC; Biedenharn, LC; Ринкер, Г. А. (1987). «Расчет гармонического излучения атомов в сильных лазерных полях и возможность возбуждения ядер». Журнал Оптического общества Америки A . 4 : P53. Bibcode : 1987JOSAA ... 4 ... 53S .
- ^ Solem, JC; Биденхарн, LC (1988). "Связь лазера с ядрами через коллективные электронные колебания: простое эвристическое исследование модели". Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 40 (6): 707–712. Bibcode : 1988JQSRT..40..707S . DOI : 10.1016 / 0022-4073 (88) 90066-0 .
- ^ Solem, JC (1988). «Теорема, связывающая пространственные и временные гармоники для ядерного межуровневого переноса, вызванного коллективными электронными колебаниями» . Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 40 (6): 713–715. Bibcode : 1988JQSRT..40..713S . DOI : 10.1016 / 0022-4073 (88) 90067-2 .