Гамма-променевий лазер

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Гамма-променевий лазер або гразер — це гіпотетичний пристрій, який вироблятиме когерентні гамма-промені так само, як звичайний лазер виробляє когерентні промені видимого світла.[1] Потенційні застосування гамма-лазерів включають медичну візуалізацію, рух космічних кораблів і лікування раку.[2]

У своїй Нобелівській лекції 2003 року Віталій Гінзбург назвав гамма-лазер однією з 30 найважливіших проблем фізики.[3]

Зусилля зі створення практичного гамма-лазера є міждисциплінарним, що охоплює квантову механіку, ядерну та оптичну спектроскопію, хімію, фізику твердого тіла та металургію, а також генерацію, сповільнення та взаємодію нейтронів, і включає спеціальні знання та дослідження в усіх цих галузях. Предмет включає як фундаментальну науку, так і інженерні технології.[4]

Дослідження[ред. | ред. код]

Проблема отримання достатньої концентрації резонансних збуджених (ізомерних) ядерних станів для виникнення колективного вимушеного випромінювання зводиться до розширення спектральної лінії гамма-випромінювання. [5] З двох форм розширення однорідне розширення[en] є результатом тривалості існування ізомерного стану: чим коротший час життя, тим більш розширена лінія.[6][7][8][9] Неоднорідне розширення включає в себе всі механізми, за допомогою яких рівномірно розширена лінія поширюється по спектру.[10]

Найвідомішим неоднорідним розширенням є доплерівське розширення віддачі від теплового руху молекул у твердому тілі, що містить збуджений ізомер, і віддача від випромінювання гамма-випромінювання, при якому спектр випромінювання одночасно зміщується та розширюється. Ізомери в твердих тілах можуть випромінювати різкий компонент, накладений на розширений доплерівський фон; це називається ефектом Мессбауера.[11] Це безвідкатне випромінювання демонструє різку лінію на розширеному допплерівському фоні, яка лише трохи зміщена від центру фону.[12][13][14][15][16]

З видаленням неоднорідного фону і різкою лінією, здавалося б, у нас є умови для посилення[en].[17][18][19] Але іншими труднощами, які можуть погіршити підсилення, є незбуджені стани, які резонансно поглинають випромінювання, непрозорі домішки та втрати під час розповсюдження через кристал, у якому вбудовані активні ядра.[20] Значну частину останнього можна подолати шляхом розумного вирівнювання кристалів матриці[21] для використання прозорості, що забезпечується ефектом Бормана.[22][23][24]

Інша складність, дилема Грейсера, полягає в тому, що властивості, які повинні забезпечити посилення, і ті, які дозволять достатню щільність ядерної інверсії, здаються несумісними.[25][26] Час, необхідний для активації, розділення, концентрації та кристалізації значної кількості збуджених ядер за допомогою традиційної радіохімії становить принаймні кілька секунд. Щоб забезпечити збереження інверсії, час життя збудженого стану має бути значно довшим. Крім того, нагрівання, яке виникне в результаті нейтронного накачування[en] інверсії in situ, здається несумісним із збереженkням ефекту Мессбауера, хоча ще є шляхи для дослідження.

Нагрівання можна зменшити за допомогою двоступеневого нейтронного і гамма-накачування[27], в якому захоплення нейтронів відбувається в базовому легованому перетворювачі, де воно генерує мессбауерівське випромінювання, яке потім поглинається ядрами в основному стані в гразері.[28] Двоступінчасте накачування кількох рівнів має численні переваги.[29][30]

Інший підхід полягає у використанні ядерних переходів, керованих колективними електронними коливаннями. [31][32] У схемі буде використано тріаду ізомерних станів: довгоживучий стан зберігання на додаток до верхнього та нижнього станів генерації. Стан зберігання буде енергетично близьким до короткочасного верхнього стану генерації, але розділеним забороненим переходом, що включає одну квантову одиницю моменту імпульсу обертання. За допомогою дуже інтенсивного оптичного лазера гразер міг би розштовхувати електронну хмару вперед-назад і насичувати заборонений перехід у ближньому полі хмари. Заселеність стану накопичення буде швидко вирівняна з верхнім станом генерації, перехід якого в нижній стан генерації буде як спонтанним, так і стимульованим резонансним гамма-випромінюванням. «Повна» схема нуклідів, ймовірно, містить дуже велику кількість ізомерних станів, і існування такої тріади здається ймовірним, але її ще належить знайти.[21][33]

Нелінійності можуть призводити до просторових і часових гармонік у ближньому полі ядра,[34][35] відкриваючи діапазон можливостей для швидкого переходу від стану зберігання до верхнього стану генерації з використанням інших видів тріад, що включають енергії переходу на кратних квантової енергії оптичного лазера та при вищих мультиполярностях.

Примітки[ред. | ред. код]

  1. ↑ Baldwin, G. C. (1979). Bibliography of GRASER research. Los Alamos Scientific Laboratory Report LA-7783-MS. doi:10.2172/6165356. OSTI 6165356.
  2. ↑ Pittalwala, Iqbal (5 грудня 2019). Gamma-ray laser moves a step closer to reality. University of California, Riverside. Процитовано 27 листопада 2022.
  3. ↑ Ginzburg, V. L. (2003). On superconductivity and superfluidity. The Nobel Prize in Physics 2003: 96—127.
  4. ↑ Baldwin, G. C.; Solem, J. C.; Gol'danskii, V. I. (1981). Approaches to the development of gamma-ray lasers. Reviews of Modern Physics. 53 (4): 687—744. Bibcode:1981RvMP...53..687B. doi:10.1103/revmodphys.53.687.
  5. ↑ Baldwin, G. C.; Solem, J. C. (1979). On the direct pumping of gamma-ray lasers by neutron capture. Nuclear Science & Engineering. 72 (3): 290—292. doi:10.13182/NSE79-A20385.
  6. ↑ Vali, V.; Vali, W. (1963). Induced gamma y-ray emission. Proceedings of the IEEE. 51 (1): 182—184. doi:10.1109/proc.1963.1677.
  7. ↑ Letokhov, V. S. (1973). On the problem of the nuclear-transition gamma-laser. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 37 (5): 787—793. Архів оригіналу за 11 березня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  8. ↑ Kamenov, P.; Bonchev, T. (1975). On the possibility of realizing a gamma laser with long-living isomer nuclei. Bolgarskaia Akademiia Nauk, Doklady. 28 (9): 1175—1177. Bibcode:1975BlDok..28.1175K.
  9. ↑ Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, R. V. (1976). Possibility of creating a gamma-laser. Radiophysics and Quantum Electronics. 19 (6): 561—567. Bibcode:1976R&QE...19..561I. doi:10.1007/bf01043541.
  10. ↑ Baldwin, G. C. (1977). On the Feasibility of Grasers. Laser Interaction and Related Plasma Phenomena. Т. 4A. с. 249—257. doi:10.1007/978-1-4684-8103-7_13. ISBN 978-1-4684-8105-1.
  11. ↑ Andreev, A. V.; Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, R. V. (1977). Role of collective and induced processes in the generation of Mössbauer gamma radiation. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 46 (4): 682—684. Bibcode:1977JETP...46..682A. Архів оригіналу за 11 березня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  12. ↑ Hien, P. Z. (1970). Spontaneous emission of gamma quanta by a system containing identical nuclei. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 31 (1): 83—86. Bibcode:1970JETP...31...83Z. Архів оригіналу за 11 березня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  13. ↑ Gol'danskii, V. I.; Kagan, Yu. M. (1973). Feasibility of the nuclear-transition gamma laser (Graser). Soviet Physics Uspekhi. 16 (4): 563—565. doi:10.1070/pu1974v016n04abeh005305.
  14. ↑ Namiot, V. A. (1973). Stimulated line narrowing and the Mössbauer effect for long-lived isomers. JETP Letters. 18 (6): 369—373. Архів оригіналу за 7 лютого 2019. Процитовано 24 лютого 2016.
  15. ↑ Andreev, A. V.; Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, R. V. (1974). Narrowing of gamma resonance lines in crystals by continuous radio-frequency fields. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 40 (5): 819—820. Bibcode:1975JETP...40..819A. Архів оригіналу за 27 вересня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  16. ↑ Baldwin, G. C. (1979). Time-domain spectroscopy of recoilless gamma rays. Nuclear Instruments and Methods. 159 (2–3): 309—330. Bibcode:1979NucIM.159..309B. doi:10.1016/0029-554x(79)90656-6.
  17. ↑ Terhune, I. H.; Baldwin, G. C. (1965). Nuclear superradiance in solids. Physical Review Letters. 14 (15): 589—591. Bibcode:1965PhRvL..14..589T. doi:10.1103/physrevlett.14.589.
  18. ↑ Baldwin, G. C. (1974). Is There a High Frequency Limit to Laser Action?. Laser Interaction and Related Plasma Phenomena. Т. 3B. с. 875—888. doi:10.1007/978-1-4684-8416-8_23. ISBN 978-1-4684-8418-2.
  19. ↑ Andreev, A V.; Il'inskii, Yu. A. (1975). Amplification in a gamma laser when the Bragg condition is satisfied. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 41 (3): 403—405. Bibcode:1975JETP...41..403A. Архів оригіналу за 11 березня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  20. ↑ Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, R. V. (1974). On the possibility of observation of stimulated gamma radiation. Soviet Physics Uspekhi. 16 (4): 565—567. doi:10.1070/pu1974v016n04abeh005306.
  21. ↑ а б Baldwin, G. C.; Solem, J. C. (1997). Recoilless gamma-ray lasers. Reviews of Modern Physics. 69 (4): 1085—1117. Bibcode:1997RvMP...69.1085B. doi:10.1103/revmodphys.69.1085.
  22. ↑ Borrmann, G. (1941). Über Extinktionsdiagramme der Röntgenstrahlen von Quarz. Physikalische Zeitschrift. 42: 157—162.
  23. ↑ Kagan, Yu. M. (1974). Use of the anomalous passage effect to obtain stimulated emission of gamma quanta in a crystal. JETP Letters. 20 (1): 11—12. Архів оригіналу за 6 вересня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  24. ↑ Andreev, A. V.; Il'inskii, Yu. A. (1976). Possible use of the Borrmann effect in the gamma laser. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 43 (5): 893—896. Bibcode:1976JETP...43..893A. Архів оригіналу за 11 березня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  25. ↑ Baldwin, G. C.; Solem, J. C. (1979). Maximum density and capture rates of neutrons moderated from a pulsed source. Nuclear Science & Engineering. 72 (3): 281—289. Bibcode:1979NSE....72..281B. doi:10.13182/NSE79-A20384.
  26. ↑ Baldwin, G. C.; Solem, J. C. (1995). Kinetics of neutron-burst pumped gamma-ray lasers. Laser Physics. 5 (2): 326—335.
  27. ↑ Gol'danskii, V. I.; Kagan, Yu.; Namiot, V. A. (1973). Two-stage pumping of Mössbauer gamma-ray lasers. JETP Letters. 18 (1): 34—35. Архів оригіналу за 6 березня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  28. ↑ Gol'danskii, V. I.; Kagan, Yu. (1973). The possibility of creating a nuclear gamma laser. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 37 (1): 49. Bibcode:1973JETP...37...49G. Архів оригіналу за 11 березня 2016. Процитовано 24 лютого 2016.
  29. ↑ Baldwin, G. C.; Solem, J. C. (1980). Two-stage pumping of three-level Mössbauer gamma-ray lasers. Journal of Applied Physics. 51 (5): 2372—2380. Bibcode:1980JAP....51.2372B. doi:10.1063/1.328007.
  30. ↑ Baldwin, G. C. (1984). Multistep Pumping Schemes for Short-Wave Lasers. Laser Interaction and Related Plasma Phenomena. Т. 6. с. 107—125. doi:10.1007/978-1-4615-7332-6_8. ISBN 978-1-4615-7334-0.
  31. ↑ Solem, J. C.; Biedenharn, L. C. (1987). Primer on coupling collective electronic oscillations to nuclei (PDF). Los Alamos National Laboratory Report LA-10878. Bibcode:1987pcce.rept.....S.
  32. ↑ Biedeharn, L. C.; Baldwin, G. C.; Boer, K. (1986). Nuclear excitation by laser driven coherent outer shell electron oscillations. Proceedings of the First International Laser Science Conference, Dallas, TX, November 18–22, 1985. Stwalley, W. C.; Lapp, M.; Eds. Т. 146. с. 52—53. Bibcode:1986AIPC..146...52B. doi:10.1063/1.35933.
  33. ↑ Solem, J. C.; Biedenharn, L. C.; Rinker, G. A. (1987). Calculation of harmonic radiation from atoms subjected to strong laser fields and the possibility of nuclear excitation. Journal of the Optical Society of America A. 4: P53. Bibcode:1987JOSAA...4...53S.
  34. ↑ Solem, J. C.; Biedenharn, L. C. (1988). Laser coupling to nuclei via collective electronic oscillations: A simple heuristic model study. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 40 (6): 707—712. Bibcode:1988JQSRT..40..707S. doi:10.1016/0022-4073(88)90066-0.
  35. ↑ Solem, J. C. (1988). Theorem relating spatial and temporal harmonics for nuclear interlevel transfer driven by collective electronic oscillation. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 40 (6): 713—715. Bibcode:1988JQSRT..40..713S. doi:10.1016/0022-4073(88)90067-2.

Подальше читання[ред. | ред. код]

Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Гамма-променевий_лазер&oldid=41490833