Гамма-лазер - Gamma-ray laser

Не путать с гравитационный лазер, также иногда называемый газером или травником.

А гамма-лазер, или же травник, это гипотетическое устройство, которое будет производить когерентные гамма излучение, как обычный лазер производит последовательный лучи видимого света.[1]

В его 2003 Нобелевская лекция Виталий Гинзбург назвал гамма-лазер одной из тридцати важнейших проблем физики.[2]

Работа по созданию практического гамма-лазера носит междисциплинарный характер и включает квантовая механика, ядерный и оптическая спектроскопия, химия, физика твердого тела, и металлургия - а также создание, модерация и взаимодействие нейтроны - и требует специальных знаний и исследований во всех этих областях. Тема включает в себя как фундаментальная наука и инженерное дело технологии.[3]

Исследование

Проблема получения достаточной концентрации резонансно возбужденных (изомерных) состояний ядра для коллективного стимулированное излучение происходить включает расширение гамма-излучения спектральная линия.[4] Из двух форм расширения, однородный расширение просто результат времени жизни изомерного состояния: чем короче время жизни, тем более уширена линия.[5][6][7][8] Неоднородный расширение включает в себя все механизмы распространения однородно уширенной линии по спектру.[9]

Наиболее известным неоднородным уширением является Доплеровское уширение отдачи из тепловое движение молекул в твердом теле, содержащем возбужденный изомер, и отдача от гамма-излучения, в котором спектр излучения одновременно сдвигается и расширяется. Изомеры в твердых телах могут излучать резкую составляющую, наложенную на доплеровский фон; это называется Эффект Мёссбауэра.[10] Это излучение без отдачи показывает резкую линию поверх доплеровского уширения фона, которая лишь немного смещена от центра фона.[11][12][13][14][15]

После удаления неоднородного фона и резкой линии казалось бы, что у нас есть условия для прирост.[16][17][18] Но другие трудности, которые могут снизить усиление, - это невозбужденные состояния, которые резонансный поглощают излучение, непрозрачные примеси и потери при распространении через кристалл, в который встроены активные ядра.[19] Многие из последних можно преодолеть с помощью умной настройки кристалла матрицы.[20] использовать прозрачность, обеспечиваемую Эффект Боррмана.[21][22][23]

Еще одна трудность, дилемма Грейсера, 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 обычным способом. радиохимия составляет хотя бы несколько секунд. Чтобы гарантировать, что инверсия сохраняется, время жизни возбужденное состояние должен быть значительно длиннее. Кроме того, нагрев, вызванный нейтронная накачка инверсия на месте кажется несовместимым с поддержанием эффекта Мёссбауэра, хотя есть еще возможности для изучения.[нужна цитата ]

Снижение нагрева возможно за счет двухступенчатой ​​нейтронно-гамма-накачки.[26] в котором захват нейтронов происходит в легированном родительским конвертером, где он генерирует мессбауэровское излучение, которое затем поглощается основное состояние ядра 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 накопления было бы энергетически близко к короткоживущему верхнему лазерному состоянию, но разделено запрещенным переходом, включающим одну квантовую единицу спинового углового момента. Грейзер получит возможность с помощью очень мощного оптического лазера перемещать электронное облако туда-сюда 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» карта 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 появлению как пространственных, так и временных гармоник в ближнем поле ядра,[33][34] открытие диапазона возможностей для быстрого перехода из состояния хранения в верхнее состояние генерации с использованием других типов триад, включающих энергии перехода, кратные энергии квантов 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

  1. ^ Болдуин, Г. К. (1979). «Библиография исследований GRASER». Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-7783-MS. Дои:10.2172/6165356. OSTI  6165356.
  2. ^ Гинзбург, В. Л. (2003). «О сверхпроводимости и сверхтекучести». Нобелевская премия по физике 2003 г.: 96–127.
  3. ^ Baldwin, G.C .; Solem, J.C .; Гольданский, В. И. (1981). «Подходы к разработке гамма-лазеров». Обзоры современной физики. 53 (4): 687–744. Bibcode:1981РвМП ... 53..687Б. Дои:10.1103 / revmodphys.53.687.
  4. ^ Baldwin, G.C .; Солем, Дж. К. (1979). «О прямой накачке гамма-лазеров нейтронным захватом». Ядерная наука и инженерия. 72 (3): 290–292. Дои:10.13182 / NSE79-A20385.
  5. ^ Вали, В .; Вали, В. (1963). «Индуцированное гамма-излучение». Труды IEEE. 51 (1): 182–184. Дои:10.1109 / proc.1963.1677.
  6. ^ Летохов, В. С. (1973). «К проблеме гамма-лазера на ядерных переходах». Журнал экспериментальной и теоретической физики. 37 (5): 787–793.
  7. ^ Каменов, П .; Бончев Т. (1975). «О возможности реализации гамма-лазера с долгоживущими ядрами изомеров». Болгарская Академия Наук, Доклады. 28 (9): 1175–1177. Bibcode:1975БлДок..28.1175К.
  8. ^ Ильинский, Ю. А .; Хохлов, Р. В. (1976). «Возможность создания гамма-лазера». Радиофизика и квантовая электроника. 19 (6): 561–567. Bibcode:1976R & QE ... 19..561I. Дои:10.1007 / bf01043541.
  9. ^ Болдуин, Г. К. (1977). О целесообразности травок. Труды Четвертого семинара по взаимодействию лазеров и родственным плазменным явлениям, Трой, штат Нью-Йорк, 8–12 ноября 1976 г. Schwarz, H.J .; Hora, H .; Редакторы. 4А. С. 249–257. Дои:10.1007/978-1-4684-8103-7_13. ISBN  978-1-4684-8105-1.
  10. ^ 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.
  11. ^ Хиен, П. З. (1970). «Самопроизвольное излучение гамма-квантов системой, содержащей идентичные ядра». Журнал экспериментальной и теоретической физики. 31 (1): 83–86. Bibcode:1970JETP ... 31 ... 83Z.
  12. ^ Гольданский, В. И .; Каган, Ю. М. (1973). «Возможность создания гамма-лазера на ядерных переходах (Graser)». Успехи СССР.. 16 (4): 563–565. Дои:10.1070 / pu1974v016n04abeh005305.
  13. ^ Намиот, В. А. (1973). «Вынужденное сужение линии и эффект Мессбауэра для долгоживущих изомеров». Письма в ЖЭТФ. 18 (6): 369–373.
  14. ^ 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.
  15. ^ Болдуин, Г. К. (1979). «Спектроскопия гамма-излучения без отдачи во временной области». Ядерные инструменты и методы. 159 (2–3): 309–330. Bibcode:1979NucIM.159..309B. Дои:10.1016 / 0029-554x (79) 90656-6.
  16. ^ Terhune, I.H .; Болдуин, Г. К. (1965). «Ядерное сверхизлучение в твердых телах». Письма с физическими проверками. 14 (15): 589–591. Bibcode:1965ПхРвЛ..14..589Т. Дои:10.1103 / Physrevlett.14.589.
  17. ^ Болдуин, Г. К. (1973). Есть ли ограничение по высокой частоте для лазерного воздействия?. Труды Третьего семинара по взаимодействию лазеров и родственным плазменным явлениям, Трой, штат Нью-Йорк, 13–17 августа 1973 г. Schwarz, H.J .; H. Hora, H .; Редакторы. 3B. С. 875–888. Дои:10.1007/978-1-4684-8416-8_23. ISBN  978-1-4684-8418-2.
  18. ^ 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.
  19. ^ Ильинский, Ю. А .; Хохлов, Р. В. (1974). «О возможности наблюдения вынужденного гамма-излучения». Успехи СССР.. 16 (4): 565–567. Дои:10.1070 / pu1974v016n04abeh005306.
  20. ^ а б Baldwin, G.C .; Солем, Дж. К. (1997). «Безоткатные гамма-лазеры». Обзоры современной физики. 69 (4): 1085–1117. Bibcode:1997РвМП ... 69.1085Б. Дои:10.1103 / revmodphys.69.1085.
  21. ^ Боррманн, Г. (1941). "Über Extinktionsdiagramme der Röntgenstrahlen von Quarz". Physikalische Zeitschrift. 42: 157–162.
  22. ^ Каган, Ю. М. (1974). «Использование эффекта аномального прохождения для получения вынужденного излучения гамма-квантов в кристалле». Письма в ЖЭТФ. 20 (1): 11–12.
  23. ^ 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.
  24. ^ Baldwin, G.C .; Солем, Дж. К. (1979). «Максимальная плотность и скорость захвата нейтронов, замедляемых от импульсного источника». Ядерная наука и инженерия. 72 (3): 281–289. Дои:10.13182 / NSE79-A20384.
  25. ^ Baldwin, G.C .; Солем, Дж. К. (1995). «Кинетика гамма-лазеров с накачкой нейтронными вспышками». Лазерная физика. 5 (2): 326–335.
  26. ^ Гольданский, В. И .; Каган Ю.А. Намиот, В. А. (1973). «Двухступенчатая накачка мессбауэровских гамма-лазеров». Письма в ЖЭТФ. 18 (1): 34–35.
  27. ^ Гольданский, В. И .; Каган, Ю. (1973). «Возможность создания ядерного гамма-лазера». Журнал экспериментальной и теоретической физики. 37 (1): 49. Bibcode:1973JETP ... 37 ... 49G.
  28. ^ Baldwin, G.C .; Солем, Дж. К. (1980). «Двухступенчатая накачка трехуровневых мессбауэровских гамма-лазеров». Журнал прикладной физики. 51 (5): 2372–2380. Bibcode:1980JAP .... 51.2372B. Дои:10.1063/1.328007.
  29. ^ Болдуин, Г. К. (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 .; Miley, G.H .; Редакторы. 6. С. 107–125. Дои:10.1007/978-1-4615-7332-6_8. ISBN  978-1-4615-7334-0.
  30. ^ Solem, J.C .; Биденхарн, Л. С. (1987). "Букварь по связи коллективных электронных колебаний с ядрами" (PDF). Отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-10878. Bibcode:1987pcce.rept ..... S.
  31. ^ Biedeharn, L.C .; Baldwin, G.C .; 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. Stwalley, W.C .; Лапп, М .; Редакторы. 146: 52–53. Bibcode:1986AIPC..146 ... 52B. Дои:10.1063/1.35933.
  32. ^ Solem, J.C .; Biedenharn, L.C .; Ринкер, Г. А. (1987). «Расчет гармонического излучения атомов, находящихся в сильных лазерных полях, и возможность возбуждения ядер». Журнал Оптического общества Америки A. 4: P53. Bibcode:1987JOSAA ... 4 ... 53S.
  33. ^ Solem, J.C .; Биденхарн, Л. С. (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. Дои:10.1016/0022-4073(88)90066-0.
  34. ^ Солем, Дж. К. (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. Дои:10.1016/0022-4073(88)90067-2.