Гамма-лазер
Гамма -лазер , или грайзер , — это гипотетическое устройство, которое будет производить когерентные гамма-лучи , точно так же, как обычный лазер производит когерентные лучи видимого света. [1] Потенциальные применения гамма-лазеров включают медицинскую визуализацию, движение космических кораблей 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 носят междисциплинарный характер и 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 в себя как фундаментальную науку , так и инженерные технологии. [4]
Исследовать
[ редактировать ]Проблема получения достаточной концентрации резонансно-возбужденных (изомерных) ядерных состояний для возникновения коллективного вынужденного излучения связана с уширением спектральной линии гамма-излучения . [5] Из двух форм уширения гомогенное уширение является результатом времени жизни изомерного состояния: чем короче время жизни, тем более уширена линия. [6] [7] [8] [9] Неоднородное уширение включает в себя все механизмы, посредством которых однородно уширенная линия расплывается по спектру. [10]
Наиболее известным неоднородным уширением является доплеровское уширение отдачи от теплового движения молекул в твердом теле, содержащем возбужденный изомер, и отдача от гамма-излучения, при котором спектр излучения одновременно смещается и уширяется. Изомеры в твердых телах могут выделять резкий компонент, наложенный на доплеровский фон; это называется эффектом Мёссбауэра . [11] Это безоткатное излучение представляет собой резкую линию поверх доплеровского расширения фона, которая лишь слегка смещена от центра фона. [12] [13] [14] [15] [16]
После удаления неоднородного фона и резкой линии, казалось бы, мы имеем условия для выигрыша . [17] [18] [19] Но другими трудностями, которые могут ухудшить усиление, являются невозбужденные состояния, которые резонансно поглощают излучение, непрозрачные примеси и потери при распространении через кристалл, в который встроены активные ядра. [20] Большую часть этих проблем можно преодолеть путем умного выравнивания кристаллов матрицы. [21] использовать прозрачность, обеспечиваемую эффектом Бормана . [22] [23] [24]
Другая трудность, дилемма Грейзера , заключается в том, что свойства, которые должны обеспечить усиление, и те, которые обеспечивают достаточную плотность ядерной инверсии, кажутся несовместимыми. [25] [26] Время, необходимое для активации, разделения, концентрации и кристаллизации заметного числа возбужденных ядер с помощью традиционной радиохимии, составляет не менее нескольких секунд. Чтобы инверсия сохранялась, время жизни возбужденного состояния должно быть значительно больше. Более того, нагрев, который мог бы возникнуть в результате нейтронов инверсии на месте, кажется несовместимым с сохранением эффекта Мессбауэра, хотя еще есть возможности для изучения. [ нужна ссылка ]
Уменьшить нагрев можно за счет двухступенчатой нейтронно-гамма-накачки. [27] в котором захват нейтрона происходит в конвертере с исходной примесью, где он генерирует мессбауэровское излучение, которое затем поглощается ядрами в основном состоянии в грайзере. [28] Двухступенчатая откачка нескольких уровней дает множество преимуществ. [29] [30] [ нужны разъяснения ]
Другой подход заключается в использовании ядерных переходов, вызванных коллективными электронными колебаниями. [31] [32] В схеме будет использоваться триада изомерных состояний: долгоживущее состояние хранения, а также верхнее и нижнее состояние генерации. Состояние хранения будет энергетически близко к короткоживущему верхнему состоянию генерации, но отделено запрещенным переходом, включающим одну квантовую единицу спинового углового момента. Гразер будет иметь возможность с помощью очень мощного оптического лазера раскачивать электронное облако вперед и назад и насыщать запрещенный переход в ближнем поле облака. Тогда заселенность накопительного состояния будет быстро выравниваться с верхним состоянием генерации, переход которого в нижнее состояние генерации 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 обнаружить. [21] [33]
Нелинейности могут приводить как к пространственным, так и к временным гармоникам в ближнем поле ядра. [34] [35] открытие диапазона возможностей для быстрого перехода из накопительного состояния в верхнее лазерное состояние с использованием других видов триад, включающих энергии перехода, кратные энергии квантов оптического лазера, и при более высоких мультиполярностях.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Болдуин, GC (1979). «Библиография исследований GRASER» . Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-7783-MS . дои : 10.2172/6165356 . ОСТИ 6165356 .
- ^ Питталвала, Икбал (5 декабря 2019 г.). «Гамма-лазер на шаг приближает к реальности» . Калифорнийский университет, Риверсайд . Проверено 27 ноября 2022 г.
- ^ Гинзбург, В.Л. (2003). «О сверхпроводимости и сверхтекучести» . Нобелевская премия по физике 2003 г .: 96–127.
- ^ Болдуин, GC; Солем, Дж.К.; Гольданский, В.И. (1981). «Подходы к созданию гамма-лазеров». Обзоры современной физики . 53 (4): 687–744. Бибкод : 1981РвМП...53..687Б . дои : 10.1103/revmodphys.53.687 .
- ^ Болдуин, GC; Солем, Дж. К. (1979). «О прямой накачке гамма-лазеров путем нейтронного захвата» . Ядерная наука и инженерия . 72 (3): 290–292. дои : 10.13182/NSE79-A20385 .
- ^ Вали, В.; Вали, В. (1963). «Индуцированное гамма-излучение». Труды IEEE . 51 (1): 182–184. дои : 10.1109/proc.1963.1677 .
- ^ Летохов, В.С. (1973). «К проблеме гамма-лазера ядерного перехода» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 37 (5): 787–793. Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Каменов П.; Бончев, Т. (1975). «О возможности реализации гамма-лазера с долгоживущими ядрами-изомерами». Болгарская академия наук, Доклады . 28 (9): 1175–1177. Бибкод : 1975БлДок..28.1175К .
- ^ 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 .
- ^ Болдуин, GC (1977). «О целесообразности Гразеров». Лазерное взаимодействие и связанные с ним плазменные явления . Том. 4А. стр. 249–257. дои : 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. Бибкод : 1977JETP...46..682A . Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Хиен, ПЗ (1970). «Спонтанное излучение гамма-квантов системой, содержащей одинаковые ядра» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 31 (1): 83–86. Бибкод : 1970JETP...31...83Z . Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Гольданский, В.И.; Каган, Ю. М. (1973). «Возможность создания гамма-лазера на ядерном переходе (Грейзер)». Успехи советской физики . 16 (4): 563–565. дои : 10.1070/pu1974v016n04abeh005305 .
- ^ Намиот, Вирджиния (1973). «Стимулированное сужение линии и эффект Мессбауэра для долгоживущих изомеров» . Письма ЖЭТФ . 18 (6): 369–373. Архивировано из оригинала 07 февраля 2019 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ 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. Бибкод : 1975JETP...40..819A . Архивировано из оригинала 27 сентября 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Болдуин, GC (1979). «Временная спектроскопия безоткатных гамма-лучей». Ядерные приборы и методы . 159 (2–3): 309–330. Бибкод : 1979NucIM.159..309B . дои : 10.1016/0029-554x(79)90656-6 .
- ^ Терхьюн, Айдахо; Болдуин, GC (1965). «Ядерное сверхизлучение в твердых телах». Письма о физических отзывах . 14 (15): 589–591. Бибкод : 1965PhRvL..14..589T . дои : 10.1103/physrevlett.14.589 .
- ^ Болдуин, GC (1974). «Существует ли высокочастотный предел воздействия лазера?». Лазерное взаимодействие и связанные с ним плазменные явления . Том. 3Б. стр. 875–888. дои : 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. Бибкод : 1975JETP...41..403A . Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Ильинский, Ю. А.; Хохлов Р.В. (1974). «О возможности наблюдения стимулированного гамма-излучения». Успехи советской физики . 16 (4): 565–567. дои : 10.1070/pu1974v016n04abeh005306 .
- ^ Перейти обратно: а б Болдуин, GC; Солем, Дж. К. (1997). «Безоткатные гамма-лазеры» . Обзоры современной физики . 69 (4): 1085–1117. Бибкод : 1997RvMP...69.1085B . дои : 10.1103/revmodphys.69.1085 .
- ^ Боррманн, Г. (1941). «О диаграммах затухания рентгеновских лучей кварца». Физический журнал . 42 : 157-162.
- ^ Каган, Ю. М. (1974). «Использование эффекта аномального прохождения для получения вынужденного излучения гамма-квантов в кристалле» . Письма ЖЭТФ . 20 (1): 11–12. Архивировано из оригинала 6 сентября 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Андреев А.В.; Ильинский, Ю. А. (1976). «Возможное использование эффекта Бормана в гамма-лазере» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 43 (5): 893–896. Бибкод : 1976JETP...43..893A . Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Болдуин, GC; Солем, Дж. К. (1979). «Максимальная плотность и скорость захвата нейтронов, замедленных от импульсного источника» . Ядерная наука и инженерия . 72 (3): 281–289. Бибкод : 1979NSE....72..281B . дои : 10.13182/NSE79-A20384 .
- ^ Болдуин, GC; Солем, Дж. К. (1995). «Кинетика гамма-лазеров с нейтронной накачкой» . Лазерная физика . 5 (2): 326–335.
- ^ Гольданский, В.И.; Каган, Ю.; Намиот, Вирджиния (1973). «Двухступенчатая накачка мессбауэровских гамма-лазеров» . Письма ЖЭТФ . 18 (1): 34–35. Архивировано из оригинала 06 марта 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Гольданский, В.И.; Каган, Ю. (1973). «Возможность создания ядерного гамма-лазера» . Журнал экспериментальной и теоретической физики . 37 (1): 49. Бибкод : 1973ЖЭТП...37...49Г . Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 24 февраля 2016 г.
- ^ Болдуин, GC; Солем, Дж. К. (1980). «Двухступенчатая накачка трехуровневых мессбауэровских гамма-лазеров». Журнал прикладной физики . 51 (5): 2372–2380. Бибкод : 1980JAP....51.2372B . дои : 10.1063/1.328007 .
- ^ Болдуин, GC (1984). «Многоступенчатые схемы накачки коротковолновых лазеров». Лазерное взаимодействие и связанные с ним плазменные явления . Том. 6. С. 107–125. дои : 10.1007/978-1-4615-7332-6_8 . ISBN 978-1-4615-7334-0 .
- ^ Солем, Дж.К.; Биденхарн, LC (1987). «Букварь о связи коллективных электронных колебаний с ядрами» (PDF) . Отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-10878 . Бибкод : 1987pcce.rept.....S .
- ^ Бидехарн, LC; Болдуин, GC; Бур, К. (1986). Возбуждение ядра когерентными электронными колебаниями внешней оболочки, возбуждаемыми лазером . Материалы Первой международной конференции по лазерной науке, Даллас, Техас, 18–22 ноября 1985 г. Стуэлли, WC; Лапп, М.; Ред. Том. 146. стр. 52–53. Бибкод : 1986AIPC..146...52B . дои : 10.1063/1.35933 .
- ^ Солем, Дж.К.; Биденхарн, LC; Ринкер, Джорджия (1987). «Расчет гармонического излучения атомов, подвергнутых воздействию сильных лазерных полей, и возможности ядерного возбуждения». Журнал Оптического общества Америки А. 4 : 53. Бибкод : 1987JOSAA...4...53S .
- ^ Солем, Дж.К.; Биденхарн, LC (1988). «Связь лазера с ядрами посредством коллективных электронных колебаний: исследование простой эвристической модели». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 40 (6): 707–712. Бибкод : 1988JQSRT..40..707S . дои : 10.1016/0022-4073(88)90066-0 .
- ^ Солем, Дж. К. (1988). «Теорема о пространственных и временных гармониках для ядерного межуровневого перехода, вызванного коллективными электронными колебаниями» . Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 40 (6): 713–715. Бибкод : 1988JQSRT..40..713S . дои : 10.1016/0022-4073(88)90067-2 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Балко, Б.; Коэн, Л.; Воробей, Д.А.; ред. (1989). Гамма-лазеры . Пергамон. ISBN 978-0-08-037015-6 http://www.sciencedirect.com/science/book/9780080370156 Содержит полный обзор текущего состояния лазеров гамма-излучения.
- Киллус, Дж. (2006). «Гамма-лазер» . Непреднамеренная ирония . Обзор для непрофессионалов.