Гамма-лазер. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гамма-лазер - источник когерентного электромагн. излучения

-диапазона. Часто также используются сокращения "гразер" или "газер", являющиеся аббревиатурой англ. фразы "Gamma Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation" ("усиление g-излучения с помощью вынужденного излучения"). Пока генерация вынужденного излучения в

-диапазоне не осуществлена. Получение генерации в рентгеновском и

-диапазонах открыло бы новые перспективы в рентгеновском структурном анализе, ядерной физике (воздействие на течение ядерных реакций) и др.

Идея гамма-лазера возникла в связи с появлением оптич. лазера и открытием Мессбауэра эффекта. Открытие безотдачного излучения

-квантов поставило вопрос о реализации вынужденного излучения системы возбуждённых ядер. Впервые на эту возможность указал Л. А. Ривлин в 1961. В 1961-65 одновременно и независимо несколько сов. и амер. групп физиков занимались разработкой схем гамма-лазеров на эффекте Мессбауэра. Для создания активной среды предполагалось использовать радиохим. методы выделения долгоживущих ядерных изомеров с последующим введением их в кристалл (кристаллич. матрицу) или выращиванием из этих ядер активных кристаллов.

Для возникновения нарастающей лавины когерентных

-квантов необходимо, во-первых, чтобы в среде было больше возбуждённых ядер, чем невозбуждённых, и, во-вторых, чтобы вероятность вынужденного излучения была выше вероятности поглощения или рассеяния

-квантов ядрами среды. T. о., возникшее в среде

-излучение (в результате спонтанного распада отд. ядер) будет усиливаться, если концентрация возбуждённых ядер превышает нек-рое пороговое значение N*, определяющееся из условия равенства коэф.

резонансного вынужденного излучения (коэф. квантового усиления) и коэф.

нерезонансных потерь энергии:

Здесь

- длина волны

-излучения, Г - спектральная ширина резонансного перехода ядра в кристалле,

- время жизни ядра в изомерном состоянии,

- коэф. конверсии внутренней,

- т. н. коэф. ветвления, учитывающий возможность перехода ядра на др. уровни, лежащие выше нижнего рабочего, если генерация идёт с более высоких уровней, чем первый возбуждённый (

=1, если генерация идёт с первого возбуждённого уровня ядра). Нерезонансные потери в области энергий

-квантов, при к-рых вероятность эффекта Мессбауэра велика, определяются в осн. фотоэффектом, т. е. процессом, при к-ром атом поглощает

-квант и испускает электрон. Для лёгких матриц

10 см^-1. Полагая в (2)

, получим для N* след. выражение:

T. о., при естеств. ширине линии

критич. плотность возбуждённых изомерных ядер составляет незначит. часть плотности атомов в твёрдом теле (~10²³ атом/см³). Из (3) видно, что немёссбауэровский вариант

-лазера практически невозможен. Действительно, для ядер со ср. ат. номерами Z доплеровское уширение линии

10¹³ с^-1. Следовательно, согласно (3), пороговая плотность изомерных ядер выходит за пределы плотности твёрдого тела уже при

= 10^-7 с.

С ростом энергии

-квантов вероятность безотдачного излучения резко падает. Вероятность эффекта Мессбауэра близка к 1 только при значениях энергии перехода

150 кэВ. Это ограничивает верх. значение величины энергии

-квантов, достижимое в

-лазере на ядерных переходах. Ниж. значение энергии радиац. переходов ядер, пригодных для генерации

-излучения, определяется быстрым ростом сечения фотоэффекта с уменьшением энергии

-квантов. Поэтому область пригодных энергий радиац. переходов ядер определяется неравенствами: 10 кэВ <

<150 кэВ.

Предложенные модели

-лазера на ядерных переходах можно разделить на две группы: гамма-лазеры на короткоживущих (

10^-5 с) и долгоживущих (

10^-5 с) изомерах. Граничное значение

=10^-5 с обусловлено тем, что при

10^-5 с ширина мёссбауэровской линии

-перехода близка к естеств. ширине, когда

1. При

10^-5 с ширина линии не зависит от времени жизни и равна приблизительно 10⁵ Гц, следовательно,

1 (рис. 1). Последнее обстоятельство и определило осн. трудности первых моделей

-лазера на долгоживущих изомерах.

Рис. 1. Зависимость ширины гамма-линии мёссбауэровского излучения от времени жизни изомера

;
пунктирная кривая соответствует естественной ширине линии, сплошная линия - результат экспериментов.

Неизбежные нарушения правильности (идеальности) кристаллич. решётки, хим. и квадрупольные сдвиги приводят к уширению линий

-резонанса. Кроме того, причиной уширения линии, неустранимой даже в идеальных кристаллах, является магн. диполь-дипольное взаимодействие ядер, т. к. спины возбуждённых и невозбуждённых ядер различны, а координаты ядер, высветившихся в процессе генерации, случайны.

Значит. прогресс в разработке схем гамма-лазеров на долгоживущих изомерах был достигнут благодаря работам P. В. Хохлова с сотрудниками, к-рые предложили применить методы ЯМР-спектроскопии (см. Ядерный магнитный резонанс)твёрдых тел для сужения линии

-резонанса. Использование специально подобранных последовательностей радиочастотных импульсов с частотой, соответствующей переходам между магн. подуровнями рабочих уровней ядер, позволяет подавить эти механизмы уширения линии. (Быстрая переориентация ядер радиочастотным полем ослабляет диполь-дипольное взаимодействие, усредняя его величину, имеющую разл. знак при разл. ориентации спинов. Одновременно ослабляется магн. взаимодействие ядер с соседними атомами и взаимодействие электрич. квадрупольных моментов ядер с внутрикристаллич. электрич. полями.) Аналогично подавляется т. н. химический сдвиг. T. о., искусств. сушение линии

-резонанса позволяет приблизиться к созданию гамма-лазеров на долгоживущих изомерах.

В схемах на короткоживущих изомерах (В. И. Гольданский, Ю. M. Каган) осн. проблема - механизм возбуждения (накачка) ядер. Накачка должна быть интенсивной и селективной. Эффективно возбуждая рабочие ядра, она должна минимально возмущать состояние решётки кристалла. Наиб. близки к выполнению указанных требований след. виды возбуждения ядер: захват тепловых нейтронов (см. Радиационный захват ),радиац. возбуждение (синхротронным излучением, характеристическим излучением, рентгеновским излучением и др.), а также возбуждение пучком заряж. частиц.

Исследовалась также возможность совмещения преимуществ двух схем: некритичности параметров накачки в схеме на долгоживущих изомерах и малости произведения

в схеме на короткоживущих изомерах. Это можно, напр., осуществить при наличии двух близко лежащих ядерных уровней с разл. временами жизни и энергетич. разницей, соответствующей энергии кванта оптич. или УФ-лазера, к-рый может стимулировать переход с долгоживущего ядерного подуровня на короткоживущий. T. о., накачка осуществляется на долгоживущем переходе, а генерация - на короткоживущем. Такая схема аналогична традиц. лазерной трёхуровневой схеме с той разницей, что в последней накачивается широкий короткоживущий уровень, а генерация идёт на более долгоживущем узком переходе.

Рис. 2. Волновая картина в кристалле, характеризующая обращение в 0
электрического поля E в точках расположения атомов для брэгговски связанных мод.

Из-за низкой отражательной способности материалов в

-диапазоне традиц. схема оптических резонаторов непригодна. Однако возможно использование аномально низкого поглощения

-излучения по определённым направлениям в кристалле, для к-рых выполняется Брэгга - Вулъфа условие (эффект Бормана). В этих направлениях происходит сильное отражение от атомных плоскостей кристалла. В результате в кристалле распространяются 2 плоские волны под углом друг к другу и напряжённость интерференц. электрич. поля в узлах решётки равна О (рис. 2). Поэтому

-кванты не теряют энергию на вырывание электронов и резко понижается вероятность поглощения

-квантов. Однако одновременно с этим понижается и величина коэф. усиления (подавление неупругих каналов ядерных реакций). Тем не менее использование ядерных переходов мультипольности выше, чем E1, даёт результирующий выигрыш. Играет роль и форма кристалла. В иглообразном кристалле возникают моды с устойчивой поперечной конфигурацией, для которых поглощение мало, как и для плоских волн в условиях эффекта Бормана. Излучение с боковых граней очень мало (рис. 3), т. к. интенсивность поля для слабозатухающей моды у граней кристалла незначительна.

Генерация когерентного

-излучения возможна также при вынужденной аннигиляции электронно-позитронных пар, при взаимодействии высокоэнергетич. встречных пучков заряж. частиц с пространственно периодич. структурами (напр., распространение релятивистских пучков в кристаллах).

Выше в качестве механизма генерации когерентного

-излучения рассматривался процесс вынужденного излучения. Известен и др. механизм, а именно т. н. сверхизлучение, когда когерентность испущенных фотонов является следствием корреляции состояний отдельных ядер - излучателей. Было показано, что при радиац. распаде системы возбуждённых ядер режим сверхизлучения более вероятен. Поскольку пороговое значение плотности возбуждённых ядер для режимов сверхизлучения и вынужденного излучения определяется одним и тем же условием, то осн. проблемы и пути их решения одинаковы для обоих подходов.

Литература по гамма-лазерам

Знаете ли Вы, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм представляет собой инструмент идеологического подчинения одних людей другим с помощью абсолютно бессовестной манипуляции их психикой для достижения интересов определенных групп людей, стоящих у руля этой воровской машины? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.