Гамма-лазер
Га́мма-ла́зер, гразер, газер — джерело направленого когерентного електромагнітного випромінювання гамма-діапазону, в якому активним середовищем є система збуджених атомних ядер.
Зміст
Історична довідка
Назву «гразер» утворено від англомовної абревіатури Gamma Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation — підсилення гамма-випромінювання за допомогою випромінювання вимушеного.
Ідея створення гамма-лазера на основі вимушених радіаційних процесів у ядрах виникла як наступний логічний крок після створення та вдосконалення оптичних лазерів видимого діапазону та після відкриття процесу резонансного поглинання та випромінювання гамма-квантів певними типами ізотопів у конденсованих середовищах (ефект Мессбауера). Уперше цю ідею 1961 запропонував фізик Л. Ривлін (1922–2013; РФ).
Характеристика
Основна потенційна перевага такого джерела пов’язана з істотним підвищенням частоти генерованого когерентного випромінювання до величин, які відповідають енергії 5–100 КеВ, що призводить до широкого кола можливих застосувань:
- керований вплив на внутрішньоядерні процеси та процеси в електронних підсистемах важких атомів;
- технологічне та військове використання направленого жорсткого випромінювання, пов’язаного з можливістю його проходження крізь товсті шари речовини;
- значне зменшення дифракційної розбіжності випромінювання, що може бути використаним для створення слабо дифрагуючих ліній передачі інформації на велику відстань;
- можливість фокусування такого випромінювання на малу область, розмір якої обмежений довжиною хвилі, що може бути використаним для створення системи голографії біомолекул або систем нанотехнології.
Ще одна потенційна перевага використання гамма-лазерів на основі ядерних переходів порівняно з рентгенівськими лазерами (в яких використовують електронні переходи між рівнями з дуже малим часом життя у важких атомах) полягає в можливості використання ядерних переходів вищої мультипольності з великим і дуже великим (до багатьох років) часом життя. Це може принципово змінити концепцію лазерних систем, за якої процес формування активного (інвертованого) середовища і процес наступної генерації можуть бути істотно рознесені в часі. В альтернативних системах рентгенівських лазерів на основі електронних переходів в атомах такої можливості немає (в атомній фізиці це так звані дипольні переходи, для яких час життя в рентгенівському діапазоні не перевищує 1 пікосекунди, у видимому діапазоні — 1 мілісекунди).
Найперспективнішими методами формування активного середовища для гамма-лазерів є опромінення вузькосмуговим гамма-випромінюванням від будь-яких інтенсивних джерел, опромінення повільними нейтронами, а також кулонівське збудження ядер за рахунок взаємодії із зарядженими частинками.
Коефіцієнт резонансного підсилення
Основна проблема, що не дозволила створити гамма-лазери і реалізувати ці потенційні переваги, полягає у відсутності технологічних методів забезпечення порогової умови вимушеного випромінювання — перевищення коефіцієнта вимушеного випромінювання (коефіцієнта резонансного підсилення) [math]G ≈ σΔn / Γτ[/math] над коефіцієнтом нерезонансного поглинання [math]β[/math] електромагнітної хвилі в тому ж активному середовищі на частоті лазерної генерації. Коефіцієнт [math]G[/math] залежить від перерізу конкретного радіаційного переходу [math]σ[/math], інверсії заселеностей [math]Δn = n_2 - n_1[/math] (різниці заселеностей збудженого та основного станів радіаційного переходу) та від добутку часу життя збудженого рівня [math]τ[/math] та спектральної ширини радіаційного переходу [math]Γ = 1 / τ + ΔΓ[/math]. Остання величина залежить від часу життя [math]τ[/math] збудженого рівня та додаткового розширення [math]ΔΓ[/math] конкретного рівня енергії, який у випадку конденсованого середовища визначається взаємодією ядра з оточенням. У випадку різних значень спінів обох станів ядра формула [math]Δn[/math] дещо змінюється.
У радіаційних переходів із малим часом життя ([math]τ[/math] << 1 мкс), для яких виконуються умови ефекту Месбауера (необхідно, щоб ці ядра входили до складу твердого тіла, яке повинно знаходитися при температурі значно нижчій за температуру Дебая), спектральна ширина радіаційного переходу значно перевищує [math]ΔΓ[/math] і відповідає природній величині [math]Γ_0 = 1 / τ[/math], яка залежить тільки від часу життя збудженого стану. Ця умова відповідає мінімуму ([math]Γτ ≈ 1[/math]) знаменника у виразі для коефіцієнта підсилення [math]G[/math]. Водночас для таких переходів із малим часом життя дуже важко виконати як обов’язкову умову інверсії [math]Δn[/math] > 0, так і порогову умову генерації [math]Δn \gt β (Γτ) / σ[/math] унаслідок швидкого спонтанного розпаду збудженого рівня під час процесу збудження.
Для альтернативного випадку використання ядерних переходів із великим часом життя ([math]τ[/math] >> 1 мкс) відносно легко виконати умову інверсії [math]Δn[/math] > 0, але при цьому спектр випромінювання виявляється дуже розширеним ([math]ΔΓ[/math] >> [math]Γ_0[/math]) порівняно з природною шириною досліджуваного радіаційного переходу, що призводить до співвідношення [math]Γτ[/math] >> 1 і неможливості виконання порогової умови генерації навіть при повній інверсії [math]Δn = n_2[/math]. Такі ж наслідки будуть у випадку, коли не виконуються умови ефекту Месбауера (під час нагріву робочого середовища до високої температури або у випадку використання газоподібного або рідкого активного середовищ) і має місце істотне розширення спектра випромінювання. Для активного середовища у вигляді системи вільних атомів, іонів або молекул величина [math]ΔΓ[/math] визначається доплерівським розширенням і вона на багато порядків перевищує природну ширину [math]Γ_0 = 1 / τ[/math].
Ці дві альтернативні умови визначають дилему гамма-лазера, яка природним чином розділяє всі моделі на ті, в яких використовують ядра з короткоживучими ядерними переходами, для яких потрібна дуже інтенсивна система збудження інверсних станів, і ті, в яких треба використовувати спеціальні методи вимушеного зменшення спектральної ширини радіаційного переходу [math]Γ[/math] до величини, близької до природної ширини радіаційного переходу [math]Γ_0 = 1 / τ[/math]. Найефективнішим є метод усереднення впливу ближнього оточення на положення енергетичного рівня (механізм однорідного розширення), який є основним фактором формування [math]ΔΓ[/math], за допомогою швидкої зміни орієнтації спіну активного ядра за рахунок додаткового опромінення активного середовища короткими резонансними радіочастотними імпульсами за наявності сильного постійного магнітного поля. Такий метод використовують для вимушеного зменшення розширення спектральної лінії в методі ядерної магнітної томографії.
Один з ефективних методів реалізації умови вимушеного випромінювання пов’язаний із такою організацією структури активного середовища, яка призводить до істотного зменшення коефіцієнта нерезонансного поглинання [math]β[/math]. Цей ефект ослаблення поглинання (ефект Бормана) може бути досягнутий за рахунок використання дифракційних явищ в активному середовищі, якщо воно є упорядкованою кристалічною структурою. У такій системі при певних умовах повне електромагнітне поле утворює суперпозицію падаючої та дифрагованої хвиль, яка характеризується мінімумом в області переважної локалізації атомних електронів. Такий результат призводить до дуже істотного ослаблення нерезонансного поглинання, яке відповідає взаємодії з цими електронами і значно меншого ослаблення коефіцієнта резонансного підсилення на ядрах.
Найбільш оптимальним може бути шлях комбінованого узгодження цієї дилеми, при якому спонтанний розпад ядра на стадії збудження (стадії формування інверсного стану) буде штучно загальмований (це дозволяє збуджувати ядерну систему відносно довгий час), а на стадії генерації — відновлений до початкового значення (це дозволяє оптимізувати «спектральний фактор» до оптимального значення [math]Γτ ≈ 1[/math]). Такий метод оптимізації можливий за умови керування процесом спонтанного гамма-розпаду ядер, що може бути здійснено при оточенні (екрануванні) системи ядер тонким резонансним поглиначем, виготовленим з аналогічних, але не збуджених ядер. Фізичний механізм такого процесу пов’язаний з істотною зміною структури електромагнітного вакууму в межах такого екранованого об’єму.
Спонтанне надвипромінювання
Альтернативою до класичної схеми гамма-лазера на основі вимушених переходів є джерела когерентного випромінювання на основі явища спонтанного надвипромінювання. В основі такого механізму — не «традиційний» для лазерних систем поетапний ланцюговий процес розмноження реальних гамма-квантів, а явище взаємного фазування станів різних ядер за рахунок обміну віртуальними фотонами з швидким утворенням повністю когерентної взаємно фазованої надґратки. Така надґратка — макроскопічний випромінювач, який при досягненні стану граничного взаємного фазування генерує квазікогерентне спонтанне випромінювання, тривалість якого зменшується на багато порядків порівняно з розпадом окремого ядра. Порогові умови, які реалізують такий процес, збігаються з умовами вимушеного випромінювання.
Умови реалізації цих альтернативних процесів (вимушене випромінювання та спонтанне надвипромінювання) залежать від розмірів системи: для малих систем більш ймовірним є спонтанне надвипромінювання, для протяжних — вимушена генерація (лазерний ефект).
Література
- Ваldwin G. С., Sоlеm J. С., Gоldanskii V. I. Approaches to the Development of Gamma-Ray Lasers // Reviews of Modern Physics. 1981. Vol. 53. № 4. Pt. 1. P. 687–744.
- Высоцкий В. И., Кузьмин Р. Н. Гамма-лазеры. Москва : Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, 1989. 176 с.
- Vysotskii V. I. The Problem of Controlled Spontaneous Nuclear Gamma-Decay: Theory of Controlled Excited and Radioactive Nuclei Gamma-Decay // Physical Review C. 1998. Vol. 58. № 1. P. 337–350.
- Vysotskii V. I., Kornilova A. A., Sorokin A. A. et al. Direct Observation and Experimental Investigation of Controlled Gamma-Decay of Mossbauer Radioactive Isotopes by the Method of Delayed Gamma-Gamma Coincidence // Laser Prysics. 2001. Vol. 11. № 3. P. 442–447.
- Vysotskii V. I., Kornilova A. A. Сontrolled spontaneous decay of Mossbauer nuclei (theory and experiments) // Mössbauer Spectroscopy: Applications in Chemistry, Biology, And Nanotechnology / Ed. by V. Sharma, G. Klingelhofer, T. Nishida. New Jersey : John Wiley and Sons, 2013. P. 292–315.
Автор ВУЕ
Покликання на цю статтю: Висоцький В. І. Гамма-лазер // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Гамма-лазер (дата звернення: 29.04.2024).
Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 25.11.2022
Важливо!
Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.
Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.
Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.
Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів
Офіс Президента України
Верховна Рада України
Кабінет Міністрів України
Служба безпеки України
Міністерство оборони України
Міністерство внутрішніх справ України
