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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.