4.1.3 Гамма – лазер

Источник когерентного электромагнитного излучения диапазона (другое название -лазер ).

Гамма – излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны . При столь коротких волнах волновые свойства гамма – излучения проявляются слабо и на первый план проступают корпускулярные свойства. Гамма-излучение представляет собой поток гамма – квантов, которые характеризуются, как и другие фотоны, энергией , импульсом и спином. Гамма-излучение – жесткое электромагнитное излучение с энергией квантов кэB, возникающее в различных ядерных процессах, при торможении быстрых заряженных частиц в среде, в космическом излучении. В природе гамма - излучение имеет спонтанный некогерентный характер. Получение когерентного электромагнитного излучения в гамма - диапазоне открыло бы новые перспективы ядерной физики (воздействие на течение ядерных реакций). В частности, спонтанное излучение -квантов происходит при переходе из возбужденного в основное состояние у некоторых ядер. Такие ядра, у которых наряду с основным состоянием, существуют долгоживущие (метастабильные) возбужденные состояния, называются изомерами.

Идея о возможности построения ядерных - лазеров (ЯГЛ) и вообще распространения методов квантовой электроники на ядра и - кванты возникла почти сразу же после создания первых действующих оптических лазеров. Первые теоретические работы появились в СССР и США еще в начале 60-х годов XX века, но они не привели к каким - либо экспериментам. Точно так же без экспериментальных достижений окончился и второй этап (1970 - 80е годы). В результате этих исследований стало очевидной бесперспективность переноса схемы оптического лазера в более высокочастотный диапазон, поскольку повышение частоты квантов на 4 - 5 порядков приводит к резкому (на 10 - 15 порядков) увеличению вероятности разрешенного спонтанного перехода и энергии, высвобождаемой при переходе. Поэтому не были выработаны способы установления и поддержания заметной инверсной населенности и предложения накачки достаточной эффективности. Кроме того, вследствие хаотического движения атомов на 4 - 5 порядков возрастает спектральное уширение - излучения по сравнению с лазерным излучением оптического диапазона.

Началом современного этапа разработки концепции ЯГЛ можно считать середину 90-х годов ХХ века и продолжающуюся уже в ХХI веке. Этот этап характеризуется теоретическим поиском нескольких альтернативных подходов как к задаче создания необходимой инверсии ядерных населённостей, так и к задаче преодоления избыточного уширения линии испускания. Как показали исследования последних лет наиболее перспективным способом осуществления реального - лазера является резонансная накачка свободных ядер в виде газа или атомного пучка потоками рентгеновского излучения по двух уровневой схеме. Роль третьего уровня стандартной лазерной схемы в данном случае играет верхний уровень кинематически расщеплённого дублета , в то время как нижний уровень дублета действует как верхний уровень лазерного перехода (рис 4.2)

Рис 4.2 Структура энергетических уровней - лазера

Рентгеновская накачка между уровнями и достижимо лишь в рентгеновских лазерах на релятивистских электронах последнего поколения. - метастабильный уровень, причём . Любая из схем накачки свободных ядер (газовая среда) предлагает воздействие на уже приготовленный охлаждённый ансамбль ядер, поскольку малое время жизни лазерного перехода, лежащее в наносекундном диапазоне, практически исключает обратную последовательность операций охлаждения и накачки. Глубокое охлаждение ядер необходимо для исключения процесса излучения фотонов, которые снижают уровень когерентного излучения - фотонов. Наиболее применимая на данный момент принципиальная схема - лазера (рис. 4.3) состоит из следующих блоков:

Направление атомного потока

Рис. 4.3. Принципиальная схема γ – лазера

В первом из них происходит приготовление изомерных ядер путём облучения материнских изотопов потоком тепловых нейтронов, например изомеров и . Далее в блоке 2 происходит отделение изомеров от изотопов. В блоке 3 происходит дальнейшее охлаждение потока невозбуждённых ядер и его возбуждение пучком интенсивной рентгеновской накачки. В следующем 4 - ом блоке осуществляется повышение концентрации возбужденных ядер путём их накопления в квантовой одномерной яме. Далее происходит торможение пучка ядер и излучение пучка когерентных - фотонов.

Помимо рассмотренного выше процесса генерации когерентных - квантов, существует альтернативный проект построения - лазера, на основе ядерных переходов в твёрдом теле, например, на ядрах бериллия. В этом способе накачка для создания инверсии населённостей уровней может создаваться потоком нейтронов, однако необходимый уровень плотности потока нейтронов достижим пока лишь при ядерном взрыве.