книги из ГПНТБ / Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений

благоприятного для создания фотонов определенной энергии, т. е. для выделения двух уровней как верхнего и нижнего лазерных уровней, достигается конструированием лазера наподобие резони­ рующей полости. Если прибор представляет собой газоразрядную трубку с зеркалами у оснований колонны, то при помощи микромет­ рической подачи нужные фотоны отбираются варьированием длины

колонны. Поскольку волны отражаются по нескольку раз от зер­ кал, то в благоприятных условиях находится лишь свет, целое число длин волн которого укладывается вдоль длины колонны.

Газовые лазеры, в которых подкачка энергии происходит элект­ рическим разрядом, конструировались чуть ли не для всех эле-

ментов. Было получено лазерное излучение с длиной волны от 0,2 до 133 мкм.

Большое распространение получили лазеры, веществом кото­ рых является смесь неона и гелия. Чаще всего создается близкий инфракрасный свет с длиной волны 1,13 мкм.

Смеси газов используются в лазерах по следующей причине. В некоторых случаях газовым разрядом проще возбудить частицу Л, которая соударениями передаст возбуждение частице В, чем непосредственно возбудить частицу В.

Мы опишем более или менее детально механизм работы наиболее мощного из известных сейчас лазеров, а именно лазера, работаю­ щего на углекислом газе.

Основная идея использования молекулярных газов заключается в возможности существенно повысить максимальную эффективность, используя в качестве верхнего и нижнего лазерных уровней коле­ бательные уровни основного электронного состояния. Сравнение в этом отношении атомного и молекулярного лазеров иллюстрирует схема рис. 236а.

Виды колебаний молекулы С 0 2 были рассмотрены нами выше (рис. 231). Любое колебательное состояние характеризуется тремя квантовыми числами »1 t/2 a3 ; vx относится к симметричному коле­

молекулы в разных состояниях. Эти времена могут отличаться на несколько порядков. Далее крайне существенны вероятности перехода на тот или иной уровень под действием ударов элект­ ронов.

Оказалось, что со всех точек зрения в качестве верхнего лазер­ ного уровня пригоден уровень 001, а в качестве нижнего — 100 или 020. С этих уровней молекула переходит на уровень 010, а затем уже возвращается в основное состояние. Схема этих переходов пока­ зана на рис. 2366, вращательные уровни не показаны, чтобы не загромождать чертеж. Как видно из схемы, лазер обладает высокой

основном переводят молекулы на уровни 00У3 . Замечательно удоб­ ным обстоятельством является то, что возбуждения на любой уро­ вень 00У3 одинаково пригодны. Напомним, что колебательные уровни являются равноотстоящими. Поэтому столкновение моле­

положительный вклад в действие лазера, все же электроны тратят большую энергию на ионные возбуждения молекул. Возбуждение

становится значительно более селективным при добавлении к С 0 2 молекул азота.

лекулы С 0 2 . Это возбужденное состояние весьма долговечно, и мо­ лекула азота опускается на нулевой уровень в основном лишь одним способом, отдавая свою энергию молекуле С 0 2 в состоянии ООО (см. схему на рис. 2366). Равноотстоящие колебательные уровни азота делают эффективными все его колебательные состояния (основного электронного уровня).

- * \ Л Л Л Л /

cffepeda га jroxefiam-ельной

энергии

I

строгими — слишком много факторов определяет практическую эффективность лазера. Однако они демонстрируют методологию поисков лазерных веществ. Все в конечном счете решает опыт. Ска­ жем, если освобождение нижнего лазерного уровня происходит очень медленно, то целесообразно подмешивать другие газы. Поиск этих примесей в основном эмпирический, а результаты могут ока­ заться очень существенными. Например, при давлении газа 1 мм рт. ст. молекулы С 0 2 в чистом виде испытывают примерно 100 соуда­ рений в секунду, освобождающих уровень. Соответствующие цифры при наличии гелия и воды — 4 000 и 100 000 соответственно.

До сих пор мы ничего не говорили о том, как влияет на мощность С02 -лазера ротационная структура колебательных уровней. Если бы в излучении лазера участвовали переходы между всеми враща­ тельными подуровнями, то излучение не было бы строго монохроматичным. Использованием одного тонкого эффекта, к описанию

которого мы переходим, удается заставить лазер работать на пере­ ходе между определенными подуровнями. Обычно используется 20-й уровень Р-ветви перехода (001) — (100), что дает пучок фотонов с длиной волны 10,5915 мкм.

При комнатной температуре средняя кинетическая энергия мо­ лекулы С 0 2 равна 0,025 эВ. Расстояние между колебательными уровнями больше этой величины, а расстояние между вращатель­ ными уровнями меньше ее. По этой причине переходы молекул из-з а тепловых столкновений с одного вращательного уровня на другой много чаще (10 миллионов в секунду) переходов между колебатель­ ными уровнями (1000 в секунду). Соответственно время жизни ко­ лебательного состояния Ю - 3 с, а вращательного 10~7 с. Таким об­ разом, внутри вращательных этажей каждого колебательного уров­ ня успевает установиться распределение Больцмана, соответствую­ щее тепловому равновесию.

При этих условиях достаточно настроить колонну на опреде­ ленный переход, чтобы сделать его доминирующим. Действительно, допустим выбран переход Р (22), т. е. переход с 21-го вращатель­ ного подуровня (001) на 22-й подуровень (100). По мере освобож­ дения 21-го подуровня другие молекулы будут переходить с других вращательных подуровней на 21-й, чтобы сохранить распределение Больцмана. Таким образом поставленный в выгодные условия пере­ ход выигрывает соревнование с другими возможными переходами.

Эта особенность С02 -лазера определяет его большие достоин­ ства, способствуя высокой монохроматичности и позволяя также, хотя и в небольших пределах (9—11 мкм), варьировать по желанию

вращающееся

зержла

Большое время жизни колебательных состояний позволяет пере­ вести С02 -лазер в импульсный режим. Для этой цели одно из двух стационарных зеркал заменяется вращающимся зеркалом. Лазер приходит в действие каждый раз, когда вращающееся зеркало становится в нужное положение по отношению к стационарному зеркалу.

Если лазер дает постоянную мощность 50 Вт, то в импульсном режиме он способен давать 50 кВт вспышками продолжительно­ стью 150 не при скорости 400 вспышек в секунду.

С02 -лазер изготовляют обычно в виде двухметровых трубок, через которые пропускают ток газа. Схема лазера показана на рис. 236в.

Возможности описанного лазера уже граничат с фантастикой. Фокусировка когерентного инфракрасного излучения лазера на площадь 0,001 см2 дает интенсивность 106 Вт/см2 при постоянном режиме и 109 Вт/см2 в импульсном. Тонкий лазерный луч, спо­ собный распространяться на большие расстояния, мгновенно про­ жигает дерево, в течение секунд проходит через сталь.

Лазерный луч может создать поля порядка 10е В/см, коренным образом меняющие свойства вещества. С открытием лазеров возник ряд новых направлений физических и технических исследований. Большой интерес представляет изучение взаимодействия света с длиной волны 10—11 мкм с полупроводниками, которые прозрачны для этой области спектра. О некоторых применениях лазеров мы говорили на других страницах книги.

Совершенно новые возможности для коммуникации с помощью лазеров составляют предмет специальных дисциплин и выходят за рамки учебника физики.

Г Л А В А 30

АТОМНОЕ ЯДРО

§ 207. Экспериментальные методы ядерной физики

Изучение строения атомного ядра неразрывно связано с рас­ смотрением явлений самопроизвольного или вынужденного распада атомного ядра и ядерных частиц. Исследуя осколки разрушивше­ гося атомного ядра, прослеживая судьбу этих осколков, мы полу­ чаем возможность делать заключения о структуре ядра и о ядер­ ных силах.

Вполне естественно, что вначале были детально изучены явления самопроизвольного распада ядер, т. е. радиоактивные явления. Параллельно с этим началось изучение космических лучей — радиа­ ции, обладающей исключительной проникающей силой и приходя­ щей к нам из космического пространства. Взаимодействуя с веще­ ством, частицы космического излучения играют роль частиц-снаря­ дов. Долгое время исследование космических лучей было важнейшим

разрушений атомного ядра бомбардировкой потоками частиц, соз­ даваемых в ускорителях.

Экспериментальные методы, о которых пойдет сейчас речь, оди­ наково применимы к изучению космических лучей и частиц, воз­ никающих в результате ядерной бомбардировки тех или иных ми­ шеней.

Следовые камеры. Первым прибором, позволяющим видеть след (трек) частицы, явилась камера Вильсона. Если через камеру, содержащую пересыщенные водяные пары, пролетит быстрая час­ тица, создавшая на своем пути ионы, то за такой частицей остается след, весьма похожий на «хвост», который иногда остается в небе после самолета. Этот след создан сконденсировавшимся паром. Ионы, отмечающие путь частицы, являются центрами конденсации пара — в этом причина возникновения хорошо видимого следа. След частицы можно и наблюдать непосредственно, и фотографи­ ровать.

Чтобы регулировать состояние пара в камере, объем камеры меняют движением поршня. Быстрым адиабатическим расшире­ нием пар приводится в состояние пересыщения.

Если следовая камера помещена в магнитное поле, то по кривизне траектории можно определять либо скорость частицы при известном отношении elm, либо, наоборот, elm при известной скорости (ср. формулы на стр. 406).

Камера Вильсона уже принадлежит истории. Поскольку ка­ мера заполнена газом, столкновения редки. Очень велико время «очищения» камеры: фотографии могут сниматься лишь через 20 се­ кунд. Наконец, след живет время порядка секунды, что может

большую роль в физике элементарных частиц. Веществом камеры является перегретая жидкость. Заряженная частица образовывает ионы, а около ионов создаются пузырьки, которые и делают след видимым. В такой камере можно получать 10 фотографий в секунду. Самым большим недостатком камеры является невозможность уп­ равлять ее включением. Поэтому зачастую нужны тысячи фотогра­ фий, чтобы отобрать одну, фиксирующую исследуемое явление.

Большое значение имеют искровые камеры, основанные на ином принципе. Если на плоский конденсатор наложить высокое напря­ жение, то между пластинами проскочит искра. Если в зазоре име­ ются ионы, то искра проскочит при меньшем напряжении. Таким образом, ионизующая частица, пролетающая между обкладками, создает искру.

В искровой камере сама частица включает высокое напряжение между обкладками конденсатора на миллионную долю секунды. Однако достоинства в отношении возможности включения в нуж­ ный момент ослабляются недостатками: видны лишь частицы, об­ разующие угол не более 45° с пластинками, след очень короток и не все вторичные явления успевают проявить себя.

Недавно советские исследователи предложили новый тип сле­ довой камеры (так называемой стримерной камеры), уже нашедшей широкое применение. Блок-схема такой камеры показана на рис. 237. Частица, попадающая между пластинами, расположенными, в отличие от искровой камеры, на большом расстоянии друг от друга, обнаруживается счетчиком. Электронно-логическое устройство

различает первичные события и выбирает то, которое интересует экспериментатора. В этот момент высокое напряжение на короткое время подается на пластины. Ионы, образовавшиеся на пути прохож­ дения частицы, образуют черточки (стримеры), которые и фото­ графируются. Путь частицы обрисован этими черточками. Если

" 2 =

Успех работы стримерной камеры зависит от правильной кор­ реляции образования электронной лавины от первичного иона с па­ раметрами импульса высокого напряжения. В смеси 90% неона и 10% гелия при расстоянии между пластинами 30 см хорошие

тору, и давление газа, заполняющего счетчик, должны быть подобраны спе­ циальным образом в зависимости от постановки задачи. В распро­

страненной разновидности такого устройства, называемой счетчи­ ком Гейгера, к цилиндру и нити прикладывают напряжение пробоя. Если через стенку или через торец такого счетчика в него попадет

ионизующая частица, то через конденсатор пойдет импульс тока, продолжающийся до тех пор, пока первичные электроны и создан­ ные ими электроны и ионы самостоятельного разряда не подойдут к положительной обкладке конденсатора. Этот импульс тока можно усилить обычными радиотехническими методами и фиксировать прохождение частицы через счетчик либо щелчком, либо световой вспышкой, либо, наконец, цифровым счетчиком.

Такое устройство может считать количество частиц, поступаю­ щих в прибор. Для этого необходимо лишь одно: импульс тока дол­ жен прекратиться к моменту, когда в счетчик поступает следующая частица. Если режим работы счетчика подобран неправильно, то счетчик начинает «захлебываться» и считает неверно. Разрешающая способность ионизационного счетчика ограничена, но все же доста­ точно велика: до 10 ООО частиц в секунду.

Можно понизить напряжение и добиться такого режима, при котором через конденсатор проходил бы импульс тока, пропор­ циональный числу образованных ионов (пропорциональный счет­ чик). Для этого нужно работать в области несамостоятельного газо­ вого разряда. Первичные электроны, двигаясь в электрическом

пар ионов. При работе в режиме несамостоятельного разряда коэф­ фициент усиления k будет постоянной величиной и пропорциональ­ ные счетчики не только установят факт прохождения частицы через счетчик, но и измерят ее ионизующую способность.

Разряд в пропорциональных счетчиках, так же как и в описанных

Если прибор работает в режиме тока насыщения (чего можно добиться, снижая напряжение), то ток через него является мерой энергии излучения, поглощаемой в объеме прибора за единицу вре­ мени. В этом случае устройство называют ионизационной камерой. Коэффициент усиления k равняется в этом случае единице. Пре­ имуществом ионизационной камеры является большая устойчи­ вость работы. Конструкции ионизационных камер могут значитель­ но варьировать. Наполнение камеры, материалы стенок, число и форма электродов меняются в зависимости от цели исследования. Наряду с крошечными камерами с объемом порядка кубического миллиметра приходится иметь дело с камерами объемом до сотни метров. Под действием постоянного источника ионизации в каме: pax возникают токи в пределах от 10"1 7 до 10"7 А.

где 8 есть угол образующей конуса с направлением движения ча­

Рассмотрим две точки на пути заряженной частицы (рис. 237в). Они создали сферические волны, одна в момент времени t, другая в момент времени t-\-x. Очевидно, т есть время, которое затратила частица на прохождение пути между этими двумя точками. Для

Излучение Черенкова используется в последнее время весьма широко как способ регистрации элементарных частиц. Счетчики,