CN1033894A - 形成具有质量的玻色子的相干束的方法及装置 - Google Patents

Abstract

产生玻色子的方法包括使相干光入射到致密物 质上。

Description

本发明涉及一种形成具有质量的玻色子相干束的方法及装置。

众所周知，当从激光器来的强光会聚在物质上时，原子就会吸收光子的能量而被电离并形成热等离子体。在“等离子体和激光（byT.D.Hughes，Tohn    Wiley    &    sons（1976））”一书中概述了在该领域内的许多工作。

人们还知道，如果来自激光器的光足够强，如强度大于10¹²ω/cm²，则原子会由于光照而电离。而且，由这些原子产生的电子会吸收更多的光子，这种现象在文献中被称为ATO〔超过电离阈值（Above Throshold Ionization）〕。请参阅以下文献：“P.Kruit等。Phys.Rev A 15，1604（1977）”及“R.R.Freeman等。Phys.Rev Let 59，1092（1987）”。

以下出版物涉及用于产生离子束的激光冷却：

“观察在原子离子的激光冷却束中凝聚晶体态的可能性（Possibility    of    observing    a    Condensed    Crystalline    State    in    Laser-Cooled    Beams    of    Atomic    Ions）”，EUROPHYSICS    LETTERS，J.P.Schiffer    and    O.Poulsen，Europhys，Lett.，1（2），PP.55-59（1986）。

“在完全电离的重离子束中能存在有序凝聚态吗（Conld    There    be    an    Ordered    Condensed    State    in    Beams    of    Fully    Stripped    Heary    Ions）？”，J.P.Schitter    and    P.Kienle，Z.Phys.A.Atoms    and    nuclei    321.181（1985）。

根据本发明，提供有一种工序，依靠该工序，当物质中的粒子具有的密度n足以高到比临界密度n_c大，而且温度T比临界温度T_c低时，

n＞n_c

T＜T_c（1）

此时当来自激光器的强光照在其上时，玻色子则会在光子被吸收的同时被释放，而成为相干玻色子束。这些玻色子可以是中性原子、分子或原子核。这种机理导致散射（如国际专利申请PCT/AU86/00212中所述）。

根据本发明，提供一种用于形成具有质量的相干玻色子的方法，该方法包括使相干光照射到致密物质上的步骤。

下面仅参考一个附图，依靠示例的方法进一步描述本发明，该唯一的附图是按照本发明构成的装置的示意图。

当玻色子系统在热平衡态时，其能量分布遵循Bose-Einstein统计学。如果玻色子密度增加或玻色子温度降低，则会达到临界条件，一些玻色子有最低能量的相同基态，并成为相干的，这被称为是Bose-Einstein凝聚，发生这种现象时的温度是临界温度。有关Bose-Einstein凝聚的更详尽的讨论例如在“统计物理”（by L.D.Landan and E.M.Lifshitz，Pergamon Press，1958第168页）一书中给出。使临界密度为n_c，临界温度为Tc，我们有

$n_c=\∫\frac{d^{3}P}{e^{E/K{T}_c}}\left(2\right)$

这里，P，E分别是玻色子的动量和能量，Tc是临界温度，R是波尔兹曼常数。根据积分计算，它们有以下关系：

n_c＝（2mkTc）^3/2 （3/2） （3）

这里，

（3/2）＝2∶612是雷曼（Riemann）函数，m是带电玻色子的质量。为了计算出数值，可假设温度为10°K，玻色子为质子质量的数量级（m1 Gev），临界密度n_c为10²⁴/cm³。这至少是比最正常的物质的密度大的数量级。因此，几乎所有正常物质在该低温下根本达不到这个临界条件。大多数物质在10°K时变为固体，其密度不能再减小。达到该临界温度或密度条件（3）的唯一方法是使温度进一步降低。

对于液氦来说，在通常大气压下临界温度达到Tc＝2.174°K。相应的临界密度具有10²²/cm的数量级。一旦达到临界温度，一些氦原子（He⁴）（在液态下为玻色子）会成为相干的，并在液氦中形成超流体成分。使来自激光器的强光会聚在该超流体上而使相干玻色子束形成。

在光与氦原子相互作用后，考虑一下物理过程。如果光的强度足够大，则氦原子会吸收许多光子而被电离。

n_γγ+He→α+ e+ e（4）

能量的要求决定下式：

n_γγE≥EHe （5）

这里E是各分单光子的能量，E_He是氦的电离能（＝27.2ev）。如果激光中光子的能量E＝1ev，则要使一个氦原子被电离至少要吸收28个光子。根据量子电动力学，吸收每个附加光子的可能性小于α～ 1/137 ，这样，由于普通光而电离的机会极其小。要使氦气电离需要来自激光器的非常强的光。一旦氦被电离，附加光子的吸收则通常由电子来完成，电子和电离后的氦原子会变热。

但是，如果氦原子如同它们在超流体液氦状态下那样相干，则在相干光子和相干氦原子之间存在着选择性的相互作用。如果光子的能量不全用于电离，则我们在最后状态。

n_γγ+n₀ne→n_γγ+n₀H_e（6）

中可具有相干的中性氦束。

在另一方面，氦可被电离，被分裂成粒子和电子的相干束。

n_γγ+n₀He→n_iα+2n_i（ e+ e） （7）

这里n_γ是相干光子数，n₀是相干氦原子数目，n_i是相干α粒子数（n_i＝n₀）。如同在专利申请PCT/Au86/00212中讨论那样，在相干粒子的散射中，不管什么时候具有m个相干玻色子的可能性存在有一个因子m！的增加。所以发生（6）和（7）而不发生（4）的可能性，它具有一个类似于（n_γ！n₀！n_i！）的附加因子。对于单模式Nb-YAG激光器或Eximer激光器产生的且具有10ns脉冲的1焦耳的光，具有n_γ＝10¹⁹个光子。对于超流氦，1cm³中大约有10²²个氦原子。对于尺寸为10mm×10mm×1mm的液膜，有n₀＝10¹²个电子。所以，对于具有超流氦的相干光的散射，产生相干玻色子的可能性实际上是1，散射可以看作是半径典散射。

产生相干玻色子的临界条件在前面提到的专利申请PCT/Au86/00212中已有讨论。更具体地说，比率“r”在那里定义为：

r= (w_c)/(w_o)

这里，W_c＝相干散射的比率，

W_o＝正常散射的比率

对于相干玻色子的产生，临界条件是r≥1。也就是说，如果相干散射的比率等于或超过正常散射比率，则会产生相干玻色子。

在申请PCT/Au86/00212中所述系统的情况下，比率“r”在那里表示为

r= ((n₁+n₂)!)/(n₂!) η

这里，Qn₁＝光子数，

n₂＝相关粒子数，

η＝相空间因子。

在本发明情况下，可以如过程等式（6）所描述的那样，方便地考虑临界条件。

W_c＝ZnνW₁

这里，W_c如前述定义，

W₁是正常散射的比率，

Z＝n_Vm³ ₁ηe^Nε-1

这里，m＝相干氦原子数，

₁＝正常光子散射的可能性，

η＝ 1/(最后状态数)

e是指数

N是每个氦原子的光子数，

ε＝ (ω)/(M)

这里ω＝光子频率

M＝氦原子的质量

产生相干玻色子的临界条件是，

Z≥1

在n_γ＝10¹⁹，m＝10¹⁰～10¹⁷，N＝10²～10⁷，ε＝2-7×10^-10的情况下，N_ε非常小，可以忽略不计。临界条件变成：

(n_γm³)/(e²) ₁n≥1 (5、19)

认为m＝m_r、氦原子数等于光子数而且每一氦原子仅与一个光子相互作用，依靠这种方法可以获得对该临界条件的了解。这样，等式（5、19）简化为：

其中，

$P_1=\frac{{\delta }_{1}T}{\mathrm{4v}}{\mathrm{\approx 2.0\times 10}}^{\mathrm{-27}}\frac{T}{A}{\mathrm{cm}}^2$

$\mathrm{n\; =}\frac{\mathrm{\pi T}}{{\omega }^{2}A}{\mathrm{=1.9\times 10}}^{\mathrm{-10}}\frac{T}{V}{\mathrm{cm}}^2\mathrm{(5、21)}$

通过截面δ₁的γ-He的散射由Ragleigh理论给定为

${\delta }_1=\frac{\mathrm{8\pi }}{3}(\frac{e^2}{m_e{c}^2}{)}^2(\frac{\omega }{\mathrm{\omega \; o}}{)}^4\mathrm{(5、22）}$

此时，波长λ＝0.488μm，或ω＝2.54eV;（ω_o＝13.6eV）。条件（5.20）变为

$n_r\mathrm{\ge 1.23\times 10}{}^{\mathrm{10}}(\frac{V}{T}{)}^{\mathrm{1/2}}\mathrm{(5、23)}$

其中，体积V是氦的正常化体积V_He和激光脉冲的体积V_γ之积开方根：

$\mathrm{V=}\sqrt{V_{\mathrm{H\; e}}V{}_r}$ （5、24）

V_He与V_V是由实验条件给定的。

相互作用时间T不能由以上说明来精确决定，但可取的最小值T是光波的周期，在V≈10²cm，T≈1μm的情况下，临界条件是n_ν≥10¹³。如果激光脉冲具有能量μJ或更高的能量，则可满足临界条件。

一般来说，虽然不必具有临界条件Z≥1（此时前述临界温度T_c或临界密度n_c为主要因素），但最好具有这个条件。具体地说，如上所述，对于超流氦，所述Nb-YAG或Eximer激光器提供足够的能量（n_ν＝10¹⁹个光子），以保证有效地产生相干玻色子，这时超流氦为临界温度。如相干光在超过临界温度的温度下照射玻色子的情况下，产生相干玻色子的临界条件仍可满足，但要依靠所增加的照射相干光子数。

在这方面的要求考虑到仅产生相干氦原子的情况，可由下列公式确定：

该式的术语具有前述术语的意义。

由于保存有动量，所产生的相干波色子束易于沿光子束入射方向移动。如果氦吸收的平均光子数较大，最后状态将含有相干He粒子。对于以上示例中在n＝10¹⁹，n_o＝10¹²，E_ν＝1ev时，在最后相干束中的单个He粒子的能量由下式给出

(n_yE/no)E_v≈10⁷ev

所以，形成了具有高于M_eV的能量的相干He粒子束。对于1个10M_eV的He粒子，速度是2×10¹⁰cm/Sec。它通过1μm厚的等离子体的时间是5×10^-15Sec。相干α-束中所含功率是：

P= (1J)/(5×10^-5) =2×10¹⁴WuH（8）

该功率具有相当大的功率集中度。这种功率束具有许多应用，这些应用包括在惰性密封结构条件下启动氘丸中的核反应。

最后束中产生的各个相干玻色子的能量可以依靠改变液氦的超流体的氦原子数的方法而被调节。温度越高，超流体的成分就越少，所得相干能量束的能量也就越高。

示例装置

附图所示的装置由三个主要部件构成：

（1）脉冲激光器5及其辅助装置。它可以例如为脉冲Excimer激光器（如由“Lumonic，3629    Vista    Mercado，Camarillo，CA    93010    USA”制造的He-400-5M或TE-290系列产品）。或者，它可以是脉冲Nd-YAG激光器（如由“Spectra-physics，1250    West    Middlcbield    Roed，P.O.Box    7013，Meuntain    View，CA    94039-7013，USA”生产的DCR-3GCI））。

依靠透镜4使激光会聚在液氦膜上的一个非常小的点上。

（2）低温恒温器-能够使液氦保持在1°K或更低温度下的低温恒温器。这种低温恒温器在名为“Experimentcl    Superftuidity”（by    R.J.Donnelly，published    by    The    University    of    Chicago    Press（1967））一书中已有描述，而且可以向“Cryo    Industries    of    America    Inc，24    Keewaydi    Drive，Salem    NH    03079，USA”订购。在附图中仅示出了低温恒温器的内部，该部分形成真空室31。

（3）在低温恒温器内部的真空室31。在附图的左侧，有窗口15，以便使来自激光器的经聚集的光进入低温恒温器。在附图的右侧，有真空传输系统17，它把相干玻色子从低温恒温器导向用取之处。

激光器发射的脉冲光穿过窗口狭缝进入低温恒温器，并在1°K～2°K下照在液氦膜上。氦液（在这种情况下是超流氦液）会使延伸自存储器23中氦液槽的弯线湿润，存储器在线的下面，位于低温恒温器中。为了避免激光直接加热液氦，建议在持有液氦膜的真空室与下方的液氦存储器之间设置隔离装置27。另外，在液氦表面与隔离装置27之间的位置处可设置某种装置用于对真空室内壁周围局部加热，以便在高于在该位置处形成超液氦液的温度的情况下在该位置处足够轻微地对壁加热。在真空室的另一侧上，出口33通向传输系统17，激光落在液氦膜上，这便引起相干He粒子束通过出口33排出。

除了把液氦作为靶外，还可在温度低于2°K的情况下使用其它材料。材料与材料之间临界温度有所不同，可以通过公式（4）根据材料密度计算出来。如材料气通常在这种低温下为固态。氘处于量子固态。因为它是固体而不是液体，所以它不会变为超流。但是，在由于相干光而散射的情况下，量子固态的相干氘的表现便会与超流氦的情况相类似，会被电离，并形成相干氘束。用类似的方式还可产生其它的玻色子束。

本发明可用于产生进行原子核反应过程的能量，它包括将一种或多种具有质量的相干玻色子的相干束导向能够进行核反应的材料（如氘和/或氚）。在该应用中，由本发明形成的束，如果需要，在导向材料之前可以利用常规加速器进行加速。被导向束照射的材料例如可以为丸形（如已知的那样），几种束可以从不同方向同时导向材料。

Claims (12)

1、用于产生具有质量的相干玻色子的方法包括使相干光入射到致密物质上的步骤。

2、根据权利要求1的方法，其中，致密材料处于低温下。

3、根据权利要求1或2的方法，其中，物质的密度比临界密度大。

4、根据权利要求1至3中任何之一的方法，其中，物质是液氦。

5、根据权利要求4的方法，其中，液氦具有超流特性，由此，玻色子束是氦束或α粒子束。

6、根据权利要求1至3的任何之一的方法，其中，物质是处于低温下的固态。

7、根据权利要求4的方法，其中，所述临界密度具有10²²/cm³的数量级。

8、用于产生具有质量的相干玻色子的装置包括持有致密物质的装置，产生相关光的激光器和把激光导向物质以产生相干玻色子束的装置。

9、根据权利要求8的装置包括用于装有液氦以使所述相干光束照射在其上的装置。

10、根据权利要求9的装置包括用于使氦气冷却至非常低温度下的装置。

11、一种反应堆包括用于持有致密物质的装置、用于产生相干光的激光器、用于把激光导向物质以产生具有质量的相干玻色子的装置以及把相干玻色子束导向能够进行核反应的材料的装置。

12、一种在核反应中产生能量的方法包括以下步骤：依靠使相干光入射到致密物质上而形成具有质量的相干玻色子，把玻色子束导向能够进行核反应的材料。

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