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Gammastrahlenquelle Die Erfindung bezieht sich auf eine Gammastrahlenquelle,
bestehend aus einem kristallinen Körper, der ein metastabiles Isotop in einem angeregten
Kernzustand enthält.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine steuerbare Gammastrahlenquelle
hoher Intensität zu schaffen, die im wesentlichen Gammastrahlenverstärkung durch
angeregte Strahlungsemission erzeugt und die als »Gaser« bezeichnet werden kann,
in Analogie zum »Maser« und »Laser«, d. h. zu Vorrichtungen zur Mikrowellen- oder
Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission. Es rührt die Eigenschaft angeregter
Emission gemäß der Erfindung von gesteuerten Übergängen zwischen Kernenergieniveaus
anstatt zwischen Elektronenenergieniveaus her.
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Eine Gruppe von Kernen, in der für eine begrenzte Zeit eine vergrößerte
höhere Energiebesetzungsdichte besteht, kann als metastabil und als in einem Zustand
umgekehrter Besetzung befindlich bezeichnet werden. In diesem Zustand ergibt sich
eine Gesamtemission der Energie bei einer Frequenz, die der Differenz der Energieniveaus
entspricht, und während einer solchen Zeit erfolgt, während der ein solcher Zustand
besteht, bei dem die Gruppe mehr Energie abstrahlt, als absorbiert wird. Eine allgemeine
Analogie kann zwischen dem hier betrachteten Zustand umgekehrter Besetzung und dem
elektronischen Zustand der umgekehrten Besetzung, der bei einem Maserbetrieb auftritt,
wie z. B. in der USA.-Patentschrift 2 909 654 beschrieben, gezogen werden.
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Eine angeregte Strahlungsemission durch Übergänge zwischen Elektronenenergieniveaus
der in Maser- und Laservorrichtungen bekannten Art ist im Gammastrahlenspektrum
bisher nicht möglich gewesen, da Gammastrahlen normalerweise mit einem Rückstoß
emittiert werden und da die auftretende, sehr hohe Energie zu einem solchen Wechsel
der Frequenz der Strahlung als Ergebnis des Rückstoßes führt, so daß der für die
induzierte Emission notwendige charakteristische Resonanzzustand nicht erreicht
werden kann. Bekanntlich bestimmt die Linienbreite wesentlich den Resonanzzustand,
und ein normaler, von einer Gammastrahlung herrührender Kernrückstoß bewirkt eine
Verschiebung der Strahlungsfrequenz, die im allgemeinen viele Größenordnungen im
Vergleich zu der Linienbreite betragen kann.
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Um eine angeregte Emission von Gammastrahlen auftreten zu lassen,
muß ein wesentlicher Teil der Gammastrahlen ohne Rückstoß emittiert werden, und
die neuerliche Arbeit von M ö ß b a u e r u. a. hat gezeigt, daß sich unter bestimmten
Bedingungen eine rückstoßfreie Emission von Gammastrahlenenergie ergeben kann. Besprechungen
des Mößbauer-Effektes sind z. B. behandelt in Naturwissenschaften, Vol. 45, S. 538
(1958), Zeitschrift für Naturforschung, Vol. 41 a, S. 211 (1959), Phys. Rev. Letters,
Vol. 3, S. 554 (1959), und Scientific American, April 1960, S. 72.
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Die gestellte Aufgabe wird bei der eingangs genannten Gammastrahlenquelle
dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß das metastabile Isotop aus der Gruppe ausgewählt
ist, die C134, Sc44, Ge13, Seal, Tc96, Rh'91, Rh'o3, Ag107, Ag109, In'12, Tel27,
Tel2s Tel31 und HolB9 enthält, und aß eine Energiequelle, vorzugsweise Neutronenquelle,
vorgesehen ist, die den Körper mit einer vorgesehenen, gegebenenfalls wahlweise
in ihrer Intensität veränderbaren Energie bestrahlt, um den kristallinen Körper
auf ein solches angeregtes Energieniveau zu bringen, daß die Energiedifferenz zwischen
dem angeregten Energieniveau und einem niedrigeren Niveau in das Gammastrahlenspektrum
fällt, mit einer Einrichtung zum Verringern der Temperatur auf oder unter die Debye-Temperatur
des kristallinen Körpers oder zur Erhöhung des Druckes, um dadurch eine stimulierte,
zumindest teilweise rückstoßfreie Emission von Gammastrahlen zu ermöglichen, wobei
die stimulierte Emission von dem Körper als ein kohärenter, stark gerichteter Strahl
emittiert wird.
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Der Bruchteil der Gammastrahlen, die ohne Rückstoß emittiert werden,
wird im Vergleich zu den gesamten emittierten Gammastrahlen bei Temperaturen unterhalb
der Debye-Temperatur beträchtlich größer. Dieser Bruchteil der Gammastrahlen, die
ohne Rückstoß emittiert werden, kann sich in Abhängigkeit von anderen Faktoren,
wie dies in der unten angegebenen
Gleichung (10) ausgeführt wird,
von nur etwa 0,1 bis 100/, oder mehr ändern. Die am meisten zufriedenstellenden,
gemäß der Erfindung verwendeten Isotope weisen einen solchen Bruchteil von mehr
als etwa 10/(, auf.
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Eine selektiv steuerbare Gammastrahlenvorrichtung oder ein »Gaser«
kann in der Übertragungstechnik als Verstärker oder Oszillator verwendet werden,
der bei extrem hohen Frequenzen mit scharfer Frequenzselektivität und mit hoher
Richtwirkung arbeitet.
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Ein anderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist auf Grund ihrer Fähigkeit
gefunden worden, für sehr kleine Kernreaktoren verwendet werden zu können, bei denen
eine gesteuerte Energiefreigabe durch Übergänge zwischen Kernenergieniveaus, d.
h. ein Kernübergang im Unterschied zu einer Kernspaltung oder Kernfusion auftritt,
wobei die freigegebene Energie im wesentlichen die Form einer Gammastrahlung hat,
wodurch die bei bekannten Kernreaktoren auftretenden Probleme der Neutronenabschirmung
vermieden werden. Kennzeichnenderweise sind auch die Reaktorquellenmaterialien nicht
auf spaltbare Isotope beschränkt und eine selbständige Reaktion kann leicht gesteuert
werden, z. B. mittels eines relativ leicht zu bewirkenden Wechsels der physikalischen
Zustände.
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Ein anderes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Energiespeichervorrichtungen,
z. B. für die Verwendung eines Reaktionsenergieantriebes. Eine solche Vorrichtung,
verwendet als eine steuerbare kernreaktorartige Antriebsreaktionswärmequelle, weist
eine theoretische Fähigkeit der Energiefreigabe in der Größenordnung von einigen
Megaelektronenvolt (Mev) pro Atom im Gegensatz zu der Fähigkeit der Energiefreigabe
eines chemischen Reaktionsantriebes auf, bei dem die Energiefreigabe in der Größenordnung
von nur einigen Elektronenvolt (ev) pro Atom liegt. Die relativ geringe Abmessung
des hier behandelten Kernreaktors ist auch ein sehr wichtiger Vorteil für Anwendungen
des Reaktionsantriebes im Vergleich zu den erforderlichen Abmessungen bekannter
Kernreaktoren. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur eine schwache Abschirmung
für die Gammastrahlung erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der eigenen
Sicherheit eines Gammastrahlenkernreaktors mit passender Steuerung der physikalischen
Zustände (z. B. eines Temperaturwechsels in der Weise, daß die Reaktion unter bestimmten
Bedingungen als selbststeuernd oder selbstdämpfend bezeichnet werden kann, so daß
sie nicht explosiv wird.
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Zusätzlich zu der Erzeugung einer gegebenen besonderen Frequenz oder
eines Energieniveaus einer Gammastrahlung können Gaservorrichtungen gemäß der Erfindung
auch als sehr genaue Frequenznormale im Gammastrahlenspektrum für Forschungszwecke
verwendet werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein angenommenes Energieniveaudiagramm von vier Energieniveaus,
wobei E, der Grundzustand oder das stabile Energieniveau und El, E2 und E3 angeregte
Energieniveaus sind. Für ein passendes Isotop muß der Abstand zwischen den Energieniveaus
E2 und El in einer Größenanordnung liegen, die in das Gammastrahlenspektrum fällt.
Die Halbwertszeit T3 auf dem Energieniveau E3 ist sehr viel kleiner als die Halbwertszeit
T2 auf dem Energieniveau E2, welche wiederum größer als die Halbwertszeit TI auf
dem Energieniveau El ist, um ein Niveau umgekehrter Besetzung auf dem Energieniveau
EZ zu erzeugen, wenn das Isotop bestrahlt wird. Das Isotop ist mit Energieniveaubeziehungen
ausgewählt, die nicht direkt von dem Niveau EZ der umgekehrten Besetzung in das
Energieniveau E, des stabilen oder Grundzustandes zerfallen, da ein solches Zerfallsverhältnis
eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Kernabsorption hat. Es ist auch sehr wichtig,
daß ein relativ schneller Zerfall vom Energieniveau El auftritt, um Absorptionsverluste
zu vermeiden.
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Während ein geeignetes Isotop, das, wie oben beschrieben, durch wenigstens
vier Energieniveaus gekennzeichnet ist, für die praktische Auswertung der Erfindung
bevorzugt wird, da ein Zustand umgekehrter Besetzung darin relativ leicht erzeugt
werden kann, wird gezeigt werden, daß auch ein geeignetes Isotop, das durch ein
System mit drei Energieniveaus gekennzeichnet ist, verwendet werden kann, in welchem
Fall E2 das höchste, unstabilste Energieniveau, Ez das Niveau umgekehrter Besetzung
und E, das niedrigere Energieniveau werden. Die Halbwertszeit auf dem Energieniveau
El ist T2, wobei die induzierten Gammastrahlen bei einer Frequenz emittiert werden,
die der Differenz zwischen den Energieniveaus E2 und Ei entspricht.
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Um die steuerbare Gammastrahlenquelle zu erhalten, wird ein metastabiles
Isomer, das durch einen geeigneten Kernzustand umgekehrter Besetzung gekennzeichnet
ist, in geeigneter kristalliner Form und Größe isoliert und anfänglich in einem
Zustand, bei dem ein natürliches Zerfallsmaß auftritt, gehalten, d. h. mit einer
Emission, die im wesentlichen durch einen durch Rückstoß induzierten Frequenzwechsel
charakterisiert ist. Dann wird ein geeigneter Wechsel des physikalischen Zustandes
erzeugt, um die physikalischen Zustände zu erreichen oder sich wenigstens diesen
anzunähern, die für eine rückstoßfreie Emission notwendig sind, woraufhin eine wesentliche
induzierte Emission bei der Resonanzfrequenz auftritt. Mit äußerer, d. h. angeregter
Strahlung bei der Resonanzfrequenz, die als eine Eingangsgröße zugeführt wird, tritt
die induzierte Emission mit vergrößerter Intensität auf, und Änderungen (z. B. Modulationen)
der Eingangsstrahlung führen zu einer entsprechenden, jedoch verstärkten Änderung
der induzierten Emission, weshalb es sich um einen Gaser handelt.
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Wie in F i g. 2 als Schema gezeigt ist, kann eine Gaservorrichtung
nach der Erfindung einen ein Isotop enthaltenden Kristall 10 mit einem höchstmöglichen
Bruchteil von Kernen auf dem Energieniveau E2 aufweisen, so daß ein Zustand umgekehrter
Besetzung besteht. Selbstverständlich kann ein solcher angeregter oder »aufgepumpter«
Energieniveauzustand des Kristalls 10 durch geeignete Vorrichtungen erhalten werden,
z. B. durch Neutronenbeschuß von einem Strahler 12 auf dem Niveau E3, z. B. einem
Reaktor, wie dies durch 14 schematisch angedeutet ist. Auch kann der Anregungsbeschuß
14 durch elektromagnetische Strahlung bei oder mit einer Energie bei einer Frequenz
erzeugt werden, die der Differenz zwischen den Energieniveaus E, und E3 entspricht.
Ein solcher Anregungsbeschuß 14 kann entweder als vorbereitender Schritt
oder gleichzeitig mit dem Gaserbetrieb bewirkt werden, um die Betriebszeit zu verlängern.
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Die Abmessung des Kristalls 10 ist vorzugsweise so gewählt, daß es
gerade eben unterkritisch ist, um die Möglichkeit einer Kettenreaktion zu vermeiden.
Die ursprünglichen physikalischen Zustände des Kristalls
10 werden
hergestellt und aufrechterhalten, so daß keine wesentliche, durch Gammastrahlen
induzierte Emission auftritt, d. h., daß nur ein natürliches Zerfallsmaß besteht.
Eine Eingangsquelle 16 des zu verstärkenden Signals mit der Frequenz vs bestrahlt
den Kristall 10, wie es durch 18 angegeben ist. Das v,-Eingangssignal bei
18 hat eine Frequenz, die der Energieniveaudifferenz zwischen den Energieniveaus
E2 und El entspricht. Der physikalische Zustand des Kristalls 10 ist durch
eine Vorrichtung 20 eines Wechsels eines physikalischen Zustandes gesteuert,
wie dies durch 22 angegeben ist (z. B. durch Verringern der Kristalltemperatur ungefähr
auf die Debye-Temperatur oder unter diese), um den physikalischen Zustand des Kristalls
10 auf einen Punkt zu bringen, an dem eine wesentliche, rückstoßfreie Emission
von dem Kristall 10 aufzutreten beginnt. Die durch Gammastrahlen induzierte Emissionsausgangsgröße
24 hat die Frequenz v8, jedoch wegen der induzierten Emission bei einer wesentlich
vergrößerten Intensität. Es wird gezeigt werden, daß ein Wechsel des Niveaus oder
eine Modulation der Signaleingangsgröße 18 zu einem entsprechenden Wechsel des Niveaus
oder einer Modulation der Ausgangsgröße 24 führt und daß des weiteren der
Verstärkungsfaktor (Ausgang/Eingang) des Gasers durch den Umfang der Steuerung beein$ußt
wird, der durch die Vorrichtung 20, die eine physikalische Veränderung erzeugt,
hervorgerufen wird. Sollte der Kristall 10 eine kritische Abmessung aufweisen
und der Einfluß der Vorrichtung 20 auch auf die mit der Zeit exponentielle Erzeugung
der durch Gammastrahlen induzierten Emission kritisch gehalten werden, so kann eine
Kettenreaktion auftreten, so lange wie der Zustand umgekehrter Besetzung in dem
Kristall 10 besteht, und so lange, wie der Kristall für eine ausreichende Zeit intakt
gehalten wird, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Zeit zum Vervollständigen einer
solchen Kettenreaktion theoretisch kürzer als 1 Mikrosekunde sein kann.
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Im Hinblick auf das Eingangssignal 18 zu dem Kristall 10 in
F i g. 2 ist ebenfalls darauf hinzuweisen, daß die entsprechende induzierte Gammastrahlenemission,
die am Ausgang 24 nach bekannten Prinzipien auftritt, sehr stark gerichtet
und kohärent ist.
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In einer als ein Verstärker verwendeten Gaservorrichtung wird die
induzierte Emission unterkritisch gehalten, da ein oder mehrere physikalische Zustände
(z. B. die Kristallabmessung) unterkritisch gehalten werden. Dies schließt jedoch
nicht einen Wechsel eines anderen physikalischen Zustandes aus, z. B. der Temperatur,
um den Verstärkungsfaktor des Gasers zu ändern oder zu »modulieren«. Ein Wechsel
des physikalischen Zustandes kann eine oder mehrere Wechsel, die gleichzeitig hervorgerufen
werden, ergeben, z. B. durch eine Verringerung der Temperatur, durch eine Vergrößerung
der Kristallabmessung, durch eine Änderung der Schallschwingung oder durch einen
Anstieg des Druckes. Eine kürzlich veröffentlichte Arbeit von Dr. Russen V. H a
n k s, Physical Review, Vol. 124, Nr. 5, S.1319 und 1320, zeigt, daß eine rückstoßfreie
Strahlung (der Mößbauer-Effekt) bis zu einem gewissen Umfang direkt vom Druck abhängt.
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Für Anwendungen bei einem Reaktor kann die angeregte Strahlung die
spontane Strahlung sein, die von einem natürlichen Zerfall des Isomers herrührt,
und die kritische Bedingung der Energiefreigabezustände kann durch einen oder mehrere
Wechsel des physikalischen Zustandes von unterkritisch bis kritisch in geeigneter
Weise physikalisch gesteuert werden.
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In bezug auf die Verwendung eines Temperaturwechsels als steuernder
oder beitragender physikalischer Faktor, um entweder die Gaser- oder die Reaktorbetriebsbedingungen
aufrechtzuhalten, ist es bekannt, daß der Bruchteil (f) der Gammastrahlenemission
ohne Rückstoß im Vergleich zu der gesamten Gammastrahlenemission in Beziehung zu
der Debye-Temperatur eines Kristallgitters steht. F i g. 4 zeigt graphisch einen
typischen Zusammenhang eines solchen Bruchteils (f) mit der Debye-Temperatur (O),
unterhalb der ein wesentlicher Bruchteil der Gammastrahlen ohne Rückstoß emittiert
wird. Während andere Zustände auch geeignet sind, stellt die Debye-Temperatur eines
besonderen Isotops in kristalliner Form einen geeigneten Indikator dar, um etwa
zu bestimmen, welche Temperatur für eine wesentliche, rückstoßfreie Emission und
für das Auftreten einer Verstärkung notwendig ist. Die Debye-Temperatur für Ge'3
beträgt etwa 370°K, und die Debye-Temperatur ist an sich bekannt oder durch bekannte
Prinzipien für eine ausgewählte Isotopengruppe leicht bestimmbar. Wie ebenfalls
an sich bekannt ist, haben verschiedene chemische Formen einer gegebenen Isotopengruppe
verschiedene Debye-Temperaturen, wodurch sich ein Mittel ergibt, um ein gegebenes
Isotop an gewünschte Arbeitsbedingungen durch Auswahl einer Isotopenzusammensetzung
anzupassen, die eine Debye-Temperatur aufweist, die der gewünschten Umgebungstemperatur
am besten entspricht.
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Als überschlägliche Analogie kann eine Gaseranordnung, wie sie in
F i g. 2 gezeigt ist, mit einem tetrodenartigen thermionischen Verstärker verglichen
werden, bei dem der Zustand der umgekehrten Besetzung des isomeren Kristalls das
Äquivalent der Anodenspannung der Tetrode, die angeregte Energie das Äquivalent
der Steuergitterspannung der Tetrode und die physikalischen Zustände, die den Bruchteil
der rückstoßfreien Emission und demgemäß den Verstärkungsfaktor bestimmen, das Äquivalent
der Schirmgitterspannung der Tetrode sind. Wie erwähnt worden ist, ist es eine Eigenschaft
der Anwendungen eines Gaserverstärkers, daß wenigstens einer der physikalischen
Zustände jederzeit unterkritisch gehalten wird. Bei Oszillator- und Reaktoranwendungen
dieses Prinzips wird eine spontane Emission verwendet, um die Energiefreigabe und
die physikalischen Zustände einzuleiten und aufrechtzuerhalten, die so gesteuert
werden, daß sie unterkritisch sind, bis eine Selbstanregung oder ein Triggern gewünscht
ist, zu welchem Zeitpunkt eine solche Selbstanregung erreicht wird, indem alle physikalischen
Zustände kritisch gemacht werden. Mehr ins einzelne gehende Überlegungen und Beziehungen
in dieser Hinsicht werden in der folgenden Erörterung bestimmter verwendeter Prinzipien
angestellt Die Möglichkeit steuerbarer induzierender angeregter Gammastrahlenemission
ergibt sich aus der Tatsache, daß in der Resonanz der Querschnitt (Q) der Gammastrahlenabsorption
oder der induzierten Emission viel größer als der elektronische Streuquerschnitt
für hier betrachtete Energien ist:
worin v1 und v2 jeweils die reziproke Lebensdauer des höheren und des niedrigeren
Energiezustandes und
A. die Wellenlänge der emittierten Strahlung
geteilt durch 2 n sind.
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Um eine induzierte Gammastrahlenemission zu erhalten, müssen die folgenden
Forderungen erfüllt sein: 1. Ein wesentlicher Bruchteil der Gammastrahlen maß ohne
Rückstoß, d. h. gemäß dem Mößbauer-Effekt, emittiert werden, um die Strahlung genau
in der Resonanz zu halten. Wie allgemein an sich bekannt ist, kann dieser Bruchteil
für ein ausgewähltes Isotop durch geeignete Wahl der chemischen Verbindung dadurch
verbessert werden, daß die chemische Form des Kristalls auf die Gitterstruktur einwirkt.
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2. Der Koeffizient der inneren Umkehrung der Resonanz-Gamrnastrahlung
sollte vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, klein sein.
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3. Damit Zeit vorhanden ist, um einen wesentlichen Bruchteil von Kernen
in ein höheres isomeres Niveau zu »pumpen«, muß die Halbwertszeit eine wesentliche
Dauer haben.
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4. Die Linienverbreiterung auf Grund der Wechselwirkung der Spins
in dem Kristallgitter und andere Störungen sollten ziemlich klein sein (nicht viele
Größenordnungen größer als die natürliche Linienbreite).
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Das radioaktive Zerfallsmaß ist
worin N die Zahl der angeregten Kerne und A, die Zerfallskonstante sind. Wenn eine
induzierte Emission auftritt, hat die Gleichung (2) in erster Annäherung die folgende
Form:
worin p die Wahrscheinlichkeit für einen Gammastrahl ist, eine Emission anzuregen.
Definiert istp als:
worin N die Zahlendichte der angeregten Kerne, a der Querschnitt der angeregten
Emission und
sind. Ng ist die Zahlendichte der Kerne im niedrigeren Zustand (oder Grundzustand),
a9 der Querschnitt der Resonanzabsorption, Ne die gesamte Zahlendichte der
Atome in dem Kristall und ore der durchschnittliche elektronische Streuquerschnitt
pro Atom.
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Wählt man ein Isotop, bei dem die Halbwertszeit des niedrigeren Zustandes
wesentlich kürzer als die Halbwertszeit des höheren Zustandes ist, dann ist N9 5g
<< NG a'e (6)
und
Der Querschnitt der induzierten Emission kann geschrieben werden als
worin f der Bruchteil der ohne Rückstoß emittierten Gammastrahlen,
der Koeffizient der inneren Umkehrung und m das Verhältnis der natürlichen Linienbreite
zur Dispersion der Übergangsenergie auf Grund der magnetischen und elektrischen
Wechselwirkungen des Kernes mit dem Kristallgitter (und/oder das Verhältnis der
statistischen Gewichtsfaktoren für den höheren und den niedrigeren Zustand) sind.
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Das Einsetzen der Gleichung (8) in Gleichung (7) ergibt:
Als ein Beispiel eines Isotops, das für die praktische Verwendung der Erfindung
brauchbar ist, wird besonders Ge'3 betrachtet. Wie in dem in F i g. 3 dargestellten
vereinfachten Diagramm gezeigt ist, kann dieses Isotop durch Neutronenbeschuß von
Ge'3 oder durch einen ß+-Zerfall von z. B. As'3 erhalten werden. Das Isotop Ge'3
hat einen höheren isomeren Zustand, 54 kev über dem niedrigeren Energiezustand.
Die Halbwertszeiten sind 0,53 Sekunden und 4,6 Mikrosekunden für den höheren und
den niedrigeren Energiezustand. Der niedrigere Energiezustand zerfällt meist durch
eine andere Gammaemission in den (stabilen) Grundzustand des Ge'3. Für diesen Übergang
sind a - 6, f-0,5 und oe =10-Z4 cmZ. Nimmt man an, daß ein Kristall
verfügbar ist, bei dem sich ein wesentlicher Bruchteil der Kerne in dem höchsten
Energiezustand von Ge'3 befindet, so kann ein kritischer oder nahekritischer Zustand
gewünschtenfalls erhalten werden. Für den 54-kev-Übergang beträgt die Lebensdauer
des niedrigeren Energiezustandes 4,6 Mikrosekunden, somit nähert sich m dem Wert
1 an.
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Weitere Beispiele geeigneter Isotopen, welche die im Zusammenhang
mit F i g. 1 besprochenen Zustände der Energieniveaus erfüllen, sind z. B. 034,
SC 44, Se31, Tc96, Rhloh Rhlo3, Agio7, Ag1as, In 112, TelZ7, TelZS, Tel31 und Hole.
Im Verlauf weiterer und eingehender Untersuchungen der Systeme der Energieniveaus
verschiedener Kerne ist zu erwarten, daß andere für die praktische Auswertung der
Erfindung geeignete Isotopen ermittelt werden.
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Für einen großen Kristall besteht der Zustand, daß er kritisch wird
(oder schwingt), darin, daß die Verluste kleiner als die Verstärkungen durch die
induzierte Gammastrahlenemission sein müssen
Unter Verwendung der Gleichungen (5), (6) und (8) kann dieser Zustand geschrieben
werden als:
Die Prinzipien, welche die kritische Abmessung für eine induzierte Emission von
Gammastrahlen, die exponentiell mit der Zeit ansteigt, bestimmen, sind im wesentlichen
dieselben, wie diese in bezug auf Kettenreaktionen bekannt sind, die eine Neutronenemission
aufweisen. Quantitativ erweist sich jedoch die vergleichsweise Ordnung der kritischen
Abmessung für eine Kettenreaktion einer induzierten Gammastrahlenemission als außerordentlich
gering. Selbstverständlich werden verschiedene Faktoren den Idealzustand beeinträchtigen
und dadurch die kritische, begrenzte Abmessung vergrößern, wie es bei der Entwicklung
einer
Kettenreaktion einer induzierten Gammastrahlenemission z.
B. durch die Anwesenheit von Fremdstoffen entweder in der Form anderer Kerne oder
von Zerfallsprodukten der Fall ist. Aus der letzten Überlegung folgt, daß eine Kettenreaktion
einer induzierten Gammastrahlenemission in sehr kurzer Zeit dadurch vollendet wird,
daß die Kettenreaktion selbst die verfügbaren, angeregten Kerne auf dem Niveau der
umgekehrten Besetzung erschöpft.
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Für einen Kristall können die Bedingungen (9) und (10) wesentlich
abgemildert werden. Es ist aus der Untersuchung der Übertragung von Röntgenstrahlen
bekannt, daß in einem versetzungsfreien Kristall die Energie, die längs der Beugungsebene
fließt, um zwei oder mehr Größenordnungen weniger als die »normale« Absorption gedämpft
wird. (Dies ist der Bohrmann-Effekt, s. Journ. Appl. Phys., Vol. 30, S. 874.) Somit
nimmt a, in den Gleichungen (9) und (10) entsprechend ab. Die Richtungshalbbreite
des Bohrmann-Effekts beträgt wenige Bogensekunden, wobei unter diesen Bedingungen
ein sehr schmaler Strahl induzierter Strahlung gegeben ist. (Es besteht eine sehr
enge Beziehung zwischen dem einfallenden und dem induzierten Gammastrahl.) Der Effekt
ist den Kessel-Linien in der Röntgenstrahlspektroskopie sehr ähnlich.