DE69522083T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Gammalaserstrahlung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von GammalaserstrahlungInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Erzeugen vorwärts gerichteter Gamma-Laserstrahlung [F-GASER (Gamma-ray Amplifikation by Stimulated Emission of Radiation)] mit einer Photonenenergie von mehr als 1 MeV (MeV = 1.000.000 Elektronenvolt) und rückwärts gerichteter Gamma-Laserstrahlung (B-GASER) in der Nähe eines Laserlichtbereichs von weniger als 200 keV (eV = Elektronenvolt).
- Konventionelle Techniken zum Erzeugen von kohärenten, monochromatischen Lichtstrahlen sind, wie im Fall des Lasers, auf den sichtbaren Lichtbereich sowie auf den dazu benachbarten Bereich beschränkt. Es war nicht möglich, ein Verfahren zum Erzeugen von Röntgenstrahlung und kohärentem, monochromatischem Licht praktisch ausreichender Intensität zu realisieren, nämlich kohärente, monochromatische Gammastrahlung viel höherer Energie, d.h. einer Protonenenergie von mehr als 1 MeV.
- EP-A-0 393 714 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung und eine Vorrichtung zur praktischen Umsetzung dieses Verfahrens.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung, in der ein hochenergetischer Lichtstrahl, der hinsichtlich Monochromität und niedrigem Rauschen dem der Synchrotronstrahlung (SR) überlegen ist, basierend auf einem Prinzip, das vollständig verschieden von der zum Erzeugen von kohärentem, monochromatischem Licht nach dem Stand der Technik ist, erzeugt wird.
- Nach der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Ziel erreicht durch:
- (1) das in Anspruch 1 angegebene Verfahren;
- (2) ein Verfahren zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung wie in (1) oben beschrieben, wobei der Positronenstrahl auf wenigstens einer vorbestimmten Energie und Stärke gespeichert wird;
- (3) ein Verfahren zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung wie in (1) oben beschrieben, wobei ein polarisierter oder nicht polarisierter Laser-Photonenstrahl auf die konfluenten Elektronen- und Positronenstrahlen projiziert wird, um selektiv die Bildung von Positronenmolekülen oder strahlenförmigen, gekühlten Parapositronien gleicher Phase zu stimulieren, wodurch Gamma-Laserstrahlung erzeugt wird;
- (4) ein Verfahren zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung wie in (3) oben beschrieben, wobei der polarisierte oder nicht polarisierte Laser-Photonenstrahl antiparallel zur Laufrichtung der konfluenten Elektronen- und Positronenstrahlen projiziert wird;
- (5) die in Anspruch 5 angegebene Vorrichtung.
- Ein Elektronen- und ein Positronenstrahl werden auf vorgegebene Energien beschleunigt; die Strahlen werden, falls notwendig, gespeichert und in gleichgerichteter Konfluenz vereinigt. Unter Bestrahlung mit stimulierendem Laser- oder Maserlicht werden Positroniummoleküle oder gekühlte oder kondensierte Parapositronien in Form eines gleichphasigen Strahls gebildet. Durch stimulierte Paarvernichtung der Positroniummoleküle oder der gekühlten Parapositronien können auf der Konfluenzstrahlachse hochenergetische F- GASER-Strahlung, die im wesentlichen der gesamten Energie der Elektronen und Positronen entspricht, und B-GASER-Strahlung der verbleibenden Energie erzeugt werden.
- Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung klar. Dabei zeigt:
- Fig. 1 ein schematisches Diagramm mit einer Gamma-Laserstrahlung erzeugenden Vorrichtung kleiner Größe, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
- Bezüglich dieser Zeichnung wird nun das Ausführungsbeispiel beschrieben.
- Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm mit einer Gamma-Laserstrahlung erzeugenden Vorrichtung kleiner Größe, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
- Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Vorrichtung eine Elektronenquelle und ein Beschleunigungssystem 1, ein Elektronenabbrems- und Sammelsystem 1' und einen Beschleuniger 2 kleiner Größe zum Erzeugen von langsamen Positronen auf. Ein Zyklotron oder Microtron kleiner Größe ist für die tatsächliche Praxis geeignet. Die Vorrichtung weist weiterhin ein thermisches Positronenkonvertierungssystem 3 auf, das aus mehreren Wolfram-Targets besteht, die unter Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen Positronen erzeugen, sowie ein Positronen-Beschleunigungssystem 4, einen Einschießmagneten 5 zum Einschießen des Positronenstrahls in einen Umlauf (Kühl-)Ring R, eine strahlfokussierende Spulenwicklung 6 für einen Elektronen-Positronen-Konfluenzabschnitt, einen Laserphotonen-Einschießspiegel 7 zum stimulierten Bilden von Positroniummolekülen oder Parapositronien und Verbindungs- und Trennmagneten 8, bzw. 9. Die Positronen werden durch den Elektronenstrahl gekühlt, während sie den Konfluenzabschnitt durchlaufen.
- Im Falle von Positronen mit einer Beschleunigungsenergie in der Größenordnung einiger hundert keV wie in diesem Ausführungsbeispiel, werden die Positronen auf dieselbe Temperatur wie die des Elektronenstrahls gekühlt, d.h. der Impuls wird in einigen Millisekunden wiederholter Übergangszeit einheitlich gemacht. Die Vorrichtung weist außerdem einen Laser- oder Maserstrahlungs-Generator 10, einen F-GASER 11, einen B-GASER 12, ein Positronenstrahl-Fokussierelement 13, einen Positronenstrahl-Lenkmagneten 14 und eine Spulenwicklung 15 auf.
- Jetzt wird der Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
- Die unten angegebene Prozedur stellt den Standardbetrieb dieser Vorrichtung zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung dar.
- Ein Elektronenstrahl einheitlichen Impulses, ausgegeben durch die Elektronenquelle und das Beschleunigungssystem 1, wird durch den Vereinigungsmagneten 8 in Konfluenz mit einem Positronenstrahl vereinigt und kühlt die Positronen durch Coulomb-Wechselwirkung auf ihrem Weg durch die strahlfokussierende Spulenwicklung 6. Anschließend verlassen die Elektronen den Konfluenzabschnitt durch den Trennmagneten 9 und werden durch das Elektronen-Verzögerungs- und Sammelsystem 1' gesammelt.
- Thermische Positronen, die durch den langsame Positronen erzeugenden Beschleuniger 2 und das Positronen-Konvertiersystem 3 erzeugt wurden, werden durch das Positronen-Beschleunigungssystem 4 auf eine vorbestimmte Energie τ m&sub0; c² beschleunigt, die der des Elektronenstrahls der Elektronenquelle und des Beschleunigungssystems 1 gleich ist, und die beschleunigten, thermischen Positronen werden über den Einschießmagneten 5 in dem Umlaufring R gespeichert. Die Positronen in dem Umlaufring R werden auf ihrem Weg durch die strahlfokussierende Spulenwicklung 6 in dem Konfluenzabschnitt gekühlt. Hier stellt m&sub0; c² die Restmassen-Energie der Elektronen, nämlich 511 keV, und τ den relativistischen Energiefaktor der Elektronen dar, der durch die folgenden Formeln ausgedrückt wird:
- γ (1 - β²)-1/&sub2; (1)
- β v/c (2),
- wobei v und c die Elektronengeschwindigkeit bzw. die Lichtgeschwindigkeit darstellen.
- Einige Elektronen und einige Positronen in dem Konfluenzabschnitt koppeln in einer Weise, daß ihre jeweiligen Spins (der quantenmechanische kinetische Freiheitsgrad bezüglich der Rotation der Elektronen) antiparallel zueinander stehen, wodurch sie Zwei-Elektronen-Atome bilden, die als Parapositronien bezeichnet werden. Das Parapositronium durchläuft eine Zwei-Photonen-Paarvernichtung bei einer durchschnittlichen Lebensdauer von 1,2 · 10&supmin;¹&sup0; Sekunden und wird in zwei Gammastrahlen umgewandelt. Da die Gammastrahlen jedoch nicht kohärent und von niedriger Intensität sind, entstehen keine praktischen Probleme.
- Zusätzlich zu den Parapositronien entstehen in dem Konfluenzabschnitt Ortho-Positronien, in denen die Spins der Elektronen und Positronen parallel koppeln, oder Positronien in angeregten Zuständen. Da die Ortho-Positronien oder die Positronien in angeregten Zuständen jedoch lange Lebensdauern haben, dissoziieren diese durch induzierte elektromagnetische Pulse in Elektronen und Positronen, wenn sie zusammen mit den überlebenden Parapositronien am Trennmagneten 9 ankommen. Als Ergebnis verbleiben die Positronen in dem Umlaufring R, und es entsteht daher kein Verlust. Im Prinzip werden daher die Positronen im Ring durch einen Elektronenstrahl von einheitlichem Impuls in wiederholten Konfluenzabschnitten gekühlt, bis sie in Gammastrahlen konvertiert werden.
- Wird zur stimulierten Bildung von Parapositronien von dem Effekt der Strahlung der thermischen Energie der Elektronen und Positronen sowie der Kopplungsenergie mit stimulierender Strahlung Gebrauch gemacht [siehe H. Ikegami, Phys Rev Lett 60, 929 (1988)], so kann der Betrag an erzeugten Parapositronien um das 1.000 bis 1.000.000-fache gesteigert werden. Umgekehrt werden die langlebigen Ortho-Positronien oder Positronien in angeregten Zuständen durch die wegen der stimulierenden Strahlung auftretende Ionisation dissoziiert. Die stimulierte Bildung von Parapositronien wird daher im wesentlichen selektiv ausgeführt. Die Stimulierte Bildung tritt in einem Fall auf, in dem die Frequenz νs und die Frequenzbreite Δνs des antiparallel zum Elektronenstrahl projizierten, stimulierenden Lichts die unten angegebenen Bedingungen bezüglich Δv, das die wegen der thermischen Bewegung der Elektronen und Positronen auftretende Fluktuation der Geschwindigkeit ve darstellt, erfüllt. Es ist zu bemerken, daß für einen Fall, in dem die Projektion nicht antiparallel ausgeführt wird, β zu -β wird.
- (α/2)²m&sub0;c² = (1 + β)γ·hνs (3)
- (m&sub0;/2)(Δv)² = (1 + β)γ·hΔνs (4),
- wobei α = 1/137 die Feinstrukturkonstante und h die Plancksche Konstante darstellt.
- Weiterhin koppeln die erzeugten Positrionien zu zweien auf einmal und man erhält ein Positroniummolekül in Form eines Clusters hoher Dichte, wenn ein anderer Typ von stimulierender Strahlung in einem überlagerten oder kombinierten Zustand projiziert wird, in dem 0,4 eV, nämlich (α2)² m&sub0;c² (= 6,8 eV), für die linke Seite der Gleichung (3) und m&sub0; für m&sub0;/2 in Gleichung (4) ersetzt wird.
- Wie man aus den Gleichungen (3) und (4) sehen kann, werden Elektronen und Positronen, deren thermische Energie (1/2)m&sub0;ve² nahezu Null ist, ausgewählt, und die Kopplungsenergie als Photonenenergie der stimulierten Strahlung emittiert, was zur Folge hat, daß die thermische Energie der erzeugten Parapositronien auf m&sub0;(Δv)² fällt, und ihre Dichte steigt. Außerdem sind alle Parapositronien im Moment der stimulierten Bildung der kohärenten stimulierenden Strahlung mikroskopisch im selben Zustand, und es bildet sich ein vorübergehendes Bose-Einstein-Kondensat-System. Zusätzlich ist das Positroniummolekül selbst ein kondensiertes Ensemble von Parapositronien.
- Man geht davon aus, daß sich diese Parapositrionien oder Positroniummoleküle nur in komplett geordneter Weise verhalten können, in der eine Zwei-Photonen-Paarvernichtung irgendeines Positroniumatoms mit der Paarvernichtung aller anderen korreliert. In diesem Fall werden die Photonen in Richtung des Parapositronien-Strahls ebenso wie in die entgegengesetzte Richtung innerhalb eines sehr schmalen Raumwinkels emittiert, der proportional zu Δνs/νs ist.
- Unter Beachtung der oben genannten Fakten läßt sich ein Einstein-Koeffizient berechnen, und ein theoretischer Wert der Verstärkung der Paarvernichtungs-Wahrscheinlichkeit durch die Selbststimulation des Parapositroniums kann ermittelt werden.
- Für einen Fall, bei dem die Anzahlsdichte der Positronen in konventionellen, einfachen Elektronenstrahlgeneratoren 1,1' (mit einer Beschleunigungsenergie von 400 keV und einer Anzahlsdichte der Elektronen von 10¹&sup5; m&supmin;³) und in der strahlfokussierenden Spulenwicklung für den Strahlenkonfluenzabschnitt des Positronen-Umlaufrings R kleiner Größe der Anzahl der Elektronen gleich ist, übersteigt die Dichte der erzeugten Parapositronien die Anzahlsdichte der Elektronen, und die Verstärkung der Paarvernichtungs-Wahrscheinlichkeit erhöht sich Stelle um Stelle durch den Kondensationseffekt. Als Ergebnis erzeugen alle durch die stimulierende Strahlung gebildeten Parapositronien durch die Zwei-Photonen- Paarvernichtung wegen des selbststimulierten Effekts in einer kurzen Zeitperiode von 10&supmin;¹² Sekunden zu einer Zeit Gamma-Laserstrahlung (GASER). Gleichzeitig haben die Positroniummoleküle unabhängig von der erzeugten Anzahl eine Lebensdauer von 10&supmin;¹³ Sekunden und durchlaufen selbstinduzierte Paarvernichtung zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung.
- Die Paarvernichtungszeit ist viel kürzer als die Aufrechterhaltungszeit der Kondensation Δt = h/m&sub0;(Δv)² (10&supmin;¹&sup0; Sekunden in diesem Ausführungsbeispiel), die durch Heisenbergs Unschärfebeziehung vorgegeben ist, und die vorübergehende Bose-Einstein-Kondensation der Parapositronien wird mit der Paarvernichtungszeit aufrecht erhalten. Dies unterstützt die Tatsache, daß die Kohärenz des Parapositroniumstrahls sichergestellt ist.
- Eine kohärente Photonengruppe, die durch Zwei-Photonen-Paarvernichtung wegen der selbststimulierten Emission von Positronien oder eines Parapositroniumstrahls einheitlicher Phase erzeugt wird, stellt eine in Laufrichtung der Positronien emittierte F-GASER- Strahlung dar, und die Photonenenergie davon beträgt:
- hνF-GASER = (1 + β)γm&sub0;c² (5)
- Die Photonenenergie eines antiparallel zur Laufrichtung der Positronien emittierten B-GASER-Strahls beträgt:
- hνB-GASER = (1 - β)γm&sub0;c² (6)
- Dies ist monochromatisches Licht einheitlicher Phase.
- Für den Fall einer Elektronen-Beschleunigungsenergie von 400 keV in diesem Ausführungsbeispiel betragen die Photonenenergien der zwei GASER-Typen
- hνF-GASER = 1,67 MeV
- hνB-GASER = 0,15 MeV.
- In beiden Fällen ist die Wellenlänge kürzer als die der Strahlung, wie sie von den gegenwärtig existierenden großen Strahlungsringen erzeugt wird.
- Da viele, offensichtlich weit unterschiedliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne den Schutzumfang zu verlassen, ist die Erfindung nicht als auf ihre spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt anzusehen, soweit dies nicht aus den beigefügten Ansprüchen hervorgeht.
- Nach der vorliegenden, oben im Detail beschriebenen Erfindung lassen sich die folgenden Effekte erzielen:
- (1) Eine monochromatische Gamma-Laserstrahlung, nämlich eine Vorwärts-GASER-Strahlung, mit einer Photonenenergie von mehr als einigen MeV und eine monochromatische Gamma-Laserstrahlung, nämlich eine Rückwärts-GASER-Strahlung, mit einer Photonenenergie von weniger als 200 keV, können gleichzeitig erzeugt und leicht extrahiert werden. Diese GASER sind im Stand der Technik nicht bekannt.
- (2) Wird die Beschleunigungsenergie der Elektronen und Positronen durch Einführen eines Elektronenstrahl-Umlaufrings erhöht, so können auch monochromatische Gamma- Laserstrahung und F-GASER-Strahlung im GeV(Giga-Elektronenvolt)- Energiebereich erzeugt werden.
- (3) Insbesondere sind die Gamma-Laserstrahlung, die F-GASER-Strahlung und die B-GASER-Strahlung hinsichtlich Monochromität, niedrigem Rauschen und verkleinerter Vorrichtungsgröße solchen durch Strahlung und große Strahlungsringe erhaltenen weit überlegen. Die vorliegende Erfindung ist geeignet, zu neuer Forschung und Entwicklung in Bereichen beizutragen, in denen Kohärenz eingeführt würde, wie in der Chemie, in den Materialwissenschaften, in der Elementarteilchenphysik, sowie in Bereichen, die diese Gebiete anwenden.
Claims (6)
1. Verfahren zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung, wobei:
ein Elektronen- und ein Positronenstrahl auf identische Energien beschleunigt
werden, um sich in gleichgerichteter Konfluenz zu vereinigen; und
stimulierendes Licht verwendet wird, um auf der Konfluenzachse
Positroniummoleküle oder strahlenförmige Parapositronien gleicher Phase zu bilden, die auf vorübergehende
Bose-Einstein-Kondensation oder in dessen Nähe gekühlt sind, wodurch gleichzeitig
Gamma-Laserstrahlung zweier Wellenlängen erzeugt wird, die mit der durch
selbststimulierte Strahlung hervorgerufenen Paarvernichtung einhergeht;
wobei die Frequenz νs und die Frequenzbreite Δνs des stimulierenden Lichts die
folgenden Bedingungen bezüglich Δv erfüllen, und Δv die Fluktuation der durch die thermische
Bewegung der Elektronen und Positronen hervorgerufenen Geschwindigkeit ve darstellt:
(α/2)²m&sub0;c² = (1 + β)γ·hνs und
(m&sub0;/2)(Δv)² = (1 + β)γ·hΔνs,
wobei α die Feinstrukturkonstante, h die Plancksche Konstante, γ = (1 - β²)1/&sub2; und β = v/c ist,
mit der Elektronengeschwindigkeit v und der Lichtgeschwindigkeit c.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Positronenstrahl auf wenigstens einer
vorbestimmten Energie und Stärke gespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein polarisierter oder nicht polarisierter
Laser-Photonenstrahl auf die konfluenten Elektronen- und Positronenstrahlen projiziert
wird, um selektiv die Bildung von Positronenmolekülen oder strahlenförmigen, gekühlten
Parapositronien gleicher Phase zu stimulieren, wodurch Gamma-Laserstrahlung erzeugt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der polarisierte oder nicht polarisierte Laser-
Photonenstrahl antiparallel zur Laufrichtung der konfluenten Elektronen- und
Positronenstrahlen projiziert wird.
5. Vorrichtung zum Erzeugen von Gamma-Laserstrahlung, mit:
einem System (1, 2) zum Einschießen von Elektronen und Positronen;
einem Positronen-Umlaufring (R);
einer Vorrichtung (7) zum Projizieren von Laser- oder Maserlicht auf die
konfluenten Elektronen- und Positronenstrahlen;
einer Einrichtung (1, 4) zum Beschleunigen eines Elektronenstrahls und eines
Positronenstrahls auf jeweils vorbestimmte Energien durch das Einschießsystem und, falls
notwendig, durch den Umlaufring; und
einem Fokussierelement (6) eines Elektron-Positron-Konfluenzabschnitts (8) zum
Vereinigen des Elektronenstrahls und des Positronenstrahls in gleichgerichtete Konfluenz,
wodurch hochenergetische, vorwärts gerichtete Gamma-Laserstrahlung und
niederenergetische, rückwärts gerichtete Gamma-Laserstrahlung erzeugt wird,
wobei die Frequenz vs und die Frequenzbreite Δvs des projizierten Laserlichts die
folgenden Bedingungen bezüglich Δv erfüllen, wobei Δv die Fluktuation der durch die
thermische Bewegung der Elektronen und Positronen hervorgerufenen Geschwindigkeit ve
darstellt:
(α/2)²m&sub0;c² = (1 + β)γ·hνs und
(m&sub0;/2)(Δv)² = (1 + β)γ·hΔνs,
wobei α die Feinstrukturkonstante, h die Plancksche Konstante, γ = (1 - β²)1/&sub2; und β = v/c ist,
mit der Elektronengeschwindigkeit v und der Lichtgeschwindigkeit c.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung (7) zum Projizieren des Laser-
oder Maserlichts auf die konfluenten Elektronen- und Positronenstrahlen selektiv die
Bildung von Positroniummolekülen oder strahlenförmigen, gekühlten Parapositronien gleicher
Phase stimuliert.
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| EP0715381A3 (de) | 1997-10-01 |
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