RU2527313C1 - Способ получения когерентного излучения - Google Patents

Способ получения когерентного излучения Download PDF

Info

Publication number
RU2527313C1
RU2527313C1 RU2013111366/28A RU2013111366A RU2527313C1 RU 2527313 C1 RU2527313 C1 RU 2527313C1 RU 2013111366/28 A RU2013111366/28 A RU 2013111366/28A RU 2013111366 A RU2013111366 A RU 2013111366A RU 2527313 C1 RU2527313 C1 RU 2527313C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
energy
quantum
molecular
nucleus
Prior art date
Application number
RU2013111366/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Борисович Беляев
Михаил Борисович Миллер
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Объединенный Институт Ядерных Исследований filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority to RU2013111366/28A priority Critical patent/RU2527313C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2527313C1 publication Critical patent/RU2527313C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Использование: для получения когерентного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ получения когерентного излучения, основанный на явлении вынужденных квантовых переходов, включает внешнее воздействие на активную квантовую систему с инверсной населенностью состояний резонансным излучением и в качестве активной среды применяют специально выбранные двух- или трехатомные молекулярные соединения, обладающие следующим отличительным свойством: атомное ядро, которое может быть образовано при полном слиянии ядер всех атомов, входящих в состав рассматриваемых молекул, должно иметь возбужденное резонансное состояние при энергии, близкой к полной энергии молекулярной системы; другими словами, энергия ядерного резонанса должна быть близка к порогу развала ядра на фрагменты, представляющие собой ядра атомов, образующих данную молекулу. Технический результат: обеспечение возможности инжекции когерентного излучения без энергетической накачки среды. 2 ил.

Description

Изобретение относится к технике физического эксперимента, а именно к способам осуществления индуцированных квантовых переходов и получения квантового когерентного излучения.
Известны способы получения квантового когерентного излучения, основанные на использовании явления индуцированной эмиссии, теоретически разработанного А. Эйнштейном в 1917 г. Индуцированные квантовые переходы происходят при воздействии на квантовую систему внешнего электромагнитного поля на частоте переходов между квантовыми уровнями системы. Принципиальной особенностью известных способов является необходимость создания и поддержания инверсной населенности квантовых уровней системы путем энергетической накачки за счет внешнего воздействия. Известны разные способы накачки: вспомогательным излучением, разрядом электрического тока, химическим либо другим воздействием. Среда с инверсной населенностью находится в неравновесном состоянии, и при условии, что населенность вышележащих уровней значительно превышает населенность нижележащих уровней, внешнее резонансное излучение вызывает генерацию квантового когерентного излучения.
В качестве аналогов предлагаемого способа можно рассматривать способы генерации квантового когерентного излучения, применяемые в лазерах [1]. Так, в рубиновом лазере накачку активной среды производят по трехуровневой схеме. В этом случае под воздействием мощного источника света атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05%), переходят во вспомогательное возбужденное состояние с энергией E3, и за короткое время порядка τ≈10-8 с они переходят во второе возбужденное состояние с энергией Е2<E3. Перенаселенность уровня E2 по сравнению с основным уровнем E1 возникает из-за относительно большого времени жизни уровня E2. Когерентное излучение происходит в процессе квантовых переходов между уровнями Е2 и E1 под воздействием резонансного излучения с частотой ν=(E2-E1)/h. Здесь h - постоянная Планка.
Решением, наиболее близким к предлагаемому настоящему изобретению (прототипом), является способ получения когерентного излучения, предложенный в 1959 г. Фабрикантом В.А., Вудынским М.М., Бугаевой Ф.А. для усиления электромагнитного излучения разных диапазонов частот [2].
Согласно этому способу квантовое когерентное излучение получают воздействием потока электромагнитного излучения на неравновесную среду с инверсной населенностью квантовых состояний. Принципиальной особенностью способа-прототипа является необходимость энергетической накачки среды для создания и поддержания неравновесного состояния с инверсной населенностью. Накачку производят за счет внешнего электромагнитного излучения, для чего требуется специальное оборудование (например, мощные источники света). Из-за этого энергетический баланс при генерации квантового когерентного излучения является отрицательным и его КПД невысок.
Технической задачей настоящего изобретения является способ получения когерентного излучения, не требующий энергетической накачки среды для создания в ней инверсной населенности состояний, при этом дополнительно получают ядерное корпускулярное или гамма-излучение.
Техническая задача решается предложенным способом, основанным на явлении вынужденной (индуцированной) эмиссии фотонов, включающим внешнее воздействие на двухуровневую квантовую систему с инверсной населенностью состояний (активную среду) резонансным излучением, при этом в качестве активной среды применяют двух- или трехатомные молекулярные соединения, характеризующиеся специфической комбинацией молекулярных и ядерных спектроскопических свойств, состоящей в том, что роль верхнего квантового уровня частиц активной среды принадлежит молекулярному состоянию данной квантовой системы, а роль нижнего - эквивалентному по числу нуклонов и электронов атому, ядро которого представляет собой высоковозбужденное составное ядро от полного слияния ядер атомов, входящих в состав молекулы данного вещества, при этом полная энергия такого атома с ядром, находящимся в возбужденном состоянии, отличается от энергии молекулы в сторону меньших значений на величину порядка энергетической ширины ядерного резонанса, и, воздействуя внешним излучением на частоте перехода между молекулярным и атомным состояниями, получают когерентное излучение, а также корпускулярное излучение или гамма-излучение от последующего распада возбужденного состояния ядра.
Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа состоят в следующем.
1. Предлагаемый способ, в отличие от известного, не требует процедуры энергетической накачки для создания и поддерживания в среде инверсной населенности квантовых состояний.
При осуществлении данного способа в качестве активной среды применяют, специально выбранные двух- или трехатомные химические соединения, обладающие следующим отличительным свойством: атомное ядро, которое может быть образовано при полном слиянии ядер всех атомов, входящих в состав рассматриваемых молекул, должно иметь возбужденное резонансное состояние при энергии, близкой к полной энергии молекулярной системы; другими словами, энергия ядерного резонанса должна быть близка к порогу развала ядра на фрагменты, представляющие собой ядра атомов, образующих данную молекулу, иначе говоря, ядерный резонанс должен быть околопороговым.
Благодаря сочетанию отмеченных выше молекулярных и ядерных свойств среды, становятся возможны квантовые переходы между молекулярным состоянием системы, с одной стороны, и эквивалентным по числу нуклонов и электронов атомом с ядром в упомянутом выше возбужденном резонансном состоянии [3, 4] - с другой. Если величина разности значений энергии не превышает естественной ширины ядерного резонанса Г≈1…10 кэВ, то имеют место условия для вынужденных переходов под действием внешнего электромагнитного поля при совпадении частоты поля с частотой перехода. В результате возникает квантовое когерентное излучение, причем оно имеет место в отсутствие накачки среды.
2. Помимо квантового когерентного излучения, результатом процесса, предлагаемого настоящим изобретением, является образование ядра, соответствующего слиянию ядер атомов двух- или трехатомной молекул среды. Возникающее составное ядро находится в высоковозбужденном состоянии, и это состояние за очень короткий промежуток времени (практически мгновенно) распадается, переходя в основное состояние с выделением энергии возбуждения в виде гамма-квантов, либо, распадаясь по ядерному каналу, с эмиссией отдельных нуклонов или нуклонных кластеров. Конечные ядра-продукты этих распадов радиоактивны, поскольку для составных ядер слияния характерен дефицит нейтронов. Их распад происходит с дополнительным выходом энергии в виде бета- и гамма-излучения.
Совокупность перечисленных существенных признаков позволяет получать когерентное излучение без применения дополнительных внешних воздействий на рабочую среду и без затрат энергии на ее накачку.
Кроме того, при когерентном излучении по предложенному способу происходят квантовые переходы между молекулярным и ядерным состояниями частиц среды, что приводит к возникновению радиоактивных нуклидов, распад которых происходит с выделением энергии в виде корпускулярного излучения и гамма-излучения.
Сущность предлагаемого способа.
Сущность предложенного способа генерации квантового когерентного излучения поясняется путем рассмотрения процессов, происходящих в двухатомных молекулах гидрида лития 6LiD на основе изотопов 6Li и 2H:, и в трехатомных молекулах воды H2O [5, 6, 7].
На рис.1 показаны фрагменты схем уровней ядер Be и Ne. Из этих диаграмм следует, что энергетический порог Ethr развала ядра Be на два ядерных фрагмента 6Li и d близок к энергии Enl уровня (2+, 22,2 МэВ) - этого ядра, а порог развала ядра 18Ne - к энергии уровня (1-, 4,52 МэВ). Если значения Enl и Ethr различны, но так, что абсолютная величина этого различия ΔE=|Enl-Ethr| не превышает естественной ширины ядерного уровня Г≈1…10 кэВ, то данная молекулярно-ядерная пара представляет собой двухуровневую квантовую систему: одно из состояний системы соответствует молекуле (6LiD или H2O в рассматриваемом случае), а второе - атому с находящимся в возбужденном резонансном состоянии ядром, соответствующим полному слиянию ядер атомов, образующих рассматриваемую молекулу: 8Be(2+, 22,2 МэВ) или 18(1-, 4,52 МэВ) соответственно. В таком случае имеется возможность для вынужденных квантовых переходов между молекулярным состоянием и атомным с ядром в возбужденном состоянии. Для простоты в дальнейшем изложении такие переходы будем называть «молекулярно-ядерными».
Молекулярно-ядерные квантовые переходы данного типа будут сопровождаться распадом возбужденных составных ядер с высвобождением энергии в виде мгновенных гамма-квантов или корпускулярного излучения (альфа-частиц или нуклонов), а также запаздывающего излучения, возникающего при радиоактивном распаде нейтронно-дефицитных составных ядер. Если Ethr>Enl, то при каждом квантовом переходе из молекулярного состояния в ядерное будут рождаться фотоны, полностью идентичные первичным фотонам (по энергии, направлению вылета, поляризации). Таким образом, будет генерироваться квантовое когерентное излучение. В тех случаях, когда точное значение частоты молекулярно-ядерного квантового перехода неизвестно, для индуцирования переходов следует применять излучение со сплошным спектром в диапазоне предсказанных значений частоты перехода. Таким излучением может быть тормозное рентгеновское излучение с соответствующей граничной энергией. Либо следует использовать монохроматический источник фотонов и путем сканирования находить частоту перехода экспериментально. Первый из этих вариантов предпочтителен в начальной стадии экспериментов, второй - для детального исследования рассмотренного интересного физического явления и дальнейшего его применения.
Таким образом, осуществление предложенного способа может быть выполнено следующим образом с применением экспериментального устройства, схематически показанного на рис.2.
На этой схеме 1 - источник электромагнитного излучения рентгеновского диапазона частот, с энергией фотонов порядка hν=1…10 кэВ, 2 - пучок фотонов от источника 1, 3 - рабочая среда, например, H2O или дейтерид лития 6LiD, 4 - пучок фотонов электромагнитного излучения после прохождения рабочей среды, 5 - детекторы фотонов электромагнитного излучения, 6 - детекторы ядерных излучений (γ-квантов или α-частиц), 7 - устройство отбора и регистрации совпадений.
Генерирование квантового когерентного излучения по предложенному способу производят следующим образом.
Пучок фотонов электромагнитного излучения 2 от источника 1 рентгеновского излучения со сплошным (тормозным) спектром при граничной (максимальной) энергии 1…10 кэВ направляют на образец, содержащий рабочую активную среду (H2O или 6LiD). Толщину образца (его поверхностную плотность) в направлении падения первичного излучения 2 подбирают такой, чтобы она не превышала слоя половинного ослабления при максимальной энергии в спектре излучения 1. Поскольку генерирование квантового когерентного излучения по данному способу сопровождается ядерным гамма или корпускулярным излучением, то наблюдение и измерение квантового когерентного излучения проводят методом совпадений. В опытах с образцами H2O измеряют совпадения фотонов в пучке 4 с гамма-квантами при энергии Еγ=4,52 МэВ от распада возбужденного состояния (1-, 4,52 МэВ) ядра 18Ne, а в опытах с 6LiD фотоны измеряют в совпадении с α-частицами, так как высоковозбужденное ядро 8Be в состоянии (2+, 22,2 МэВ) распадается на две α-частицы, каждая с энергией Eα≈11,1 МэВ.
Литература
1. Шавлов А., Фогель С., Дальберджер Л. Оптические квантовые генераторы (лазеры), М., 1962; Справочник по лазерам, под ред. A.M. Прохорова, М., 1978.
2. Фабрикант В.А., Вудынский М.М., Бугаева Ф.А. Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радио диапазонов волн), Авторское свидетельство на изобретение №123209, «Бюллетень изобретений» №20, 1959 г. (прототип).
3. V.B. Belyaev et al., Phys. Dokl. 41 (1996) 514-516.
4. V.B. Belyaev et al., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 22 (1996) 1111-1114.
5. V.B. Belyaev, M.B. Miller et al., Phys. Let. В 522 (2001) 222-226.
6. V.B. Belyaev, M.B. Miller et al., Few-Body Systems 38 (2006) 103-107.
7. V.B. Belyaev, M.B. Miller, Journal of Molecular Liquids 154 (2010), pp.23-25.

Claims (1)

1. Способ получения когерентного излучения, основанный на явлении вынужденных (индуцированных) квантовых переходов, включающий внешнее воздействие на активную двухуровневую квантовую систему с инверсной населенностью состояний (активную среду) резонансным излучением, отличающийся тем, что в качестве активной среды применяют двух- или трехатомные молекулярные соединения, характеризующиеся специфической комбинацией молекулярных и ядерных спектроскопических свойств, состоящей в том, что роль верхнего квантового уровня частиц активной среды принадлежит молекулярному состоянию данной квантовой системы, а роль нижнего - эквивалентному по числу нуклонов и электронов атому, ядро которого представляет собой высоковозбужденное составное ядро от полного слияния ядер атомов, входящих в состав молекулы данного вещества, при этом полная энергия такого атома с ядром, находящимся в возбужденном состоянии, отличается от энергии молекулы в сторону меньших значений на величину порядка энергетической ширины ядерного резонанса, и, воздействуя внешним излучением на частоте перехода между молекулярным и атомным состояниями, получают когерентное излучение, а также корпускулярное или гамма излучения от последующего распада возбужденного состояния ядра.
RU2013111366/28A 2013-03-13 2013-03-13 Способ получения когерентного излучения RU2527313C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013111366/28A RU2527313C1 (ru) 2013-03-13 2013-03-13 Способ получения когерентного излучения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013111366/28A RU2527313C1 (ru) 2013-03-13 2013-03-13 Способ получения когерентного излучения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2527313C1 true RU2527313C1 (ru) 2014-08-27

Family

ID=51456452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013111366/28A RU2527313C1 (ru) 2013-03-13 2013-03-13 Способ получения когерентного излучения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2527313C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4879722A (en) * 1987-07-27 1989-11-07 Amoco Corporation Generation of coherent optical radiation by optical mixing
SU1349645A1 (ru) * 1985-05-22 1996-10-27 Белорусский Политехнический Институт Способ получения когерентного излучения и газовый лазер
RU2109384C1 (ru) * 1992-08-05 1998-04-20 Евгений Михайлович Привалов Способ формирования когерентного оптического сигнала суммированием пучков излучения n лазеров в вершине конической поверхности и передатчик когерентного оптического излучения, реализующий этот способ
RU2243621C1 (ru) * 2003-12-18 2004-12-27 Моторин Виктор Николаевич Способ получения направленного и когерентного гамма-излучения и устройство для его реализации
US7116458B2 (en) * 2004-03-08 2006-10-03 Massachusetts Institute Of Technology Coherent generation, conversion, and modulation of electromagnetic radiation using shock waves or solitons propagating through polaritonic or excitonic materials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1349645A1 (ru) * 1985-05-22 1996-10-27 Белорусский Политехнический Институт Способ получения когерентного излучения и газовый лазер
US4879722A (en) * 1987-07-27 1989-11-07 Amoco Corporation Generation of coherent optical radiation by optical mixing
RU2109384C1 (ru) * 1992-08-05 1998-04-20 Евгений Михайлович Привалов Способ формирования когерентного оптического сигнала суммированием пучков излучения n лазеров в вершине конической поверхности и передатчик когерентного оптического излучения, реализующий этот способ
RU2243621C1 (ru) * 2003-12-18 2004-12-27 Моторин Виктор Николаевич Способ получения направленного и когерентного гамма-излучения и устройство для его реализации
US7116458B2 (en) * 2004-03-08 2006-10-03 Massachusetts Institute Of Technology Coherent generation, conversion, and modulation of electromagnetic radiation using shock waves or solitons propagating through polaritonic or excitonic materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sievers et al. Simultaneous sub-Doppler laser cooling of fermionic Li 6 and K 40 on the D 1 line: Theory and experiment
Fujimoto et al. Plasma polarization spectroscopy
Van den Berg et al. Clocking femtosecond collisional dynamics via resonant x-ray spectroscopy
Jahns et al. Antiproton production and annihilation in nuclear collisions at 15A GeV
von der Wense et al. Towards a 229 Th-based nuclear clock
Babcock et al. Quadrupole moments of odd-A 53− 63Mn: Onset of collectivity towards N= 40
Ruggieri et al. Cathode tube effect: Heavy quarks probing the glasma in p-Pb collisions
Von der Wense On the direct detection of 229m th
Jung Ion acceleration from relativistic laser nano-target interaction
Amoretti et al. Search for laser-induced formation of antihydrogen atoms
Cata et al. Dark matter stability without new symmetries
Das et al. Quantum interference effects in an ensemble of 229 Th nuclei interacting with coherent light
Furukawa et al. Laser spectroscopy of exotic RI atoms in superfluid helium—OROCHI experiment
RU2527313C1 (ru) Способ получения когерентного излучения
Glozman et al. Chiral restoration in excited nucleons versus SU (6)
US6563123B1 (en) Method of producing carbon with electrically active sites
Furukawa et al. Laser spectroscopy of Ag and Au atoms immersed in superfluid helium and its applications to investigate nuclear structures
Sun et al. Two-photon-induced x-ray emission in neon atoms
Zamfir Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics (ELI–NP): Present status and perspectives
Moinard et al. Spaced resolved analysis of suprathermal electrons in dense plasma
Aouad et al. Atomic population kinetics in the context of XUV/X-ray free electron laser generating warm dense matter and strongly coupled plasmas
Rosmej X-ray Free Electron Lasers and Atomic Physics in Dense Plasmas
Utsunomiya et al. Photonuclear reaction data and γ-ray sources for astrophysics
Swain et al. Electrostrong nuclear disintegration in condensed matter
Oliva et al. Impact of early stage non-equilibrium dynamics on photon production in relativistic heavy ion collisions