RU2608855C1 - Single-pass gamma-laser - Google Patents
Single-pass gamma-laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2608855C1 RU2608855C1 RU2015138555A RU2015138555A RU2608855C1 RU 2608855 C1 RU2608855 C1 RU 2608855C1 RU 2015138555 A RU2015138555 A RU 2015138555A RU 2015138555 A RU2015138555 A RU 2015138555A RU 2608855 C1 RU2608855 C1 RU 2608855C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solenoid
- active medium
- laser
- gamma
- field
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S4/00—Devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in wave ranges other than those covered by groups H01S1/00, H01S3/00 or H01S5/00, e.g. phonon masers, X-ray lasers or gamma-ray lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к устройствам для генерации направленного когерентного излучения высокой энергии в гамма-излучательном спектральном диапазоне с высокой мощностью потока гамма-квантов.The invention relates to laser technology, and in particular to devices for generating directed coherent radiation of high energy in the gamma-radiation spectral range with a high gamma-ray flux power.
Современные квантовые генераторы - лазеры, в том числе и гамма-лазеры, содержат, как правило, три структурных компонента: материал активной среды (химический элемент), в которой создают инверсию заселенностей квантовых уровней, устройство для создания инверсии в материале активной среды (например, система накачки) и устройство для создания положительной обратной связи (например, резонатор). Из-за трудностей получения требуемой инверсии в материале активной среды и формирования механизма обратной связи в диапазоне энергий гамма квантов для создания гамма-лазера в некоторых случаях используют также схему с квантово-энергетическим усилением исходного мягкого лазерного излучения, например, с помощью обратного его рассеяние на когерентных электронных пучках.Modern quantum generators - lasers, including gamma-ray lasers, contain, as a rule, three structural components: the material of the active medium (chemical element), which create an inversion of the population of quantum levels, a device for creating an inversion in the material of the active medium (for example, pump system) and a device for creating positive feedback (for example, a resonator). Due to the difficulties in obtaining the required inversion in the material of the active medium and the formation of a feedback mechanism in the energy range of gamma quanta, in some cases a circuit with quantum energy amplification of the initial soft laser radiation is also used to create a gamma laser, for example, by backscattering it by coherent electron beams.
Известны устройства [1, 2], позволяющие сформировать гамма-лазер высокого качества в отношении монохроматичности, направленности и яркости посредством проецирования лазерного луча оптического диапазона в направлении, противоположенном направлению когерентного электронного пучка, индуцируя когерентное обратное комптоновское рассеяния и усиление энергии фотонов рассеянного исходного лазерного излучения.Known devices [1, 2] that make it possible to form a high-quality gamma laser with respect to monochromaticity, directivity, and brightness by projecting a laser beam of the optical range in the direction opposite to the direction of the coherent electron beam, inducing coherent backward Compton scattering and amplification of the photon energy of the scattered initial laser radiation .
Недостатком этих устройств является наличие в их структуре сложного и громоздкого устройства формирования мощного когерентного электронного пучка, содержащего накопительные кольца или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов, а также средство реализации функции формирования импульсов электронного пучка, имеющих определенную длительность для создания когерентности электронов в пучке. Известно также устройство [3] рентгеновского и гамма-лазера, которое включает ядерный источник накачки активной среды, лазерные металлические стержни с диаметром, равным длине поглощения рентгеновского излучения, расположенные вокруг источника, причем твердое вещество стержней обладает высокой атомной плотностью. Это устройство использует классическую схему построения лазера, свободную от необходимости иметь в своем составе устройство формирования мощного когерентного электронного пучка.The disadvantage of these devices is the presence in their structure of a complex and bulky device for the formation of a powerful coherent electron beam containing storage rings or an accelerator with colliding beams for high-energy electrons and positrons, as well as a means of implementing the function of generating pulses of an electron beam having a certain duration for creating coherence electrons in the beam. An X-ray and gamma-laser device [3] is also known, which includes a nuclear source for pumping an active medium, laser metal rods with a diameter equal to the absorption length of X-ray radiation located around the source, and the solid matter of the rods has a high atomic density. This device uses the classical laser construction scheme, free from the need to have a device for generating a powerful coherent electron beam.
Недостатком известного устройства является низкая плотность мощности выходного гамма-излучения, не превышающая 1012 Вт/см2.A disadvantage of the known device is the low power density of the output gamma radiation, not exceeding 10 12 W / cm 2 .
Наиболее близким по своей физической сущности к предлагаемому (прототипом) является устройство для генерации гамма-излучения [4], содержащее источник накачки активной среды и активную среду в виде лазерного стрежня из твердого вещества, лазерный стержень выполнен из монокристалла в виде удлиненного цилиндра, в объеме которого однородно размещены ядра изотопов гидрида урановой группы и атомы водорода, кристаллическая решетка монокристалла содержит кристаллические плоскости, параллельные между собой и оси лазерного стержня, который является одновременно замедлителем для быстрых нейтронов, формирователем нейтронной волны, источником накачки и активной средой, при этом лазерный стержень последовательно заключен в тонкую оболочку из фольги из материала, отражающего тепловые нейтроны, например из гидрида лития, титановую цилиндрическую оболочку, металлическую оболочку из материала, отражающего тепловые нейтроны, несущий стальной корпус с соединительными фланцами по его торцам, на одном из торцов корпуса герметично и жестко установлена конической формы металлическая заглушка, а на противоположном торце жестко установлен закрытый с одного торца стальной стакан с осевой камерой и затвором, состоящим из смежных симметричных радиальных камер, в одну из которых жестко установлен первый тротиловый заряд с детонатором, в осевой камере стакана герметично и последовательно установлены выполненная с возможностью радиального перемещения во вторую радиальную камеру затвора монолитная металлическая пробка из материала, поглощающего нейтроны, выполненные с возможностью осевого перемещения по стакану внешний источник быстрых нейтронов в виде монолитного цилиндра и поршень, жестко закрепленный у закрытой стенки стакана.The closest in its physical essence to the proposed (prototype) is a device for generating gamma radiation [4], containing a pump source of the active medium and an active medium in the form of a laser rod of solid substance, the laser rod is made of a single crystal in the form of an elongated cylinder, in volume of which the nuclei of uranium hydride isotopes and hydrogen atoms are uniformly placed, the crystal lattice of a single crystal contains crystalline planes parallel to each other and to the axis of the laser rod, which is It is simultaneously a moderator for fast neutrons, a neutron wave shaper, a pump source and an active medium, while the laser rod is sequentially enclosed in a thin foil shell made of a material reflecting thermal neutrons, for example, lithium hydride, a titanium cylindrical shell, a metal shell made of a material reflecting thermal neutrons carrying a steel casing with connecting flanges at its ends, a metal conical hermetically and rigidly mounted on one of the ends of the casing an agglush, and on the opposite end, a steel cup closed from one end with an axial chamber and a shutter consisting of adjacent symmetric radial chambers, one of which has the first TNT charge with a detonator, is rigidly mounted in the axial chamber of the cup, hermetically and sequentially installed radial movement into the second radial chamber of the shutter a monolithic metal tube made of neutron-absorbing material, made with the possibility of axial movement along the glass a source of fast neutrons in the form of a monolithic cylinder and a piston rigidly fixed at the closed wall of the glass.
Оценка плотности мощности выходного когерентного гамма-излучения в прототипе дает значение ≈1014 Вт/см2.Evaluation of the power density of the output coherent gamma radiation in the prototype gives a value of ≈10 14 W / cm 2 .
Недостатком прототипа является малая плотность мощности выходного когерентного гамма-излучения.The disadvantage of the prototype is the low power density of the output coherent gamma radiation.
Техническим результатом изобретения является увеличение плотности мощности выходного когерентного гамма-излучения.The technical result of the invention is to increase the power density of the output coherent gamma radiation.
Технический результат достигается тем, что однопроходный гамма-лазер, содержащий материал активной среды в виде твердого вещества цилиндрической формы, с одной стороны которого установлена заглушка, дополнительно содержит соленоид для создания сильного однородного продольного магнитного поля, источник электропитания соленоида подключен к соленоиду, внутри соленоида и соосно с соленоидом расположен полый диэлектрический цилиндр, внутри полого диэлектрического цилиндра помещается материал активной среды, открытые полосковые полеобразующие системы для создания поперечного магнитного поля проходят внутри соленоида поверх и вдоль полого диэлектрического цилиндра попарно симметрично относительно оси соленоида и подключены по своим входам через симметрирующее устройство к источнику радиочастотных сигналов, а по своим выходам - к согласующим нагрузкам открытых полосковых полеобразующих систем, количество открытых полосковых полеобразующих систем равно или больше двух, причем в качестве материала активной среды используется радионуклид, в котором осуществляется бета-распад ядер вида X(A, Z)→Y(A, Z-1).The technical result is achieved by the fact that a single-pass gamma laser containing an active medium material in the form of a cylindrical solid, with a plug installed on one side, additionally contains a solenoid to create a strong uniform longitudinal magnetic field, the power supply of the solenoid is connected to the solenoid, inside the solenoid and the hollow dielectric cylinder is located coaxially with the solenoid, the material of the active medium is placed inside the hollow dielectric cylinder, open stripe fields developing systems for creating a transverse magnetic field pass inside the solenoid on top and along the hollow dielectric cylinder pairwise symmetrically with respect to the axis of the solenoid and are connected at their inputs through a balancing device to the source of radio frequency signals, and at their outputs to the matching loads of open strip field-forming systems, the number of open strip field-forming systems is equal to or greater than two, and a radionuclide is used as the material of the active medium, in which beta decay of nuclei of the form X (A, Z) → Y (A, Z-1).
На фиг. 1 дано схематическое изображение устройства однопроходного гамма-лазера, использующего в качестве материала активной среды радионуклид, в котором осуществляется бета-распад ядер вида X(A, Z)→Y (A, Z-1). На фиг. 1 приняты следующие обозначения:In FIG. Figure 1 shows a schematic representation of a single-pass gamma laser device using a radionuclide as an active medium material in which beta decay of nuclei of the form X (A, Z) → Y (A, Z-1) takes place. In FIG. 1 adopted the following notation:
1 - соленоид для создания сильного однородного продольного магнитного поля H0;1 - solenoid to create a strong uniform longitudinal magnetic field H 0 ;
2 - источник электропитания соленоида;2 - power supply solenoid;
3 - открытые полосковые полеобразующие системы для создания поперечного магнитного поля H1;3 - open strip field-forming systems for creating a transverse magnetic field H 1 ;
4 - источник радиочастотных сигналов;4 - a source of radio frequency signals;
5 - симметрирующее устройство;5 - a balancing device;
6 - полый диэлектрический цилиндр;6 - hollow dielectric cylinder;
7 - материал активной среды;7 - material of the active medium;
8 - согласующие нагрузки открытых полосковых полеобразующих систем;8 - matching loads of open strip field-forming systems;
9 - заглушка.9 - a stub.
На фиг. 2 изображена временная диаграмма последовательности импульсов поперечного возбуждения в материале активной среды и появления на выходе импульса однопроходного гамма-излучения при использовании принятой в предлагаемом устройстве технологии инициирования. Все амплитуды импульсов на фиг. 2 приведены в относительных единицах, а все интервалы времени соотнесены друг с другом и характерными временами физических процессов, протекающих в материале активной среды в каждой фазе формирования импульса однопроходного гамма-излучения.In FIG. 2 shows a timing diagram of a sequence of transverse excitation pulses in an active medium material and the appearance of a single-pass gamma radiation at the output of the pulse using the initiation technology adopted in the proposed device. All pulse amplitudes in FIG. 2 are given in relative units, and all time intervals are correlated with each other and the characteristic times of physical processes that occur in the material of the active medium in each phase of the formation of a pulse of single-pass gamma radiation.
Предлагаемый однопроходный гамма-лазер (фиг. 1) содержит соленоид 1 для создания сильного однородного продольного магнитного поля H0, подключенный к источнику 2 электропитания, открытые полосковые полеобразующие системы 3 для создания поперечного магнитного поля H1, проходящие внутри соленоида 1 поверх и вдоль полого диэлектрического цилиндра 6 попарно симметрично относительно оси соленоида 1 и подключенные по своим входам через симметрирующее устройство 5, создающее противофазные радиочастотные сигналы, к источнику 4 радиочастотных сигналов, а по выходам - к согласующим нагрузкам 8, количество открытых полосковых полеобразующих систем равно или больше двух, полый диэлектрический цилиндр 6, расположенный внутри и соосно с соленоидом 1, заполненный материалом активной среды 7 в виде твердого вещества радионуклида бета "плюс"-распадного типа и образующий с одного из своих торцевых концов выходное окно для генерируемого гамма-излучения, а с другого конца закрытый заглушкой 9. При этом размещение источника радиочастотного сигнала 4 и симметрирующего устройства 5 относительно сборки "соленоид 1 - открытые полосковые полеобразующие системы 3 - полый диэлектрический цилиндр 6, заполненный материалом активной среды 7" может быть произвольным, например таким, как показано на фиг. 1. Общее количество открытых полеобразующих систем определяется необходимостью достижения заданной величины поперечного магнитного поля H1 в выбранном поперечном направлении при соблюдении условия строгой пространственно временной синхронизации радиочастотных сигналов, распространяющихся по каждой из открытых полосковых полеобразующих систем.The proposed single-pass gamma laser (Fig. 1) contains a
Прежде чем дать последовательное изложение работы предлагаемого устройства, необходимо пояснить некоторые принципиальные положения, касающиеся его существа.Before giving a consistent presentation of the operation of the proposed device, it is necessary to clarify some fundamental provisions regarding its essence.
Концептуально, однопроходный гамма-лазер представляет собой устройство, использующее для создания инверсии бета-распад радионуклида вида X(A, Z)→Y(A, Z-1) в сильном однородном магнитном поле и работающее на самоограничивающем гамма-переходе дочерних ядер этого радионуклида. Для обеспечения режима когерентного излучения, т.е. режима синфазного типично классического группового излучения, в таком ядерно-спиновом квантовом генераторе необходимо выполнить следующие условия.Conceptually, a single-pass gamma laser is a device that uses the beta decay of a radionuclide of the form X (A, Z) → Y (A, Z-1) in a strong uniform magnetic field and operates on a self-limiting gamma transition of daughter nuclei of this radionuclide . To ensure coherent radiation, i.e. in-phase mode of a typically classical group radiation, in such a nuclear-spin quantum generator it is necessary to fulfill the following conditions.
Известно [5], что интенсивность излучения J квантовой системы, состоящей из N спинов с I=1/2, когда система находится в квантовом состоянии /r, m>, равнаIt is known [5] that the radiation intensity J of a quantum system consisting of N spins with I = 1/2 when the system is in the quantum state / r, m> is
где r - спиновое квантовое число для полного спина системы;where r is the spin quantum number for the total spin of the system;
m - магнитное квантовое число системы;m is the magnetic quantum number of the system;
J0 - интенсивность спонтанного излучения отдельного спина.J 0 - the intensity of spontaneous emission of a single spin.
Из (1) видно, что при r=m=rmax=(1/2)N имеем интенсивность J=NJ0, т.е., несмотря на наличие полной инверсии системы, спины в этом случае излучают некогерентно (или спонтанно). Если же система подготовлена таким образом, что к моменту излучения она переходит в состояние /r=rmax=(1/2)N, m>, где |m|<<r, то интенсивность излучения становится равной J≈(1/4)N2J0, указывая на когерентный характер излучения.It can be seen from (1) that for r = m = r max = (1/2) N we have the intensity J = NJ 0 , i.e., despite the complete inversion of the system, the spins in this case emit incoherently (or spontaneously) . If the system is prepared in such a way that by the moment of radiation it goes into the state / r = r max = (1/2) N, m>, where | m | << r, then the radiation intensity becomes equal to J≈ (1/4 ) N 2 J 0 , indicating the coherent nature of the radiation.
Замечая, что интенсивность излучения есть не что иное, как поток энергии через единичную площадкуNoting that the radiation intensity is nothing but the flow of energy through a unit area
где Езап=NEγ - энергия, запасенная в спиновой системе и излучаемая через переход Eγ;where E zap = NE γ is the energy stored in the spin system and radiated through the transition E γ ;
Δt - длительность излучаемого импульса;Δt is the duration of the emitted pulse;
Sn - проекция площадки, через которую выводится излучение, на направление излучения, то для одиночного γ-кванта естественно положить J0=Eγ/(τγ⋅Sn) и для когерентного режима излучения соотношение (2) переписать в видеS n is the projection of the area through which the radiation is output onto the radiation direction, then for a single γ-ray it is natural to put J 0 = E γ / (τ γ ⋅ S n ) and rewrite relation (2) in the form
Последняя запись означает, что в силу сохранения энергетического баланса запасенная в системе энергия NEγ не может быть превышена в процессе формирования излучения на самоограниченном переходе, и, следовательно, при реализации в этой системе режима когерентного излучения волновой синхронизм приводит к сжатию волнового пакета и уменьшению как 1/N длительности импульса излучения.The last record means that, due to the conservation of the energy balance, the energy NE γ stored in the system cannot be exceeded in the process of radiation formation at the self-limited transition, and therefore, when the coherent radiation regime is implemented in this system, wave synchronism leads to a compression of the wave packet and a decrease in 1 / N radiation pulse duration.
Инициирование предлагаемого устройства (фиг. 2) строится на принципах генерации спинового или фотонного эха в магнитно напряженной среде, описанных в общих чертах в [6, 7].The initiation of the proposed device (Fig. 2) is based on the principles of generation of a spin or photon echo in a magnetically stressed medium, described in general terms in [6, 7].
Предлагаемый однопроходный гамма-лазер работает следующим образом.The proposed single-pass gamma laser operates as follows.
Пустотелый диэлектрический цилиндр 6 заполняют материалом активной среды 7, представляющим собой бета-распадный радионуклид. Снаряженную таким образом кассету, состоящую из полого диэлектрического цилиндра 6 и активного материала 7, устанавливают внутрь соленоида 1 вдоль его оси. Включают источник 2 электропитания и создают внутри соленоида 1 сильное однородное магнитное поле H0. Оставляют материал активной среды 7 в магнитном поле H0 в покое в течение времени, необходимого для создания в результате бета-распада материнских ядер достаточной инверсии заселенности рабочего метастабильного уровня дочерних ядер. Затем включают источник 4 радиочастотных сигналов. Подавая с источника 4 в полосковые полеобразующие системы 3 через симметрирующее устройство 5 противофазные радиоимпульсы, инжектируют импульсы поперечного магнитного возбуждения в материал активной среды 7 в следующей последовательности:The hollow
- подают π/2-импульс поперечного магнитного поля H1x малой амплитуды, удовлетворяющий условиям- serves π / 2-pulse transverse magnetic field H 1x small amplitude, satisfying the conditions
где tи - длительность импульса;where t and - pulse duration;
где - величина неоднородного уширения спектра прецессирующих дочерних ядер; ϒ - ядерное гиромагнитное отношение; - средняя круговая частота процессии дочерних ядер в сильном не идеально однородном магнитном поле H0, с частотой заполнения ω0, равной средней частоте прецессии дочерних ядер; при этом магнитные моменты дочерних ядер верхних и нижних подуровней рабочего уровня энергии к концу действия этого импульса окажутся в плоскостях, компланарных поперечной плоскости xy, прецессируя вокруг продольной оси z; причем в то время, когда магнитные моменты ядер находятся в плоскости xy, ядра имеют минимальную энергетическую связь с продольным силовым магнитным полем H0, направленным по оси z, и их магнитное квантовое число m равно нулю;Where - the value of the inhomogeneous broadening of the spectrum of precessing daughter nuclei; ϒ is the nuclear gyromagnetic ratio; - the average circular frequency of the procession of daughter nuclei in a strong not perfectly uniform magnetic field H 0 , with a filling frequency ω 0 equal to the average precession frequency daughter cores; in this case, the magnetic moments of the daughter nuclei of the upper and lower sublevels of the working energy level by the end of this pulse will be in planes coplanar to the transverse plane xy, precessing around the longitudinal axis z; moreover, at the time when the magnetic moments of the nuclei are in the xy plane, the nuclei have minimal energy coupling with the longitudinal magnetic force field H 0 directed along the z axis, and their magnetic quantum number m is zero;
- после окончания действия π/2-импульса поперечного возбуждения следует четверть-период фазовой релаксации Δt1=π/4Δω, во время которого система секторно локализованных (условно в плоскости xy) магнитных моментов, соответствующих верхним и нижним исходным подуровням энергии и вращающихся теперь в плоскостях, компланарных плоскости xy, из-за разницы в частотах прецессий (ω0-Δω)←ω0→(ω0+Δω) начнет разбегаться, стремясь равномерно заполнить всю плоскость вращения xy, причем веерообразное разбегание моментов из первой условной полуплоскости, ограниченной осью x, во вторую и наоборот будет происходить как по часовой, так и против часовой стрелки;- after the end of the action of the π / 2 transverse excitation pulse, a quarter-period of phase relaxation Δt 1 = π / 4Δω follows, during which the system of sector-localized (conditionally in the xy plane) magnetic moments corresponding to the upper and lower initial energy sublevels and now rotate in planes coplanar xy plane, due to the difference in the precession frequency (ω 0 -Δω) ← ω 0 → (ω 0 + Δω) begins to disperse, aiming to fill uniformly the whole xy plane of rotation, the fan-shaped divergence of the moments of the first notional half-plane of boundedness x axis, the second and vice versa will take place both clockwise and counterclockwise;
- по истечении интервала времени Δt1 с момента начала фазовой релаксации подают π-импульс поперечного магнитного поля H1x малой амплитуды, зеркально обращающий магнитные моменты, находящиеся в противоположных полуплоскостях, ограниченных осью x, плоскости xy относительно плоскости xz;- after the time interval Δt 1 has elapsed since the start of phase relaxation, a π-pulse of a transverse magnetic field H 1x of small amplitude is fed, which mirrors magnetic moments located in opposite half-planes bounded by the x axis, xy plane with respect to the xz plane;
- после окончания действия π-импульса поперечного возбуждения следует интервал времени Δt2=π/2Δω, равный полупериоду фазовой релаксации, во время которого магнитные моменты ядер, продолжая свое круговое движение вокруг оси z, теперь, однако, после обращения вокруг оси x поменяют направление своего вращения на противоположенное и, разделившись за время Δt1 на две условные секторные половины, будут двигаться в своих условных полуплоскостях, ограниченных осью x навстречу друг другу, постепенно собираясь вокруг тех магнитных моментов, которые направлены в одной из этих полуплоскостей по оси y, а в другой по оси –y, и обладающих круговой частотой вращения ; при этом два результирующих момента My и -My будут расти, стремясь к своим максимальным значениям; в максимуме результирующих моментов индивидуально сфазированные две подсистемы спинов получают возможность излучать в противоположенные стороны - каждая как самостоятельное целое, т.к. в этот момент для каждой из подсистем обеспечивается выполнение условия когерентного излучения (r=IN>>m);- after the end of the action of the π-pulse of the transverse excitation, the time interval Δt 2 = π / 2Δω follows, equal to the half-period of phase relaxation, during which the magnetic moments of the nuclei, continuing their circular motion around the z axis, now, however, will change direction after turning around the x axis of their rotation to the opposite and, having divided during two time Δt 1 into two conditional sector halves, will move in their conditional half-planes bounded by the x axis towards each other, gradually gathering around those magnetic moments that are directed in one of these half-planes along the y axis, and in the other along the –y axis, and having a circular rotation frequency ; in this case, the two resulting moments M y and -M y will grow, striving for their maximum values; at the maximum of the resulting moments, the individually phased two subsystems of spins are able to radiate in opposite directions - each as an independent whole, because at this moment, for each of the subsystems, the coherent radiation condition is satisfied (r = IN >>m);
- по истечении интервала времени Δt2 в момент достижения максимума результирующими магнитными моментами подсистем My и -My подают короткий импульс поперечного магнитного поля H1x большой амплитуды, который, быстро поворачивая результирующие векторы магнитных моментов ядер My и -My вокруг оси x, создает в области малых значений возникающего при этом повороте магнитного момента Mz значительную величину производной dMz/dt, стимулируя (благодаря своей величине) гамма-излучение рабочего перехода в условиях минимальной отдачи ядер, т.е. в режиме излучения из резонансной плоскости xy гамма-квантов в очень узкой спектральной полосе;- after the time interval Δt 2 expires at the time of reaching the maximum, the resulting magnetic moments of the subsystems M y and -M y give a short pulse of a transverse magnetic field H 1x of large amplitude, which, quickly rotating the resulting vectors of magnetic moments of the nuclei M y and -M y around the x axis , creates in the region of small values of the magnetic moment M z arising during this rotation, a significant value of the derivative dM z / dt, stimulating (due to its value) gamma radiation of the working transition under conditions of minimal recoil of nuclei, i.e. in the mode of radiation from the resonance plane xy of gamma rays in a very narrow spectral band;
- на выходе устройства в процессе действия мощного короткого стимулирующего импульса x-возбуждения за один проход формируется ультракороткий гамма-импульс с узкой диаграммой излучения, обусловленной аксиальной геометрией системы и соосностью образца материала активной среды 7 и соленоида 1.- at the output of the device during the action of a powerful short stimulating pulse of x-excitation in one pass, an ultra-short gamma pulse is formed with a narrow radiation pattern due to the axial geometry of the system and the alignment of the sample material of the
Согласующие нагрузки 8 поглощают оставшуюся после прохождения вдоль зоны расположения материала активной среды 7 энергию радиоимпульсов поперечного магнитного возбуждения. Заглушка 9 перехватывает не отвечающее заданной диаграмме гамма-излучение, направленное в противоположенную выходу устройства сторону.Matching
Количественные характеристики предлагаемого гамма-лазера можно оценить следующим образом.The quantitative characteristics of the proposed gamma laser can be estimated as follows.
При резонансном наборе мощности излучения в однопроходном канале усиления, чтобы гарантировать в выходном сечении устройства импульс гамма-излучения с энергией, близкой к энергии всех потенциально резонансных переходов , необходимо стимулировать переходы вообще всех микрочастиц в системе. Этого можно достичь, обеспечив режим условного избыточного усиления, приводящего к насыщению потока излучения на каждом элементе канала усиления общей длиной L, удовлетворив с учетом (3) неравенствуWith a resonant set of radiation power in a single-pass amplification channel, in order to guarantee a gamma-ray pulse with an energy close to the energy of all potentially resonant transitions in the output section of the device , it is necessary to stimulate transitions in general of all microparticles in the system. This can be achieved by providing a conditional conditional excess gain, leading to saturation of the radiation flux on each element of the gain channel with a total length L, satisfying, taking into account (3), the inequality
где J и JL - выходная и удельная на единицу длины канала усиления интенсивности излучения, соответственно;where J and J L are the output and specific per unit length of the channel for amplifying the radiation intensity, respectively;
NL - удельное число микрочастиц на единицу длины канала усиления, потенциально принимающих участие в усилении интенсивности исходного излучения;N L is the specific number of microparticles per unit length of the amplification channel that are potentially involved in increasing the intensity of the initial radiation;
L - общая длина канала усиления в относительных единицах.L is the total length of the gain channel in relative units.
Из теории усиления спонтанного излучения известно [8], что аналитическое выражение отношения интенсивностей J/JL, справедливое для любой формы линий излучения с узким профилем, включая доплеровский, имеет видIt is known from the theory of amplification of spontaneous emission [8] that the analytical expression for the intensity ratio J / J L , valid for any form of emission lines with a narrow profile, including Doppler, has the form
где G - пиковый удельный коэффициент усиления, соответствующий центру спектральной линии;where G is the peak specific gain corresponding to the center of the spectral line;
L - общая длина канала усиления, равная той части длины цилиндрического образца 6, которая заполнена материалом активной среды 7.L is the total length of the gain channel, equal to that part of the length of the
Из [9] следует, что пиковый удельный коэффициент усиления примерно равенFrom [9] it follows that the peak specific gain is approximately equal
где - удельная "резонансная" инверсная заселенность соответствующего уровня энергии;Where - specific "resonant" inverse population of the corresponding energy level;
σstim - сечение вынужденного перехода.σ stim is the cross section of the forced transition.
Сечение вынужденного перехода или иначе сечение вынужденного излучения определяется через вероятность спонтанного излучения Y(γ) по формуле [9]The stimulated transition cross section or otherwise the stimulated emission cross section is determined through the spontaneous emission probability Y (γ) according to the formula [9]
где λγ - длина волны, на которой излучает переход;where λ γ is the wavelength at which the transition radiates;
Δλγ - спектральное уширение ("размытие") несущей длины волны, вызванное взаимодействием микрочастиц.Δλ γ is the spectral broadening ("smearing") of the carrier wavelength caused by the interaction of microparticles.
Производя конкретную количественную оценку усиления гамма-лазера и вычисляя для этого значения физических величин, например, соответствующих γ-переходу γ6 дочерних ядер таллия , являющихся следствием β+-распада материнского радионуклида свинца [10], имеем длину волны энергетической несущей γ6 By making a specific quantitative estimate of the gamma laser gain and calculating for this the values of physical quantities, for example, corresponding to the γ transition of γ 6 daughter nuclei of thallium resulting from β + decay of maternal lead radionuclide [10], we have the wavelength of the energy carrier γ 6
где c, h - скорость света в свободном пространстве и постоянная Планка, соответственно;where c, h are the speed of light in free space and Planck's constant, respectively;
- энергия перехода γ6 ядер таллия , - transition energy γ 6 nuclei of thallium ,
относительное уширение несущей γ6 relative broadening of the carrier γ 6
где - доплеровское уширение при нормальной температуре в соответствии с [11], принимаемое в качестве максимально возможного уширения, вызванного взаимодействием ядер , вероятность перехода γ6 на основании формул Вайскопфа [12] для магнитного характера излучателяWhere - Doppler broadening at normal temperature in accordance with [11], taken as the maximum possible broadening caused by the interaction of nuclei , transition probability γ 6 based on the Weisskopf formulas [12] for the magnetic nature of the emitter
где - приведенная постоянная Планка;Where - reduced Planck constant;
μT1=1,58⋅μB=7,9⋅10-24 эрг/Гс - магнитный момент ядер [13],μ T1 = 1.58⋅μ B = 7.9⋅10 -24 erg / G - magnetic moment of nuclei [13],
μB - ядерный магнетон Бора,μ B - Bohr nuclear magneton,
и, подставляя значения из (8), (9), (10) в (7), получаемand, substituting the values from (8), (9), (10) into (7), we obtain
После чего с учетом соотношения (6) пиковый удельный коэффициент усиления в канале с поперечным сечением 1 см2 в первом приближении составитThen, taking into account relation (6), the peak specific gain in the channel with a cross section of 1 cm 2 in the first approximation will be
, ,
где - удельная резонансная инверсная заселенность рабочего инверсного уровня E1 дочерних ядер таллия с учетом его опережающего заселения;Where - specific resonant inverse population of the working inverse level E 1 daughter thallium nuclei taking into account its advanced settlement;
- количество дочерних ядер таллия , находящихся на инверсном уровне E1 к моменту времени t=τβ(E1) [10], равному постоянной времени β-распада материнских ядер на уровень E1 дочерних ядер с учетом метастабильности уровня E1, приобретаемой в сильном однородном продольном магнитном поле H0; - number of thallium daughter nuclei located at the inverse level E 1 by the time t = τ β (E 1 ) [10], equal to the time constant of β-decay of the mother nuclei to the level E 1 of daughter nuclei, taking into account the metastability of the level E 1 acquired in a strong uniform longitudinal magnetic field H 0 ;
fD - коэффициент Дебая-Уоллера, учитывающий количество ядер, передающих свою энергию с уровня E1(γ6) резонансно;f D is the Debye-Waller coefficient, taking into account the number of nuclei that transfer their energy from the level E 1 (γ 6 ) resonantly;
kсе - коэффициент внутренней электронной конверсии уровня E1;k ce is the coefficient of internal electronic conversion of the level E 1 ;
[14] - концентрация атомов материнского свинца . [14] - atomic concentration of maternal lead .
Полагая теперь, например, L=10 см, из (5) находимAssuming now, for example, L = 10 cm, from (5) we find
, ,
из чего следует, что для использованных исходных данных, несмотря на приближенный характер оценки , полученный результат позволяет рассчитывать на точное соблюдение неравенства (5) на следующей целевой итерации.from which it follows that for the initial data used, despite the approximate nature of the estimate , the result allows us to count on the exact observance of inequality (5) at the next target iteration.
Здесь, вместе с тем, необходимо понимать следующее. Хотя в резонансной среде классический механизм ослабления потока резонансных γ-квантов не работает, и ослабление потока интересующих нас γ-квантов с энергией с известным в пассивной среде свинца линейным коэффициентом, равным 2,5 см-1 [15], в материале активной среды не происходит, все же существует некоторая вероятность выбывания резонансных γ-квантов из потока не резонансным способом. Поэтому поднять условный потолок коэффициента усиления до более высокого уровня было бы желательно.Here, however, it is necessary to understand the following. Although in the resonance medium the classical mechanism of attenuation of the flux of resonant γ-quanta does not work, and the attenuation of the flux of γ-quanta of interest to us with energy with a linear coefficient of 2.5 cm –1 known in a passive lead medium [15], the active medium does not occur in the material; nevertheless, there is some likelihood that resonant gamma quanta will be eliminated from the flux in a non-resonant manner. Therefore, raising the conditional gain ceiling to a higher level would be desirable.
Повысить коэффициент усиления можно, увеличив сечение вынужденного излучения посредством уменьшения доплеровского уширения D, которое, в конечном счете, может быть снижено благодаря уменьшению энергии отдачи ядра и (или) температуры окружающей среды T. Понижение температуры окружающей среды является известной общетехнической возможностью обеспечить приемлемую работоспособность устройств мессбауэрского типа, поэтому в рассматриваемом случае необходимо приоритетно использовать первую возможность, относящуюся к специфике предлагаемого устройства.The gain can be increased by increasing the cross section of the stimulated emission by reducing the Doppler broadening D, which, ultimately, can be reduced by reducing the recoil energy of the nucleus and (or) ambient temperature T. Lowering the ambient temperature is a well-known general technical ability to ensure acceptable performance of the Mossbauer type devices, therefore, in the case under consideration, it is necessary to use the first opportunity that is specific to the specificity of the proposed device.
Средняя энергия отдачи ядра через выражение для продольной скорости распространения поперечного радиоимпульса возбуждения vpz в материале активной среды [16] связана дисперсионным соотношением с частотой ω в спектре этого радиоимпульса длительностью τи Average core recoil energy through the expression for the longitudinal propagation velocity of the transverse excitation radio pulse v pz in the material of the active medium [16] is connected by the dispersion relation with the frequency ω in the spectrum of this radio pulse of duration τ and
которое, в свою очередь, приводит к зависимости от частоты коэффициента усиления G в видеwhich, in turn, leads to a dependence on the frequency of the gain G in the form
где ωхар=(SαNc/πg(0))1/2 - характерная частота поперечного магнитного возбуждения системы ядерных спинов, выражаемая через указанные физические величины и параметры [16].wherein Har ω = (Sα N c / πg (0)) 1/2 - characteristic frequency transverse magnetic excitation of nuclear spins, expressed in terms of said physical quantities and parameters [16].
Если воспользоваться значениями S, αN и g(0), фигурировавшими при оценке скорости в [16], то для ωхар имеемIf we use the values of S, α N and g (0), which appeared in the estimation of the velocity in [16], then for ω har we have
Поскольку верхняя граничная частота ωв в спектре радиоимпульса возбуждения всегда лежит вблизи частоты продольной прецессии ωв≈ω0=ϒH0 и несоизмеримо превышает , зависимость G от частоты в этой части спектра отсутствует. Вместе с тем, эта зависимость на частотах нижней части спектра вблизи ωн≈ϒH1<<ωхар практически линейна.Since the upper cutoff frequency ω in the spectrum of the excitation radio pulse always lies near the longitudinal precession frequency ω at ≈ω 0 = ϒH 0 and is incommensurably greater , the dependence of G on frequency is absent in this part of the spectrum. At the same time, this dependence at the frequencies of the lower part of the spectrum near ω n ≈ϒH 1 << ω char is almost linear.
Тогда, стремясь получить необходимое высокое усиление с ослаблением его зависимости от частоты, потребуем заведомого выполнения условия (4), назначив, например,Then, in an effort to obtain the necessary high gain with a weakening of its dependence on the frequency, we require the deliberate fulfillment of condition (4) by assigning, for example
и, учитывая, что eGL>>1, запишем для второго приближения G2 безразмерное равенство, следующее из (30) при безразмерных G2 и Land, taking into account that e GL >> 1, we write for the second approximation G 2 the dimensionless equality following from (30) for dimensionless G 2 and L
Откуда при L=10 требуемое значение равно 0,8. При этом амплитуда радиоимпульса поперечного магнитного поля возбуждения материала активной среды H1max, заведомо обеспечивающая этот коэффициент усиления и заметно ослабляющая его частотную зависимость, равнаWhence with L = 10 the required value equal to 0.8. In this case, the amplitude of the radio pulse of the transverse magnetic field of the excitation of the material of the active medium H 1max , which obviously provides this gain and significantly attenuates its frequency dependence, is
Если, кроме этого, принять во внимание, что в предлагаемом однопроходном гамма-лазере продольная скорость vpz поперечного возбуждения материала активной среды является по существу скоростью распространения радиоимпульса поперечного возбуждения в полосковой системе 3 и тем самым принудительно стремится к скорости света в свободном пространстве, то средняя энергия отдачи ядра в этом случае минимальна и примерно равнаIf, in addition, it is taken into account that in the proposed single-pass gamma laser, the longitudinal velocity v pz of the transverse excitation of the material of the active medium is essentially the propagation velocity of the transverse excitation radio pulse in the
Это позволяет уменьшить значение рабочей напряженности радиоимпульса поперечного возбуждения H1x до технически приемлемых значений.This allows you to reduce the value of the operating voltage of the transverse excitation pulse H 1x to technically acceptable values.
Оценим максимальную интенсивность Jmax выходного гамма-излучения канала усиления в рамках принятых значений физических параметров канала и материала активной среды на основе радионуклида . Для этого будем считать, что первый (инициирующий) единичный элемент канала усиления длиной 1 см осуществляет эмиссию γ-излучения спонтанно и квазиизотропно. Тогда в контексте изложенного выше получим [5]Let us evaluate the maximum intensity J max of the output gamma radiation of the amplification channel within the accepted values of the physical parameters of the channel and the material of the active medium based on the radionuclide . For this, we assume that the first (initiating) unit element of the
подставляя численные значения, получаемsubstituting numerical values, we obtain
с суммарной энергией за импульс длительностью with total energy per pulse duration
Таким образом, плотность мощности выходного когерентного гамма-излучения предлагаемого однопроходного гамма-лазера по сравнению с прототипом увеличилась с 1014 Вт/см2 до 1021 Вт/см2.Thus, the power density of the output coherent gamma radiation of the proposed single-pass gamma laser compared with the prototype increased from 10 14 W / cm 2 to 10 21 W / cm 2 .
ЛитератураLiterature
1. Хидетсагу Икегами. Способ и устройство для генерации лазерного гамма-излучения. Патент РФ №2127935, 20.03.1999, Бюл. №8.1. Hidetsagu Ikegami. Method and device for generating laser gamma radiation. RF patent №2127935, 03.20.1999, bull. No. 8.
2. Хидетсагу Икегами. Способ и устройство для создания лазера сверхжесткого излучения. Патент РФ №2142666, 10.12.1999. Бюл. №34.2. Hidetsagu Ikegami. Method and device for creating a laser of superhard radiation. RF patent No. 2142666, 12/10/1999. Bull. Number 34.
3. Теллер Э. Рентгеновский и гамма-лазер с ядерной накачкой от внешнего источника. Ракетная и космическая техника, №16 (1121), 17.04.1981, с. 20.3. Teller E. X-ray and gamma-ray laser with a nuclear pump from an external source. Missile and space technology, No. 16 (1121), 04.17.1981, p. twenty.
4. Моторин В.Н., Фролов A.M. Способ получения направленного и когерентного гамма-излучения и устройство для его реализации. Патент РФ №2243621, 27.12.2004. Бюл. №36.4. Motorin V.N., Frolov A.M. A method of obtaining directional and coherent gamma radiation and a device for its implementation. RF patent №2243621, 12/27/2004. Bull. Number 36.
5. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М. "Наука", 1989, стр. 387.5. Shen I.R. Principles of nonlinear optics. M. "Science", 1989, p. 387.
6. Леше А. Ядерная индукция. М. ИЛ, 1963, стр. 117-118.6. Leshe A. Nuclear induction. M. IL, 1963, pp. 117-118.
7. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М. "Наука", 1989, стр. 369-370.7. Shen I.R. Principles of nonlinear optics. M. "Science", 1989, pp. 369-370.
8. Элтон Р. Рентгеновские лазеры. М. "Мир", 1994, стр. 35.8. Elton R. X-ray lasers. M. Mir, 1994, p. 35.
9. Элтон Р. Рентгеновские лазеры. М. "Мир", 1994, стр. 36-37.9. Elton R. X-ray lasers. M. Mir, 1994, pp. 36-37.
10. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения. Часть 2, кн. 2. М. "Энергоатомиздат", 1987, стр. 107-110.10. Schemes of the decay of radionuclides. Energy and radiation intensity.
11. Мухин К.Н. Экспериментальная физика. Том 1. М. "Энергоатомиздат", 1983, стр. 248.11. Mukhin K.N. Experimental physics.
12. Блатт Дж., Вайскоиф В. Теоретическая ядерная физика. М. ИЛ, 1954, стр. 465.12. Blatt J., Vayskoif V. Theoretical nuclear physics. M. IL, 1954, p. 465.
13. Физические величины. Справочник. М. "Энергоатомиздат", 1991, стр. 1051.13. Physical quantities. Directory. M. "Energoatomizdat", 1991, p. 1051.
14. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М. "Наука", 1978, стр. 55.14. Kittel C. Introduction to solid state physics. M. "Science", 1978, p. 55.
15. Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. М. "Атомиздат", 1966, стр. 77.15. Kimel L.R., Mashkovich V.P. Protection against ionizing radiation. M. "Atomizdat", 1966, p. 77.
16. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М. "Наука", 1989, стр. 386.16. Shen I.R. Principles of nonlinear optics. M. "Science", 1989, p. 386.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015138555A RU2608855C1 (en) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | Single-pass gamma-laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015138555A RU2608855C1 (en) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | Single-pass gamma-laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2608855C1 true RU2608855C1 (en) | 2017-01-25 |
Family
ID=58456923
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015138555A RU2608855C1 (en) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | Single-pass gamma-laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2608855C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3430046A (en) * | 1966-06-23 | 1969-02-25 | Terra Nova Inc | Coherent gamma ray emitter |
RU2127935C1 (en) * | 1994-11-29 | 1999-03-20 | Рисерч Дивелопмент Корпорейшн оф Джапэн | Method and device for producing laser gamma radiation |
UA32753A (en) * | 1998-03-18 | 2001-02-15 | Сімферопольський Державний Університет Ім. М.В. Фрунзе. | g-GASER |
RU2243621C1 (en) * | 2003-12-18 | 2004-12-27 | Моторин Виктор Николаевич | Method and device for generating directional and coherent gamma-radiation |
US20090045355A1 (en) * | 2006-01-31 | 2009-02-19 | Robert Desbrandes | Method for generating entangled electron, infrared-ray, visible-ray, ultraviolet-ray, x-ray and gamma-ray beams |
-
2015
- 2015-09-10 RU RU2015138555A patent/RU2608855C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3430046A (en) * | 1966-06-23 | 1969-02-25 | Terra Nova Inc | Coherent gamma ray emitter |
RU2127935C1 (en) * | 1994-11-29 | 1999-03-20 | Рисерч Дивелопмент Корпорейшн оф Джапэн | Method and device for producing laser gamma radiation |
UA32753A (en) * | 1998-03-18 | 2001-02-15 | Сімферопольський Державний Університет Ім. М.В. Фрунзе. | g-GASER |
RU2243621C1 (en) * | 2003-12-18 | 2004-12-27 | Моторин Виктор Николаевич | Method and device for generating directional and coherent gamma-radiation |
US20090045355A1 (en) * | 2006-01-31 | 2009-02-19 | Robert Desbrandes | Method for generating entangled electron, infrared-ray, visible-ray, ultraviolet-ray, x-ray and gamma-ray beams |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Blandford et al. | On the scattering and absorption of electromagnetic radiation within pulsar magnetospheres | |
Weinheimer et al. | Neutrino masses | |
Waynant et al. | Review of short wavelength laser research | |
Bhattacharjee et al. | Origin and propagation of extremely high-energy cosmic rays | |
Sun et al. | Jet launching from binary neutron star mergers: Incorporating neutrino transport and magnetic fields | |
Kiptily et al. | First gamma-ray measurements of fusion alpha particles in JET trace tritium experiments | |
Borisenok | Sonoluminescence: Experiments and models | |
Dermer et al. | Electron acceleration and synchrotron radiation in decelerating plasmoids | |
D’yachkov et al. | Study of a selective photoionization scheme of 177Lu | |
Fang et al. | Evaluation of the resonance enhancement effect in neutrinoless double-electron capture in 152 Gd, 164 Er, and 180 W atoms | |
Sorel | Expected performance of an ideal liquid argon neutrino detector with enhanced sensitivity to scintillation light | |
Sinars et al. | Radiation energetics of ICF-relevant wire-array Z pinches | |
RU2608855C1 (en) | Single-pass gamma-laser | |
Beskin et al. | Magnetic fields at largest universal strengths: overview | |
Di Grezia et al. | Laboratory bounds on Lorentz symmetry violation in low energy neutrino physics | |
Uckan | Confinement heating and stability in the ELMO bumpy torus (EBT) | |
RU2602769C1 (en) | Method of creating population inversion of nuclear levels in material of active medium and initiation of single-pass coherent gamma-radiation | |
Andreev | Superradiance kinetics of a y-ray laser | |
Andreev et al. | Autoresonance phenomenon in a long mirror | |
Kouvatsos et al. | Detectability of the gravitational-wave background produced by magnetar giant flares | |
Roussel-Dupré | Prompt nuclear EMP and synchrotron radiation: A resolution of two approaches | |
Cikhardt | High Energy Density Plasma Diagnostics Using Neutron and Gamma Detectors | |
Sameed | Laser-Ablated Beryllium Ions for Cold Antihydrogen in ALPHA | |
Warwick | Experimental Studies of the Dynamics of Neutral Electron-positron Beams | |
Garcia Irastorza | An introduction to axions and their detection |