Гамма-лазер

ГАММА-ЛАЗЕР, источник когерентного электромагнитного излучения γ-диапазона. Часто используются сокращения «гразер» или «газер», от английской фразы «Gamma Ray Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («усиление γ-излучения с помощью вынужденного излучения»). Пока генерация вынужденного излучения в γ-диапазоне не осуществлена. Получение генерации в рентгеновском и γ-диапазонах открыло бы новые перспективы в рентгеновском структурном анализе, литографии, ядерной физике (воздействие на течение ядерных реакций) и др.

Идея гамма-лазера возникла в связи с появлением оптического лазера и открытием Мёссбауэра эффекта. Открытие испускания γ-квантов без отдачи поставило вопрос о реализации вынужденного излучения системой возбуждённых ядер. Впервые на эту возможность указал российский физик Л. А. Ривлин в 1961. В 1961-65 годах одновременно и независимо несколько советских и американских групп физиков занимались разработкой схем гамма-лазера на эффекте Мёссбауэра. Для создания активной среды предполагалось использовать радиохимические методы выделения долгоживущих ядерных изомеров с последующим введением их в кристаллическую матрицу или выращиванием из этих ядер активных кристаллов.

Для возникновения нарастающей лавины когерентных γ-квантов необходимо: 1) создать инверсию населённостей рабочих уровней; 2) вероятность вынужденного излучения должна быть выше вероятности поглощения или рассеяния γ-квантов в активной среде лазера. Таким образом, возникшее в среде γ-излучение (в результате спонтанного распада отдельных ядер) будет усиливаться, если плотность N возбуждённых ядер превышает пороговое значение N*, которое определяется из условия равенства коэффициента μ резонансного вынужденного излучения (коэффициент квантового усиления) и коэффициента δ нерезонансных потерь энергии: μ = δ. Коэффициент усиления μ определяется формулой:

Здесь λ - длина волны γ-излучения, h - постоянная Планка, Г - спектральная ширина резонансного перехода ядра в кристалле, τ - время жизни ядра в изомерном состоянии, α - коэффициент конверсии внутренней, β - так называемый коэффициент ветвления, учитывающий возможность перехода ядра на другие уровни, лежащие выше нижнего рабочего, если генерация идёт с более высоких уровней, чем первый возбуждённый (β = 1 для генерации с первого возбуждённого уровня ядра). Нерезонансные потери в области энергий γ-квантов, в которой вероятность эффекта Мёссбауэра велика, определяются в основном фотоэффектом. Для кристаллических матриц с δ≈10 см^-1, полагая в ( 1 ) λ = 1 Â, α≈β≈1,получим

Если ширина линии γ-перехода равна естественной, Гτ= 1, то критическая плотность возбуждённых изомерных ядер составляет незначительную часть плотности атомов в твёрдом теле (порядка 10²³ атомов/см³). Не мёссбауэровский вариант гамма-лазера практически невозможен, поскольку для ядер с атомными номерами Z из середины периодической системы элементов доплеровское уширение линии Г_D ≈ 10¹³ Гц и уже при τ= 10^-7 с пороговая плотность изомерных ядер (2) выходит за пределы плотности твёрдого тела.

Обсуждается возможность использования бозе-эйнштейновского конденсата в качестве рабочей среды гамма-лазера. Это, с одной стороны, обеспечивает малую ширину линии γ-перехода, а с другой - даёт возможность развития схем со скрытой инверсией населённостей.

Вероятность эффекта Мёссбауэра близка к 1 только при значениях энергии перехода ћω < 150 кэВ. Для квантов большей энергии вероятность излучения без отдачи резко падает. Это ограничивает верхнее значение величины энергии γ-квантов, достижимое в гамма-лазерах на ядерных переходах. Нижнее значение энергии радиационных переходов ядер, пригодных для генерации γ-излучения, определяется быстрым ростом сечения фотоэффекта с уменьшением энергии γ-квантов. Поэтому область пригодных энергий радиационных переходов ядер определяется неравенствами: 10 кэВ < ћω < 150 кэВ.

Модели гамма-лазера на ядерных переходах можно разделить на две группы: гамма-лазер на короткоживущих (τ≤10^-5 с) и долгоживущих (τ >> 10-⁵с) изомерах. Граничное значение τ = 10^-5 с обусловлено тем, что при τ≤10^-5 с ширина мёссбауэровской линии γ-перехода близка к естественной ширине Γτ >> 1. При τ >> 10^-5 с ширина линии не зависит от времени жизни и равна приблизительно 10⁵ Гц, а следовательно, Γτ>> 1 (рис.). Это и определило основные трудности первых моделей гамма-лазеров на долгоживущих изомерах.

Неизбежные нарушения идеальности кристаллической решётки, химические и квадрупольные сдвиги решётки, а также магнитное диполь-дипольное взаимодействие ядер приводят к уширению линии γ-резонанса.

Прогресс в разработке схем гамма-лазера на долгоживущих изомерах был достигнут благодаря работам Р. В. Хохлова с сотрудниками, которые предложили применить методы ЯМР-спектроскопии твёрдых тел (смотри Ядерный магнитный резонанс) для сужения линии γ-резонанса. Специально подобранная последовательность импульсов с частотой, соответствующей переходам между магнитными подуровнями рабочих уровней ядер, позволяет подавить эти механизмы уширения линии. Быстрая переориентация ядер радиочастотным полем ослабляет диполь-дипольное взаимодействие, усредняя его величину, имеющую разный знак при различной ориентации спинов. Одновременно ослабляется магнитное взаимодействие ядер с соседними атомами и взаимодействие электрических квадрупольных моментов ядер с внутрикристаллическими электрическими полями. Аналогично подавляется так называемый химический сдвиг. Таким образом, искусственное сужение линии γ-резонанса позволяет приблизиться к созданию гамма-лазера на долгоживущих изомерах.

В схемах на короткоживущих изомерах (В. И. Гольданский, Ю. М. Каган) основная проблема - механизм возбуждения (накачка) ядер. Накачка должна быть интенсивной и селективной. Эффективно возбуждая рабочие ядра, она должна минимально возмущать состояние решётки кристалла. Наиболее близки к выполнению этих требований следующие виды возбуждения ядер: захват тепловых нейтронов (смотри Радиационный захват), возбуждение излучением (синхротронным, характеристическим, рентгеновским и др.), а также возбуждение пучком заряженных частиц.

Исследовалась также возможность совмещения преимуществ двух схем: некритичности параметров накачки в схеме на долгоживущих изомерах и малости произведения Γτ в схеме на короткоживущих изомерах. Это можно, например, осуществить при наличии двух близко расположенных ядерных уровней с различными временами жизни и разницей энергий, соответствующей энергии кванта оптического или УФ-лазера, который может стимулировать переход с долгоживущего ядерного подуровня на короткоживущий. Таким образом, накачка осуществляется на долгоживущем переходе, а генерация - на короткоживущем. Такие схемы называются триггерными.

Из-за низкой отражательной способности материалов в γ-диапазоне традиционная схема оптических резонаторов непригодна. Однако возможно использование аномально низкого поглощения γ-излучения по определённым направлениям в кристалле, для которых выполняется Брэгга-Вульфа условие (эффект Бормана). В этих направлениях происходит сильное отражение от атомных плоскостей кристалла, в нём распространяются две плоские волны под углом друг к другу, и напряжённость интерференционного электрического поля в узлах решётки равна 0. Поэтому γ-кванты не теряют энергию на вырывание электронов и резко понижается вероятность поглощения γ-квантов. Создание многослойных наноструктур позволяет надеяться на получение отражающих зеркал для γ-диапазона.

Генерация когерентного γ-излучения возможна также при вынужденной аннигиляции электронно-позитронных пар, при взаимодействии высокоэнергетических встречных пучков заряженных частиц с пространственно-периодическими структурами. Механизмом генерации когерентного γ-излучения может быть также так называемое сверхизлучение, когда когерентность испущенных фотонов является следствием корреляции состояний отдельных ядер-излучателей.

Лит.: Высоцкий В. И., Кузьмин Р. Н. Гамма-лазеры. М., 1989.