Способ получения когерентного излучения

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.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в бортовых приемно-передающих терминалах лазерных систем передачи информации космических и летательных аппаратов.

Изобретение относится к ядерной и экспериментальной физике и может быть использовано в физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для получения направленного импульсного пучка когерентного гамма излучения. .

Изобретение относится к лазерам гамма-излучения и технике формирования мощных когерентных электронных пучков. .

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к области технологии и техники обработки материалов микролептонным излучением. .

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть использовано в акустических системах, а также в целях создания высокотемпературной сверхпроводимости. .

Способ возбуждения и регистрации оптических фононов включает в себя нанесение на острие иглы кантилевера АСМ слой активного материала. В нём производят возбуждение активирующим импульсом фемтосекундного лазера оптических фононов. Фононы отражаются от границы раздела слоя активного материала/поверхность образца. В этом же слое активного материала происходит регистрация отраженных оптических фононов с помощью зондирующего импульса фемтосекундного лазера. Далее, с помощью обработки полученной информации и расчетов происходит восстановление энергетического спектра оптических фононов в исследуемом образце. Технический результат заключается в получении энергетического спектра оптических фононов, а также в возможности анализа химического состава поверхности с нанометровым пространственным разрешением. 1 ил.

Изобретение относится к области создания источников когерентного гамма-излучения и может быть использовано в различных физических приложениях. Способ создания инверсной заселенности ядерных уровней в материале активной среды и инициирования однопроходного когерентного гамма-излучения включает в себя перевод некоторой доли ядер в возбужденное метастабильное состояние и заключается в том, что в качестве материала активной среды используется радионуклид, причем переход ядер из возбужденного метастабильного состояния осуществляется через гамма-излучение, в качестве материала активной среды используют радионуклид, в котором осуществляется бета-распад ядер вида X(A,Z)→Y(A,Z-1) с сохранением четности начального и промежуточного возбужденного состояний, радионуклид помещают в сильное продольное однородное магнитное поле такое, что уровни энергии материнских и дочерних ядер радионуклида приобретают в этом магнитном поле сверхтонкую энергетическую структуру с квантовыми характеристиками подуровней, обусловливающими избирательное ускорение процесса бета-распада для части материнских ядер и поддержание устойчивости промежуточных возбужденных состояний дочерних ядер, на время, не превышающее время жизни метастабильного состояния рабочего промежуточного уровня энергии дочерних ядер, но достаточное для создания необходимой инверсии заселенности этого уровня, инжектируют радиоимпульсы поперечного магнитного возбуждения в материал активной среды в следующей последовательности: подают π/2-радиоимпульс малой амплитуды, после окончания действия π/2-радиоимпульса следует четвертьпериод фазовой релаксации, по истечении четвертьпериода фазовой релаксации подают π-радиоимпульс малой амплитуды, после окончания действия π-радиоимпульса следует полупериод фазовой релаксации, по истечении полупериода фазовой релаксации подают короткий радиоимпульс большой амплитуды. Технический результат - повышение эффективности использования материала активной среды для генерации однопроходного когерентного гамма-излучения. 4 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Однопроходный гамма-лазер содержит материал активной среды в виде твердого вещества цилиндрической формы, с одной стороны которого установлена заглушка, и 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). Технический результат заключается в увеличении плотности мощности выходного когерентного гамма-излучения. 2 ил.

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую в тонкопленочных полупроводниковых солнечных элементах. Способ контроля структурного качества тонких пленок для светопоглощающих слоев солнечных элементов заключается в том, что регистрируют излучение пленок при импульсном лазерном возбуждении, при этом уровень возбуждения устанавливают в диапазоне 10-200 кВт/см2 для возникновения стимулированного излучения с полушириной спектра Δλ~10 нм, и сравнивают интенсивности и полуширины спектров стимулированного излучения для определения относительного структурного качества пленок. Технический результат заключается в упрощении контроля структурного качества тонких пленок для светопоглощающих слоев солнечных элементов. 4 ил.

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.

Наверх