СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01S4/00 

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 E_thr развала ядра Be на два ядерных фрагмента ⁶Li и d близок к энергии E_nl уровня (2⁺, 22,2 МэВ) - этого ядра, а порог развала ядра ¹⁸Ne - к энергии уровня (1^-, 4,52 МэВ). Если значения E_nl и E_thr различны, но так, что абсолютная величина этого различия ΔE=|E_nl-E_thr| 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 E_thr>E_nl, 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 Е_γ=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 E_α≈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.

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.

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.