stringtranslate.com

Láser de rayos gamma

Un láser de rayos gamma , o graser , es un dispositivo hipotético que produciría rayos gamma coherentes , de la misma manera que un láser común produce rayos coherentes de luz visible. [1] Las posibles aplicaciones de los láseres de rayos gamma incluyen la obtención de imágenes médicas, la propulsión de naves espaciales y el tratamiento del cáncer. [2]

En su discurso de aceptación del Nobel en 2003 , Vitaly Ginzburg citó el láser de rayos gamma como uno de los 30 problemas más importantes de la física. [3]

El esfuerzo por construir un láser de rayos gamma práctico es interdisciplinario y abarca la mecánica cuántica , la espectroscopia nuclear y óptica , la química , la física del estado sólido y la metalurgia (así como la generación, moderación e interacción de neutrones ), e implica conocimiento especializado e investigación en todos estos campos. El tema involucra tanto ciencia básica como tecnología de ingeniería . [4]

Investigación

El problema de obtener una concentración suficiente de estados nucleares excitados resonantes (isoméricos) para que se produzca la emisión estimulada colectiva se basa en el ensanchamiento de la línea espectral de rayos gamma . [5] De las dos formas de ensanchamiento, el ensanchamiento homogéneo es el resultado de la vida útil del estado isomérico: cuanto más corta es la vida útil, más ensanchada es la línea. [6] [7] [8] [9] El ensanchamiento no homogéneo comprende todos los mecanismos por los cuales la línea ensanchada homogéneamente se extiende por el espectro. [10]

El ensanchamiento no homogéneo más conocido es el ensanchamiento por retroceso Doppler debido al movimiento térmico de las moléculas en el sólido que contiene el isómero excitado y el retroceso debido a la emisión de rayos gamma, en el que el espectro de emisión se desplaza y se ensancha. Los isómeros en sólidos pueden emitir un componente nítido superpuesto al fondo ensanchado por efecto Doppler; esto se denomina efecto Mössbauer . [11] Esta radiación sin retroceso exhibe una línea nítida sobre el fondo ensanchado por efecto Doppler que solo se desplaza ligeramente con respecto al centro del fondo. [12] [13] [14] [15] [16]

Con el fondo no homogéneo eliminado y una línea nítida, parecería que tenemos las condiciones para la ganancia . [17] [18] [19] Pero otras dificultades que degradarían la ganancia son los estados no excitados que absorberían resonantemente la radiación, las impurezas opacas y la pérdida en la propagación a través del cristal en el que están incrustados los núcleos activos. [20] Gran parte de esto último se puede superar con una alineación inteligente del cristal de la matriz [21] para explotar la transparencia proporcionada por el efecto Borrmann . [22] [23] [24]

Otra dificultad, el dilema de Graser , es que las propiedades que deberían permitir la ganancia y las que permitirían una densidad de inversión nuclear suficiente parecen incompatibles. [25] [26] El tiempo necesario para activar, separar, concentrar y cristalizar una cantidad apreciable de núcleos excitados mediante radioquímica convencional es de al menos unos pocos segundos. Para garantizar que la inversión persista, la vida útil del estado excitado debe ser considerablemente más larga. Además, el calentamiento que resultaría del bombeo de neutrones de la inversión in situ parece incompatible con el mantenimiento del efecto Mössbauer, aunque todavía hay caminos por explorar. [ cita requerida ]

El calentamiento se puede reducir mediante un bombeo de neutrones gamma en dos etapas [27], en el que la captura de neutrones se produce en un convertidor dopado con la matriz, donde genera radiación Mössbauer que luego es absorbida por los núcleos del estado fundamental en el graser. [28] El bombeo en dos etapas de múltiples niveles ofrece múltiples ventajas. [29] [30] [ aclaración necesaria ]

Otro enfoque es utilizar transiciones nucleares impulsadas por oscilaciones electrónicas colectivas. [31] [32] El esquema emplearía una tríada de estados isoméricos: un estado de almacenamiento de larga duración, además de un estado láser superior e inferior. El estado de almacenamiento estaría energéticamente cerca del estado láser superior de corta duración, pero separado por una transición prohibida que involucra una unidad cuántica de momento angular de espín. El graser estaría habilitado por un láser óptico muy intenso para sacudir la nube de electrones de un lado a otro y saturar la transición prohibida en el campo cercano de la nube. La población del estado de almacenamiento se igualaría entonces rápidamente con el estado láser superior cuya transición al estado láser inferior sería espontánea y estimulada por radiación gamma resonante. Un diagrama "completo" de nucleidos probablemente contiene una gran cantidad de estados isoméricos, y la existencia de tal tríada parece probable, pero aún no se ha encontrado. [21] [33]

Las no linealidades pueden dar lugar a armónicos tanto espaciales como temporales en el campo cercano en el núcleo, [34] [35] abriendo el rango de posibilidades para una transferencia rápida del estado de almacenamiento al estado láser superior utilizando otros tipos de tríadas que involucran energías de transición en múltiplos de la energía cuántica del láser óptico y en multipolaridades más altas.

Véase también

Referencias

  1. ^ Baldwin, GC (1979). "Bibliografía de la investigación GRASER". Informe del Laboratorio Científico de Los Álamos LA-7783-MS . doi :10.2172/6165356. OSTI  6165356.
  2. ^ Pittalwala, Iqbal (5 de diciembre de 2019). "El láser de rayos gamma se acerca un paso más a la realidad". Universidad de California, Riverside . Consultado el 27 de noviembre de 2022 .
  3. ^ Ginzburg, VL (2003). "Sobre superconductividad y superfluidez". Premio Nobel de Física 2003 : 96–127.
  4. ^ Baldwin, GC; Solem, JC; Gol'danskii, VI (1981). "Enfoques para el desarrollo de láseres de rayos gamma". Reseñas de Física Moderna . 53 (4): 687–744. Bibcode :1981RvMP...53..687B. doi :10.1103/revmodphys.53.687.
  5. ^ Baldwin, GC; Solem, JC (1979). "Sobre el bombeo directo de láseres de rayos gamma mediante captura de neutrones". Ciencia nuclear e ingeniería . 72 (3): 290–292. doi :10.13182/NSE79-A20385.
  6. ^ Vali, V.; Vali, W. (1963). "Emisión inducida de rayos gamma y". Actas del IEEE . 51 (1): 182–184. doi :10.1109/proc.1963.1677.
  7. ↑ Letokhov, VS (1973). «Sobre el problema del láser gamma de transición nuclear». Journal of Experimental and Theoretical Physics . 37 (5): 787–793. Archivado desde el original el 11 de marzo de 2016 . Consultado el 24 de febrero de 2016 .
  8. ^ Kamenov, P.; Bonchev, T. (1975). "Sobre la posibilidad de realizar un láser gamma con núcleos isoméricos de larga vida". Bolgarskaia Akademiia Nauk, Doklady . 28 (9): 1175–1177. Código Bibliográfico :1975BlDok..28.1175K.
  9. ^ Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, RV (1976). "Posibilidad de crear un láser gamma". Radiofísica y Electrónica Cuántica . 19 (6): 561–567. Código Bib : 1976R&QE...19..561I. doi :10.1007/bf01043541. S2CID  120340405.
  10. ^ Baldwin, GC (1977). "Sobre la viabilidad de los Grasers". Interacción láser y fenómenos relacionados con el plasma . Vol. 4A. págs. 249–257. doi :10.1007/978-1-4684-8103-7_13. ISBN 978-1-4684-8105-1.
  11. ^ Andreev, AV; Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, RV (1977). "El papel de los procesos colectivos e inducidos en la generación de la radiación gamma de Mössbauer". Journal of Experimental and Theoretical Physics . 46 (4): 682–684. Código Bibliográfico :1977JETP...46..682A. Archivado desde el original el 2016-03-11 . Consultado el 2016-02-24 .
  12. ^ Hien, PZ (1970). «Emisión espontánea de cuantos gamma por un sistema que contiene núcleos idénticos». Journal of Experimental and Theoretical Physics . 31 (1): 83–86. Código Bibliográfico :1970JETP...31...83Z. Archivado desde el original el 11 de marzo de 2016 . Consultado el 24 de febrero de 2016 .
  13. ^ Gol'danskii, VI; Kagan, Yu. M. (1973). "Viabilidad del láser gamma de transición nuclear (Graser)". Física soviética Uspekhi . 16 (4): 563–565. doi :10.1070/pu1974v016n04abeh005305.
  14. ^ Namiot, VA (1973). «Estrechamiento de línea estimulado y efecto Mössbauer para isómeros de larga duración». JETP Letters . 18 (6): 369–373. Archivado desde el original el 7 de febrero de 2019 . Consultado el 24 de febrero de 2016 .
  15. ^ Andreev, AV; Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, RV (1974). "Estrechamiento de las líneas de resonancia gamma en cristales por campos de radiofrecuencia continuos". Journal of Experimental and Theoretical Physics . 40 (5): 819–820. Código Bibliográfico :1975JETP...40..819A. Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2016 . Consultado el 24 de febrero de 2016 .
  16. ^ Baldwin, GC (1979). "Espectroscopia de dominio temporal de rayos gamma sin retroceso". Instrumentos y métodos nucleares . 159 (2–3): 309–330. Código Bibliográfico :1979NucIM.159..309B. doi :10.1016/0029-554x(79)90656-6.
  17. ^ Terhune, IH; Baldwin, GC (1965). "Superradiancia nuclear en sólidos". Physical Review Letters . 14 (15): 589–591. Código Bibliográfico :1965PhRvL..14..589T. doi :10.1103/physrevlett.14.589.
  18. ^ Baldwin, GC (1974). "¿Existe un límite de alta frecuencia para la acción del láser?". Interacción láser y fenómenos plasmáticos relacionados . Vol. 3B. págs. 875–888. doi :10.1007/978-1-4684-8416-8_23. ISBN . 978-1-4684-8418-2.
  19. ^ Andreev, A V.; Il'inskii, Yu. A. (1975). "Amplificación en un láser gamma cuando se satisface la condición de Bragg". Journal of Experimental and Theoretical Physics . 41 (3): 403–405. Código Bibliográfico :1975JETP...41..403A. Archivado desde el original el 2016-03-11 . Consultado el 2016-02-24 .
  20. ^ Il'inskii, Yu. A.; Khokhlov, RV (1974). "Sobre la posibilidad de observación de la radiación gamma estimulada". Física soviética Uspekhi . 16 (4): 565–567. doi :10.1070/pu1974v016n04abeh005306.
  21. ^ ab Baldwin, GC; Solem, JC (1997). "Láseres de rayos gamma sin retroceso". Reseñas de Física Moderna . 69 (4): 1085–1117. Bibcode :1997RvMP...69.1085B. doi :10.1103/revmodphys.69.1085.
  22. ^ Borrmann, G. (1941). "Über Extinktionsdiagramme der Röntgenstrahlen von Quarz". Physikalische Zeitschrift . 42 : 157-162.
  23. ^ Kagan, Yu. M. (1974). "Uso del efecto de paso anómalo para obtener emisión estimulada de cuantos gamma en un cristal". JETP Letters . 20 (1): 11–12. Archivado desde el original el 6 de septiembre de 2016 . Consultado el 24 de febrero de 2016 .
  24. ^ Andreev, AV; Il'inskii, Yu. A. (1976). "Posible uso del efecto Borrmann en el láser gamma". Journal of Experimental and Theoretical Physics . 43 (5): 893–896. Código Bibliográfico :1976JETP...43..893A. Archivado desde el original el 2016-03-11 . Consultado el 2016-02-24 .
  25. ^ Baldwin, GC; Solem, JC (1979). "Densidad máxima y tasas de captura de neutrones moderados a partir de una fuente pulsada". Ciencia nuclear e ingeniería . 72 (3): 281–289. Código Bibliográfico :1979NSE....72..281B. doi :10.13182/NSE79-A20384.
  26. ^ Baldwin, GC; Solem, JC (1995). "Cinética de láseres de rayos gamma bombeados por ráfagas de neutrones". Física láser . 5 (2): 326–335.
  27. ^ Gol'danskii, VI; Kagan, Yu.; Namiot, VA (1973). "Bombeo en dos etapas de láseres de rayos gamma de Mössbauer". JETP Letters . 18 (1): 34–35. Archivado desde el original el 6 de marzo de 2016 . Consultado el 24 de febrero de 2016 .
  28. ^ Gol'danskii, VI; Kagan, Yu. (1973). "La posibilidad de crear un láser gamma nuclear". Journal of Experimental and Theoretical Physics . 37 (1): 49. Código Bibliográfico :1973JETP...37...49G. Archivado desde el original el 2016-03-11 . Consultado el 2016-02-24 .
  29. ^ Baldwin, GC; Solem, JC (1980). "Bombeo en dos etapas de láseres de rayos gamma Mössbauer de tres niveles". Journal of Applied Physics . 51 (5): 2372–2380. Bibcode :1980JAP....51.2372B. doi :10.1063/1.328007.
  30. ^ Baldwin, GC (1984). "Esquemas de bombeo de múltiples pasos para láseres de onda corta". Interacción láser y fenómenos de plasma relacionados . Vol. 6. págs. 107-125. doi :10.1007/978-1-4615-7332-6_8. ISBN . 978-1-4615-7334-0.
  31. ^ Solem, JC; Biedenharn, LC (1987). "Introducción al acoplamiento de oscilaciones electrónicas colectivas a núcleos" (PDF) . Informe LA-10878 del Laboratorio Nacional de Los Álamos . Código Bibliográfico :1987pcce.rept.....S.
  32. ^ Biedeharn, LC; Baldwin, GC; Boer, K. (1986). Excitación nuclear mediante oscilaciones de electrones coherentes de la capa exterior impulsadas por láser . Actas de la Primera Conferencia Internacional sobre Ciencia Láser, Dallas, TX, 18-22 de noviembre de 1985. Stwalley, WC; Lapp, M.; Eds. Vol. 146. págs. 52-53. Bibcode :1986AIPC..146...52B. doi :10.1063/1.35933.
  33. ^ Solem, JC; Biedenharn, LC; Rinker, GA (1987). "Cálculo de la radiación armónica de átomos sometidos a campos láser intensos y la posibilidad de excitación nuclear". Journal of the Optical Society of America A . 4 : 53. Bibcode :1987JOSAA...4...53S.
  34. ^ Solem, JC; Biedenharn, LC (1988). "Acoplamiento láser a núcleos mediante oscilaciones electrónicas colectivas: un estudio de modelo heurístico simple". Revista de espectroscopia cuantitativa y transferencia radiativa . 40 (6): 707–712. Código Bibliográfico :1988JQSRT..40..707S. doi :10.1016/0022-4073(88)90066-0.
  35. ^ Solem, JC (1988). "Teorema que relaciona los armónicos espaciales y temporales para la transferencia nuclear entre niveles impulsada por la oscilación electrónica colectiva". Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 40 (6): 713–715. Bibcode :1988JQSRT..40..713S. doi :10.1016/0022-4073(88)90067-2.

Lectura adicional