34. Рентгеновские и гамма-лазеры

Получение когерентного электромагнитного рентгеновского и гамма-излучения представляет собой увлекательную проблему. Рентгеновские и гамма-лазеры окажут неоценимую помощь в исследовании структуры вещества, атомов и ядер. Они найдут широкое практическое применение. Поэтому вполне естественно, что многие группы исследователей в течение ряда лет ведут интенсивный поиск в указанном направлении. Идею создания рентгеновского лазера выдвинули уже в 1967 г. Дюге и Ренцепис [11. Основные трудности при ее осуществлении — это, во-первых, необходимость разработки весьма эффективного источника накачки, способного обеспечить состояние инверсии атомов (для рентгеновского лазера) или ядер (для гамма-лазера), и, во-вторых, необходимость создания резонатора, который работал бы в области столь коротких электромагнитных волн. Легко понять, что обычные оптические элементы непригодны для такого резонатора. Несколько лет назад было высказано предложение использовать для будущего рентгеновского лазера резонатор брэгговского типа, в котором отражающими элементами служили бы соответствующие монокристаллические поверхности, установленные под углом, удовлетворяющим известному условию Брэгга.

§ 1. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛАЗЕРЫ

В 1972 г. появилась весьма дискуссионная статья Кепроса и др. [2] под названием «Экспериментальное подтверждение рентгеновского лазера», в которой авторы описывают получение сколлимированного пучка рентгеновского излучения в результате бомбардировки образца гидрогеля световыми импульсами неодимового лазера. Вскоре появилось несколько работ (13—5] и др.), авторы которых пытались подтвердить выводы Кепроса и др. Поскольку результаты проверочных экспериментов оказались весьма неоднозначными, по-видимому, нет смысла в их подробном обсуждении. Можно с полной уверенностью утверждать, что система Кепроса и др. — это еще не рентгеновский лазер.

Краткий обзор возможностей создания рентгеновского лазера опубликовал недавно Родес [6] в статье, посвященной ультрафиолетовым лазерам. Укажем на некоторые из этих возможностей. В 1972 г. Мак-Коркли [7] предложил метод получения инверсии в глубоких электронных оболочках атомов в процессе соударений ионов с атомами. Этот процесс характеризуется большим эффективным

Рис. 34.1. Схема процесса перезарядки при квазирезонансном соударении иона неона с атомом гелия [6].

поперечным сечением (порядка что было экспериментально подтверждено Дером и др. [8]. Механизм селективной генерации дырок в глубоких электронных оболочках имеет место в процессе соударений, когда образуется короткоживущая квазимолекула. Практическое осуществление этой идеи пока нереально, так как необходимы потоки ионов, которые в 100 раз превышают существующие возможности.

Другое предложение высказано в 1972 г. Собельманом 19] и заключается в получении инверсии в резонансном или квазирезонансном процессе перезарядки (charge transfer). В этом случае активной средой служит ансамбль ионизованных атомов, обменивающихся зарядом при соударениях с нейтральными атомами, например атомами гелия:

Здесь через обозначен заряд иона. В этом процессе (рис. 34.1) возникают возбужденные ионы с зарядом (главное квантовое число

Идею рентгеновского лазера с оптической накачкой пучком неодимового лазера предложил недавно Фрейд Его идея близка к идее Собельмана. По мнению Фрейда, существует возможность создания состояния инверсии с числом ионов порядка в активной среде, состоящей из водородоподобных ионов (например, ), при бомбардировке лазерными импульсами с плотностью мощности около Рентгеновское излучение должно испускаться при двухфотонном переходе Метастабильное состояние характеризуется очень большим временем жизни (около ), что создает выгодные условия для накачки системы до состояния инверсии. Для сравнения отметим, что время жизни состояния в раз короче.

В этом проекте лазера Фрейд предлагает использовать двухфотонные переходы, впервые описанные Смитом и Сорокиным [11]. Опуская детали расчетов Фрейда, приведем здесь значения постоянных для спонтанных и вынужденных переходов типа Спонтанный двухфотонный переход характеризуется следующей постоянной:

где — порядковый номер атома. Для вынужденного процесса, происходящего в присутствии лазерного пучка с частотой постоянная равна

где а — постоянная сверхтонкой структуры, интенсивность лазерного пучка. Расчетный коэффициент усиления для этого перехода составляет а длина волны — 18,97 А. Хотя расчеты Фрейда выглядят весьма оптимистично, рентгеновский лазер до сих пор не создан. и др. [12] из Лоуренсовской лаборатории в Ливерморе, США, предлагают специальную систему накачки, в которой лазерный пучок с энергией 1 Дж и длительностью импульса

0,1 не фокусируется с помощью линзы до диаметра в несколько десятков микрон и перемещается со скоростью света вдоль активной среды. Однако подробности работы Вуда и др. неизвестны автору данной книги.

-Возможности получения инверсии населенностей и лазерной генерации в рентгеновском диапазоне подробно рассмотрены в недавней работе Собельмана [13]. Как на наиболее пригодную для этой цели, он указывает на высокотемпературную плазму гелиеподобных ионов. Такую плазму относительно легко получить с помощью сконцентрированных пучков мощных лазеров. Если область, занимаемая плазмой, имеет удлиненную форму (отношение длины к диаметру очень велико), то возможно усиление рентгеновского излучения в продольном направлении. Однако плотность плазмы должна быть очень велика (больше ). По расчетам Собельмана электронная температура эВ гарантирует усиление на длине волны 26 А и на длине волны 75 А. Генерация излучения в диапазоне длин волн от 30 до 100 А в принципе возможна, а более коротковолнового излучения маловероятна. Экспериментальным подтверждением идеи Собельмана были, в частности, результаты, представленные Малоцци [14]. Он использовал двенадцатиканальную лазерную систему, которая генерировала световые импульсы с полной энергией 1600 Дж и длительностью 1,5 не. Отдельные лазерные пучки фокусировались на мишень так, что на ней возникала линейная цепочка световых пятен (или плазменных фокусов). Материал мишени содержал легкие частицы,

например фтор. Малоцци наблюдал весьма интенсивное направленное рентгеновское излучение; его интенсивность была максимальна в направлении цепочки фокусов. Генерация плазмы на мишени вызывала возбуждение атомов, и в течение достаточно короткого времени в плазменных областях существовало состояние инверсии. Таким образом, появлялась возможность усиления спонтанного излучения. Импульсы рентгеновского излучения имели энергию от 100 до 150 Дж, причем их источником был участок мишени с размерами порядка 100 мкм. Хотя в эксперименте Малоцци не получена лазерная генерация в точном значении этого слова, он наблюдал интенсивное сверхизлучение в диапазоне энергий от 300 до 2000 эВ. Иногда наблюдалось жесткое рентгеновское излучение с энергией выше Однако и у мягкого рентгеновского излучения чрезвычайно широкие возможности применения, поэтому указанные исследования имеют большое научное и практическое значение.