Способ формирования лазера гамма-излучения и устройство для его реализации, способ формирования мощного когерентного электронного пучка и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к лазерам гамма-излучения и технике формирования мощных когерентных электронных пучков. Генерация лазерного гамма-излучения осуществляется путем формирования импульсов электронного пучка определенной длительности для создания когерентного электронного пучка. Лазерное излучение направляют на когерентный электронный пучок в обратном направлении. Фотонная энергия лазерного излучения усиливается посредством когерентного обратного комптоновеного рассеяния, формируя направленное гамма-излучение. Устройство для генерации гамма-излучения содержит лазер оптического диапазона, накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками электронов и позитронов, средство реализации функции формирования импульсов электронного пучка, длительность которых достаточна для создания когерентного электронного пучка, и средство проецирования лазерного луча в направлении, противоположном направлению когерентного электронного пучка. Изобретение позволяют упростить процесс формирования мощного когерентного электронного пучка и генерации лазерного гамма-излучения. 5 н.п.ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для формирования мощного когерентного пучка отрицательно и положительно заряженных электронов и гамма-излучения (к усилению гамма-излучения посредством индуцированной эмиссии излучения, к газеру) и, более точно - к способу и устройству для формирования мощного когерентного электронного пучка и газера в энергетической области реакции элементарных частиц и ядерной реакции (в эффективных сечениях).

Предшествующий уровень техники С тех пор, как Г.П.Томсон проверил движение волн электронного луча, были разработаны и широко применяются электронные микроскопы, в которых используется интерференция электронных пучков одинаковых импульсов. Однако, поскольку необходимо высокое импульсное разрешение для получения свойств волны, на практике могут быть" использованы только электронные пучки с энергией до 1 МэВ. Еще не найден способ формирования мощного когерентного электронного пучка, который можно использовать для формирования лазера гамма-излучения (газера) или для контроля эффективных сечений реакции элементарных частиц или ядерной реакции.

В заявке Великобритании GB 1456348 описан лазер сверхжесткого излучения, включающий облучение активного элемента, однако не гарантировано, что генерируемые гамма-лучи полностью имеют одну и ту же фазу и-когерентны.

Решение, описанное в заявке РСТ N 88/01446 представляет лазер γ излучения, включающий воздействие лазерного излучения на когерентный поток α частиц, приводящее к комптоновскому рассеиванию лазерного излучения и может быть ближайшим аналогом.

В этом способе, б озоны, например, альфа-частицы, подвергнутые конденсации Бозе-Эйнштейна, ускоряются для преобразования в базер, а частота света излучающего лазера увеличивается за счет комптоновского рассеяния, вызванного бозонами. Следовательно, при реализации этого способа когерентность рассеянного света лазера гарантируется. Однако, чтобы сделать коэффициент γ релявистской энергии пучка альфа- частиц больше 5 и тем самым увеличить частоту в сто раз или более, нужно использовать громадное устройство, которое может придать энергию ускорения 20 ГэВ или более.

В физическом энциклопедическом словаре описан ускоритель частиц со встречными пучками и охлаждение пучка частиц, предложенное Будкером, которое не относится к когерентному пучку частиц.

Поэтому существует потребность в простоя способе формирования мощного когерентного электронного пучка и лазера гамма-излучения (газера).

Наиболее близким аналогом заявленного способа формирования лазера гамма-излучения является известный способ генерации лазерного излучения, который основан на комптоновском рассеянии лазерного излучения (заявка ЕР 0436043 А1, H 05 H 13/04, 1991 г.) Такой способ включает формирование импульсов электронного пучка, каждый из которых имеет длительность, достаточную для создания пучка когерентных электронов. На сформированный когерентный электронный пучок проецируют луч лазера в направлении, противоположном направлению движения пучка. В результате этого фотонная энергия лазера усиливается посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния, формируя лазер гамма-излучение.

Из указанной выше заявки известно также устройство для формирования гамма-излучения, являющееся наиболее близких аналогом заявленного устройства.

Известное устройство содержит лазер оптического диапазона, электронное накопительное кольцо, средство для формирования импульсов электронного пучка с длительностью, достаточной для создания когерентных электронов в пучке, и средство проецирования лазерного луча в направлении, противоположном направлению движения когерентного электронного пучка. В результате работы такого устройства происходит усиление фотонной энергии лазера посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния и формирование лазера коротковолнового излучения.

Наиболее близким аналогом заявленного способа формирования мощного когерентного электронного пучка является известный способ, описанный в указанной выше заявке, который включает использование электронного накопительного кольца и формирование импульсов электронного пучка в виде бунчей. Каждый из импульсов электронного пучка имеет длительность, достаточную для создания когерентных электронов.

Прототипом устройства для формирования мощного когерентного электронного пучка является известное устройство, также описанное в указанной выше заявке. Данное устройство содержит электронное накопительное кольцо и средство для формирования импульсов электронного пучка с длительностью, достаточной для образования когерентных электронов.

Однако, перечисленные выше способы и устройства не позволяют упростить процесс формирования мощного когерентного электронного пучка и процесс генерации лазерного гамма-излучения, основанный на использовании когерентного электронного пучка.

Краткое изложение существа изобретения.

В настоящем изобретении расширяется концепция конденсации Бозе-Энштейна в фазовом пространстве "пространство-импульс" группы атомов, имеющих слабое взаимодействие и показано, что фазовое пространство "время-энергия" пучка ускоренных частиц потенциально может достигать временной когерентности (временной корреляции).

Ниже приведено описание способа формирования мощного временного когерентного электронного пучка, обладающего мощностью и свойством временной когерентности или когерентного электронного пучка. Далее, будет показана возможность реализации контроля реактивности резонансной реакции электронных частиц в ускорителе со встречными электронными пучками в качестве примера использования поведения группы электронов в одной и той же фазе в электронном пучке, в котором они ведут себя так, как будто являются одной частицей.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа и устройства для формирования газера посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния (КОКР) лазерного луча когерентным электронным пучком.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования лазера гамма излучения, в котором осуществляют комптоновское рассеяние лазерного излучения, при этом используют накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов, и реализуют функцию для формированная импульсов электронного пучка, каждый из которых имеет длительность t_p для создания когерентности электронов, формируя тем самым когерентный электронный пучок; и проецируют луч лазера в направлении, противоположном направлению когерентного электронного пучка, так что фотонная энергия лазера усиливается посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния, формируя лазер гамма-излучения, согласно изобретению, длительность t_p определяют следующим уравнением: tp<(2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)² где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона, С - скорость света, β - скорость электронного пучка; γ - релятивистский коэффициент энергии, γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для формирования лазера гамма-излучения, содержащей лазер оптического диапазона, накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов, средство реализации функции формирования импульсов электронного пучка, имеющих длительность t_p для создания когерентности электронов в пучке, чтобы сформировать мощный когерентный электронный пучок, средство проецирования лазерного луча в направлении, противоположном направлению когерентного электронного пучка, средство усиления фотонной энергии лазера посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния, чтобы формировать лазер гамма-излучения, согласно изобретению длительность t_p определяется следующим уравнением: tp<(2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)², где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона, С - скорость света, β - скорость электронного пучка; γ - релятивистский коэффициент энергии, γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

Поставленная задача решается также тем, что в способе формирования мощного когерентного электронного пучка, в котором используют накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов и реализуют функцию для формирования импульсов электронного пучка, каждый из которых имеет длительность t_p для создания когерентности электронов, формируя тем самым когерентный электронный пучок, согласно длительность t_p определяется следующим уравнением: tp<(2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)², где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона, С - скорость света, β - скорость электронного пучка; γ - релятивистский коэффициент энергии, γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для формирования мощного когерентного 1 электронного пучка, содержащем накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов и средство реализации функции формирования импульсов электронного пучка, имеющих длительность t_p для создания когерентности электронов, чтобы сформировать мощный когерентный электронный пучок, согласно изобретению длительность t_p определяется следующим уравнением tp<(2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)²
где λ_e/2π - комптоновcкая длина волны электрона, С - скорость света, β - скорость электронного пучка; γ - релятивистский коэффициент энергии, γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

Краткое описание чертежа
В дальнейшем подробно описаны конкретные варианты осуществления изобретения со ссылкой на сопровождающий чертеж, на котором на фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для формирования мощного когерентного электронного пучка и газера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
В электронном пучке, имеющем полную энергию γm₀c² и энергетическое разрешение γ/Δγ, тепловая энергия (1/2) kT₁₁ группы электронов в направлении электронного пучка описывается уравнением (1):
(1/2)kT₁₁= (m₀C²/2β²)(Δγ/γ)², ... (1)
где m_o - масса покоя электрона, с - скорость света, а m_oc² - энергия покоя электрона, которая равна 0,511 МэВ. γ - это относительный энергетический коэффициент, связанный со скоростью β электронного пучка уравнением (2):
γ^-2= 1-β², ... (2)
где k - постоянная Больцмана, а T₁₁ - температура электронов в направлении электронного пучка.

Согласно изобретению предложен способ формирования когерентного пучка электрически заряженных частиц. Этот способ применяется для электронного пучка, имеющего большую релятивистую энергию. Когда длительность t_p импульса электронного пучка в лабораторной системе координат удовлетворяет уравнению (3):
t_p<(2γh/kT₁₁), ... (3)
группа электронов в импульсе проявляет квантовый эффект или волновые свойства. Объединяя уравнения (3) и (1), получаем уравнение (4):
t_p<(2λ_e/c)(β²γ)(γΔγ)², ... (4)
где h - постоянная Планка, а λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона, равная h/2πm₀c, или 3,86·10^-13 м.

Условие уравнения (4) было получено путем преобразования условия конденсации группы слабо взаимодействующих реагирующих атомов в фазовом пространстве "пространство-импульс", которое предложил А.Эйнштейн в 1924 г., в фазовое пространство "время-энергия" системы координат покоя свободных частиц. Следовательно, первая конденсация, называемая "конденсацией Бозе-Эйнштейна", и вторая, называемая авторами настоящего изобретения "временной когерентностью", эквивалентны. Поэтому все частицы в группе при временной когерентности находятся в одной и той же фазе, как группа атомов при конденсации Бозе- Эйнштейна, и составляют когерентный пучок частиц, как раскрыто в заявке Японии N 6-326510.

Из уравнения (4) очевидно, что легко получить когерентный электронный пучок, когда имеется мощный электронный пучок с высоким энергетическим разрешением или имеется электронный пучок с большим λ и большим (λ/Δλ) , даже если длительность t_p импульса электронного пучка относительно велика вследствие релятивистского эффекта растяжения времени. Следовательно, в дополнение к обычному синхротронному ускорению пучка электронов можно получить когерентный электронный пучок посредством введения предварительного группирователя, если потребуется, или выделения импульсов электронного пучка.

Основной признак когерентного электронного пучка заключается в том, что группа электронов в импульсе ведет себя когерентно, как если бы они были одной частицей с электрическим зарядом Ne и статической массой Nm_o, где N - количество электронов в импульсе. Далее будет рассмотрен конкретный вариант получения когерентного электронного пучка, в котором отрицательные и положительные электронные пучки являются когерентными в ускорителе со встречными пучками для электронов с высокой энергией и положительно заряженных электронов.

Для упрощения количество электронов в каждом ускоряемом импульсе предполагается одним и тем же и равным N. Вообще говоря, для кулоновского взаимодействия свойственен инцидентный канал реакций, индуцируемых электронами. Поэтому эффективное сечение столкновений не зависит от вида резонансной реакции (инцидентного канала) и пропорционально
α = e²/2ε₀hc, ... (5)
где α - постоянная тонкой структуры, a ε₀ - диэлектрическая постоянная в вакууме. Следовательно, как показано в уравнении (6), скорость резонансной реакции R за импульс пропорциональна произведению α , N и количественной плотности ρ электронов.

Однако, для столкновений когерентных электронных пучков значение N в уравнении (6) становится равным 1, а e в уравнении (5) становится равным Ne, потому что группа электронов в импульсе ведет себя так, как будто они являются одной частицей. Следовательно, в этом случае скорость R_c реакции на импульс становится равной произведению N и скорости R реакции обычного некогерентного электронного пучка:

На практике, фактическое значение N в уравнении (7) будет несколько меньше, поскольку в данном конкретном варианте осуществления не учитывается другая динамика, например - растяжение времени и пространственное перекрытие в ускоряемых импульсах, а также реактивная резонансная длительность. Однако, даже если учесть эту динамику ожидается значительное увеличение эффективности и возникает возможность реализации контроля реакции элементарных частиц или ядерной реакции.

Ниже рассмотрен второй вариант воплощения изобретения, в котором лазерный луч проецируется в направлении, противоположном направлению мощного когерентного электронного пучка. Используя рассуждения, описанные в патентной заявке Японии N 8-30203 "Способ и устройство для формирования сверхмощного лазера", в котором указана ссылка на теорию, согласно которой уравнение Дж. Дж. Томсона заменяется уравнением Клейна-Нишины, например, Фенберг и Примаков "Обзор физики" N 73, с. 449, 1948. Проецируемая фотонная энергия hv усиливается до величины; hνʹ посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния (КОКР), как показано уравнением (8):

где Θ - угол эмиссии испускаемых фотонов в системе координат помещения для экспериментов, а телесный угол эмиссии становится равным:
πΘ²= 4π(γ²_⊥-1)/γ², ... (9)
где γ_⊥ - коэффициент релятивистской энергии теплового движения электронов в поперечной плоскости, перпендикулярной электронному пучку.

Посредством указанного усиления фотонной энергии проецируемый лазерный луч испускается в лазере гамма-излучения, т.е. в газере, который является когерентным в направлении электронного пучка.

Следовательно, фотонной энергией hνʹ газера можно свободно варьировать посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния (КОКР) в соответствии с настоящим изобретением путем варьирования фотонной энергии hν проецируемого лазерного луча или полной энергии γm₀c² электронного пучка. Поскольку газер осуществляет по существу 100% поляризацию проецируемого лазерного луча, поляризацию луча газера можно свободно контролировать посредством регулирования поляризации проецируемого лазерного луча. Кроме того, поскольку применяется КОКР, сформированное когерентным электронным пучком, эффективное сечение рассеяния становится в N раз больше, чем эффективное свечение в соответствии с уравнением Клейна- Нишины, где N - количество электронов в каждом импульсе электронного пучка. А именно, для заданной интенсивности электронного пучка эффективность формирования газера становится больше, чем эффективность пучка γ -излучения при обратном комптоновском рассеянии в обычном лазере (ЛОКР) в N = 10⁴ -10⁶ раз. Кроме того, телесный угол эмиссии газера мал, как показано в уравнении (9) и имеет острую направленность по сравнению с телесным углом пучка γ -излучения при обычном ЛОКР.

Например, для высококачественного электронного накопительного кольца с энергией электронов 2000 МэВ ( γ =4000) и γ_⊥ =l,4, телесный угол эмиссии составляет всего 770 нср (наностерадиан) и можно ожидать формирования газера, который имеет яркость, более, чем в десять раз превышающую яркость пучка γ -излучения при обычном ЛОКР.

Ниже приведено подробное описание второго варианта осуществления изобретения для формирования когерентного электронного пучка и формирования газера. Для избежания повторения описание первого варианта осуществления еще раз не проводится, потому что сущность первого варианта осуществления можно легко понять из описания пульсации пучка для второго варианта осуществления и в предположении, что, при необходимости, вводится предварительный группирователь.

На сопровождающем чертеже изображена принципиальная схема устройства для формирования когерентного электронного пучка и газера в соответствии с настоящим изобретением. Устройство имеет мощное электронное накопительное кольцо, в котором энергия электронов γm₀c² - 2000 МэВ или γ = 4000, энергетическое разрешение Δγ/γ = 10^-4 , а тепловая энергия в поперечной плоскости (γ_⊥-1)m₀c² по существу равна Δγm₀c² =0,20 МэВ.

На этом чертеже 1 - электронный пучок, 2 - сепаратор импульсов электронного пучка, 3 - отклоняющий магнит, 4 - магнит для инжекции импульсов электронного пучка, 5 - поглотитель пучка для обработки невосстановленных электронов, 6 -лазерный луч, 7 - лазерный источник, 8 - регулятор поляризации излучения лазера, 9 - отражающее зеркало лазера, 10 - фокусирующая линза, 11 - монитор лазерного луча и 12 - лазер гамма-излучения (газер).

Согласно уравнению (4) формируется когерентный электронный пучок, когда длительность t_p импульсного электронного пучка не превышает 6,5 нс (наносекунд). Согласно уравнению (8), когда луч лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом проецируется на полученный когерентный электронный пучок, можно ожидать формирования газера с фотонной энергией 77 МэВ.

Настоящее изобретение не сводится к вышеуказанным конкретным вариантам осуществления. Возможны многочисленные модификации и изменения изобретения в рамках объема притязаний. Например, сепаратор импульсов можно заменить совокупностью энергодиспергирующей системы и предварительного группирователя или можно ту же систему встроить в накопительное кольцо или устройство для осуществления столкновений без отводного канала, так что электронный пучок можно преобразовать в импульсный когерентный электронный пучок. Указанные варианты не исключаются.

Настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества.

(А). Можно формировать мощный когерентный пучок электронов путем формирования импульсов электронного пучка с высоким энергетическим разрешением, каждый из которых имеет надлежащую длительность, так что имеет место временная когерентность, используя мощное электронное накопительное кольцо или мощный ускоритель со встречными электронными пучками. По сравнению с обычным ускорителем со встречными пучками, скорость резонансной реакции, вносимая когерентными электронами в данном ускорителе со встречными пучками, становится выше в число раз, по существу, равное количеству электронов в импульсе. Это может позволить осуществлять новый способ контроля реакции элементарных частиц и ядерной реакции (в эффективных сечениях).

(Б). Можно сформировать газер высокого качества в отношении монохроматичности, направленности и яркости посредством проецирования лазерного луча в направлении, противоположном направлению когерентного электронного пучка, индуцируя когерентное обратное комптоновское рассеяние (КОКР) и усиление энергии фотонов рассеянного лазера.

(В). По сравнению с ЛОКР- γ -излучением в случае обратного комптоновского рассеяния в обычном лазере, газер позволяет повысить эффективность формирования, большую в число раз, равное количеству электронов в импульсе когерентного электронного Для заданной интенсивности электронного пучка и заданной интенсивности проецируемого лазерного луча эффективность формирования становится выше в N=10⁴-10⁶ раз. Кроме того, можно получить превосходную направленность. Поэтому несравненно увеличивается яркость.

Формула изобретения

1. Способ формирования лазера гамма-излучения, в котором осуществляют комптоновское рассеяние лазерного излучения, при этом используют накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов, и реализуют функцию для формирования импульсов электронного пучка, каждый из которых имеет длительность для создания когерентности электронов, формируя тем самым, когерентный электронный пучок, и проецируют луч лазера в направлении, противоположном направлению когерентного электронного пучка так, что фотонная энергия лазера усиливается посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния, формируя лазер гамма-излучения, отличающийся тем, что длительность t_p определяют следующим уравнением:
t_p < (2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)²,
где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона;
C - скорость света;
β - скорость электронного пучка;
γ - релятивистский коэффициент энергии;
γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

2. Устройство для формирования лазера гамма-излучения, содержащее лазер оптического диапазона, накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов, средство реализации функции формирования импульсов электронного пучка, имеющих длительность t_p для создания когерентности электронов в пучке, чтобы сформировать мощный когерентный электронный пучок, средство проецирования лазерного луча в направлении, противоположном направлению когерентного электронного пучка, средство усиления фотонной энергии лазера посредством когерентного обратного комптоновского рассеяния, чтобы сформировать лазер гамма-излучения, отличающийся тем, что длительность t_p определяется следующим уравнением:
t_p < (2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)²,
где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона;
C - скорость света;
β - скорость электронного пучка;
γ - релятивистский коэффициент энергии;
γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

3. Способ формирования мощного когерентного электронного пучка, в котором используют накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов и реализуют функцию для формирования импульсов электронного пучка, каждый из которых имеет длительность t_p для создания когерентности электронов, формируя, тем самым, когерентный пучок, отличающийся тем, что длительность t_p определяется следующим уравнением:
t_p < (2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)²,
где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона;
C - скорость света;
β - скорость электронного пучка;
γ - релятивистский коэффициент энергии;
γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

4. Устройство для формирования мощного когерентного электронного пучка, содержащее накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов и реализуют функцию для формирования импульсов электронного пучка, каждый из которых имеет длительность t_p для создания когерентности электронов, формируя, тем самым, когерентный электронный пучок, отличающийся тем, что длительность t_p определяется следующим уравнением:
t_p < (2λ_l/C)(β²γ)(γ/Δγ)²,
где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона;
C - скорость света;
β - скорость электронного пучка;
γ - релятивистский коэффициент энергии;
γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

5. Устройство для формирования мощного когерентного электронного пучка, содержащее накопительное кольцо или ускоритель со встречными пучками для обладающих высокой энергией электронов и позитронов и средство реализации функции формирования импульсов электронного пучка, имеющих длительность t_p для создания когерентности электронов, чтобы сформировать мощный когерентный электронный пучок, отличающееся тем, что длительность t_p определяется следующим уравнением:
t_p < (2λ_e/C)(β²γ)(γ/Δγ)²,
где λ_e/2π - комптоновская длина волны электрона;
C - скорость света;
β - скорость электронного пучка;
γ - релятивистский коэффициент энергии;
γ/Δγ - разрешающая способность энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1