Способ и устройство генерации импульсного гамма-излучения короткоживущих изомеров атомных ядер

Изобретение относится к лазерной технике и технике формирования пучков заряженных частиц и генерации потоков электромагнитного излучения. Изобретение может использоваться, в частности, для разработки и получения источников импульсного (когерентного) электромагнитного ионизирующего излучения в гамма- и рентгеновском диапазонах спектра. Исходный оптический импульс мощного фемтосекундного источника лазерного излучения фокусируется в вакуумном объеме с помощью системы фокусировки на газообразной мишени-конвертере, выполненной, например, в виде газовой струи. Варьированием параметров мощного фемтосекундного источника лазерного излучения и системы фокусировки достигается требуемая интенсивность лазерного импульса для эффективной генерации потока электронов. Поток электронов от мишени-конвертора проходит через селектор-концентратор, в котором выделяют поток электронов с энергиями, достаточными для возбуждения ядерных состояний, и фокусируют на мишени, содержащей ядра возбуждаемого изотопа. Далее излучение, образующееся при распаде возбужденных ядерных состояний, поступает на устройство регистрации. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к лазерной технике и технике формирования пучков заряженных частиц и генерации потоков электромагнитного излучения. Изобретение может использоваться, в частности, для разработки и получения новых источников импульсного (когерентного) электромагнитного ионизирующего излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах спектра, посредством возбуждения и релаксации ядерных состояний лазерно-плазменным источником.

Известно, что спонтанный распад возбужденных метастабильных ядерных уровней может осуществляться путем изомерного перехода в основное или нижележащее состояние с испусканием γ-кванта или электрона атомной оболочки, переходящего из связанного состояния в состояние непрерывного спектра в результате внутренней электронной конверсии [1]. Время жизни обычных возбужденных ядерных уровней составляет, в отличие от изомерных состояний, менее 10^-7 с [2]. Известно, что для возбуждения ядер может быть использована высокотемпературная плазма, получаемая при взаимодействии с веществом импульсов лазерного излучения пико- и фемтосекундной длительности [3-8]. Недостатком такого способа возбуждения ядер является невозможность отделить при регистрации излучение ядерных переходов от собственного излучения горячей лазерной плазмы, представляющего собой ионизирующее электромагнитное излучение в широком спектральном диапазоне и поток электронов высоких энергий.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ [7] (прототип), основанный на возбуждении изомерного уровня изотопа ⁵⁷Fe с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 98 нс и регистрации излучения при его релаксации. В устройстве для осуществления этого способа использовались две пространственно разделенные мишени. На первой металлической мишени при воздействии мощных фемтосекундных лазерных импульсов создается плазма, которая является источником электронов с энергией, большей энергии возбужденного уровня (в данном случае более 14,4 кэВ), и рентгеновского излучения в диапазоне энергий квантов 14,4 кэВ. Далее электроны и рентгеновское излучение направляются на вторую мишень, содержащую изотопы ⁵⁷Fe, возбуждая первый изомерный уровень с энергией 14,4 кэВ. Регистрация излучения ядер ⁵⁷Fe осуществляется с временной задержкой, величина которой чуть меньше времени жизни ядра ⁵⁷Fe в возбужденном состоянии. Такая постановка эксперимента обеспечивает большую, по сравнению с работами [1-5], достоверность регистрации именно ядерного излучения со второй мишени. Однако время жизни высокотемпературной лазерной плазмы, создаваемой фемтосекундными лазерными импульсами на твердотельной мишени, может составлять величину более 10^-7-10^-6 с, в результате чего излучение лазерной плазмы частично накладывается как на излучение ядерного перехода, так и на излучение электронной подсистемы атома, инициированное внутренней конверсией. Кроме того, разнесение в пространстве двух мишеней приводит к уменьшению потока излучения лазерной плазмы, попадающей на вторую мишень.

В связи с этим ставятся технические задачи отделения излучения распада возбужденных ядерных состояний от излучения высокотемпературной лазерной плазмы и повышения доли потока излучения высокотемпературной лазерной плазмы, попадающей на вторую мишень.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в качестве первой мишени используется газовая среда, в которой при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов образуется поток электронов, для выделения из которого электронов заданной энергии и для фокусировки выделенных электронов на второй мишени используется селектор-концентратор. При этом длительность потока электронов не будет превышать величины 10^-12-10^-10 с [8,9], а излучение лазерной плазмы - как рентгеновское, так и корпускулярное - не накладывается на излучение распада возбужденных ядерных состояний.

Работает изобретение следующим образом. Исходный оптический импульс мощного фемтосекундного источника лазерного излучения фокусируется в вакуумном объеме с помощью системы фокусировки на газообразной мишени-конвертере, выполненной, например, в виде газовой струи. Варьированием параметров мощного фемтосекундного источника лазерного излучения и системы фокусировки достигается требуемая интенсивность лазерного импульса для эффективной генерации потока электронов. Далее поток электронов от мишени-конвертора проходит через селектор-концентратор, в котором из потока электронов, образуемого в лазерной плазме на мишени-конверторе, выделяют поток электронов с энергиями, достаточными для возбуждения ядерных состояний, и фокусируют выделенный поток электронов на мишени, содержащей ядра возбуждаемого изотопа. Далее излучение, образующееся при распаде возбужденных ядерных состояний, поступает на устройство регистрации.

Селектор-концентратор может представлять собой, например, магнитный дефлектор, совмещенный с магнитной линзой.

С целью повышения доли энергии излучения высокотемпературной лазерной плазмы, попадающей на вторую мишень, система фокусировки фемтосекундного лазерного излучения может находиться в едином вакуумном объеме с мишенью-конвертором, селектором-концентратором и мишенью, содержащей ядра возбуждаемого изотопа.

С целью варьирования параметров мощный фемтосекундный источник лазерного излучения может быть выполнен с возможностью генерации фемтосекундных лазерных импульсов с изменяемыми частотой следования (до 1 кГц) и величиной энергии.

Список используемых источников

1. Русинов Л.И. Изомерия атомных ядер // УФН, 1961. Т. 73. №4. С.615-630.

2. G.Audi, О.Bersillon, J.Blachot and A.H.Wapstra. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A, 2003. Vol.729. P. 3-128.

3. Андреев А.А., Платонов К.Ю., Рождественский Ю.В., Карпешин Ф., Тржасковская М.Б. Возбуждение ядерных изомеров рентгеновским излучением лазерной плазмы // Квантовая Электроника, 2010. Т. 40. №4. С.349-354.

4. Андреев А.В., Волков Р.В., Гордиенко В.М., Дыхне А.М., Михеев П.М., Савельев А.Б., Ткаля Е.В., Чутко О.В., Шашков А.А. Возбуждение ядер тантала-181 в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме // Письма в ЖЭТФ, 1999. Т. 69. №5. С.343-348.

5. Андреев А.В., Волков Р.В., Гордиенко В.М, Дыхне А.М., Калашников М.П., Михеев П.М., Никлес П.В., Савельев А.Б., Ткаля Е.В., Чалых Р.А., Чутко О.В. Возбуждение и распад низколежащих ядерных состояний в плотной плазме субпикосекундного лазерного импульса // ЖЭТФ, 2000. Т. 118. Вып. 6. С.1343-1358.

6. Андреев А.А., Ваньков А.К., Платонов К.Ю., Рождественский Ю.В., Чижов С.П., Яшин В.Е. Определение радиационных сечений низкоэнергетических переходов изомерных ядер по наблюдению лазерно-индуцированной γ-флюоресценции // ЖЭТФ, 2002. Т. 121. Вып. 5. С.1004-1011.

7. Головин Г.В., Савельев-Трофимов А.Б., Урюпина Д.С., Волков Р.В. Внутренняя электронная конверсия изомерного состояния с энергией 14.4 кэВ ядра ⁵⁷Fe, возбуждаемого излучением плазмы мощного фемтосекундного лазерного импульса // Квантовая электроника, 2011. Т. 41. №3. С.222-226.

8. Андреев Н.Е., Чеготов М.В., Вейсман М.Е., Аугусте Т., Д'Оливейра П., Халин С., Моно П., Фаенов А.Я., Пикуз Т.А., Магунов А.И., Скобелев И.Ю., Розмей Ф.Б., Романовский М.Ю. //Письма в ЖЭТФ. 1998. Т. 68. №22. С.566-571.

9. Debus A.D., Bussmann М., Schramm U., Sauerbrey R., Murphy С.D., Major Zs., Horlein R., Veisz L., Schmid K., Schreiber J., Witte K., Jamison S.P., Gallacher J.G., Jaroszynski D.A., Kaluza M.C., Hidding В., Kiselev S., Heathcote R., P. Foster S., Neely D., Divall E.J., Hooker C.J., Smith J.M., Erte K.I., Langley A.J., Norreys P., Collier J.L., and Karsch S. Electron Bunch Length Measurements from Laser-Accelerated Electrons Using Single-Shot THz Time-Domain Interferometry // Phys. Rev. Lett., 2010. Vol.104. P. 084802.

1. Способ генерации импульсного гамма-излучения короткоживущих ядерных изомеров, состоящий в преобразовании на специальной мишени-конверторе энергии сфокусированного на нее фемтосекундного лазерного импульса в поток электронов, попадающих в свою очередь на мишень, содержащую ядра возбуждаемого изотопа, и регистрации из этой мишени излучения распада возбужденных ядерных состояний, отличающийся тем, что в качестве вещества мишени-конвертора используют газовую среду.

2. Устройство генерации импульсного гамма-излучения короткоживущих ядерных изомеров, состоящее из мощного источника фемтосекундного лазерного излучения, мишени-конвертора энергии лазерного импульса в поток электронов, селектора-концентратора потока электронов и мишени, содержащей ядра возбуждаемого изотопа, отличающееся тем, что мишень-конвертор выполнена в виде газовой струи.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что селектор-концентратор представляет собой магнитный дефлектор, совмещенный с магнитной линзой.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система фокусировки фемтосекундного лазерного излучения находится в едином вакуумном объеме с мишенью-конвертором, селектором-концентратором и мишенью, содержащей ядра возбуждаемого изотопа.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что мощный фемтосекундный источник лазерного излучения выполнен с возможностью генерации фемтосекундных лазерных импульсов с изменяемой частотой следования (до 1 кГц).