ガンマ線レーザー

ガンマ線レーザー、またはグレーザーは、通常のレーザーが可視光線のコヒーレント光線を生成するのと同様に、コヒーレントガンマ線を生成する仮想的な装置である。 ^{[ 1 ]} ガンマ線レーザーの潜在的な用途には、医療画像診断、宇宙船の推進、がん治療などがある。^{[ 2 ]}

ヴィタリー・ギンズブルグは2003年のノーベル賞受賞講演で、ガンマ線レーザーを物理学における30の最も重要な問題の一つとして挙げた。^{[ 3 ]}

実用的なガンマ線レーザーを構築するための取り組みは、量子力学、核分光法、光学分光法、化学、固体物理学、冶金学、中性子の生成、減速、相互作用など、学際的な分野を網羅しており、これらのすべての分野における専門知識と研究を必要とします。このテーマは、基礎科学と工学技術の両方に関わっています。^{[ 4 ]}

集団誘導放出が起こるのに十分な共鳴励起（異性体）核状態の濃度を得るという問題は、ガンマ線スペクトル線の広がりに関係している。^{[ 5 ]} 2 つの広がり形態のうち、均一広がりは異性体状態の寿命の結果であり、寿命が短いほど線は広がる。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}不均一広がりは、均一に広がった線がスペクトル全体に広がるすべてのメカニズムを含む。^{[ 10 ]}

最もよく知られている不均一広がりは、励起異性体を含む固体中の分子の熱運動とガンマ線放出からの反跳によるドップラー反跳広がりであり、放出スペクトルはシフトと広がりの両方を示します。固体中の異性体は、ドップラー広がりバックグラウンドに重畳された鋭い成分を放出することがあります。これはメスバウアー効果と呼ばれます。^{[ 11 ]}この反跳のない放射は、ドップラー広がりバックグラウンドの上に鋭い線を示し、バックグラウンドの中心からわずかにシフトしています。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

不均一な背景が除去され、シャープな線が現れると、利得の条件が満たされるように見える。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}しかし、利得を低下させるその他の困難としては、共鳴的に放射を吸収する非励起状態、不透明な不純物、活性核が埋め込まれている結晶を通過する際の伝搬損失などがある。^{[ 20 ]}後者の多くは、ボルマン効果によってもたらされる透明性を利用する巧妙なマトリックス結晶アライメント^{[ 21 ]}によって克服できる。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

もう一つの難題であるグレイザーのジレンマは、利得を可能にする特性と十分な核反転密度を可能にする特性が両立しないように見えることである。^{[ 25 ] [ 26 ]}従来の放射化学では、かなりの数の励起核を活性化、分離、濃縮、結晶化するのに少なくとも数秒かかる。反転が持続するようにするには、励起状態の寿命がかなり長くなければならない。さらに、その場で反転を中性子でポンピングすることによって生じる加熱は、メスバウアー効果の維持と両立しないように見えるが、まだ検討すべき道はある。

加熱は、2段階中性子ガンマポンピングによって低減される可能性がある。^{[ 27 ]}この方式では、親核種が添加されたコンバーターで中性子捕獲が起こり、そこでメスバウアー放射線が生成され、それがグレイザー内の基底状態の原子核に吸収される。 ^{[ 28 ]} 複数のレベルの2段階ポンピングは、複数の利点を提供する。^{[ 29 ] [ 30 ]}

別のアプローチは、集団的な電子振動によって駆動される核遷移を利用することです。^{[ 31 ] [ 32 ]}この方式では、長寿命の貯蔵状態と、上下のレーザー状態という3つの異性体状態を利用します。貯蔵状態は、短寿命の上部レーザー状態にエネルギー的に近いですが、1量子単位のスピン角運動量を含む禁制遷移によって隔てられています。グレイザーは、非常に強力な光レーザーによって電子雲を前後に揺らし、雲の近傍場における禁制遷移を飽和させることができます。貯蔵状態の占有率は、上部レーザー状態とすぐに等しくなり、上部レーザー状態から下部レーザー状態への遷移は、共鳴ガンマ線によって自発的にも刺激的にも起こります。核種の「完全な」チャートには、おそらく非常に多くの異性体状態が含まれており、このような3つの異性体状態の存在は可能性が高いと思われますが、まだ発見されていません。^{[ 21 ] [ 33 ]}

非線形性は、原子核近傍場における空間的および時間的高調波の両方をもたらす可能性があり、^{[ 34 ] [ 35 ]}光レーザー量子エネルギーの整数倍の遷移エネルギーとより高い多重極性を含む他の種類の三項を使用して、蓄積状態から上位レーザー状態への迅速な転送の可能性の範囲を開きます。

• 粒子誘起ガンマ線放出

• B、バルコ、L、コーエン、DA (1988)。ガンマ線レーザー。doi : 10.1016/ C2009-0-11129-7。ISBN 978-0-08-037015-6。
• Balko, Bohdan; Cohen, Leslie; Sparrow, David A (1986). 核遷移を利用したレーザー開発の実現可能性に関する調査（報告書）。DTIC ADA205318 。
• キルス、J. (2006). 「ガンマレーザー」 .意図せざる皮肉.