Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Взаимодействие мощного потока электромагнитного излучения с системой, состоящей из нескольких атомных частиц, может существенно отличаться от процесса с участием единственного фотона или одночастичной мишени. В некоторых случаях это отличие заключается в. сильном возрастании вероятности взаимодействия, связанном с когерентностью. Увеличение количества фотонов или ( и ) частиц мишени гложет привести и к качественно новым явлениям.
Указанные отличия и представляют собой кооперативные эффекты при взаимодействии электромагнитного излучения с атомарными системами ( далее для краткости используется термін " кооперативные эффекты " ) . По-видимому, наиболее известнкм эффектом такого рода является усиление излучения в среде с инверсией заселенности. В диссертации усиление излучения рассматривается применительно к коротководновим ( имеющим энергию кванта от нескольких десятков до нескольких сотен эВ ).лазерам. Также затрагиваются вопросы, связанные-с лазерами, имеющими энергию кванта порядка 1 кэВ. Исследования в области лазеров, действующих в названных выше спектральных диалазонах, были начаты в 60-х гг. и интенсивно проводятся в настоящее время - см., например, [_ 1-191. Большой интерес к таким лазерам вызывается, в частности, возможностью проведения с их помощью ряда принципиально новых исследований по изучению взаимодействия .мощных когерентных импульсов фотонов с энергией порядка 10-10 эВ с веществом в различных агрегатных состояниях. Как правило, особо выделяется возможность проведения высокоточных исследований структуры живых клеток [_11,15] . Одним из основных вопросов, рассматриваемых в диссертации в связи с коротковолновым! лазерами,-является анализ совместного влияния быстрого изменения коэффициента усиления и продольных неоднородностей активной среды на однопроходное усиление. Эффекты такого рода, сильно влияющие на излучение ряда коротковолновых лазеров, исследуются теоретически а экспериментально в нескольких лабораториях - см., например, 6,14, 16,17] .
В настоящее время проводятся интенсивные теоретические исследования возможности применения антивещества для аккумулирования энергии - см., например, .^20-22^ Эти работы преимущественно ориентированы на создание, в случае решения сложной проблемы экономически приемлемого производства и хранения достаточно большого количества антивещества, принципиально улуч -денных двигателей для космической техники 20-22 J. В диссертации изучается кооперативные эффекты, связанные с отталкива- кием антивещества от вещества. Это, в частности, представляет интерес для решения проблемы безопасности хранения антивещества.
В диссертации тагс;:е рассматривается свегоиндуцированное взаимодействие, которое может привести к ряду эффектов, например -к образованию необычных связанных состояний частиц, что и вызывает инт рее к проведению исследований в этой области - см., например, [23,24^
Наряду с изучением самих кооперативных эффектов, в диссертации предлагаются новые методы создания мощных потоков некогерентного излучения, основанные на использовании электронно-по-злтрокннх лучков, тормозящихся в ведестве, и антипротонов, анни-гклиру&цих на многонуклонных ядрах. Такое излучение может быть применено для инициирования термоядерных микровзрывов по схеме " непрямого " сжатия и нагрева мишени ( часто называемой " пел-лет " \ или для накачки коротковолновых лазеров. Исследования по управляемому термоядерному синтезу с пнерциальным удержанием плазмы, начатые несколько десятилетий, тому назад, интенсивно развиваются в настоядее время, что связано с их важным прикладным значением 25-2?] . Отметим, что само сжатие пеллета излучением относится к кооперативным эффектам.
Цель диссертационной работы - исследовать кооперативные эффект::, ::рэяЕллл:;иеся при усилении излучения в про дольно -неоднородной инверсной среде с быстро изменяющимися параметрами, от-татаїзанин сктлгещестра о? вещества, действии потока фотонов на классические резонансно поляризуемые частицы ; изучить формирование инверсии'заселенности ка начальном этапе действия излучения вйсолегно черного тела с температурой 10 кэВ на атомы желе-
за и меди ; рассмотреть возможность использования антипротонов и электронно-позитронных пучков для генерирования мощных потоков коротковолнового излучения, изучить сопутствующие кооперативные эффекты.
Методика исследования. Для достижения цели работы использовались методы классической релятивистской механики, квантовой механики, классической и квантовой электродинамики, ядерной физики.
Научная новизна работы. В диссертации впервые показано, что совместное влияние быстрого изменения локальных параметров активной среды и ее продольных неоднородностей при определенных обстоятельствах приводит к уменьшению интенсивности излучения коротковолнового лазера при увеличении его длины. Предложен новый метод создания бегущей волны инверсии в активной среде ко -ротковолновых лазеров, состоящий в модулировании интенсивности излучения накачки ; найдена методика расчета такой модуляции. Впервые оценены параметры лазера, действующего на Zp-~is - переходах атомов позитрония, движущихся с релятивистскими скоростями. Предложены новые методы инициирования термоядерных микровзрывов, основанные на использовании электронно-позитронных пучков и антипротонов, аннигилирующих на многонуклонных ядрах. Впервые показано, что при удара твердого тела из антиводорода с характерными размерами порядка 1 мм о поверхность твердого водорода со скоростью порядка 10 км/с произойдет быстрая аннигиляция значительной части антиводорода. Получены аналитические выражения, описывающие светоиндуцированное взаимодействие классических резонансно поляризуемых частиц при их нахождении в ловушке, допускающей одномерное движение.
Практическая значимость работы.' Разработана методика, позволяющая значительно уточнить определение коэффициента усиления ряда коротковолновых лазеров. Предложены способы повышения интенсивности излучения коротковолновых лазеров, в частности - новые методы реализации бегущей волны инверсии и защита зеркал разрушающимися экранами. Предложен новый источник перестраивав-
мого когерентного коротковолнового излучения - летящий лазер. Предложен мзтод подавления расходимости и, одновременно, повышения плотности пучка лептонов, используемого для сжатия и нагрева термоядерной мишени. Предложено инициирование термоядерных мякровзрывов при помощи реакции аннигиляции. Возможно, такой подход позволит создать мощную малогабаритную энергетическую установку для космических аппаратов, относительно дешевую, на некотором этапе развития производства антивещества, по сравнению с устройствами, использующими только энергию аннигиляции.
Положения.диссертации, выносимые на защиту :
-
Показано, что для ряда коротковолновых лазеров, созданных к настоящему времени, изменение коэффициента усиления за время двиганий фотонов вдоль активной среды существенно влияет на вынужденное излучение и долзно учитываться при экспериментальном определении коэффициента усиления. Это относится, например, к лазерам, действующим на Ца-Ц р- переходах никельподобных ионов тантала и вольфрама.
-
Показано, что при определенных условиях продольные неоднородности активной среды и быстрое изменение коэффициента уси -ления вызывают уменьшение интенсивности вынужденного излучения при увеличении длины однопроходного лазера.
-
Предложено создание бегущей волны инверсии заселенности в активной среде коротковолнового лазера за счет модуляции интенсивности излучения накачки. .
5.-Предложено использование релятивистских коллинеарных пучков электронов и позитронов для создания летящего лазера, имеющего в лабораторной системе отсчета энергию кванта в несколько десятков - сотен эВ, а таюхе для инициирования термоядерных микровзрывов.
5. Показано, что при ударе твердого тела из антиводорода с характерными размерами порядка 1 мм о поверхность твердого водорода со скоростью порядка 10 км/с произойдет быстрая аннигиляция значительной части антиЕодорода, масса которой составляет десятки процентов от первоначальной. Это связано с высокой прозрачностью ангиводорэда для продуктов аннигиляции, расталкиваю-
щих вещество и антивещество.
6. Показано, что в случае одномерного движения классических резонансно поляризуемых частиц зависимость эффективной потенциальной энергии светоиндуцированного взаимодействия от расстояния между частицами при определенных частотах излучения близка к ступенчатой.
Апробация padoTH. Основные результаты диссертации представлялись на Британо-Советском семинаре " Сегодня и завтра фотоионизации " ( Ленинград, 1990 ) ; Международном симпозиуме " Коротковолновые лазеры и их применение " ( Самарканд, 1990) ; 15-й Международной конбесекции по процессам, связанным с рентгеновским излучением и внутренними электронными оболочками ( Ноксвилл, 1990 ) ; 2-м Международном коллоквиуме по рентгеновским лазерам ( Йорк, 1990) ; 17-й Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений ( Брисбен, 1991 ) ; 10-м і.їеждународном коллоквиуме по ультрафиолетовой и, рентгеновской спектроскопии астрофизической и лабораторной плазмы ( Беркли, 1992 ) ; 10-й Международной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения { Париж, 1992 ) , а также на семинарах теоретических секторов ФГИ им. А.Ф.Иоффе.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации -141 страница, включая 15 рисунков, 2 таблицы и список литературы кз 122 библиографических наименований.
