Индуцированное гамма-излучение: флуоресценция атомных ядер.

Введение

Бомбардировка атомных ядер для испускания света с очень короткой длиной волны.
В физике индуцированное гамма-излучение (IGE) – это процесс флуоресцентного испускания гамма-лучей возбужденными ядрами, обычно включающий определенный ядерный изомер. Это аналогично обычной флуоресценции, определяемой как испускание фотона (кванта света) возбужденным электроном в атоме или молекуле. В случае IGE ядерные изомеры способны накапливать значительное количество энергии возбуждения в течение достаточно длительного времени, чтобы выступать в качестве ядерных флуоресцентных материалов. Известно более 800 ядерных изомеров, однако почти все они обладают слишком высокой собственной радиоактивностью для практического применения. По состоянию на 2006 год было предложено два ядерных изомера, которые, по всей видимости, физически способны к IGE-флуоресценции в безопасных условиях: тантал-180m и гафний-178m2.

История

Индуцированное гамма-излучение является примером междисциплинарных исследований на стыке ядерной физики и квантовой электроники. Рассматриваемая как ядерная реакция, она относится к классу, в котором только фотоны участвуют в создании и аннигиляции состояний ядерного возбуждения. Этот класс обычно не рассматривается в традиционных обсуждениях. В 1939 году Понтекорво и Лазар сообщили о первом примере подобной реакции. В качестве мишени использовался индий, и в современной терминологии ядерных реакций она была бы записана как 115In(γ,γ')115mIn. Индекс "m" у продукта указывает на то, что у него достаточно длительный период полураспада (4,5 часа в данном случае), чтобы квалифицироваться как ядерный изомер. Это и сделало эксперимент 1939 года возможным, поскольку у исследователей было время удалить продукты из зоны облучения и изучить их в более подходящих условиях. Для фотонов в качестве снаряда, сохранение импульса и энергии возможно только в том случае, если энергия падающего фотона (рентгеновского или гамма-кванта) точно соответствует разнице энергий между начальным состоянием ядра-мишени и одним из его возбужденных состояний, не сильно отличающимся по квантовым свойствам, таким как спин. Порогового поведения нет, падающий снаряд исчезает, а его энергия передается на внутреннее возбуждение ядра-мишени. Это резонансный процесс, нетипичный для ядерных реакций, но обычный для возбуждения флуоресценции на атомном уровне. Лишь в 1988 году резонансный характер этого типа реакции был окончательно доказан. Такие резонансные реакции лучше описываются с использованием формализма атомной флуоресценции, а их дальнейшее развитие было облегчено междисциплинарным подходом к IGE. Концептуально эксперимент IGE мало отличается, когда мишенью является ядерный изомер. Реакция вида mX(γ,γ')X, где mX – один из пяти кандидатов, перечисленных выше, отличается лишь тем, что после реакции у нуклида-продукта доступны более низкие энергетические состояния, чем в исходном состоянии. Практические трудности связаны с необходимостью обеспечения безопасности от спонтанного радиоактивного распада ядерных изомеров в количествах, достаточных для проведения экспериментов. Время жизни изомеров должно быть достаточно большим, чтобы дозы от их спонтанного распада всегда оставались в пределах допустимых значений. В 1988 году Коллинз и его коллеги сообщили о первом возбуждении IGE от ядерного изомера. Они возбудили флуоресценцию ядерного изомера тантала 180mTa с помощью рентгеновского излучения, полученного в линейном ускорителе для лучевой терапии. Результаты оказались неожиданными и считались спорными до тех пор, пока не были идентифицированы резонансные состояния, возбужденные в мишени.

Induced gamma emission is an example of interdisciplinary research bordering on both nuclear physics and quantum electronics. Viewed as a nuclear reaction it would belong to a class in which only photons were involved in creating and destroying states of nuclear excitation. It is a class usually overlooked in traditional discussions. In 1939 Pontecorvo and Lazard reported the first example of this type of reaction. Indium was the target and in modern terminology describing nuclear reactions it would be written 115In(γ,γ')115mIn. The product nuclide carries an "m" to denote that it has a long enough half life (4.5 h in this case) to qualify as being a nuclear isomer. That is what made the experiment possible in 1939 because the researchers had hours to remove the products from the irradiating environment and then to study them in a more appropriate location. With projectile photons, momentum and energy can be conserved only if the incident photon, X ray or gamma, has precisely the energy corresponding to the difference in energy between the initial state of the target nucleus and some excited state that is not too different in terms of quantum properties such as spin. There is no threshold behavior and the incident projectile disappears and its energy is transferred into internal excitation of the target nucleus. It is a resonant process that is uncommon in nuclear reactions but normal in the excitation of fluorescence at the atomic level. Only as recently as 1988 was the resonant nature of this type of reaction finally proven. Such resonant reactions are more readily described by the formalities of atomic fluorescence and further development was facilitated by an interdisciplinary approach of IGE. There is little conceptual difference in an IGE experiment when the target is a nuclear isomer. Such a reaction as mX(γ,γ')X where mX is one of the five candidates listed above, is only different because there are lower energy states for the product nuclide to enter after the reaction than there were at the start. Practical difficulties arise from the need to ensure safety from the spontaneous radioactive decay of nuclear isomers in quantities sufficient for experimentation. Lifetimes must be long enough that doses from the spontaneous decay from the targets always remain within safe limits. In 1988 Collins and coworkers reported the first excitation of IGE from a nuclear isomer. They excited fluorescence from the nuclear isomer tantalum 180m with x rays produced by an external beam radiotherapy linac. Results were surprising and considered to be controversial until the resonant states excited in the target were identified.

Отличительные черты

Если падающий фотон поглощается начальным состоянием целевого ядра, то ядро переходит в более энергичное состояние возбуждения. Если это состояние может излучать свою энергию только при переходе обратно в начальное состояние, результатом является процесс рассеяния, как показано на схематическом рисунке. Это не пример IGE. Если падающий фотон поглощается начальным состоянием целевого ядра, то ядро переходит в более энергичное состояние возбуждения. Если существует ненулевая вероятность того, что иногда это состояние инициирует каскад переходов, как показано на схеме, это состояние называют "состоянием-воротами", "триггерным уровнем" или "промежуточным состоянием". Один или несколько флуоресцентных фотонов испускаются, часто с различными задержками после первоначального поглощения, и этот процесс является примером IGE. Если начальное состояние целевого ядра является его основным (состоянием с наименьшей энергией), то флуоресцентные фотоны будут иметь меньшую энергию, чем у падающего фотона (как показано на схематическом рисунке). Поскольку канал рассеяния обычно является самым сильным, он может "ослеплять" приборы, используемые для регистрации флуоресценции, и ранние эксперименты предпочитали изучать IGE, импульсно воздействуя на источник падающих фотонов, пока детекторы были выключены, а затем концентрируясь на любых задержанных фотонах флуоресценции, когда приборы можно было безопасно включить. Если начальное состояние целевого ядра является ядерным изомером (начинается с большей энергией, чем основное состояние), он также может поддерживать IGE. Однако в этом случае схематическое изображение не является просто примером, показанным для 115In, а читается справа налево с перевернутыми стрелками. Такой "обратный ход" потребует одновременного (в пределах <0,25 нс) поглощения двух падающих фотонов разных энергий для перехода из 4-часового изомера обратно в "состояние-ворота". Обычно изучение IGE от основного состояния к изомеру того же ядра мало что говорит о том, как тот же изомер будет вести себя, если использовать его в качестве начального состояния для IGE. Для реализации IGE необходимо найти энергию падающего фотона, которая "соответствует" энергии, необходимой для достижения другого состояния-ворота, не показанного на схеме, которое может запустить собственный каскад до основного состояния. Если целью является ядерный изомер, хранящий значительное количество энергии, то IGE может привести к каскаду, содержащему переход, излучающий фотон с большей энергией, чем у падающего фотона. Это будет ядерным аналогом преобразования частоты вверх в лазерной физике. Если целью является ядерный изомер, хранящий значительное количество энергии, то IGE может привести к каскаду через пару возбужденных состояний с "инвертированными" временами жизни, так что в совокупности таких ядер популяция будет накапливаться в более долгоживущем верхнем уровне, а быстро уменьшаться в более короткоживущем нижнем уровне пары. Полученная инверсия популяции может поддерживать некоторую форму когерентного излучения, аналогичную усиленному спонтанному излучению (ASE) в лазерной физике. Если физические размеры совокупности изомерных ядер были бы большими по длине и малы по поперечному сечению, то мог бы возникнуть гамма-лазер.

If an incident photon is absorbed by an initial state of a target nucleus, that nucleus will be raised to a more energetic state of excitation. If that state can radiate its energy only during a transition back to the initial state, the result is a scattering process as seen in the schematic figure. That is not an example of IGE. If an incident photon is absorbed by an initial state of a target nucleus, that nucleus will be raised to a more energetic state of excitation. If there is a nonzero probability that sometimes that state will start a cascade of transitions as shown in the schematic, that state has been called a "gateway state" or "trigger level" or "intermediate state". One or more fluorescent photons are emitted, often with different delays after the initial absorption and the process is an example of IGE. If the initial state of the target nucleus is its ground (lowest energy) state, then the fluorescent photons will have less energy than that of the incident photon (as seen in the schematic figure). Since the scattering channel is usually the strongest, it can "blind" the instruments being used to detect the fluorescence and early experiments preferred to study IGE by pulsing the source of incident photons while detectors were gated off and then concentrating upon any delayed photons of fluorescence when the instruments could be safely turned back on. If the initial state of the target nucleus is a nuclear isomer (starting with more energy than the ground) it can also support IGE. However, in that case the schematic diagram is not simply the example seen for 115In but read from right to left with the arrows turned the other way. Such a "reversal" would require simultaneous (to within <0.25 ns) absorption of two incident photons of different energies to get from the 4 h isomer back up to the "gateway state". Usually the study of IGE from a ground state to an isomer of the same nucleus teaches little about how the same isomer would perform if used as the initial state for IGE. In order to support IGE an energy for an incident photon would have to be found that would "match" the energy needed to reach some other gateway state not shown in the schematic that could launch its own cascade down to the ground state. If the target is a nuclear isomer storing a considerable amount of energy then IGE might produce a cascade that contains a transition that emits a photon with more energy than that of the incident photon. This would be the nuclear analog of upconversion in laser physics. If the target is a nuclear isomer storing a considerable amount of energy then IGE might produce a cascade through a pair of excited states whose lifetimes are "inverted" so that in a collection of such nuclei, population would build up in the longer lived upper level while emptying rapidly from the shorter lived lower member of the pair. The resulting inversion of population might support some form of coherent emission analogous to amplified spontaneous emission (ASE) in laser physics. If the physical dimensions of the collection of target isomer nuclei were long and thin, then a form of gamma ray laser might result.

Дозиметры с энергоспецифичностью

Поскольку IGE от ядер в основном состоянии требует поглощения очень специфических энергий фотонов для генерации задержанных флуоресцентных фотонов, которые легко регистрируются, существует возможность создания дозиметров, чувствительных к энергии, путем комбинирования нескольких различных нуклидов. Это было продемонстрировано при калибровке спектра излучения импульсного ядерного симулятора DNA PITHON. Такой дозиметр может быть полезен в лучевой терапии, где рентгеновские пучки могут содержать множество энергий. Поскольку фотоны разных энергий откладывают свою энергию на разной глубине в облучаемой ткани, он может помочь определить, какая часть полной дозы будет отложена в целевом объеме.

Мощность самолета

В феврале 2003 года журнал New Scientist, не проходящий рецензирование, опубликовал статью о возможности создания самолета, работающего на ИГЭ, как разновидности ядерной двигательной установки. Идея заключалась в использовании 178m2Hf (вероятно, из-за его высокой удельной энергии), который при активации должен был бы излучать гамма-лучи для нагрева воздуха в камере и создания реактивной тяги. Этот источник энергии описывается как "квантовый нуклеонический реактор", хотя неясно, используется ли этот термин только в контексте статьи New Scientist.

Ядерное оружие

Отчасти именно эта теоретическая плотность сделала всю область IGE настолько противоречивой. Было высказано предположение, что материалы могут быть сконструированы таким образом, чтобы вся накопленная энергия высвобождалась очень быстро, в виде "импульса". Даже высвобождение энергии гамма-лучей само по себе сделало бы IGE потенциально мощным "взрывчатым" веществом или потенциальным радиологическим оружием.

Зажигание термоядерной бомбы

Плотность гамма-квантов, образующихся в этой реакции, была бы достаточно высокой, чтобы их можно было использовать для сжатия термоядерного топлива в термоядерной бомбе. Если это подтвердится, это может позволить создать термоядерную бомбу, не содержащую делящийся материал (то есть чистое термоядерное оружие); именно контроль над делящимся материалом и способами его получения является основой большинства усилий по предотвращению ядерного распространения.