В.А. Алекшевич - Оптика (1120564), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Ýòî ïðèâîäèò ê ðåçêîìó âîçðàñòàíèþ ïîíäåðîìîòîðíûõ ñèë (ñì. ôîðìóëó (2.25)). Òàêîå ðåçîíàíñíîå âîçäåéñòâèå íà àòîì èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçìåíåíèÿ ñêîðîñòè òåïëîâîãî äâèæåíèÿàòîìîâ ãàçà.25Ëàçåðíîå îõëàæäåíèå.  êîíöå 70-õ ãîäîâ XX â. â ÑÑÑÐ Â. Ñ. Ëåòîõîâûì,Â. Ã. Ìèíîãèíûì è Á. Ä. Ïàâëèêîì áûëà âûñêàçàíà èäåÿ è ïðåäëîæåí ìåòîäîõëàæäåíèÿ è ïëåíåíèÿ àòîìîâ è ìîëåêóë ðåçîíàíñíûì ñâåòîâûì ïîëåì. Âòàêîì ïîëå íà ÷àñòèöû äåéñòâóþò ñèëû äâóõ òèïîâ: ñèëà ñïîíòàííîãî ñâåòîâîãîäàâëåíèÿ è ñèëà èíäóöèðîâàííîãî ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ (î ñïîíòàííîì è âûíóæäåííîì èçëó÷åíèè ðå÷ü ïîéäåò â ëåêöèè 5).Ïåðâàÿ ñèëà îáóñëîâëåíà îòäà÷åé ïðè ìíîãîêðàòíîì ñïîíòàííîì èçëó÷åíèè âîçáóæäåííûì àòîìîì â ñëó÷àéíûõ íàïðàâëåíèÿõ ñâåòîâûõ êâàíòîâ ÷àñòîòû n0 (÷àñòîòû, ñîîòâåòñòâóþùåé ñåðåäèíå ñïåêòðàëüíîé ëèíèè ïðè àòîìíîìïåðåõîäå).  ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà, ïðè èçëó÷åíèè ôîòîíà ñ èìïóëüñîì, ðàâíûì hn0/c, àòîì â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè ïðèîáðåòàåò òàêîé æå èìïóëüñ îòäà÷è.Âîçáóæäåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè ïîãëîùåíèè êâàíòîâ ñâåòà ÷àñòîòû n < n0.Ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ èçëó÷åííîãî ôîòîíà ïðåâîñõîäèò ýíåðãèþ ïîãëîùåííîãî,÷àñòü ýíåðãèè äîëæíà çàèìñòâîâàòüñÿ èç ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àòîìà. ïðàêòè÷åñêîì ïëàíå áûëî ïðåäëîæåíî íàïðàâèòü àòîìíûé ïó÷îê â ïðîñòðàíñòâî, â êîòîðîì ñîçäàåòñÿ ñòîÿ÷àÿ ñâåòîâàÿ âîëíà ÷àñòîòû n.
Òå èç àòîìîâ, ïðîåêöèÿñêîðîñòè L êîòîðûõ íà íàïðàâëåíèå ñòîÿ÷åé âîëíû óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèþ ÄîïëåðàLöæn 0 = n ç1 + ÷ ,(2.45)ècøáóäóò íàèáîëåå ýôôåêòèâíî âîçáóæäàòüñÿ è, ñîîòâåòñòâåííî, çàìåäëÿòüñÿ âäîëüýòîãî íàïðàâëåíèÿ. Åñëè ñîçäàòü ñòîÿ÷èå âîëíû âäîëü òðåõ êîîðäèíàò, òî ìîæíî óìåíüøèòü ïîëíóþ ñêîðîñòü àòîìà.Ñèëà èíäóöèðîâàííîãî ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ, äåéñòâóÿ òîëüêî â íàïðàâëåíèèñòîÿ÷åé âîëíû (ôîòîíû ïðè âûíóæäåííîì èçëó÷åíèè äâèæóòñÿ â íàïðàâëåíèèïàäàþùèõ), ìîæåò ïðèâåñòè ê ýôôåêòó ïëåíåíèÿ çàìåäëåííûõ àòîìîâ èõ ëîêàëèçàöèè âáëèçè ïó÷íîñòåé ñòîÿ÷åé âîëíû.Èçìåíÿÿ ïëàâíî ÷àñòîòó n ñòîÿ÷åé âîëíû, ìîæíî ïîñëåäîâàòåëüíî çàìåäëÿòü ÷àñòèöû, èìåþùèå ðàçëè÷íûå ñêîðîñòè. Àíàëèç ïîêàçûâàåò, ÷òî ïðè ñêàíèðîâàíèè ÷àñòîòû ñòîÿ÷åé âîëíû îò íà÷àëüíîé âåëè÷èíû n0 - DnD/2 äî êîíå÷íîé âåëè÷èíû n0 - Dn/2 (DnD è Dn äîïëåðîâñêàÿ è åñòåñòâåííàÿ øèðèíûëèíèè, ïðè ýòîì DnD > Dn (ñì.
ëåêöèþ 4)), íîðìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå äëÿêîìïîíåíòû ñêîðîñòè ñ òå÷åíèåì âðåìåíè áóäåò ñóæàòüñÿ. Äàëüíåéøåå ïðèáëèæåíèå ÷àñòîòû n âîëíû ê ÷àñòîòå n0 íå èìååò ñìûñëà, òàê êàê ýôôåêòèâíîñòüòîðìîæåíèÿ çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåòñÿ.Ê îêîí÷àíèþ ñêàíèðîâàíèÿ ñðåäíåå çíà÷åíèå êâàäðàòà êîìïîíåíòû ñêîðîñòè áóäåò óìåíüøåíî äî âåëè÷èíûhDn(2.46).2MÇäåñü M ìàññà àòîìà, h = h/2p. Èñïîëüçóÿ ñîîòíîøåíèå M áL 2 ñ/2 = kT/2 , äëÿêîíå÷íîé òåìïåðàòóðû T ïîëó÷àåì âûðàæåíèåhDnT =,(2.47)2káL 2 ñ =ãäå k ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà. Åñëè ïðèíÿòü Dn/2 = 108 Ãö, òî òåìïåðàòóðà ïðèëàçåðíîì îõëàæäåíèè äîñòèãàåò âåëè÷èíû T » 0,7 × 10-3 K. Âðåìÿ îõëàæäåíèÿñîñòàâëÿåò äîëè ìèëëèñåêóíäû.26Ðèñ. 2.5Ðàññìîòðåííûé ìåõàíèçì îõëàæäåíèÿ íàçûâàåòñÿ äîïëåðîâñêèì îõëàæäåíèåì.
Ñîîòâåòñòâåííî âûðàæåíèå (2.47) îïðåäåëÿåò òàê íàçûâàåìûé äîïëåðîâñêèé ïðåäåë.Íà ðèñ. 2.5 ïîêàçàíà äèíàìèêà äîñòèæåíèé ïî ëàçåðíîìó îõëàæäåíèþ, îñóùåñòâëåííîìó â âåäóùèõ ëàáîðàòîðèÿõ ìèðà.Ïåðâûå ýêñïåðèìåíòû ïî äîïëåðîâñêîìó îõëàæäåíèþ äî òåìïåðàòóðû T == 1,5 K áûëè ïðîâåäåíû â ÑÑÑÐ â íà÷àëå 80-õ ãîäîâ XX â. Îõëàæäåíèå îñóùåñòâëÿëîñü â îäíîìåðíîé ñòîÿ÷åé âîëíå. ïîñëåäóþùèõ ýêñïåðèìåíòàõ (â ÑÑÑÐ è çà ðóáåæîì) èñïîëüçîâàëèñü äâóõìåðíûå è òðåõìåðíûå ñòîÿ÷èå âîëíû, ÷òî ïîçâîëèëî çà íåñêîëüêî ëåò äîñòè÷üäîïëåðîâñêîãî ïðåäåëà.Íà ðèñ.
2.2 öâ. âêë. ïîêàçàíà ñõåìà óñòàíîâêè, â êîòîðîé îñóùåñòâëåíî ìàãíèòîîïòè÷åñêîå ïëåíåíèå àòîìîâ. Îáëàêî àòîìîâ (æåëòîå ïÿòíî â öåíòðå) óäåðæèâàåòñÿ â îáëàñòè ïåðåñå÷åíèÿ òðåõ ñòîÿ÷èõ âîëí, îáðàçóåìûõ øåñòüþ ëàçåðíûìè ïó÷êàìè. Äëÿ áîëåå ýôôåêòèâíîãî óäåðæàíèÿ îáëàêà â ýòîé îáëàñòè êàòóøêàìè ñ òîêîì ñîçäàåòñÿ òàêæå íåîäíîðîäíîå ìàãíèòíîå ïîëå. êîíöå 80-õ è â ïåðâîé ïîëîâèíå 90-õ ãîäîâ, ïðèìåíÿÿ äðóãèå ïîäõîäû,óäàëîñü ïðåâçîéòè äîïëåðîâñêèé ïðåäåë è ïîñòåïåííî äîâåñòè òåìïåðàòóðóàòîìîâ äî T = 2 × 10-8 K!Ëàçåðíûé òåðìîÿäåðíûé ñèíòåç.  ðåàêöèÿõ ñèíòåçà ÿäåð ëåãêèõ ýëåìåíòîâ,ðàñïîëîæåííûõ â òàáëèöå Ìåíäåëååâà äî íàèáîëåå ïëîòíî óïàêîâàííûõ ÿäåð(æåëåçî, íèêåëü è äð.), ýíåðãèÿ ïîêîÿ ïåðåõîäèò â êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþïðîäóêòîâ ðåàêöèè. Ïðèìåðîì ÿâëÿåòñÿ ïðîòîí-ïðîòîííûé öèêë íà Ñîëíöå,â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî âûñâîáîæäàåòñÿ ãðîìàäíàÿ ýíåðãèÿ. çåìíûõ óñëîâèÿõ ëåã÷å âñåãî îñóùåñòâèòü ñëèÿíèå èçîòîïîâ âîäîðîäà äåéòåðèÿ Ä è òðèòèÿ Ò.
Äåéòåðèé ñîäåðæèòñÿ â âîäå â ñîîòíîøåíèè 1/6 500,à òðèòèé, èìåþùèé ïåðèîä ïîëóðàñïàäà 12,4 ãîäà, ìîæíî ïîëó÷èòü â ÿäåðíûõðåàêöèÿõ.  ðåçóëüòàòå ðåàêöèèÄ + Ò = 4He + n + Qâûñâîáîæäàåòñÿ ýíåðãèÿ Q = 17,6 ýÂ. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ òàêîé ðåàêöèè íåîáõîäèìî ñáëèçèòü ÿäðà, ïðåîäîëåâàÿ êóëîíîâñêèå ñèëû îòòàëêèâàíèÿ ìåæäóïðîòîíàìè. Ýòîãî ìîæíî äîáèòüñÿ, íàãðåâ âåùåñòâî äî âûñîêîé òåìïåðàòóðû27Ò ~ 108 Ê. Äëÿ òîãî ÷òîáû âûäåëèâøàÿñÿ ýíåðãèÿ ñðàâíÿëàñü ñ ýíåðãåòè÷åñêèìè çàòðàòàìè íà íàãðåâ ïëàçìû, íåîáõîäèìî âûïîëíåíèå êðèòåðèÿ Ëîóñîíà:nt ³ 1014 ñ/ñì3,ãäå n êîëè÷åñòâî ÷àñòèö â 1 ñì3; t âðåìÿ ýôôåêòèâíîãî ïðîòåêàíèÿ ðåàêöèè ñèíòåçà. íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóþò äâà ïîäõîäà ê îñóùåÐèñ.
2.6ñòâëåíèþ óïðàâëÿåìîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà. Ïðè ïåðâîì ïîäõîäå ìàãíèòíûì ïîëåì ñïåöèàëüíîé êîíôèãóðàöèè â òå÷åíèå âðåìåíè t » 1 10 ñ óäåðæèâàåòñÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíàÿ ïëàçìàñ êîíöåíòðàöèåé n » 1014 1015 cì-3.  óñòàíîâêàõ «Òîêàìàê» (ÑÑÑÐ) âîäîðîäíàÿ ïëàçìà èçîëèðóåòñÿ îò ñòåíîê óñòàíîâêè ìàãíèòíûì ïîëåì è íàãðåâàåòñÿýëåêòðè÷åñêèì òîêîì äî î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóð, ïðè êîòîðûõ âîçìîæíûðåàêöèè ñèíòåçà.Ïðè âòîðîì ïîäõîäå, ïðåäëîæåííîì òàêæå â ÑÑÑÐ Í.Ã.Áàñîâûì è Î.
Í.Êðîõèíûì â íà÷àëå 60-õ ãîäîâ XX â., ìèêðîñôåðà (ìèøåíü) ñ ÿäåðíûì òîïëèâîìîáëó÷àåòñÿ ìíîãîêàíàëüíûì ëàçåðîì. Åãî èçëó÷åíèå ïî íåñêîëüêèì êàíàëàì(íàïðàâëåíèÿì) ñ ðàçíûõ ñòîðîí ïàäàåò íà ìèøåíü (ðèñ. 2.6). Òàêîé ìåòîä ïîëó÷èë íàçâàíèå ëàçåðíûé òåðìîÿäåðíûé ñèíòåç (ËÒÑ).Îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ ñæàòèÿ âåùåñòâà äî ïëîòíîñòåé r » 102 103 ã/ì3è íàãðåâàíèÿ äî òåìïåðàòóð T » 108 K íåîáõîäèìî ñîçäàòü äàâëåíèå p » 5 × 109 àòì.Äëÿ ýòîãî èíòåíñèâíîñòü ñâåòà, ïàäàþùåãî íà ïîâåðõíîñòü ìèøåíè (ïëîòíîñòüìîùíîñòè), äîëæíà áûòü ðàâíà I » 1015 Âò/cì2.
Ïîýòîìó äëÿ îñóùåñòâëåíèÿËÒÑ íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ìîùíûå ëàçåðíûå ñèñòåìû.Âíåøíèé âèä óñòàíîâêè «Øèâà» â Ëèâåðìîðñêîé ëàáîðàòîðèè (ÑØÀ)ïîêàçàí íà ðèñ. 2.3 öâ. âêë. Èìïóëüñ çàäàþùåãî ëàçåðà íà íåîäèìîâîì ñòåêëå(l = 1,064 ìêì) ñ ýíåðãèåé 10 Äæ ïîñëå óòðîåíèÿ ÷àñòîòû ïî ñâåòîâîäàì ïîñòóïàåò â 20 óñèëèòåëåé ñâåòà. Íà âûõîäå êàæäîãî óñèëèòåëÿ ýíåðãèÿ èìïóëüñàâîçðàñòàåò äî 20 êÄæ.
Ñâåòîâûå ïó÷êè, èìåþùèå ïîñëå óñèëèòåëÿ äèàìåòð40 ñì, ñ ðàçíûõ ñòîðîí ôîêóñèðóþòñÿ íà ìèøåíü.Ïðè âçàèìîäåéñòâèè èçëó÷åíèÿ ñ ìèøåíüþ ðàäèóñîì íåñêîëüêî ìèëëèìåòðîâ åå âíåøíÿÿ ÷àñòü ïðåâðàùàåòñÿ â ðàçëåòàþùóþñÿ â ðàçíûå ñòîðîíû ñîñêîðîñòüþ L ~ 107 108 ñì/ñ ïëàçìåííóþ êîðîíó. Âíóòðåííèå (íåèñïàðåííûå) ÷àñòè ìèøåíè, êóäà èçëó÷åíèåíå ïðîíèêàåò, ïðèîáðåòàþò ãèäðîäèíàìè÷åñêèå ñêîðîñòè, íàïðàâëåííûå ê öåíòðó ìèøåíè. Ïîñëåäíèå âîçíèêàþò ãëàâíûì îáðàçîì èç-çà ñâåòîðåàêòèâíîãî äàâëåíèÿ,îáóñëîâëåííîãî èìïóëüñîì îòäà÷è ïðè âûëåòå ÷àñòèöñ ïîâåðõíîñòè âíóòðåííåé ïëîòíîé ÷àñòè ìèøåíè.
 ðåçóëüòàòå ÷àñòü âåùåñòâà ìèøåíè ñæèìàåòñÿ è íàãðåâàåòñÿ.Íà ðèñ. 2.7 ïîêàçàíî ðàäèàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè r è òåìïåðàòóðû T íà ñòàäèè ñæàòèÿ. Ôàêòè÷åñêèê öåíòðó ìèøåíè ñî ñêîðîñòüþ u äâèæåòñÿ óäàðíàÿ âîëíà.Ïðè ïðÿìîì ïàäåíèè ñâåòà íà ïîâåðõíîñòü ìèøåíèâåñüìà ñëîæíî îáåñïå÷èòü ñôåðè÷åñêóþ ñèììåòðèþ ïðîöåññà ñæàòèÿ. Îòêëîíåíèÿ äâèæåíèÿ âíóòðåííèõ ÷àñòåéÐèñ. 2.7îò ñôåðè÷åñêè-ñèììåòðè÷íîãî îãðàíè÷èâàåò ñèëüíîå28полостьñæàòèå. Ïî ýòîé ïðè÷èíå èñïîëüçóåòñÿ è íåïðÿìîå ñæàòèå.  ýòîì ñëó÷àå èçëó÷åíèå ëàçåðà(ðèñ.2.8) ñ ðàçíûõ íàïðàâëåíèé ïîïàäàåò íàМишеньâíóòðåííèå ñòåíêè ïîëîñòè, âûïîëíåííûå èçâåùåñòâà ñ áîëüøèì àòîìíûì íîìåðîì, íàïðèìåð çîëîòà.
Ýòà ïîëîñòü íàçûâàåòñÿ õîëüðàóì.Ðèñ. 2.8Îêîëî 80 % ñâåòîâîé ýíåðãèè ïðåîáðàçóåòñÿ â ìÿãêîå ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå, êîòîðîå ñ ðàçíûõ ñòîðîí ïàäàåò íà ìèøåíü, íàõîäÿùóþñÿ â ñåðåäèíå ïîëîñòè.Íà ðèñ. 2.4 öâ. âêë. ïîêàçàíà ôîòîãðàôèÿ õîëüðàóìà, èñïîëüçóåìîãî â ñõåìåíåïðÿìîãî ñæàòèÿ. Êðàñíûå ïÿòíà íà åãî ñòåíêàõ ñâèäåòåëüñòâóþò î âîçíèêíîâåíèè ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèÿ. íàñòîÿùåå âðåìÿ â ðÿäå ñòðàí ïðîâîäÿòñÿ ýêñïåðèìåíòû ïî ñæàòèþè íàãðåâó âåùåñòâà ìèøåíåé. Äîñòèãíóòû äàâëåíèÿ p ~ 108 àòì è ñêîðîñòèñæàòèÿ ìèêðîñôåð u ³ 200 êì/ñ, ïîëó÷åíû ïëîòíîñòè r ~ 102 ã/ñì3. Äëÿ ðåàêòîðàíà îñíîâå ËÒÑ íåîáõîäèìû ëàçåðû ñ ýíåðãèåé èìïóëüñà W ~ 106 Äæ è ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿ íåñêîëüêî ãåðö. Íàä ñîçäàíèåì òàêèõ ñèñòåì è ðàáîòàþò ó÷åíûå â âåäóùèõ ëàáîðàòîðèÿõ ìèðà.ÐÀÇÄÅË2ÈÇËÓ×ÅÍÈÅ ÑÂÅÒÀËÅÊÖÈß 3Èçëó÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîãî äèïîëÿ.
Êàê èçâåñòíî, èñòî÷íèêàìè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ÿâëÿþòñÿ óñêîðåííî äâèæóùèåñÿ çàðÿäû è ïåðåìåííûå òîêè.Íà ðèñ. 3.1 ñõåìàòè÷åñêè èçîáðàæåí ïðîöåññ èçëó÷åíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîéâîëíû àíòåííîé, íàçûâàåìîé ýëåêòðè÷åñêèì äèïîëåì. Ýòà àíòåííà ïðåäñòàâëÿåòñîáîé äâà îòðåçêà ïðÿìîãî ïðîâîäà, ïîäêëþ÷åííûõ ê èñòî÷íèêó ïåðåìåííîãîòîêà ÷àñòîòû w.
Ïî îòðåçêàì â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè òåêóò íåêâàçèñòàöèîíàðíûå òîêè (äëèíà âîëíû òîêà ñðàâíèìà ñ äëèíîé àíòåííû). ìîìåíòû âðåìåíè t = 0, T/2, T òîê â àíòåííå ìàêñèìàëåí, à çàðÿäûíà êîíöàõ ïðîâîäíèêà îòñóòñòâóþò. Ïðè t = T/4, 3T/4 òîê ðàâåí íóëþ, à ðàçíîèìåííûå çàðÿäû, íàêàïëèâàþùèåñÿ íà êîíöàõ ïðîâîäíèêîâ, äîñòèãàþò ìàêñèìàëüíûõ çíà÷åíèé.Óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà ïîçâîëÿþò çàïèñàòü âûðàæåíèÿ äëÿ ýëåêòðè÷åñêîãîè ìàãíèòíîãî ïîëåé, èçëó÷àåìûõ äèïîëåì, â âèäå:Ðèñ. 3.130rö1æH(t , r ) = A ´ &&p çt - ÷ ,ècø4 pcrH(3.1à)Plm1E(t , r) = - 0 e ´ H = e ´ H.
(3.1á)ce0e0+reSEPÐèñ. 3.2Çäåñü p = q l âåêòîð äèïîëüíîãî ìîìåíòà, íàïðàâëåííûé îò îòðèöàòåëüíîãîd 2pçàðÿäà ê ïîëîæèòåëüíîìó; l ðàññòîÿíèå ìåæäó çàðÿäàìè; &p& = 2 ; e åäèdtíè÷íûé âåêòîð, íàïðàâëåííûé â òî÷êó, óäàëåííóþ îò äèïîëÿ íà ðàññòîÿíèå r(ðèñ. 3.2).Ôîðìóëû (3.1) ñïðàâåäëèâû äëÿ ðàññòîÿíèé r ? l (l-äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ).p = -w 2 p , ÷òî è èçîáðàæåíî íà ðèñóíêå.Åñëè p = p0 cos wt, òî &&Ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïðîñòðàíñòâå ïîêàçàíî íà ðèñ. 3.3.Çäåñü èçîáðàæåíû ñèëîâûå ëèíèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, à òî÷êàìè è êðåñòèêàìè îòìå÷åíû «ñëåäû» ñèëîâûõ ëèíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿ.Âåëè÷èíà âåêòîðà Ïîéíòèíãà S ñ ó÷åòîì (3.1) ïîëó÷àåòñÿ ðàâíîéS (r, t ) = EH =1216p e 0c 3r 22é æùröê p&& çè t - c ÷ø sin J ú .ëû(3.2)Ñðàçó ñäåëàåì âàæíûé âûâîä î òîì, ÷òî S % w4, ïîñêîëüêó p&& 2 = w 4 p 2 .