Лазер з ядерною накачкою — це різновид лазера, у якому інверсія населеності в активному середовищі створюється енергією ядерних реакцій або ядерного випромінювання, а не електричним струмом, світлом чи хімічними реакціями. Такі лазери є переважно науково-дослідними установками і мають важливе значення для фізики плазми, ядерної фізики та астрофізики.

1. Фізичний принцип дії

Загальна схема процесу:

ядерна реакція / ядерне випромінювання
→ іонізація або збудження середовища
→ передача енергії активним атомам або молекулам
→ інверсія населеності
→ стимульоване випромінювання

Джерела ядерної енергії

  • нейтрони поділу
  • швидкі заряджені частинки (осколки поділу, альфа-частинки)
  • гамма-випромінювання
  • продукти ядерних реакцій

2. Основні типи лазерів з ядерною накачкою

2.1. Реакторно-накачувані лазери

  • Накачка здійснюється нейтронами з ядерного реактора
  • Нейтрони викликають:
    • ядерні реакції в поглиначах
    • вторинне випромінювання
    • іонізацію газового середовища

Приклад активного середовища:

He–Ne, Ar, Xe, CO2

2.2. Лазери з накачкою уламками поділу

  • Використовується реакція:
235U + n → осколки поділу + ~200 МеВ
  • Високоенергетичні осколки безпосередньо:
    • іонізують газ
    • збуджують лазерні рівні

Перевага:

дуже висока густина накачки

2.3. Лазери з гамма-накачкою

  • Використовується гамма-випромінювання
  • Менша ефективність через слабку взаємодію γ-квантів з речовиною
  • Переважно лабораторні дослідження

3. Активні середовища

Тип середовища Приклади
Газові He–Ne, Ar, Xe, Kr
Молекулярні CO2, N2
Плазмові іонізовані гази
Тверді експериментальні (обмежено)

Газові середовища є найпоширенішими через:

  • стійкість до радіаційних ушкоджень
  • ефективне відведення тепла

4. Характерні параметри

Параметр Типові значення
Довжина хвилі УФ – ІЧ
ККД 0,1–5 %
Густина накачки дуже висока
Тривалість імпульсу мкс – с
Режим роботи імпульсний або квазібезперервний

5. Переваги

  • Можливість надвисокої енергії накачки
  • Незалежність від електричних систем
  • Робота у середовищах з сильним радіаційним фоном
  • Перспективи для масштабних енергетичних систем

6. Недоліки і обмеження

  • Радіаційна небезпека
  • Великі габарити і складність
  • Низький ККД порівняно з електричними лазерами
  • Практично непридатні для цивільного застосування

7. Історія та дослідження

  • 1960–1970-ті роки — активні дослідження в СРСР і США
  • Реакторні експерименти:
    • газові лазери з нейтронною накачкою
    • лазери на осколках поділу
  • Сьогодні — фундаментальні та прикладні дослідження, а не промислове використання

8. Галузі застосування (теоретичні та наукові)

  • Фізика високих енергій
  • Дослідження ядерних реакторів
  • Космічні енергетичні системи (концептуально)
  • Моделювання екстремальних станів матерії

9. Порівняння з іншими типами накачки

Тип накачки Джерело енергії Поширеність
Оптична Лампи, лазери Дуже висока
Електрична Розряд Висока
Хімічна Реакції Середня
Ядерна Реактор / поділ Дуже низька

Лазери з ядерною накачкою є унікальними фізичними системами, що демонструють можливість безпосереднього перетворення ядерної енергії в когерентне світло. Хоча їх практичне застосування обмежене, вони відіграють важливу роль у розвитку ядерної та лазерної фізики.

Дещо інше: