Способ и устройство генерации квантовых пучков

Способ и устройство генерации квантовых пучков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области преобразования энергии. Имеются различные виды энергии: механическая, тепловая, электрическая, магнитная, электромагнитная, ядерная и др. Известны преобразования одних видов энергии в другие, например: механической в электрическую; электрической в тепловую; механической в тепловую; химической в электрическую; химической в образование новых структурных связей на уровне молекулярных квантовых систем; ядерной в электрическую и т.д. Каждому виду энергии присущи характерные свойства, которые могут проявляться в дальнодействии или возможности мгновенной концентрации и обеспечивать среде резко различающиеся качественные свойства: например, фазовые переходы I-го и II-го рода. Фазовый переход I-го рода - с изменением агрегатного состояния среды. Фазовый переход II-го рода - без изменения агрегатного состояния, а с изменением внутренней энергии из-за перестройки структуры внутренних связей (переход сфазированный, скачком). Ядерная энергия может порождать электромагнитную энергию, рождение частиц, преобразование электромагнитной энергии в энергию покоя (массы) частиц.

Примечательным видом энергии является энергия, носителем которой являются электромагнитные волны и электромагнитное излучение. Причем различным диапазонам длин волн электромагнитного излучения присущи свои характерные свойства: радиоволны; лазеры и др. Последние обладают свойствами квантовых систем микромира - вынужденные энергетические переходы атомов и молекул из возбужденных состояний в основное, невозбужденное. С использованием этого свойства формируются световые пучки, обладающие высокой направленностью, когерентностью, монохроматичностью и, как следствие, высокой интенсивностью и сфазированностью. Лазерные источники света обладают свойствами и возможностями, которыми не обладал ни один источник света в долазерный период. Лазеры характеризуются сильно выраженной энергетической индивидуальностью каждого атома или молекулы, сфазированность (когерентность) электромагнитных волн в которых обеспечивается внешними источниками электромагнитных волн и свойствами вынужденного излучения квантовых систем при их переходе с одного энергетического уровня на другой. При этом внешние фазирующие (кореллирующие) поля являются внешними по отношению к каждому отдельному атому или молекуле, но не ко всему ансамблю квантовых систем среды, который являлся бы источником этого коррелирующего поля.

Логическим продолжением систем типа лазерных, преобразующих один вид энергии в другие виды, являются сверхизлучающие (и сверхпоглощающие) системы. При более высоких уровнях энергетической накачки по сравнению с лазерным, но не превышающими некоторого определенного уровня, свойства сверхизлучения по ряду признаков очень напоминают лазерное излучение, а именно:

1. Необходимость обеспечивать соответствующей энергетической накачкой инверсную заселенность электронных уровней среды.

2. Высокая степень направленности оптического излучения.

3. Высокая степень когерентности среды.

4. Установкой открытого резонатора обеспечивается положительная обратная связь, как и для лазерно-активных сред.

Однако сверхизлучающие системы характеризуются объединением (коллективизацией) индивидуальных энергий атомов в единый сфазированный энергетический ансамбль. При этом сфазированность обеспечивается дополнительными связями, обусловленными энергетическими корреляциями "поле + частицы", которые не возникают в лазерных системах. При некотором критическом значении инверсной заселенности и скорости ее изменения при t_н~0, где t_н - стартовое значение времени накачки, сверхвозбужденная система формируется в диссипативную систему с отрицательной энергией. Отрицательная энергия диссипативных систем, собственно говоря, является неструктурированной, переходной формой энергии. При определенных условиях происходит перекачка отрицательной энергии в тот вид энергии, матрица элементов которой представляется системе энергетически наиболее обусловленной (оптимальной). Из сверхизлучательного состояния в зависимости от величины инверсии и инкремента, характеризующего скорость относительного изменения инверсии, отрицательная энергия может преобразовываться в сверхизлучение (СИ): фотоны оптического диапазона; гамма-кванты; ядерное излучение в виде пучков нейтронов, заряженных частиц и др.

Заявляемый материал, практически, полностью является результатом экспериментальных исследований. В основу методологии этих исследований легли две теоретические работы [1, 2], обосновывающие поляритонную модель сверхизлучения, и предположение одного из авторов настоящей заявки (Трыкова О.А. [16]) о протуберанцевой структуре электронных оболочек атомов и перевод значительного числа атомов возбуждаемой (накачиваемой) среды в ридберговские состояния, т.е. состояния с большими значениями главного квантового числа "n". Предполагается, и эксперементальные исследования не противоречат этому, что такие начальные условия обеспечивают перевод сред в сверхизлучательное или сверхпоглощательное состояния, которые характерезуются сфазированной коллективной динамикой частиц и фотонных полей и конечным результатом которой является сверхизлучение и сверхпоглощение. Для удобства дальнейшего изложения объединим термины "сверхизлучательный" и "сверхпоглощательный" в один: сверхизлучательный. Сверхпоглощательное состояние является антиподом сверхизлучательного состояния, но физика процессов, приводящих к сверхпоглощению - та же, различие только в граничных условиях формирования сверхпоглощения.

Как уже отмечено выше, известным явлением, сопровождающимся, как и сверхизлучение, коллективными процессами частиц и фотонных полей, является лазерное излучение. Для реализации лазерного излучения так же, как и для реализации сверхизлучения, необходимо обеспечить инверсную заселенность электронных уровней среды.

Характерной особенностью процесса формирования лазерного излучения является его сфазированность. В частности, это обстоятельство определяет когерентность лазерного излучения. Однако переход возбужденных атомов в более низкое или основное энергетическое состояние, в результате вынужденных излучательных переходов, происходит в каждом атоме индивидуально независимо от других атомов. Характерной особенностью сверхизлучательного состояния также является сфазированность сформированного сверхизлучения. Но эта сфазированность обусловлена коллективной сфазированностью всех возбужденных центров. Снятие возбуждения в каждом возбужденном атоме происходит не независимо от других атомов (молекул), а коллективно,"лавиной".

Сущность заявляемых решений состоит в: способе получения сверхинтенсивных пучков направленного когерентного излучения оптического и более коротковолнового диапазонов (рентгеновского излучения, γ-излучения), направленных пучков частиц из квантовых ядерных объектов (нейтронов, заряженных частиц); а также в способе деактивации радиоактивных сред созданием повышенной инверсной населенности путем накачки активных сред ядерными (и не только ядерными) излучениями, перевода сред в сверхизлучательное (или сверхпоглощательное) состояние с помощью изпользования дополнительных внешних полей из потоков γ-квантов радиоактивного окружения и интенсивных магнитных и электрических полей со значениями магнитной индукции от "В"≥1 Тл и напряженностями Е до нескольких десятков киловольт, конкретные интервалы изменения параметров которых в указанных диапазонах зависят от рода излучения или частиц, участвующих в формировании направленных (и ненаправленных) транспортируемых пучков (или потоков). КПД установок по заявляемому способу составляет от единиц до нескольких десятков процентов.

Известный способ получения направленных когерентных пучков фотонов [28, 32] реализован при получении лазерного излучения. Недостатками известного способа являются низкий КПД (~0,005) преобразования энергии накачки в энергию лазерного излучения и формирование пучков фотонов только оптического диапазона.

Предлагаемый способ обеспечивает КПД преобразования энергии накачки в энергию направленного излучения более 10÷20% и существенно расширяет диапазон квантовых компонентов пучков излучений (γ-квантов, нейтронов и др., Фиг.17, а, 18).

Известен способ деактивации радиоактивных отходов (РАО) [33] путем захоронения радиоактивных отходов. Долговременное хранение РАО требует консервации отходов в форме, которая не будет вступать в реакции и разрушаться на протяжении долгого времени. Одним из способов достижения подобного состояния является витрификация (или остекловывание). Высокоактивные РАО смешивают с сахаром и затем кальцинируют. Кальцинирование подразумевает прохождение отходов через нагретую вращающуюся трубу и ставит целью испарение воды и деазотирование продуктов деления, чтобы повысить стабильность получаемой стекловидной массы. В полученное вещество, находящееся в индукционной печи, постоянно добавляют измельченное стекло. В результате получается новая субстанция, в которой при затвердении отходы связываются со стеклянной матрицей. Это вещество в расплавленном состоянии вливается в цилиндры из легированной стали. Охлаждаясь, жидкость затвердевает, превращаясь в стекло, которое является крайне устойчивым к воздействию воды. По данным международного технологического общества, потребуется около миллиона лет, чтобы 10% такого стекла растворилось в воде. После заполнения цилиндр заваривают, затем моют. После обследования на предмет внешнего загрязнения стальные цилиндры отправляют в подземные хранилища. Такое состояние отходов остается неизменным в течение многих тысяч лет. Поиски подходящих мест для глубокого окончательного захоронения отходов в настоящее время ведутся в нескольких странах. В рамках этих поисков наиболее реальным выглядит проект под названием «Remix & Return» (Перемешивание и возврат), суть которого состоит в том, что высокоактивные РАО, смешанные с отходами из урановых рудников и обогатительных фабрик до первоначального уровня радиоактивности урановой руды, будут затем помещены в пустые урановые рудники. Достоинства данного проекта: исчезновение проблемы высокоактивных РАО, возврат вещества на место, предназначенное ему природой, обеспечение работой горняков и обеспечение цикла удаления и обезвреживания для всех радиоактивных материалов [33]. Недостатки существующих способов деактивации и утилизации радиоактивных материалов и отходов: угроза экологии окружающей среды; очень трудоемкая и трудозатратная технология подготовки РАО для захоронения и огромное количество накопленных РАО. В 1997 году в 20 странах, обладающих большей частью мирового ядерного потенциала, запасы отработанного топлива в хранилищах внутри реакторов составляли 148 тыс.тонн, 59% из которых были утилизированы. Во внешних хранилищах находилось 78 тыс.тонн отходов, из которых утилизировано 44%. С учетом темпов утилизации (около 12 тыс.тонн ежегодно) до окончательного устранения отходов еще достаточно далеко [33].

Предлагаемый способ лишен перечисленных недостатков и обеспечивает: сохранение экологии окружающей среды; резкое увеличение темпов утилизации РАО (в сотни и тысячи раз); полную окупаемость работ по утилизации отходов. Кроме того, по предлагаемому способу возможно создание альтернативных источников энергии. Пример создания альтернативных источников энергии и окупаемости предлагаемого способа утилизации (деактивации) радиоактивных отходов: энергия, высвобождаемая при деактивации радиоактивных отходов, может быть использована разными потребителями в виде электроэнергии, тепла и др. Например, при деактивации радиоактивных отходов активностью 2,5·10¹⁰ Ки (Кюри), накопленных и захороненных в Красноярском регионе, высвобожденная при деактивации этих отходов энергия составит порядка 5·10¹⁵÷2,5·10¹⁶ Дж [21, 23, 34]. Это означает, что даже при 10-процентном КПД преобразовании этой энергии в электрическую эта энергия равна энергии, которую смогла бы поставить потребителям такая электростанция, как Саяно-Шушенская, в течение 60-300 лет. А ведь Саяно-Шушенская ГЭС вырабатывала 4-ю часть всей электроэнергии, вырабатываемой в Российской Федерации. И в остатке никакого радиоактивного мусора.

Известен способ защиты от радиоактивных проникающих излучений [35]: защиту от гамма-квантов выполняют с помощью материалов, изготовленных на основе тяжелых по атомному весу элементов; защиту от нейтронов выполняют с помощью материалов, изготовленных на основе легких по атомному весу элементов; защиту от смешанных потоков ядерных излучений выполняют с помощью материалов, выполняемых на основе определенного сочетания материалов, изготовленных на основе тяжелых и легких элементов. Основные недостатки существующих защитных устройств: большие габариты, большой вес и, как следствие, большие потери потоков в пучках, траспортируемых к объектам лучевого воздействия. Последнее имеет существенное значение для медицинских целей.

Предлагаемый способ в значительной степени устраняет перечисленные недостатки: выигрыш по перечисленным параметрам - вес, габариты, интенсивность излучений - может составлять несколько десятичных порядков [17].

Известны способы получения интенсивных источников нейтронов и γ-квантов с помощью критических ядерных реакторов, с помощью подкритических ядерных реакторов (бустеров), в ядерных реакциях, реализуемых на ускорителях заряженных частиц [36, 37]. Недостатки известных способов общеизвестны: сложность установок, реализующих существующие способы, и интенсивное накопление радиоактивных загрязняющих отходов.

В предлагаемом способе указанные недостатки отсутсвуют. Пробный вариант установки, реализующий предлагаемый способ - предельно простой (описание экспериментальной установки приведено в разделе "Описание изобретения" на стр.26-27). Коэффициент мультиплицирования нейтронов и гамма-квантов в экспериментальной установке составил 10²÷10⁴. Предположительно, в рабочем теле (активной среде) создаются условия для формирования сверхпоглощения и, по-видимому, имеют место ядерные реакции аналогичные ядерным реакциям синтеза [30, стр.93, 94].

Заявляемый способ реализуют с помощью устройства, принятого за прототип, преобразования энергии ядерных излучений в энергию лазерного направленного когерентного излучения оптического диапазона большой мощности, состоящего из компонентов квантового генератора, функционирующего в режиме квантового усилителя, выполненного в виде блока труб (резонаторов) из нержавеющей стали диаметром ⌀50 мм и длиной l=2500 мм с урановым ²³⁵U покрытием толщиной δ=0,5 мкм внутренней поверхности труб, заполненных активной средой из Ar-Хе газовой смеси, с размещенным внутри блока труб (кювет), называемого лазерным блоком, двухзонным импульсным ядерным реактором, имеющим КПД преобразования энергии ядерного излучения в энергию лазерного излучения оптического диапазона, равного 0,005 (КПД=0,005), отличающееся тем, что для повышения КПД преобразования ядерной энергии в энергию лазерного излучения оптического диапазона в 10÷20 раз (КПД=0,05÷0,1) в Ar-Хе активную газовую смесь введен тритий в концентрации, соизмеримой с концентрацией Хе в существующей Ar-Хе смеси. Для увеличения КПД до 0,5 и выше из лазерного блока удалена часть труб, в освободившемся пространстве, между оставшимися в лазерном блоке трубами (кюветами) с активной Ar-Хе-Т газовой смесью, установлены импульсные соленоиды, трубы (кюветы) с Ar-Хе-Т газовой активной средой, оставшиеся в лазерном блоке, установлены внутри соленоидов, которые относительно активной среды труб (кювет) создают внешнее импульсное магнитное поле с заданным значением магнитной индукции "В", включение соленоидов осуществляется одновременно (или с некоторым опережением) с включением накачки ядерными излучениями. Для расширения диапазона направленного излучения по виду излучения (γ-кванты, нейтроны, заряженные частицы) кювета (кюветы) с активной Ar-Хе-Т газовой средой устанавлена в центральный канал импульсного соленоида, в этот же канал со стороны одного из торцов кюветы установлен выносной вакуумный электроновод импульсного ускорителя электронов, сбоку, вплотную к соленоиду, установлен источник ядерных излучений, например генератор нейтронов (это может быть и активная зона ядерного реактора), область расположения кюветы, соленоида и мишени генератора нейтронов окружена водородсодержащим замедлителем, энергетическая накачка активной среды осуществляется пучком электронов, влетающих в кювету с активной средой через выходное окно вакуумного электроновода ускорителя, пучок электронов ускорителя, источник ядерных излучений, если источник ядерных излучений импульсного исполнения, внешнее магнитное поле включаются одновременно (или с некоторым опережением или запаздыванием), при этом длительность импульса внешнего магнитного поля и длительность импульса ядерных излучений больше длительности импульса накачки. Один из вариантов кюветы с активной средой выполнен в виде фокона, в котором активная среда в виде оптоволоконных нитей нанотехнологических размеров из сцинтиллирующего полистирола с химически внедренным вместо атомов водорода тритием заключена в металлическую обечайку, например, выполненную из алюминия, толщина (длина) обечайки соизмерима или несколько больше длины свободного пробега электронов в материалах обечайки и активной среды. В кювете-фоконе волокна из сцинтиллирующего полистирола с водородом, замещенным на тритий, заменены на каналы с газовой смесью Ar-Хе-Т.

Известная установка, принятая за прототип, выполнена в виде энергетического макета квантового генератора импульсной реакторно-лазерной системы - оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН) - которая разработана специалистами ГНЦ РФ ФЭИ для экспериментальной демонстрации уникальных мощностных и энергетических качеств лазеров с ядерной накачкой [28].

ОКУЯН состоит из двух модулей: запального реакторного и лазерного блоков (см. Фиг.1). В качестве запального реактора используется двухзонный импульсный реактор БАРС-6. Лазерный блок (ЛБ) представляет собой цилиндрическую конструкцию с продольной полостью для размещения запального импульсного реактора. Диаметр ЛБ ~1700 мм, а длина ~2500 мм. В состав лазерного блока входят лазерно-активные элементы (ЛАЭЛы), их имитаторы и элементы замедлителя нейтронов. ЛБ окружен двумя рядами внешнего отражателя нейтронов. В нейтронно-физическом смысле лазерный блок является глубоко подкритической системой со значением эффективного коэффициента размножения нейтронов значительно меньше 1.

ОКУЯН функционирует следующим образом. Нейтроны, рожденные в импульсном запальном реакторе, проходя через лазерный блок, замедляются в нем и вызывают деления урана-235 в лазерно-активных элементах. Осколки деления создают рекомбинационно неравновесную ядерно-возбуждаемую плазму в объеме лазерно-активной среды. Запасенную в лазерно-активной среде энергию можно вывести из ЛАЭЛов, используя специальную оптическую систему.

Расчеты показали, что, если все имитаторы ЛАЭЛов (~650 ед.) будут заменены на реальные лазерно-активные элементы, суммарная энергия выходного лазерного пучка из системы будет ~50 кДж длительностью ~10 мс.

Основные характеристики ОКУЯН

Параметр	Значение
Число делений в реакторе БАРС-6	5·1017
Длительность импульса в ЛБ	1-10 мс
Лазерно-активная среда	Ar-Хе
Лазерный переход	Хе1
Длина волны лазерного перехода	1.73 мкм
Выходная энергия лазерного излучения (650 ЛАЭЛов)	до 50 кДж

Недостатками известного устройства являются: низкий КПД преобразования (~0,5%) энергии ядерной накачки в энергию выходного пучка излучения и формирование направленного пучка фотонов только в оптическом диапазоне.

В предлагаемых устройствах отсутствуют указанные недостатки. Возможен КПД преобразования энергии ядерной накачки в энергию выходных пучков излучения более >50%. Формирование выходного пучка излучений охватывает не только оптический диапазон, но и фотоны γ-квантового диапазона. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет формировать направленные пучки частиц при определенных начальных и граничных условиях формирования сверхизлучательного состояния.

На Фиг.2 приведен пример устройства, не использующего для энергетической накачки источник ядерных излучений (например, ядерный реактор). В этой установке в качестве источника энергетической накачки введен импульсный ускоритель электронов 5 со средней энергией электронов (но не >10 МэВ). Вакуумный электроновод 4 e^--пучка установлен в центральный осевой канал 11 импульсного соленоида 2 (ИЭМ [27]), создающего в центральной части осевого канала магнитное поле с индукцией В≥10 Тл. В осевой канал соленоида вплотную к выходному окну электроновода установлена герметично кювета 1 с Ar-Хе-Т активной газовой смесью. Диаметр кюветы ⌀=5÷12 мм, длина l=30÷50 мм. Длительность импульса e^--пучка с. Амплитудное значение тока А. Длительность импульса магнитной индукции импульсного соленоида τ_B≈10^-7÷10^-4 с. Вплотную к соленоиду размещена нейтронная трубка 6 импульсного генератора нейтронов с энергией вылетающих нейтронов Е_н=14 МэВ. Длительность импульса нейтронов τ_н~0,5·10^-6 с. Число нейтронов в импульсе - от 10⁸ нейтронов. Кювета с активной средой и нейтронная трубка генератора нейтронов размещены в полиэтиленовом блоке 10. Кювета с активной средой изготовлена разных модификаций, в которых активная среда использована в газовом и конденсированном исполнении с возможностью дополнительных присадок (добавок) к основному составу активной среды (см. п.6 способа формулы). На выходе экспериментального канала 11 устанавлены детекторы 8 для регистрации нейтронов и фотонов (сверхизлучательных пучков), выходящих из кюветы 1.

Установка, представленная на Фиг.2, функционирует следующим образом. Интенсивный импульс энергетической накачки из электронов е^--пучка через выходное окно 3 вакуумного электроновода 4 попадает в кювету 1 с активной средой, и среде обеспечивается высокая плотность возбуждения и инверсная заселенность. Переход среды из возбужденного состояния в основное сопровождается электромагнитным излучением разного диапазона (оптического, рентгеновского, γ-квантового), а также испусканием частиц (β-частиц, нейтронов и др.). Магнитное поле соленоида 2 включается синхронно с импульсом накачки (или с некоторым опережением), и активная среда переводится в сверхвозбужденное состояние. Детекторами 8 осуществляется регистрация излучения, выходящего из кюветы 1. Рождающиеся заряженные частицы регистрируются самой кюветой, функционирующей в режиме ионизационной камеры. Необходимые параметры сверхвозбужденного состояния активной среды с выходом из кюветы сверхизлучения в виде направленных потоков (пучков) электромагнитного излучения и частиц (с расходимостью не хуже 10^-2 рад) с общей энергией E_c≈2·10⁴ Дж, мощностью Р≈10¹⁶÷10 Вт за время τ_с<3·10^-13 с обеспечиваются изменением параметров е^--пучка накачки (ток А, длительность с), магнитной индукции ИЭМ (в центре кюветы В≥10 Тл). При этом плотность потока сверхизлучения φ из фотонного излучения и частиц в предположении, что каждая частица (и квант излучения) имеет энергию E_c~8 МэВ, составит φ_с~10²⁹ см^-2·с¹ на расстоянии 1 м от излучателя. Величина потока Ф_с в единицу времени зависит от частоты следования импульсов e^--пучка. При частоте следования импульсов электронного пучка f=100 Гц поток Ф_с сверхизлучения в условиях, в которых определена плотность потока φ_с, составит Ф_с~2·10¹⁸ см^-2·с^-1. При необходимости приведенные значения плотности потока φ_с и потока Ф_с легко пролонгируются на один-два десятичных порядка в сторону больших значений без заметных ограничений в техническом исполнении установки. Описанному варианту установки (Фиг.2) по получению интенсивных направленных пучков фотонов и частиц, согласно просмотренным (в рамках патентного поиска) публикациям, аналогов нет.

На Фиг.3 представлена блок-схема, поясняющая принципы взаимодействия отдельных подблоков устройств, представленных на Фиг.1, 2. Кювета 1 с активной средой (если активная среда - твердотельная, то сама активная среда выполняет роль кюветы 1) размещена во внешних полях, стимулирующих формирование сверхвозбужденного состояния активной среды. Предпочтительно, чтобы поперечные размеры кюветы или ее диаметр были < или << ее длины. Кювета (или кюветы) размещена в интенсивных импульсных полях 3: поле энергии накачки, которое может быть ядерного и неядерного (например, пучок энергичных электронов) происхождения; внешнее магнитное поле с индукцией в области размещения кюветы В≥1 Тл; дополнительный источник ядерного излучения (нейтронов и γ-квантов при использовании источника энергии накачки неядерного происхождения), который может быть и стационарного исполнения; поле радиационных γ-квантов, образующихся в результате наведенной активности при радиационном захвате нейтронов ядрами вспомогательных элементов. Последнее (поле радиационных γ-квантов) является необходимым условием при гетерогенном размещении источника с наведенной радиоактивностью относительно активной среды. При гомогенном размещении источника с наведенной радиоактивностью условие испускания радиоактивными источниками только радиационных γ-квантов является необязательным. Для синхронизации по времени запуска устройств, обеспечивающих необходимый набор полей 3, формирующих сверхизлучательное состояние активной среды, на пути пучка сверхизлучения 4, выходящего из кюветы 1, устанавлен частично отражающий экран 6, и отраженная часть сверхизлучения регистрируется детектором (или набором детекторов) сверхизлучения 8. Сигналы с выхода детектора 8 поступают на устройство управления 9 запуска устройств 5, 2, 10, 11 с параметрами, зависящими от длительности и амплитуды сигналов на выходе детектора сверхизлучений 8, а также от структуры пучков сверхизлучения.

Аналогом предлагаемой установки, приведенной на Фиг.2, в некотором приближении может служить устройство, описание которого приведено в работе [5].

Особенности сверхизлучательных состояний и сверхизлучения наиболее наглядно демонстрирует поляритонная модель СИ [2,1].

При сверхизлучении после воздействия внешнего поля на среду (поле накачки) и по мере образования инверсной населенности (при высокой плотности инверсной населенности ΔN наряду с обычными электромагнитными волнами в среде распространяются волны поляризации, характеризующиеся отрицательной энергией, которая сосредоточена в колебаниях поляризации (а не электрического поля, энергия которого относительно мала)), происходит перекачка электрической энергии электромагнитного поля накачки в энергию поля поляризации. При поляризации на резонансной частоте возникающие в среде волны поляризации охватывают все микродиполи среды, образуя единый сфазированный макродиполь. Энергия поля поляризации и фазы волн поляризации становятся едиными для всех центров возбуждения (возбужденных атомов и молекул).

Динамика воздействия на центры возбуждения этого поля также становится единой для всех центров возбуждения, или на весь образовавшийся макродиполь.

В инвертированных образцах с отражающими стенками, для волн поляризации, эти волны образуют поляритонные моды, локализованные внутри образца. Если стенки образца имеют коэффициент отражения R<1, то поляритонные моды выходят за его границы, но в виде обычной электромагнитной волны. Излучение электромагнитных волн за пределы образца ведет к уменьшению энергии поляритонной моды, а т.к. энергия поляритонной моды отрицательная, то это ведет к росту амплитуды (по абсолютной величине) колебаний поляритонной моды, а это приводит, в свою очередь, к нарастанию амплитуды электромагнитного излучения, т.е потерь. Таким образом, реализуется диссипативная неустойчивость. В неограниченных образцах такая неустойчивость волн с отрицательной энергией возможна при наличии поглощения волн поляризации в веществе. В результате в неограниченных образцах и образцах с коэффициентом отражения границ образца R=l возможен режим сверхпоглощения, в открытых же образцах с R<1 реализуется режим сверхизлучения.

Результатом диссипативной неустойчивости является: энергия волн поляризации лавинообразно переходит в электромагнитное излучение за время, обратно пропорциональное числу центров возбуждения τ₁~(1/N), и, таким образом, интенсивность импульса сверхизлучения

W_c~(ħωN)/τ₁=ħω(N)²,

где ħωN - энергия поля поляризации, в которую перекачалась энергия внешнего поля накачки.

Для лазеров интенсивность излучения пропорциональна числу центров возбуждения N, т.е. W_лaзepa~N.

Сверхизлучение характеризуется узконаправленным когерентным спонтанным излучением ансамбля возбужденных в коллективное состояние атомов с интенсивностью, пропорциональной квадрату их числа. Фактически, спонтанное когерентное излучение - это, как и лазерное - вынужденное когерентное излучение.

Сверхизлучательное коллективизированное состояние характеризуется общими энергетическими уровнями, описание излучения на переходах между которыми (Фиг.4) в макроскопическом приближении осуществляют полуклассическими уравнениями взаимодействия поля со сплошной средой - классические уравнения Максвелла и следующие из квантового описания двухуровневой среды уравнения для средней поляризации и разности населенностей ΔN=N₂-N₁ единицы объема среды [1]

где Т₁ - время энергетической релаксации активных центров (центров возбуждения); T₂ - время фазовой релаксации активных центров; ΔN_н - заселенность среды в начальный момент накачки при t≈0; σ - проводимость среды; ω₀ - частота перехода; - коэффициент связи поляризации с полем

d - дипольный момент перехода атомов или молекул на резонансной частоте.

В инвертированной среде ΔN>0 и значение .

Сильное влияние на особенности развития процессов, предшествующих сверхизлучению, оказывает эволюция коэффициента связи в зависимости от степени инверсной заселенности накачиваемой активной среды. Задержка выхода на СИ обусловлена временем наведения корреляции "поле + частица", формирующих коллективную динамику центров возбуждения. Причем наведение корреляций должно быть сфазированным. Сфазированность при наведении корреляций осуществляется на квантовом уровне, т.е. на уровне взаимодействия фотонов поля с отдельными атомами и молекулами. Поэтому огромное значение имеет время наведения корреляций. Это, в свою очередь, зависит от интенсивности когерентной доли в волне накачки на стартовом временном интервале флуктуационной квантовой фазировки центров возбуждения среды и выхода на макроскопический уровень фазирования центров возбуждения и всей среды волнами поляризации, переводящих положительную энергию электромагнитных волн в отрицательную.

Согласно макроскопической электродинамике в основе СИ Дикке лежит механизм диссипативной неустойчивости колебаний поляризации, обладающих отрицательной энергией [1].

Вблизи резонансной частоты ω~ω₀ при поляритонном резонансе, обусловленном диссипативной неустойчивостью (в инвертированной среде при выполнении определенных условий роста ΔN(t), т.е. подбором параметров ΔN и ΔN(t) вблизи определенной частоты ω₀), можно обеспечить возникновение поляритонного резонанса вблизи любого наперед заданного перехода ω₀ и тем самым обеспечить спектр СИ вблизи нужного перехода ω₀. При этом поведение инверсии ΔN(t) существенно зависит от интенсивности фазирующего (и изначально сфазированного) компонента на начальном стартовом временном интервале энергетической накачки среды.

В работах по возбуждению [5÷12, 13, 14, 16, 17÷19, 21÷23] приводятся результаты исследований сверхизлучения на разных средах при ядерной накачке сред. Накачка выполнялась смешанным потоком быстрых электронов с энергией Е_н=27 МэВ, жестких тормозных гамма-квантов со спектром МэВ и фотонейтронов, спектр которых был близок к спектру деления с МэВ. Интерпретация экспериментальных результатов однозначно (по мнению авторов) указывает на эффекты сверхизлучения в оптическом диапазоне фотонов, а также сверхпоглощения и мультиплицирования гамма-квантов, т.е. в более коротковолновом диапазоне фотонов. Проявление основных признаков сверхизлучения для твердотельных сред происходит не при криогенных температурах, а при Т≥300 К. Экспериментально установлено, что фактором ("катализатором"), способствующим коллективизации центров возбуждения при формировании сверхвозбужденного состояния сверхизлучающей среды, являются продукты ядерных превращений, рождающиеся при радиоактивном распаде радиоактивных ядер, образующихся при захвате нейтронов ядрами. Пороговое значение числа образующихся радиоактивных ядер, оцененное по выходу гамма-квантов, сопровождающих радиоактивный распад образующихся радиоактивных ядер, определяется из условия: удельная мощность потока энергии активационных гамма-квантов в возбуждаемой среде Р_уд, Дж·м^-2·с^-1, должна быть сравнима или больше удельной мощности потока P_Q, Дж·м^-2·с^-1, внутренней колебательной энергии Q, Дж·м^-3.

В работе [16] предложена модель, позволяющая в какой-то степени правдоподобно объяснить наблюдаемый феномен. Предлагается рассматривать электроны атомов как выбросы или флуктуационные всплески ядерной (нуклонной) материи в результате резонансного взаимодействия флуктуации поля нулевых колебаний с ядрами или, точнее, с ядерным (нуклонным) конденсатом. Это означает, что атомы - это ядра, на внешней границе которых периодически появляются всплески-протуберанцы, являющиеся неотъемлемой частью ядерной материи (ядерного конденсата).

По-видимому, протуберанцы или протуберанцы-электроны являются переходной формой энергии или переходной формой материи (ядерного конденсата). Протуберанцы-электроны можно характеризовать как виртуальные электроны или квазичастицы со свойствами (на короткое время) электронов. Время жизни протуберанцев в атоме в состоянии электронов, по-видимому, по порядку величины, следует принять равным времени жизни атомов относительно спонтанных переходов, т.е. τ_протуб~τ_cn~10^-8 с. При этом τ_cn~10^-8 с следует рассматривать в системе координат, внешней по отношению к атому. Переходя в собственную систему координат ядра и используя соотношения неопределенностей Гайзенберга, можно оценить в каждом конкретном случае частоту выхода "на орбиту" атома соответствующего протуберанца. Эта частота будет определять резонансную частоту взаимодействия флуктуации нулевых колебаний вакуума с полем ядерного конденсата. Оценки показывают, что частота появления "электронов" на "орбите" атомов по порядку величины совпадает со значением частоты в выражении Е_ω=ħω, характеризующей энергию электрона на орбите боровского атома. Если флуктуации нулевых