لیزر اشعه گاما

دانشمندان عموماً معتقدند که لیزری که پرتو گاما گسیل کند قدرت مهیبی خواهد داشت. کارل ب. کالینز از دانشگاه تگزاس در دالاس که می‌کوشد یکی از این لیزرها بسازد، توان چنین لیزری را حدود 1021 وات تخمین می‌زند. این توان عظیم که 03ر0 درصد کل برونداد انرژی خورشیدی است، از کل نیروی برقی که ایالات متحده تولید می‌کند (1012 وات) فراتر می‌رود؛ با این حساب مقیاس جدیدی در تولید انرژی به دست بشر پیدا می‌شود، مقیاسی که به قول کالینز نجومی است. کالینز در دومین کنفرانس بین المللی لیزر که در اواخر اکتبر سال 1986 در سیاتل برگزار شد اعلام کرد که رهیافت‌های جدید نوید بخش غلبه بر مشکلاتی است که تلاش‌های قبلی را برای ساختن چنین لیزری بی نتیجه گذاشته بود.
کالینز 50 دانشمند را در اروپا و امریکای شمالی بر می‌شمرد که تمام مدت روی ساختن لیزر پرتو گاما کار می‌کنند. با انگیزه دست یافتن به چنین توان عظیمی، جای تعجب نیست که لیزرهای پرتو گاما رؤیای مکرر ولی ناکام و بحث انگیز دانشمندان شده باشد. مشکلات مسئله به فیزیک هسته‌ای اتمی مربوط می‌شود که منشأ پرتوهای گاما – یعنی سخت‌ترین (کوتاه‌ترین) و پرانرژی‌ترین پرتوهای الکترو مغناطیسی‌اند. توانی که کالینز تخمین زده برای طول موج 1 آنگستروم است.
تابش لیزری گاما نتیجه وارونی جمعیت در هسته‌های ماده تابش کننده است. تعداد زیادی از هسته‌ها باید به تراز پر انرژی خاصی بروند که در حالت معمولی جز معدودی از آن‌ها در این تراز پیدایشان نمی‌شود. بعد باید یکباره از آن تراز به تراز پایین‌تر بیفتند و با هم تابش کنند. برای دست‌یابی به وارونی جمعیت، باید از یک منبع خارجی به ماده انرژی بدمند و ماده تمام یا بخشی از این انرژی را در ترازی که گذرا لیزری از آن میسر است سرمایه‌گذاری کند. هسته‌ها باید تا حصول کامل به دمش در این تراز دوام بیاورند و گسیل خود به خودی اتفاق نیفتد؛ گسیل القایی لیزر می‌تواند بعد از انجام دمش شروع بشود.
چگونگی دمش، یكی از موانعی بوده كه كوشش‌های قبلی را بی‌نتیجه گذاشته است. در اولین طرح‌هایی كه برای دمش پیشنهاد شد مقدار زیادی انرژی به سرعت – در چند میكرو ثانیه یا حتی چند پیكو ثانیه – به ماده لیزرتاب منتقل می‌شد، تا بلكه تعدادی از هسته‌ها به حالت‌های كم دوام لیزر تاب، بروند. اما این كار ممكن بود ماده را ذوب كند. پیشنهاد شد كه به جا این كار از حالتی استفاده شود كه دوامش زیاد – مثلا 270 سال باشد؛ در این صورت انرژی می‌تواند كم‌كم جمع بشود و بعداً گسیل القایی صورت بگیرد. اما عواملی وجود دارند، كه در دراز مدت از تیزی طول موج – كه یكی از ضروریات لیزرهای خوب است – كم می‌كنند.
كالینز نتیجه می‌گیرد كه با این نوع دمش سرراست و زوركی كاری از پیش نمی‌رود. به نظر او كار مؤثر از طریق یك فرایند دو مرحله‌ای انجام می‌شود، اول انرژی در یك حالت ایزومتری بادوام ذخیره می‌شود – حالتی كه به طور طبیعی در حدود یك سال دوام می‌آورد و سپس تابش می‌كند. به این ترتیب می‌توان انرژی را به تدریج به خورد ماده داد بدون آنكه بیش از اندازه داغ شود. مرحله دوم، وارد كردن مقدار دیگری انرژی است تا هسته‌ها را به یك حالت مجاور ببرد. دوام این حالت فقط یك ثانیه است. از این حالت است كه لیزر تابی واقعی شروع می‌شود. مرحله بالابری به كمك پرتو x انجام می‌گیرد.
حالا اگر دمیدن انرژی به هسته انجام شود، آیا هسته حتماً ژرتو گاما گسیل می‌كند؟ برگزار كنندگان كنفرانس، برای آنكه تب و تاب دست اندركاران لیزر ژرتو گاما را تا حدی مهار كنند، از هاری ج. لیپ كین (آزمایشگاه آرگون و مؤسسه علوم وایتس‌مان) نیز دعوت كرده بودند تا به نمایندگی فیزیك هسته‌ای نقش مخالف را بازی كند. او به شركت كنندگان متذكر شد كه هسته به احتمال زیاد تنها از طریق فرایندی از شر انرژیش خلاص می‌شود كه با گسیل الكترون همراه است نه پرتو گاما. پاسخ جماعت لیزركار این بود كه می‌خواهند هسته‌های لیزرتاب را در یك بلور بنشانند؛ در این صورت یكی از خواص بلور كه اثر بورمان نامیده می‌شود، توازن انرژی را به نحوی تغییر می‌دهد كه گسیل پرتو گاما محتمل‌تر می‌شود. اما لیپ كین مطمئن نیست كه چنین اثری وجود داشته باشد.
فعلاً، پژوهندگان لیزر پرتو گاما، بی‌آنكه دغدغه‌ای از تردیدهای لیپ كین داشته باشند، دنبال هسته مناسب می‌گردند. 1886 هسته مختلف (با به حساب آوردن ایزوتوپ‌های عناصر) وجود دارد. به گفته كالینز اطلاعات موجود حاكی از آن است كه 29 تای آن‌ها كاندیدای درجه اول‌اند. گروه كالینز دستگاه جمع و جوری طراحی كرده كه نمونه را از همه طرف با تپ‌های پرتو x هدف قرار می‌دهد. این كار نمونه ابتدایی آزمایشی است كه با بررسی فلوئورسانس پرتو x این هسته‌ها معلوم می‌كند كدامشان بهترین كاندیدا برای لیزر پرتو گاما است.