|
|
|
|
|
|
||
Эффект Мессбауэра, открытый немецким учёным Р. Мессбауэром в 1958 г., заключается в следующем. Возбуждённые ядра, как известно, могу испускать гамма-лучи, т.е. фотоны большой энергии. Обратно под действием фотона, т.е. при поглощении последнего, ядро может возбудиться, если только энергия фотона соответствует переходу ядра с низшего на один из высших энергетических уровней.
В таком резонансном поглощении гамма квантов ядрами собственно и заключается эффект Мессбауэра с тем только отличием, что в качестве излучателя гамма-квантов берётся не обычное, а изомерное ядро.
Эффект Мессбауэра наблюдается только в том случае, когда отдачу воспринимает весь кристалл, а это значит, что, как и при выстреле из очень тяжёлого орудия, вся энергия, запасённая в пороховом заряде, передаётся снаряду, а орудие остаётся неподвижным, т.е. энергия отдачи оказывается пренебрежимо малой.
К тому же оказалось, что тепловые колебания атомных ядер, связанных в кристаллической решётке твёрдого тела, не нарушают условий резонансного поглощения или рассеяния, а влияют лишь на его величину, несмотря на наличие эффекта Доплера, т.е. изменение воспринимаемой частоты или энергии гамма-квантов в случае, когда источник излучения движется относительно поглотителя излучения.
Подчеркнём, что все эти закономерности проявляются лишь в том случае, когда рассматриваются атомные ядра, входящие в состав твёрдого тела.
Особенностью изомерных ядер является то, что они сравнительно долго находятся в возбуждённом состоянии (от нескольких лет до 10-8 с), тогда как время, в течение которого обычное ядро переходит из возбуждённого состояния в невозбуждённое примерно 10-23 секунды. Благодаря этому разброс в энергии испускаемых изомерным ядром гамма-квантов (или, что то же самое, ширина энергетического уровня и спектральной линии излучения) будет во много раз меньше, чем у обычного ядра, и составляет не более 10-12.
Таким образом, если облучаемая мишень испускает гамма-кванты, то энергия поглощаемых и испускаемых гамма-квантов, а следовательно, и частоты излучения источника и мишени в точности совпадают. В этом смысле и источник, и мишень являются как бы часами, дающими одинаковые показания; такая система и представляет собой "ядерные часы". Точность этих часов будет не менее 10-12 при использовании изомера железа или ещё более высокой при использовании более долгоживущих изомеров. Заметим, что при помощи "ядерных часов" можно не только измерить время, но и проверять многие положения теории относительности Эйнштейна.
Значение эффекта Мессбауэра для науки и техники определяется его огромной чувствительностью: достаточно измерить энергию гамма-кванта на одну триллионную часть, а в некоторых случаях ещё в тысячи раз меньше, как резонансное поглощение или рассеяние полностью исчезает. Таким образом, инженеры и учёные получили чувствительнейший индикатор любых воздействий, которые могут изменить энергию ядра-излучателя или ядра-поглотителя.
Известно, что на условия резонансного поглощения или рассеяние гамма-квантов влияют относительная скорость движения источника и поглотителя (рассеивателя); различие в температурах источника и поглотителя; различие в давлениях приложенных к источнику и поглотителю; изменение гравитационного потенциала в точках расположения источника и поглотителя, а также разность ускорений источника и поглотителя.
Эффект Мессбауэра может быть использован для измерений относительной скорости движения нескольких объектов и дистанционного автоматического управления скоростями их относительного движения; перемещение деталей в замкнутых системах, для измерения больших ускорений и скоростей в изолированных системах, а также для измерения очень низких температур и высоких давлений.
Каждая из перечисленных задач требует специального подбора радиоактивного источника, поглотителя и регистрирующей электронной аппаратуры.
При определении относительной скорости движения двух объектов источник излучения жёстко связывается с одним из объектов, поглотитель и счетчик гамма-излучения - с другим.
Источник и поглотитель должны быть в одинаковом химическом состоянии, для того чтобы максимальное поглощение гамма-квантов осуществлялось в случае, когда объекты находятся в покое друг относительно друга. При наличии относительного движения интенсивность прошедших через поглотитель гамма-квантов увеличится. Это увеличение может быть непосредственно сопоставлено со значением относительной скорости. Усложняя некоторым образом используемую аппаратуру, можно зафиксировать относительные скорости движения в диапазоне от 0,005 см/с до десятков метров в секунду. Сигналы об изменении скорости относительного движения могут быть связаны с управляющими движениями механизмами, а закон изменения относительной скорости движения двух объектов заранее запрограммирован. Этот же принцип может быть положен в основу измерений очень малых скоростей перемещений конструкций различных объектов относительно размеров земной поверхности, фиксации сдвигов земной коры в результате землетрясений и взрывов и т.д.
Принципиальная схема установки показана на рис. 1, где 1-источник гамма-квантов; 2-электронная схема; 3-объект В; 4-поглотитель; 5-объект А; 
-скорость движения объекта А; 
-скорость движения объекта В.
Измерение малых перемещений деталей в замкнутых объёмах
Источник гамма-излучения жёстко связывают с перемещающейся деталью. Гамма-излучение, проникая через оболочку замкнутого объёма 1 (рис.2), проходит через специальный поглотитель 6 и попадает на счётчик 2, установленный вне объёма. Подбирают источник и поглотитель, установленный перед счётчиком гамма-излучения, как показано на рис.2. При выбранной паре (источник и поглотитель) скорость счёта возрастает, когда деталь движется от поглотителя, и падает при движении детали к поглотителю. Скорость счёта постоянно сравнивается с числом импульсов от генератора постоянной частоты 5 с помощью схем сравнения 4. Таким путём можно обнаружить величину перемещения от 10-4 до 10-1 см, направление перемещения и весь путь детали 7, если скорость перемещения не превышает 1 мм/с. На рисунке 3-пересчётная схема. Более сложным путём эта задача может быть решена для значительно больших перемещений и при скоростях десятки сантиметров в секунду.
При измерении высоких давлений в качестве поглотителя используют деталь, подверженную давлению или, если это технически неудобно, в исследуемую деталь можно ввести радиоактивные атомы, которые обнаруживают эффект Мессбауэра. При специально подобранной паре источник-поглотитель можно наблюдать изменение скорости гамма-квантов в зависимости от приложенного к детали давления. Метод может быть использован для определения деформаций и напряжений в твёрдых телах. Принципиальная схема установки показана на рис.3, на котором 1-объём, в котором создаётся импульсное давление; 2-счётчик; 3-электронная схема; 4-поглотитель; 5-источник гамма-излучения.
При изменении вибраций деталей механизмов источник гамма-квантов 1 (рис.4) жёстко укрепляют на вибрирующей детали, счётчик 3 с поглотителем 2 устанавливают на неподвижном основании. Источник и поглотитель должны быть идентичны по химическому состоянию мессбауэровских атомов и структуре. Измеряют разность интенсивностей гамма-излучения или разность скоростей счёта приборов при вибрирующей и покоящейся детали. Показания фиксирует регистрирующая электронная схема 4.
Предварительно калибруя прибор, можно сразу определить произведение частоты вибрации на её амплитуду. Следует считать вероятным обнаружение значений этого произведения начиная с 0,001 см/с. Например, если частота вибрации 10 Гц, то можно обнаружить амплитуды вибраций 1 мкм и выше.
При измерении скорости вращения в изолированных системах интенсивность гамма-излучения. Прошедшего через поглотитель, при прочих равных условиях зависит от различия ускорений источника и поглотителя. Возникает возможность регистрации скорости вращения изолированной системы с помощью установки (рис.5). На рисунке 1-источник гамма-излучения; 2-поглотитель; 3-счётчик; 4-регистрирующая аппаратура.
Расчёты показывают, что при отсутствии вибраций скорость вращения системы с радиусом 1 м можно зафиксировать с погрешностью до 0,2 об/с. Скорость вращения регистрируется внутри вращающейся системы. Используемое для этой цели устройство не имеет движущихся деталей.