Coherent Control of Gamma-radiation Intensity by Vibrating Resonant Medium

Mgr. Aleš STEJSKAL

Doctoral thesis

Properties and propagation of gamma rays in resonant environment

Abstract:

Tato práce se zabývá koherentním ovládáním intenzity gama záření pomocí rezonanční bezodrazové interakce, tzv. Mössbauerova jevu, ve vibrujícím rezonančním prostředí. Mössbauerův jev se tradičně používá k analýze vlastností materiálů, ale nedávné poznatky v oblasti jaderné kvantové optiky zvýšily zájem o tento jev. Práce je inspirovaná nejnovějšími objevy a navazuje na nedávné publikace, které využívaly harmonicky vibrující rezonanční absorbátory pro manipulaci s gama zářením v časové a energetické doméně, což vedlo k objevení gama pulzů nebo akusticky indukované transparence. Koncept řízení intenzity gama záření pomocí vibrujícího absorbátoru je v této práci zobecněn na vibrace složené z více harmonických frekvencí, což umožňuje generování různorodých tvarů vibrací absorbátoru, které rozšiřují možnosti ovládání průběhů intenzity gama záření. Generování úzkých v čase oddělených jednoduchých a dvojitých gama pulzů o vysoké intenzitě nebo nově objevená krátkodobá akusticky indukovaná absorpce, jsou předpovězeny numerickými simulacemi a následně prokázány experimentálně. Podstatná část práce je věnována popisu speciálně vyvinutého experimentálního vybavení a metodice měření frekvenční odezvy piezoelektrického transduceru, který kmitá na vysokých frekvencích s pikometrovými amplitudami. V závěru práce jsou pak diskutovány experimentální nedokonalosti a omezení ovládání intenzity gama záření pomocí vibrujícího absorbátoru a jsou navrženy možné aplikace a další zlepšení.

Abstract:

This study explores the coherent control of gamma-ray intensity by the resonant recoilless interaction, the so-called Mössbauer effect, in the vibrating resonant medium. The Mössbauer effect is traditionally used to analyse material properties, but recent findings in the field of nuclear quantum optics have increased interest in this phenomenon. Inspired by the current state of the art, this work follows on previous publications that used harmonically vibrating resonant absorbers to manipulate gamma radiation in the time and energy domain, which led to the discovery of gamma pulses or acoustically induced transparency. In this work, the concept of gamma radiation intensity control by vibrating absorber is generalised to multi-tone vibrations. More harmonic frequencies are used to create diverse profiles of the absorber motion, which extends the possibilities of controlling of the gamma radiation intensity waveforms. The generation of narrow well-separated, high-intensity, single and double gamma pulses, or the newly discovered short-time acoustically induced absorption, is predicted by numerical simulations and proven experimentally. A significant part of the presented work is devoted to the description of the purpose-built experimental equipment and the methodology for measuring the frequency response function of the piezoelectric transducer vibrating at high frequencies with picometre amplitudes. At the end, the experimental imperfections and limitations of the gamma radiation intensity control by vibrating absorber are discussed, and possible applications and further improvements are suggested.

Keywords

Koherentní řízení intenzity gama záření, Mössbauerův jev, vysokofrekvenční vibrace rezonančního prostředí, časově rozlišená Mössbauerovská měření, FPGA, Mössbauerův spektrometr

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 7. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Vít Procházka, Ph.D., doc. Mgr. Vít Procházka, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Applied Physics / Applied Physics