1 / 34

В.А. Матвеев , Н.К. Плешанов Петербургский институт ядерной физики, Гатчина

Поляризация нейтронов 3 He поляризаторами. В.А. Матвеев , Н.К. Плешанов Петербургский институт ядерной физики, Гатчина. Нейтронные спиновые фильтры на основе 3 Не. 3 He. p. p. n. n. n. n. n. C пин ядра 3 He : 1 /2 ; Магнитный момент ядра 3 He : 0.9 μ n

liana
Download Presentation

В.А. Матвеев , Н.К. Плешанов Петербургский институт ядерной физики, Гатчина

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Поляризация нейтронов 3He поляризаторами В.А. Матвеев, Н.К. Плешанов Петербургский институт ядерной физики, Гатчина

  2. Нейтронные спиновые фильтры на основе 3Не 3He p p n n n n n • Cпин ядра 3He :1/2; • Магнитный момент ядра 3He :0.9 μn • Каналы захватанейтронов атомами 3He: • синглетный канал: спин нейтрона антипараллелен спину ядра 3He(↑↓)In = 0 • триплетный канал: спин нейтрона параллелен спину ядра 3He (↑↑)In = 1 • σ ↑↓>>σ↑↑ • σ↑↑≈ 0

  3. Связь коэффициента пропускания и поляризации нейтронного пучка с параметрами нейтронного фильтра коэффициенты пропускания и поляризующей эффективности поляризатора  m0 = линейный коэффициент поглоще-ния неполяризованного пучка нейтронов; l = длина 3He фильтра; PHe= поляризация 3He. по табличным значениям для плотностей (T = 295K) и амплитуд рассеяния m0l 0.7282. p [bar] .l [cm] . l [nm]

  4. Методы поляризации 3Не

  5. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Полный электронный момент атома3He J = L + S (L-S взаимодействие) Спин ядра3He I = 1/2 Полный момент атома3He F = J + I (сверхтонкое взаимодействие) Электронные состояния разбиваются на синглетные (спины электронов ↑↓) и триплетные (спины электронов ↑↑). Оптические переходы между синглетными и триплетными состояниями запрещены. Из-за этого состояние 23S1 является метастабильным. У 3He метастабильный уровень 23S1, как и прочие уровни с J≠0, расщеплен сверхтонким взаимодействием. [F.D.Colegrove,L.D.Shearer,G.K.Walters,Phys.Rev. 132 (1963) 2561]

  6. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Магнитное поле ● задание оси процесса поляризации, ● сохранение поляризации B В магнитном поле каждый уровень расщепляется на 2F + 1 подуровней.

  7. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Подавляющее большинство атомов 3He находится на основном уровне. Ядерные спины именно этих атомов нужно поляризовать – ориентировать, скажем, по полю («вверх»). «Грубая сила» (фактор Больцмана) даже при сверхнизких температурах (0.03°K ) и сверхвысоких полях (15T) дает мизерную поляризацию (0.034%). B +1/2 -1/2

  8. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) В методе ОНОМ сначала поляризуютатомы в метастабильномсостоянии (J = S = 1).МС-уровеньс учетом сверхтонкого взаимодействия расще-пляется в магнитном поле на поду-ровни: два сI↑↓J , четыре сI↑↑J.Они характеризуются проекциями F на магнитное поле(магнитными кван-товыми числами m =3/2, 1/2) B -1/2 +1/2 +3/2 +1/2 -1/2 -3/2 +1/2 -1/2 Черные стрелки – полный электронный моментатома J Красные стрелки – спин ядраI

  9. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Если вдоль магнитного поля направить право-поляризованный свет с частотами переходов 23S1 – 23P0, переходы будут происходить только из состояний с m<0. +1/2 -1/2 s+ B -1/2 +1/2 +3/2 +1/2 -1/2 -3/2 +1/2 -1/2

  10. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) (ударное перемешивание) +1/2 -1/2 Уровень 23P0 с малым вре-менем жизни спонтанно вы-свечивается практически с равной вероятностью на каждый из подуровней МС. B -1/2 +1/2 +3/2 +1/2 -1/2 -3/2 +1/2 -1/2

  11. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Газ из атомов гелия-3 в колбе.

  12. B Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Магнитное поле ● задает ось динамической поляризации, ● позволяет сохранить полученную поляризацию

  13. B Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) ● ядра неполяризованы ● подавляющее большинство атомов – в основном состоянии (ОС) ● доля атомов в метастабильном состоянии (МС) слишком мала

  14. B Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) РЧ- катушка

  15. B Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Лазер и преобразователь линейно-поляризованного света в циркулярно-поляризованный. Фотоны с правой поляризацией, направленные вдоль стационарного поля, возбуждают только атомы в МС с m < 0

  16. B Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Обратный излучательный переход происходит, как правило, после ударного перемешивания возбужденных состояний, что влияет на скорость накачки,и в данном случае не принципиально.

  17. B Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) После излучательных переходов доля атомов в МС с m<0 уменьшается. Эти атомы вновь взаимодействуют с фотонами.

  18. B Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) В приближении невзаимодействующих атомов почти все метастабильные атомы бу-дут переведены в состояния 23S1 с m>0за характерное время tp - время накачки МС

  19. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) 1. Столкновения атомов при которых атомы 3He обмениваются состояниями «основное»-«метастабильное» (т.н. обмен метастабильности - с ним связано название метода ОНОМ).

  20. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Фундаментальную роль для конвертирования поляризации МС в поляризацию ядер атомов в ОС играет сверхтонкое взаимодействие, которое включает ядерные спины в игру при обмене метастабильности(ср. оптическая накачка МС).

  21. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) 2. Сумма угловых моментов при столкновениях сохраняется для МСс m>0: 1)обмен метастабильности с атомами в основном состоянии с ядерными спинами «вверх»не меняет их поляризацию

  22. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)

  23. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) 2)обмен метастабильности с атомами в основном состоянии с ядерными спинами «вниз»увеличивает их поляризацию (долю атомов с ядерными спинами «вверх»)

  24. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)

  25. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Поляризованные фотоны вновь перебрасывают состояния с m<0в состояния с m>0: 23S1 (m<0) 23P0 23S1(m>0)

  26. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) 3. Обмен поляризации через диполь-дипольное взаимодействие при столкнове-ниях атомов возможен, носоответствующеесечение SF-рассеяния слишком мало.

  27. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) 3. Обмен поляризации через диполь-дипольное взаимодействие при столкнове-ниях атомов возможен, носоответствующеесечение SF-рассеяния слишком мало.

  28. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) T2 При tp=0 (мгновенная накачка) и при условии взаимодействий только между ансамблями атомов в МС и ОС ядра атомов в ОС поляризовались бы за харак-терное время T2

  29. Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP) Более реалистичная модель: Кроме tpиT2 , trиTr– релаксаци-онные времена пе-рехода к равновес-ному неполяризо-ванному состоя-нию ансамбля атомов, соответст-венно, в МС и ОС при tp=  и T2=   [Phys.Rev. 132 (1963) 2561] – равновесный уровень поляризации ядерных спинов Tp=Tp(tp,T2,tr,Tr) – «время накачки» (характерное время достижения уровня P0) T1=T1(T2,tr,Tr) – время релаксации ядерных спинов(при tp= и T2#) ►

  30. Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP) ●Давление 3He:1- 3 атм. и более (в методе ОНОМ: 0.0007- 0.001 атм). ● Добавляются пары Rb + печка 160-220°С для увеличения давление паров (на несколько порядков). ● Лазер и преобразователь линейно-поляризованного света в цирку-лярно-поляризованный. Также как в методе ОНОМ, сверхтонкое взаимодействие в атоме Rb при оптической накачке не играет принципиальной ролиможно использовать 2-х уровневую модель оптической накачки.

  31. Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP) 2-уровневая модель оптической накачки Rb 52S1/2 ●Валентные электроны Rb (щелочной металл) поляризуются на уровне52S1/2: S-1/2P1/2 (P1/2↔P-1/2)(S1/2, S-1/2) (вверх электроны переводятся поляризо-ванными фотонамис одного подуровня, а вниз - благодаря ударному перемешива-нию подуровней(P1/2↔P-1/2)- переходят на оба подуровняS1/2, S-1/2. ●Необходимо подавить излучательный переходP1/2S-1/2(данный фонон вызы-вает нежелательный переходS1/2P-1/2на другом атоме Rb). Для этого добавляют гасящий газ N2– энергия переводится в его колебательную и вращательную степени свободы. t(52P1/2)  27 ns

  32. Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP) Стандартный метод ОНСО ●Электронная поляризация Rb передается ядрам 3He во время столкновений со спиновым обменом (отсюда название метода - ОНСО). ● Также как в методе ОНОМ, для конвертирования электронной поляризации Rb в поляризацию ядер 3He фундаментальную роль играет сверхтонкое взаимодействие.Природа сверхтонкого взаимодействия другая: атом 3He проникает в облако валент-ного электрона Rb, который взаимодействует сядром 3He через электронную оболочку 3He; сечениеsSE= 1.2*10-24 см2 (ср. sME= 4*10-16 см2).Tp = 2-4 суток

  33. Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP) Гибридный метод ОНСО ●Гибридный метод ОНСО: добавляются пары К, атомы которого быстро поляри-зуются при столкновениях с атомами Rb и на порядок эффективнее конвертируют поляризацию в поляризацию ядер 3He.Tp < 1 суток.

  34. Методы поляризации 3Не: сравнение (*) 1/T1 = 1/Tcell+1/Tmagn 1/Tcell = 1/Tdd+ 1/Twall

More Related