Эффекты сверхизлучения и частотной модуляции в поляризованных мишенях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
|
Киселев, Юрий Федорович
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Дубна
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1997
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ЗЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РГб ОД 13-98-116
- 8 ИЮН 1^98 На правах рукописи
УДК 539.143.4/5
КИСЕЛЕВ Юрий Федорович
ЭФФЕКТЫ СВЕРХИЗЛУЧЕНИЯ И ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ В ПОЛЯРИЗОВАННЫХ МИШЕНЯХ
Специальности: 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Дубна 1998
Работа выполнена в Лаборатории сверхвысоких энергий Объединенного института ядерных исследований.
Научный консультант:
доктор физико-математических наук, профессор
Савин
Игорь Алексеевич
Официальные оппоненты:
Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук
Абов Юрий Георгиевич
доктор физико-математических наук, профессор
доктор физико-математических паук, старший научный сотрудник
Нурушсв
Сергей Байтемирович
Строковский Евгений Афанасьевич
Ведущее научно-исследовательское учреждение:
Институт теоретической и экспериментальной физики г. Москва.
Защита диссертации состоится "/'У " ¿¿'¿¿Р ¡998 г. в ^ часо1
на заседании диссертационного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоки: энергий Объединенного института ядерных исследований по адресу: 141980, г.Дубна Московской области, ЛВЭ ОИЯИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 71ВЭ ОИЯИ. Автореферат разослан " ^ 1998
Ученый секретарь диссертационного Совета
доктор ф>.- м. наук, профессор ¿УС^п? 1>> С<- 1СМ. Ф.Лихачев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Основное направление и актуальность темы. В начале 60-х годов Лондон, Кларк и Мендоза [1] предложили и в Дубне (ОИЯИ) [2] был реализован новый метод получения стационарных сверхнизких температур растворением жидкого 5Не в 4Не. Примерно через десятилетие новая область температур ниже 0.5 К была освоена настолько, что появилась возможность создания поляризованных мишеней нового "замороженного" ¡типа [3, 4], пригодных для исследований в области спиновой физики элементарных частиц. Вещество мишени, в состав которого вводят парамагнитные примеси, помещают в магнитное поле и охлаждают до сверхнизких температур, обычно ниже 0.1 К. Ядерная поляризация получается при микроволновом облучении электронных спинов парамагнитной примеси вблизи линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В результате "динамического охлаждения" [5] удается получить почти 100 % поляризацию протонов и 60% - дейтронов. Благодаря сверхнизким температурам, ядерные спины оказываются практически изолированными от решетки, представляя собой "спиновый газ", но с плотностью ядер, характерной для конденсированного состояния. Облучение такого "газа" поляризованными мюонами позволяет исследовать спиновую структуру его носителей - нуклонов. В процессах глубоко неупругого рассеяния (ГНР) [6] сечение реакции зависит от поляризации мюонов и составляющих мишень поляризованных нуклонов. Эта зависимость выражается через так называемые структурные функции, которые характеризуют вклад в спин нуклонов его конституентов - кварков. Таким образом эксперимент позволяет анализировать фундаментальную проблему: из спинов каких составляющих складывается суммарный спин нуклона 1/2?
Экспериментальное исследование "спинового газа": его плотность, поляризация, динамика поляризации, процессы теплообмена и релаксации в спиновых системах, явление сверхизлучательной (СИ) генерации и усиление поляризации модуляцией микроволнового поля накачки - составляют предмет данной диссертации. В результате исследований удалось достигнуть рекордных параметров крупнейшей в мире мишени SMC-коллаборации в CERN. При этом
была разработана теория Ливерпульского С?-метра - прибора для измерения ядерной поляризации, обнаружены эффекты сверхизлучения ядерными магнитными моментами и усиления поляризации частотной модуляцией СВЧ-поля, предложен метод исследования спинов радиоактивных ядер и проверена возможность создания тонких мишеней охлаждаемых пленкой сверхтекучего 4Не.
Теория и техника поляризованных мишеней находятся в непрерывном развитии. Эта область экспериментальной физики включает вакуумную технику, технику сверхнизких температур, электродинамику СВЧ-резонаторов, квантово-механические расчеты и тончайшие радиотехнические измерения сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) - набор дисциплин, характерный для техники современного физического эксперимента.
Цель работы - исследование поведения поляризованных спиновых систем при сверхнизких температурах.
В диссертации ставятся и решены следующие задачи:
1. Создание теории измерения ядерной поляризации (^-метром.
2. Разработка метода измерения поляризации ядер спина 1.
3. Обнаружение и исследование эффекта сверхизлучательной генерации магнитными моментами поляризованных ядер.
4. Обнаружение и исследование модуляционного эффекта.
5. Теоретическое и экспериментальное изучение возможности поляризации редких радиоактивных ядер методом "динамического охлаждения".
6. Исследование возможности создания тонкой поляризованной мишени, охлаждаемой сверхтекучей пленкой 4Не.
Научная новизна.
1. Получена формула, позволяющая вычислить ядерную восприимчивость по спектру принимаемого сигнала.
2. Показано наличие ложной асимметрии в дейтронных спектрах и разработан алгоритм для ее коррекции.
3. Разработан метод определения поляризации ядер спина 1.
Обнаружен и исследован эффект коллективного сверхизлучения системой поляризованных ядерных магнитных диполей.
Обнаружен и исследован модуляционный эффект, усиливающий ядерную поляризацию мишеней. Показано, что
модуляционный эффект относится к явлениям пространственной дисперсии, связанным с неоднородностью насыщающего микроволнового поля; модуляция частоты усиливает парамагнитное поглощение в мишени; при насыщающих СВЧ-полях наличие пространственной дисперсии ведет к появлению в ЭПР-линии боковых сателлитов.
Впервые на действующей бутанольной мишени получена кривая насыщения парамагнитного резонанса при сверхнизких температурах. Предложен новый метод исследования спинов радиоактивных ядер с использованием кросс-релаксационного усиления поляризации. Проверена возможность создания тонких поляризованных мишеней, охлаждаемых сверхтекучей пленкой 4Не. ракггическая ценность работы.
Достигнуты рекордные параметры крупнейшей поляризованной мишени CERN, обеспечившие удвоение набора статистики в SMC-экспериментах с дейтронной мишенью. В объеме 2.5-литровой мишени достигнута 96 % поляризация протонов и -60 % поляризация дейтронов.
Предложена модификация Ливерпульского Q-метра, позволяющая наблюдать неискаженную ядерную восприимчивость материала.
Обнаружен и исследован эффект сверхизлучения системой поляризованных ядер.
Уточнено условие самовозбуждения квантовых генераторов.
Уточнена формула для расчета чувствительности ЯМР-спектрометра с
гибридным приемным контуром.
Решена проблема расчета и измерения поляризации фоновых ядер азота в аммиачной поляризованной мишени.
Обнаружен и исследован эффект модуляционного усиления поляризации.
8. Предложена новая методика исследования спинов радиоактивных ядер.
9. Показана возможность создания сверхтонких поляризованных мишене нового типа, охлаждаемых сверхтекучей пленкой 4Не.
На защиту выносится:
1. Уравнение, в замкнутой форме описывающее систему измерения ядерно поляризации мишеней.
2. Предложение по модификации Ливерпульского Q-метра для точного во( становления формы линии поглощения и дисперсии ядерной восприимчивост мишеней.
3. Аналитический расчет гибридных контуров и формула для расчета и чувствительности.
4. Метод расчета поляризации ядер спина 1.
5. Обнаружение эффекта сверхизлучения системой отрицательн поляризованных ядерных магнитных моментов и исследование СИ-генератор радиоволн в мегагерцовом диапазоне.
6. Обнаружение модуляционного эффекта и наблюдение эффекта пространс-венной дисперсии в электронном парамагнитном резонансе.
7. Предложение метода исследования спинов радиоактивных ядер с испол: зованием кросс-релаксационной поляризации.
8. Предложение по созданию сверхтонких поляризованных мишеней новог типа, охлаждаемых сверхтекучей пленкой 4Не.
Личный вклад автора. Исследования по теме диссертации выполнялис автором диссертации, начиная с 1968 года и по настоящее время в ОИЯИ, ЛШМ ИФВЭ и CERN. В составе группы поляризованных мишеней ЛЯП ОИЯИ был выполнены работы по исследованию и созданию, по-видимому, первс поляризованной протонной мишени нового "замороженного типа" [3]. Вклг автора диссертации в эту работу представлен в его кандидатской днссертащ "Динамическая поляризация протонов при сверхнизких температурах" [4]. качестве представителя ОИЯИ в ЛИЯФ автор руководил работами по создани первой в России спиртовой дейтронной поляризованной мишени. Начиная с \9С,
и по 1996 год, непрерывно участвовал в исследованиях на крупнейшей ЕМС, затем в создании и исследованиях SMC-мишени в CERN (Женева).
Теория и анализ системы измерения поляризации мишеней и методика расчета поляризации ядер азота разработаны автором диссертации. В численных расчетах автору помогали Ch. Dulya (Univ. Of California) и Т.О Niinikoski (CERN). Идея расчета асимметрии по спектру дейтронного сигнала предложена совместно с В.В. Поляковым (ЛИЯФ), аналитический аппарат расчета разработан индивидуально. Анализ гибридных контуров выполнен индивидуально. Анализ уравнений Блоха с учетом фазовых характеристик резонатора выполнен индивидуально, экспериментальные данные по СИ получены совместно с А.Ф. Прудкоглядом, который под руководством автора диссертации по результатам этих исследований защитил кандидатскую диссертацию [7]. Модуляционный эффект был обнаружен автором диссертации в составе SMC-коллаборации; в получении данных участвовал A. Kishi (К.ЕК, Япония), A. Magnon (Франция), S. Bültmann (Германия) в анализе - Т.О. Niinikoski (CERN). Идея применения "динамического охлаждения" к исследованию радиоактивных ядер была предложена автором диссертации, аналитический анализ метода проведен совместно с М.И. Подгорецким и В,Л. Любошицем. Кросс-релаксационное усиление поляризации ядер азота экспериментально обнаружено в CERN при анализе данных, полученных автором диссертации; оценку усиления выполнил J. Kyynäräinen. Идея использования сверхтекучей пленки 4Не для охлаждения тонких мишеней предложена индивидуально. Исследования в этом направлении выполнены в институте П. Шеррера (PSI) совместно с Группой S. Mango. Апробация работы и публикации. Работы, выполненные в диссертации, включая промежуточные результаты, тщательно обсуждались на митингах SMC-коллаборации в CERN и ОИЯИ, докладывались автором на международных конференциях в Ванкувере (Канада), Бад-Хоневе (Германия) и Свободном университете г. Амстердама (Голландия). Диссертация написана на основе 28 публикаций, опубликованных в ЖЭТФ, Письмах в ЖЭТФ, Cryogenics, Mod. Phys.
Lett., Phys. Lett., ПТЭ, Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res., в докладах международных конференций, препринтах и кратких сообщениях ОИЯИ, PSI и CERN. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка публикаций и используемой литературы; содержит 150 страниц, 5 таблиц и 6] рисунок.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Введение. Обосновывается актуальность и раскрывается содержание темы диссертации, сформулирована цель работы, представлен план диссертации и список используемых работ, далее излагается содержание диссертации по главам. Первая глава. Поляризованная мишень в исследованиях спиновой структуры нуклонов. Кратко излагается идея эксперимента по исследованию структурных функций ядра, дается оценка асимметрии в ГНР, приведена схема эксперимента и сформулированы требования к необычной конструкции мишени в SMC-эксперименте [1А, 2А].
Вторая глава. Краткое описание SMC- мишени. Содержит краткое описание
Рисунок 1. Характерное поведение поляризации при ее накачке в трех материалах, используемых в ЙМС-экспе-римекгах. Приведены рабочие характеристики БМС-мишени, полученные в условиях периодического реверса поляризации с 5 часовым интервалом. Потери при реверсе несколько снижают величину максимальной поляризации.
"" 0 10 20 30 40 50 Время (час.)
метода динамической поляризации ядер (ДЛЯ), названного "динамическим
охлаждением" (ДО), в высокотемпературном и низкотемпературном
приближениях. Приведен табличный обзор характеристик основных материалов
мишеней В качестве иллюстрации использованы авторские данные по динамике
б
1акачки ядерной поляризации в D-бутаноле, Н-бутаноле и аммиаке, показанные ia Рис. 1, и данные по ядерным временам релаксации в пропандиоле в широком штервале полей и температур [ЗА]. В связи с обнаруженным модуляционным силением поляризации (см. Гл. 6) [4А, 5А, 6А], отмечается, что микроско-шческая теория ДЛЯ не учитывает соотношение диэлектрических и магнитных ютерь в материале, от которого, при заданной степени насыщения ЭПР-линии, ущественно зависит температура решетки и максимальная поляризация. Лаксимальная величина достигаемой поляризации протонов и дейтронов равна :96% и +54%, -60%, соответственно.
Кратко описана конструкция рефрижератора растворения SMC-мишени 8]. Его система откачки 3Не обеспечивает огромную скорость циркуляции в [иапазоне 0.027+0.35 мол/с восьмью последовательно включенными ерметизированными насосами фирмы Roots с производительностью 13500 м3/ч. Лаксимальная холодопроизводительность достигает 3 ватт при температуре 0.75 С. Минимальная температура, достигнутая при длительном охлаждении в ггсутствие пучка составила 35 мК, рабочая температура 60+80 мК. Расход 4Не :олеблется в пределах 15+40 л/ч. Температурные измерения ниже 10 К основаны ia композиционных (Allen Bradly, Speer) или RuO термометрах. Кроме этого, ipeer и RuO термометры использовались в качестве болометров микроволновой ющности в резонаторе. В графическом интерфейсе задействован коммерческий [акет программ SL-GMS; он поддерживается UNIX-платформами и X-ерминалами. Управляющие программы основаны на VME-процессорах. контролируется более 100 криогенных параметров [8]. В заключение приводятся :анные по магнитной системе мишени.
"лава 3. Измерение ядерной поляризации мишеней. Анализируется 1иверпульский Q-метр [9], схема которого приведена на Рис. 2. Прибор ювсеместно используется для измерения ядерной поляризации в экспериментах га рассеянию элементарных частиц. Теоретические исследования работы [рибора, выполненные до сих пор, обычно основывались на разложении
выходного напряжения СЬметра в ряд по степеням ядерной восприимчивое
Мишень
Фазовый кабель
Г Фазо-; вращатель
Д:
Т(4)) рорчта V
(3-14)!
Рис. 2. Блок-схема Ливерпульского О-метра. Связь между восприимчивостью материала и выходным напряжением дается уравнением (!); в диссертации - это уравнение (3-14). Пунктиром показаны недостающие элементы, которые необходимы для точного восстановления восприимчивости.
[7А]. Такой анализ не обеспечивает точный расчет корректирующих поправок при больших сигналах, когда спектры ЯМР-сигналов принимаются с сильны.ч нелинейными искажениями. Получено уравнение, которое в замкнутой форл выражает восприимчивость через параметры приемного контура и комплексш напряжение на выходе С)-метра [8А]:
-ЖсС2(са)
{5(й))-иТ(о>)}
соЬ
I - р-'Д^СЫсоБЬ^рр + [1 + р(к-1 / шС,,)]1апЬ(}/)}{5Ы + ¡Т{со)
(
где (д = 2ку, V- частота радиочастотного генератора, Г|- фактор заполнен! катушки материалом, Ь - индуктивность катушки при % = 0, С - емкосп настройки, у = а + /Д; а - усредненная постоянная затухания, ¡5 - фазовг константа. Функция = хХ03) ~ 'X 'X03) является ядерной восприимчивость] материала. Анализ уравнения (1) и экспериментальные исследования приводят следующему заключению: при воспроизведении сигнала возникают сильнь амплитудные и частотные искажения спектра, показанные на Рис. 3. Для полнот восстановления натуральной восприимчивости необходимо измерять ка реальную 8(<а), так и мнимую Т(ш) компоненты сигнала. С этой целью в схем прибора на Рис. 2 необходимо добавить элементы, обозначенные пунктиром. Те:
1е менее, из общих соображений удается показать, что интеграл от $(а>) дает сорошее приближение к действительной поляризации даже при значительных «линейных искажениях спектров. Например, отношение интегралов сигналов
1 О
Рисунок 3. При одной и той же величине и форме линии ядерной восприимчивости материала, нелинейные искажения спектров зависят от знака поляризации. Для сравнения сигнал отрицательной поляризации инвертирован.
X н
О
Я
^0.5
I
а о
106 2
положительная поляриз
106 5 Частота (Мгц)
голожительной и отрицательной поляризаций ±90%, показанных на Рис. 3, оставляет 0.98, несмотря на практически разную форму линии выходных игналов. Показано [8 А], что это обстоятельство связано с наличием ниверсальной закономерности, обеспечивающей примерную независимость штегральных измерений от спектральных искажений. Уравнение (1) позволяет [росчитать форму линии в широком диапазоне частот; результат расчета показан [а Рис. 4. В результате анализа определяется зависимость корректирующих юправок от положения базовой линии развертки при интегрировании спектра. 1алее рассматривается влияние включения коаксиального кабеля в приемный онтур С?-метра на его чувствительность [9А], под которой понимается тношение мощности поглощенной спиновой системой ядер к мощности потерь контуре (Р, Рг). Зависимость чувствительности от длины кабеля имеет вид [9А]:
Р, 1 +
О 7> = 7 -
яе
1.0
о
§
Я 0.5
н
Рисунок 4. Протонный сигнал рассчитанный в широком интервале частот по точной формуле (1). Видны сателлиты на боковых частотах. Такие сателлиты наблюдатись в ЭПР-спектрах на микроволновых частотах.
0.0
40 « 80 100 120 140 160 Ж Частота (Мгц)
(3
Здесь г -сопротивление катушки, Ио - учитывает передачу мощности во входнук цепь усилителя и потери в конденсаторе (С), 0 - добротность гибридногс контура, - индуктивность катушки, р - волновое сопротивление кабеля Уточнены и формулы для сдвига резонансной частоты контура при расстройке которая также зависит от длины кабеля, включенного в приемный контур [9А
где ш0 - резонансная частота контура. Соотношения (2-И) справедливы и дл параллельного контура. Формула (2) корректирует хорошо известное в техник ЯМР соотношение Робинсона [10], справедливое для простого приемного контур без кабеля; оно получаюется из (2) при 1 = 0. Полученные уравнения позволяю оптимизировать приемный контур при измерении сверхслабых ЯМР-сигнало! Например, показано, что при измерении спектров азота в аммиачной мишен использование кабеля длины I < Ш вместо / = М2 дает выигрыш в отношени сигнал/шум в 3.2 раза. Численные расчеты хорошо согласуются с данным эксперимента.
10А, НА]:
(4
1етвертая глава. Измерение поляризации ядер спича 1 = 1. Исследуется лияние квадрупольного взаимодействия на процесс установления внутреннего авновесия в спиновых системах [5А, 12А]. Исследование осуществляется равнением поляризации, измеренной по сигнальной асимметрии и [нтегральным методом. Экспериментальные данные получены для дейтронов в )-бутанольной мишени и для фоновых ядер 14М-азота в аммиачной мишени 13А]. В обоих материалах тензор градиента электрического поля обладает ксиальной симметрией. Интенсивность дейтронных ЯМР-сигналов оказывается [римерно в 100 раз ниже протонных, однако сигналы ядер азота оказались еще [римерно на два порядка меньше дейтронных. С учетом квадрупольного заимодействия, энергия каждого из расщепившихся в магнитном поле юдуровней спиновой системы (I = 1), в зависимости от магнитного квантового тела т имеет вид [11]
Ет=Е0-Е,т + Е2т\ (5)
де
Е0 =~2Ике(зсоя2 6>-1), Е,=Иуа, Е2 = ЗЛ^Зсов2 6>-1). (6) ¡десь Уп = УбНо - центральная частота спектра, у0 - гиромагнитное отношение
Рисунок 5. Седловые точки сигнала, которые используются в формуле (8) для расчета поляризации по асимметрии сигнала.
X = 2 4 у/уа
;ейтрона, у(. = 1 / 8\е2цС>/ г|), е(3 - величина градиента электрического поля вдоль
главной оси градиента, eq - квадрупольный момент дейтрона; 8 - угол межд; направлением магнитного поля Н0 и главной осью тензора градиент; электрического поля. В разных ядрах соотношение Е2/Е1 может меняться. Е случае дейтронов в бутаноле или пропандиоле Е2/Е1 ~ 0 с точностью 0.6 % и очевидно, Е2 = 0 является хорошим практическим приближением для расчетг поляризации. Однако для ядер 14N (Е2<0) в аммиачной мишени асимметрия измеренная при поляризациях близких к нулю равна
где w(i = -1, 0, 1) - заселенности магнитных подуровней с проекциями -1, 0, 1, соответственно, и квадрупольное взаимодействие необходимо учитывать. Когда Е2 = 0, для расчета поляризации применим метод, названный нами "Folding asymmetry method" [14А]. Идея заключается в следующем. Спектр ЯМР дейтронов
Рисунок 6. Форма Г(х)-линии в пропандиоле, полученная по уравнениям (9, 10). Небольшой пик на склоне линии - это остаток от .Г-линии при оптимизации И..
состоит из суммы двух взаимно перекрывающихся линий Г(х1) и Г(хО (см. Рис. 5) соответствующих переходам ш = +1 <-» т = 0 и т = 0 <-> т = -1. Уравнение [15А]
5(+1)-5(0)/л/2
R -
(8)
полученное в диссертации, позволяет рассчитать асимметрию дейтронного спектра по амплитудам трех седловых точек, расположение которых на спектре показано на Рис. 5. Вычислив Я, можно не только рассчитать поляризацию, но и
12
найти форму линии обоих магнитных дипольных переходов Г(х,) и Т(х,) по формулам:
' ) = т^гт + 'И*, )+{R~ )]. (9)
(г^р^^/г-Оф^-Сл-нЦлг,)], (Ю)
в которых ) = ./"(у,) + ./ (у,)- спектр дейтронного сигнала, ('(*,)- его
симметричная и асимметричная компоненты. На Рис. 6 показана форма
линии одного из двух переходов в пропандиоле - результат расчета по уравнениям (9, 10). Показано, что система измерения поляризации вносит в спектр ложную асимметрию [5А], которую необходимо учесть при определении поляризации. Описана процедура коррекции дейтронных спектров на ложную асимметрию. Затем величина поляризация, измеренная по асимметрии, сравнивается с данными интегрального метода. При высоких значениях ядерной поляризации оба метода показывают хорошо совместимые величины поляризаций. Однако, при абсолютных величинах поляризаций менее 15+20° о сравнение результатов обнаруживает значительное расхождение с предсказаниями EST-гипотезы (Equal Spin Temperature), демонстрируя отсутствие Больцмановского распределения в спиновой системе [12А]. Проблемы, связанные с установлением Больцмановского равновесия в многоуровневых спиновых системах, в значительной мере возрастают при увеличении квадрупольного взаимодействия; это показано на примере исследований фоновых 14М-ядер в аммиачной мишени [13А, 16А]. Здесь, из-за огромной ширины ЯМР-линии, невозможно измерить интегральную интенсивность сигнала, а, из-за медленного установления равновесного распределения в изолированной спиновой системе, иногда нельзя определить поляризацию по асимметрии формы линии. Измерения проводились на частоте Vn = 6.47 МГц в поле 2 1 Тл Амплитуды сигналов оказались столь малыми, по сравнению с дрейфом базовой линии, что с трудом регистрировались даже более чем в двести раз усиленные сигналы; эти спектры показаны на Рис. 7.
Рисунок 7. Сравнительные величины интенсивностей У и Г вблизи пиков спектра |4М. Средняя часть спектров "вырезана". чтобы яснее показать соотношение амплитуд. Усредняется 5x2000 сигналов. Отношение амплитуд соответствует отрицательному значению Е: в форму ле (5).
О 100 200 300 400 0 100 ZOO зоо юо Номера каналов
Было установлено, что при снижении ведущего поля магнита наступает эффективное тепловое смешивание между протонной и 14N спиновыми системами. В результате поляризация фоновых ядер азота возрастала в несколько раз за счет перераспределения заселенностей при тепловом смешивании. Показано, что процесс восстановления нового равновесного распределения в отсутствие СВЧ-накачки, по-видимому, определяется длинными временами спин-решеточной релаксации, так как при широких спектрах ядер азота он должен быть связан с несохранением зеемановской энергии спинов в поле. Это означает, что в отсутствие СВЧ-накачки неравновесное распределение в такой спиновой
Рисунок 8. При расчете поляризации 11 Ыа нужно пользоваться я 015 формулой (II); в наших опытах С | 010
= (9.4 мВ)'1. При сильном квал- а
№ 0 0<1
рупольном уширении расчет « поляризации по асимметрии 3 ооо может привести к большим я ошибкам из-за огромного времени §.4105 установления теплового равнове- § -о и сия в таких спиновых системах. К
-0.15 -0.20
R 9.4 мВ
Теория Сумма амплитуд (эксперимент)
-1.0 -0 8 -04 -0 2 0 0 0 2 0.4 0 в 0.8 1.0
Протвнная поляризация
системе может быть "заморожено". Чтобы сохранить контроль над поляризацией фоновых ядер азота, эксплуатацию аммиачной мишени целесообразно осуществлять только в режиме непрерывной динамической поляризации ядер. Тогда механизм ДЛЯ способствует установлению Больцмановского
^определения с единой спиновой температурой в любых спиновых системах, [оказано, что в отсутствие равновесия сумма интенснвностей пиков спектра
5= J[/t(v) + /_(v)]r/K*c{.r('T/2)+ J-(/r/2)], (II)
ie коэффициент С - калибровочная константа, значительно лучше >гласуется с равновесной EST-кривой [13А, 16А], чем поляризация, несчитанная по асимметрии спектра; это иллюстрируется на Рис. 8. Главным пультатом, проделанных выше расчетов, является то, что они полностью 1скрывают особенности поведения спинов фоновых ядер азота в аммиачной ишени, которая сейчас может рассматриваться в качестве полностью зределенной физической среды для проведения экспериментов в области изики элементарных частиц.
ятая глава. Обнаружение и исследование эффекта сверхизлучения.
Описаны эксперименты по обнаружению и исследованию ¡ерхпзлучения (СИ) ядерных магнитных диполей [17А, 18А, 19А]. В отличие г оптического и инфракрасного диапазонов волн вероятность спонтанного ¡лучения на радиочастотах пренебрежимо мала [12], вследствие чего на
1 5
в
Й о
а 100 SM 300 400
Номер канала
Рисунок 9. Разрушение отрицательной поляризации мишени сверхизлучением при реверсе. Первоначальная поляризация (тонкие пунктирные линии) стимулирует СИ, после чего ядра приобретают положительную, либо резко понижают первоначальную величину, поляризации. Излучение можно легко детектировать также и низкотемпературными болометрами.
VY _
J 7 ."1 г t I 1 ■ .-•
№6,! До СИ Р - - 92 % 4) NHj
—№6, Р - т. Р -+22% После СИ — -57% После СИ
щиочастотах невозможно реализовать генерацию без резонатора, хотя оретически такая возможность обсуждается. В слабо усиливающих :тивных средах генерация изучалась при исследовании работы резонансного 1зера на аммиаке, поэтому, следуя [13], будем называть ее генерацией 1азерного'' типа. В мазерном генераторе спины компенсируют потери в
резонаторе, но его связь со спиновой системой слишком слаба, чтобы образоват: единую связанную колебательную систему. Нам удалось показать, что выш' некоторого порога ядерной поляризации, возникает другой сверхизлучательны! тип когерентной генерации. Интенсивность СИ-генерации пропорциональн квадрату числа излучателей. Рис. 9 иллюстрирует разрушение поляризацш протонов сверхизлучением в процессе реверса отрицательной поляризации SMC мишени. При однородной начальной поляризации мишени, СИ инвертирует шп сильно понижает величину конечной поляризации, в зависимости от величин! локального градиента поля ведущего магнита. Другими словами, СИ нарушае нормальную эксплуатацию мишени. Выполнена оценка возможност] возникновения СИ сравнением потерь в резонаторе с отрицательны? сопротивлением, вносимым в контур спиновой системой ядер.
Рисунок 10. Существует два вида генерируемых импульсов: СИ (левый) и МГ (правый) с совершенно различным поведением от величины начатьной поляризации.
Далее описаны ранние эксперименты автора по обнаружению радиочастотной сверхизлучения [17А, 18А]. В ходе экспериментов было установлено, что npi поляризациях -(39-ь45)%< Р<-9%, где нижняя граница зависит от скорост! развертки поля, система детектирует единственный импульс мазерной генерацт (МГ) с длительностью, достигающей 0.3 с; правый импульс на Рис. 10. ( увеличением начальной поляризации появляется второй короткий СИ-импульс левый импульс на Рис. 10. На Рис. 11 в развернутом виде показана форма этоп СИ-импульса, которая в соответствии с теорией оптического СИ описываете уравнением [14]
/
СИ- импульс
20-
15
10-
МГ- излучение
О 40 ВО 120 160 200 240 280 Время (мс)
/(/) ос see/;
('-'о)
(12)
где to - время 'задержки, т - время, характеризующее ширину импульса. Отличное совпадение формы линии СМ с reopneii подтверждает ее универсальность в приложении к магнитному СИ. В споен основополагающей работе Дикке [15] показал, что система N инвертированных спинов может спонтанно перейти в основное состояние за время, обратно пропорциональное числу излучателей (тс ~ NM). Поскольку полная энергия, излучаемая коллективом N атомов, очевидно равна Nlivo, где vo -частота перехода и h - постоянная Планка, то интенсивность излучения
Joe i\hvi: / г ос N2 (13)
должна содержать член пропорциональный N2. Эффект обусловлен наведением корреляции между моментами перехода пространственно разделенных излучателей, взаимодействующих друг с другом через поле излучения [19Л]. На Рис. 12 представлены зависимости площади МГ
и СИ-ИМПульсов от величины начальной Рисунок П. Теоретическая н экспериментальная формы СП-импульса при поляризации [18А]. Видно. ЧТО при двух значениях начальной поляризации мишени [17Д. 18Л].
невысоких поляризациях доминирует
некогерентная компонента излучения, т.е. МГ. По мере роста поляризации, происходит перераспределение энергии еппновой системы в пользу сверхизлучения (см. Рис. 12). На Рис. 12 показана зависимость максимальной интенсивности СИ-нмпульса и длительности СИ от поляризации - тс(Р) |18/\|. Из рисунка хорошо видно, как универсальные зависимости тс ~ 1/N и .1 ос N\
О 1Ü 20 30 40 Бремя lO/is/канал
1.0
Рисунок 12. Зависимость 5мг. 5СН. 1 и 1С„ от начальной поляризации. Вилно. что при поляризации -40 °о существует порог, после которого появляется СИ.
Протонная поляризация
справедливые для любого СИ процесса [15], реализуется в магнитном СИ. Так начальный участок кривой тс ~ 1ЛЧ ~ 1/Р имеет характерную форму гиперболы, а
Помимо оригинальных исследований, анализ нашего эксперимента выполнен в работе [16]. Аналитическое решение [16] дает форму СИ-напряжения, хорошо совпадающую с общей формулой (12) и формой наблюдаемых импульсов. В результате анализа уточнено условие возбуждения квантового генератора (в него добавляется соэ-член) [20А]:
где Т« - время радиационного затухания колебаний в резонаторе, 0 - добротность резонатора, г|- фактор заполнения, т20 - начальная намагниченность и б -параметр, описывающий расстройку резонатора относительно ларморовской частоты спинов. Рассматривается влияние расстройки частоты резонатора на поведение СИ и исследуется механизм "захвата" резонансной частоты спиновой системой ядер [20А]. Показано, что длительность МГ- импульса растет, а длительность СИ-импульса уменьшается с ростом начальной поляризации (см. Рис. 12). Как следует из расчетов Блума [17], уравнения Блоха не дают даже качественного объяснения расширению длительности МГ-импульса. Причина несоответствия эксперименту уравнений Блоха заключается в том , что они не
интенсивность - параболическую зависимость I к Р2 от ядерной поляризации.
(13)
штывают комплексного характера импеданса резонатора, расстроенного гносительно частоты спиновой прецессии. Показано, что в условиях СИ-;нерации намагниченность в уравнениях Блоха перестает быть "хорошей еременной" из-за сильной связи спинов с полем резонатора [16]. Поэтому оведение радиочастотной генерации оказывается существенно сложнее, чем при азерной генерации. Получена модифицированная система уравнений Блоха, гшение которой дает зависимость частоты СИ генерации от взаимной асстройки резонатора по отношению к ларморовской частоте [20А]
ёф
= — = со0 +укМг &т<рсо$ф. (14)
та формула совпадает с ранее полученным результатом в работе [18]. В ыполненных нами экспериментах, угол ф изменяется, поэтому частота гнерации (14) отличается от ларморовской частоты свободных спинов со0. Так на астоте 2.1-107 Гц эта разность достигала огромной величины 105 Гц. В включении отмечается, что исследование СИ сыграло важную роль в существлении адиабатического реверса поляризации 8МС-мишени, который вляется одним из главных средств БМС-эксперимента, снижающих истематическую погрешность измерения структурных функций нуклонов. Гнтерес к радиочастотному СИ объясняется общностью этого явления в азличных диапазонах волн [14, 15] и возможностью на его основе юделирования рентгеновских и оптических лазеров.
Цестая глава. Обнаружение и исследование модуляционного усиления дерной поляризации. Обнаруженное нами модуляционное усиление дейтронной оляризации мишени в 1.7 раза, сопровождающееся примерно таким же >актором в сокращении времени динамической поляризации ядер, сыграли ажную роль в БМС экспериментах [1А, 2А]. На Рис. 13 сравнивается поведение ;ейтронной поляризации в бутаноле в процессе СВЧ-накачки с включенной и ыключенной модуляцией [4А, 6А, 21 А]. Данные показывают 70% рост юляризации при модуляции частоты и примерно двукратное сокращение
<0 -
у
& с Мвдрмч ЕЬОО! Р(+)
сР о Модудяц ЕЫКЛ У-г)
С ■ ЕЕД.
^ * Ыорупщ ВКЛ. Р(-)
о
зсо
400 КО
Еремя [аши.]
Рисунок 13- Две верхние зависимости поляризации от времени получены с ЧМ, остальные - без ЧМ. Модуляция сильно усиливает поляризацию мишени .
««
времени поляризации. В этих опытах центральная частота составляла 70 ГП девиация частоты - 30 МГц и период модуляции 2-^5 мсек. Частот;] модуляция качественно меняет поведение ДПЯ. Так болометрпческт спектры ЭПР содержат боковые резонансные линии, если они получены н фиксированной частоте СВЧ-генератора,. Эти боковые линии исчезаю когда включена ЧМ. Это видно из Рис. 14, который показывас интенсивность СВЧ-поля в резонаторе при прохождении ЭПР-лиипи поле; магнита. В качестве детектора использовался угольный композиционны резистор 8реег-220. Два верхних спектра на Рис. 14 получены пр естественной ширине спектра генератора 0.1 МГц (без модуляции) и пр! девиации частоты 30 МГц, соответственно. Их разность показывает сильны! рост парамагнитных потерь, благодаря ЧМ. Главные пики поглощен» приходятся на склоны линии ЭПР, но имеется также и ряд боковых пиков меньшими амплитудами. Оптимальная частота модуляции составляе 100-г500 Гц, девиация частоты - 15^-30 МГц. При достаточно длинны; периодах модуляции дополнительное поглощение пропадает, но вместе с пил исчезает и модуляционное усиление поляризации. Традиционно I микроскопической теории ДПЯ [19] модуляционные явлени) рассматриваются как явления, связанные с частотной (временной
дисперсией восприимчивости. В нашем случае нужно учесть, что обще!
20
решение уравнений Максвелла зависит от суммы как временных, так и пространственных переменных. Оценки показывают, что при размерах 5МС-мишени более чем в сто раз превышающей X появляются эффекты, связанные
Рисунок 14. При включении модуляции интенсивность поля в резонаторе уменьшается из-за увеличения магнитных потерь в материале. Усиление поляризации получается на частотах, соответствующих главным пикам дополнительного поглощения (нижняя кривая).
частота модуляции 1 кги мощность 0 1 мБт/гр /л - 69 540 Ггц
40 О
2U g
411 412 413 414 415 416 417 418 419 -ICO Cl 422 423 4M Ток магнита |А|
с пространственной дисперсией, которые отражают [20] "...зависимость макроскопических свойств вещества от пространственной неоднородности электромагнитного поля". На Рис.15 показана зависимость дополнительного поглощения от частоты модулирующего напряжения при четырех уровнях
Рисунок 15. Зависимость микроволнового поглощения ог частоты модуляции. Насыщение наступает при периодах модуляции, примерно совпа-дающих с характерным _ временем насыщения электронных еппнов. Дан-ныс получены при Т ~ ^ 1 0.1+0.2 К. Цифрами у кривых "к" обозначены относительные величины СВЧ-мош-носш.
1 10 100 Частота модуляшш (Гц)
СВЧ-мощности [21А]. Оценка (rit.J17- - времени насыщения намагниченности [21], выполненная на основании данных, приведенных на Рис. 15, сос-
тавляет 200-И ООО мсек в зависимости от температуры решетки. Следующие данные показывают, что, при насыщающих СВЧ-полях, нам впервые удалось наблюдать проявление эффектов пространственной дисперсии в электронном парамагнитном резонансе (ЭПР). Сюда относятся:
1. Появление боковых сателлитов в ЭПР-линии.
2. Снижение СВЧ-мощности при ЧМ, необходимой для достижения более высокой поляризации. В рамках однородного поля вовлечение дополнительных спиновых пакетов в насыщение должно увеличивать поглощаемую мощность.
3. Уменьшение амплитуды биений поля в резонаторе при ЧМ.
Далее приводится анализ поглощаемой мощности, которая в нашей модели зависит от ширины (П) спектра СВЧ-генератора. В зависимости от спектральной гармоники, изменяется положение максимумов интенсивности поля в резонаторе. В результате, насыщение материала по объему мишени становится более однородным (изменяется видность поля). В предположении быстрой модуляции, получено следующее выражение для мощность парамагнитных потерь [4А, 22А]
о/:
р,т4п соз2 с/.д^, ¡асе-"*-'*), (15)
^ -0/2
где Ь2 - спектральная интенсивность поля. Видно, что поглощаемая мощность
Рисунок 16. Зависимость дополнительного поглощения от амплитуды модуляции при разном уровне средней мощности. Пунктирные кривые - результат расчета потерь по уравнению (15). Наклон верхней кривой при больших мощностях связан с влиянием линейного по восприимчивости члена в уравнении (15).
Амплитуда частотной модуляции [Мгц]
[исит также от расстройки частоты относительно центра ЭПР-линии (Да), что ьясняет появление боковых сателлитов в ЭПР-линии. В случае короткой шени и узкого спектра частот с1 —> О, Ь2£2 —> I и формула (15) переходит в ычное уравнение ЭПР-техники, справедливое при с!« X
толнена проверка модели пространственного насыщения. Для этого шсимость дополнительного поглощения от величины частотной девиации (£1) 1внивается с данными расчета по уравнению (15) [4А, 22А]. Результаты расчета ¡анные опыта показаны на Рис. 16. Данные получены на центральной частоте, еспечивающей максимум отрицательной ядерной поляризации; период дуляции в этих опытах составлял 2 мсек. Дальнейший анализ показывает, что
Входная МОЩВОС1к [Отн. ед]
Рисунок 17. Кривые парамагнитного насыщения в бутаноле и их фит (сплошные линии) по уравнению Провоторова, подтверждают, что поляризация ядер в бутанольной мишени определяется механизмом ДО.
^ изменяет контрастность или видность интерференционной картинки поля в зонаторе, вследствие чего средняя интенсивности поля за период модуляции ановится одинаковой во всем объеме материала; это проявляется в уменьшении шлитуды биений поля. Важной особенностью рассмотренного механизма шолнительного поглощения является то, что он стимулируется дисперсионной
компонентой восприимчивости, влияющей на пространственную структ) насыщающего СВЧ-поля в резонаторе.
В конечном итоге диэлектрические и магнитные потери превращаютс; тепло, которое определяет температуру решетки при ДЛЯ. Поскольку п модуляции частоты дополнительное магнитное поглощение связано вовлечением новых частей материала в насыщение, то естественно растет средняя поляризация мишени, что автоматически означает рост средней скорос накачки - в полном соответствии с полученными данными. На Рис. 17 показа1 данные по насыщению' материала поляризованной мишени в рабочих услови [4А, 22А]. Мы полагаем, что это первая экспериментальная демонстрац эффекта насыщения в реальной мишени при сверхнизких температурах. Нижн кривая получена без модуляции, на краю ЭПР линии; она показывает сильн насыщение. Средняя кривая получена при том же постоянном поле, что нижний график, но с включенной модуляцией. Видно, что включение модулящ усиливает парамагнитное поглощение примерно в два раза; аналогичн заключение можно сделать так же и по спектрам дополнительного поглощеш на Рис. 14. Данные по насыщению подтверждают теорию Провоторова [21 Оптимальная СВЧ-мощность с ЧМ составляла 0.05 мВт/ см3; она уменьшала* более чем в 1.5 раза, по сравнению с накачкой без ЧМ.
Седьмая глава. Новые приложения поляризованных лшшене
Рассматривается возможность поляризации радиоактивных ядер динамически методом [23А]. Принципиально новым достижением динамической поляризащ является отрыв спиновой температуры ядер от температуры решетки. Вследсты этого появляется большое многообразие в конкретных подходах к исследовани спиновых систем. Например, спиновая температура ядер может бьг положительной или отрицательной, а максимальная поляризация достигается пр температурах решетки порядка 0.3 К, при которой рефрижератор раствореш может обеспечить большую холодопроизводигельность. Проблема I ограничивается собственно исследованием радиоактивных ядер. Приведение анализ показывает, что известные радиоактивные ядра можно использовать д/
сследования коллективных электронных и электронно-ядерных спин-пиновых взаимодействий в конденсированных средах.
В случае разрешенных Р-переходов анизотропия связана сключительно с несохранением четности в процессах, обусловленных лабым взаимодействием [23, 24]. При этом угловое распределение ¡3-лектронов имеет структуру
де 9 - угол между направлением вылета электрона (или позитрона) и аправлением внешнего поля, Р - степень поляризации радиоактивных ядер, ассчитана анизотропия излучения ядер -12Р|> в молекуле РНз и --Ш(3+) при (ПЯ. Видно, что при одной и той же спиновой температуре поляризация сновных ядер мишени может быть измерена по анизотропии Р-излучеиия.
Аналогичное заключение следует из рассмотрения углового аспределения у-квантов, образующихся в цепочке последовательных р- и у-аспадов поляризованных р-активных ядер. Если возбужденное ядро имеет пин .1, а у конечного ядра спин Л' = 0, то нормированное угловое аспределенне у-квантов относительно направления магнитного поля будет меть вид [25, 26]
де функция Вигнера (элементы матрицы конечных вращении), рЩ -
аселенности спиновых состояний, зависящие от спиновой температуры.
Третий возможный путь заключается в исследовании угловой низотропии у-квантов в каскадных р-у-переходах [23А]. Эта возможность ассмотрена на примере каскадного перехода 22Ыа(3+)——
)+). В результате гамов-теллеровского Р+-перехода с максимальной энергией озитронов 550 кэВ (или К- захвата) образуется промежуточное ядро ::Ми со пином .Г = 2. Его период полураспада составляет 3.7-1012 с, т.е. время жизни чень мало по сравнению с характерным периодом для сверхтонкого
(17)
(18)
расщепления атомных уровней. Ядро 22№(2*) излучает у-кванты с энергией 128(
Рисунок 18. Динамика восстановления поляризации редких ядер С при разной интенсивности поляризующего поля.
О 100 200
Время (Мин.)
КэВ и переходит в стабильный изотоп N6 с нулевым спином [27]. Конкретные вычисления приводят к нормированному угловому распределению у-квантов 5
IV--
{о.42б - 0.0705 • соб' в - 0.0125 • соэ4 в},
(19)
при Н = 27 Тл, Т = 1.3 мК, х = 1.33 и эффект составляет примерно 14%.
Практическая оценка времени поляризации получена измерением времени поляризации редких (но не радиоактивных) ядер 13С в протонной бутанольнон мишени, которые приведены на Рис. 18 [24А]. Без СВЧ-поля время установления спиновой температуры составляет около 3000 мин. Включение СВЧ-накачки укорачивает время поляризации ядер 13С (см. Рис. 18) до 160 мин. Еще более короткие времена, по-видимому, можно достигнуть увеличением концентрации парамагнитных примесей. Приведенные величина и время поляризации при ДО уступают результатам получаемым при поляризации редких ядер в ферромагнитных матрицах методом "грубой силы". Показано, однако, что возможно значительное укорочение времени и усиление поляризации радиоактивных ядер спина I > 1, используя метод кросс-релаксационной поляризации [13А]. Идея заключается в следующем: пусть помимо ядер спина I > 1/2 матрица содержит распространенные ядра (1=1/2), например протоны, которые имеют большую теплоемкость спиновой системы. Так как
вадрупольное взаимодействие не зависит от подмагничивающего поля, то при нижении магнитного поля зеемановское расщепление ядер спина 1/2 рано или оздно сравнивается с квадрупольным расщеплением ядер спина I > 1/2. До омента пересечения частот происходит ядерное размагничивание, в результате оторого температура ядер с I = 1/2 понижается линейно с полем. Температура
исунок 19. Размагничивание начи-ается при одинаковой спиновой^ 40 емпературе, соответствующей ЕЭТ-^ авновесной кривой (пунктирная £ иния). При размагничивании (точки 13 30 -5) поляризация ,4Ы-ядер резко 3 озрастает, но Больцмановское расп- д еделение нарушается. Точка-8 полу- 3 20 ается после включения СВЧ-поля, ^ оторое восстанаатавает тепловое авновесие в спиновых системах. 10
60 70 80 90 100
Поляршацня прогонов ('/•)
се ядер спина I > 1/2 ведет себя нелинейно с полем из-за наличия квадрупольного асщепления. В момент пересечения частот ядра спина I = 1/2 будут иметь более изкую температуру, чем ядра спина I > 1/2. Следовательно, в результате еплового смешивания произойдет значительное охлаждение ядер спина I > 1/2. (кспериментальное исследование выполнялось на спиновой системе ядер азота в ммиачной мишени. Поляризующей была протонная спиновая система с началь-ой поляризацией 89%, которая, согласно ЕБТ-гипотезе, соответствует 16% оляризация ядер азота; при этом в поле 2.5 Тл температура обоих спиновых одсистем равняется 1.7 мК. В поле 56 мТл квадрупольное расщепление ядер зота 6соя / 2тг = 2.4 Мгц совпадает с зеемановской частотой. При снижении
едущего поля магнита до 56 мТл сначала происходит ядерное размагничивание, результате которого спиновая температура протонов понижается в 2.5 / 0.056 = 5 раза, тогда как из-за остаточного квадрупольного расщепления понижение емпературы ядер азота составляет всего лишь 2+3 раза. Затем происходит епловое смешивание между протонной и азотной спиновыми системами, [анные эксперимента [13А] суммированы на Рис. 19, на котором пронумерованы
А иктярал метод , 5 4 о асимметрия 1. ]?.
..^-1-1 I
в хронологическом порядке результаты измерения поляризации после тепловогс смешивания. За время спуска и подъема поля, которое составляет обычно 10^-2( мин поляризации ядер азота значительно усиливается. Энергетический балаш позволяет определить конечную спиновую температуру 14]М-ядер, котора> понижается при смешивании с 230 до 56 цК. После возвращения в поле 2.5 Тл где измеряется конечная величина поляризации, соответствующие температурь для Н-М-систем составляют 2.5 мК и 420 цК (вместо исходной температуры 1." мК), что соответствует поляризации 0.77 и 0.52 для протонов и ядер азота соответственно. Практически же была достигнута поляризация 0.4 (а не 0.52) из за достаточно быстрой протонной спин-решеточной релаксации в сниженно\ поле, поскольку эксперимент выполнялся при сравнительно высокой температур! решетки (0.1 К).
Рис. 20. Конструкция вакуумной камеры для ДЛЯ в условиях охлаждения мишени сверхтекучей пленкой 1Не. Охлаждение стайкастовой камеры (с) происходит за счет теп- ямр лопроводности медного стержня петля (с1), который имеет тепловой контакт с камерой растворения. Сверхтекучая пленка 4Не покрывает внутреннюю поверхность камеры, ди0 осуществляя термический контакт мишени с холодным стержнем.
о
\ Си Ml
У Мишень рамка винты fib
ц
|С а Ь
1см
Далее рассматривается конструкция мишени для исследований с радиоактивным!
ядрами [25А]. Существенным препятствием к практическому использовании
тонких мишеней является наличие в рефрижераторах металлических тепловы:
экранов, пластиковых или кварцевых окон, окружающих мишень, которые резк(
снижают общий "dilution factor" материала. Желательно адаптировать мишен:
для работы в вакууме. Эта проблема в значительной степени разрешаете:
применением нового типа мишени, охлаждаемой сверхтекучей пленкой 4Не. Дл:
28
финцнпиалъной проверки проведен следующий эксперимент. В полиэтиленовую шенку вводилась парамагнитная примесь радикала TEMPO [26А] в количестве
Рисунок 21. Добавка ничтожного количества 'Не в капилляр резко понижает температуру пленки и поляризация ядер начинает возрастать.
О »0 1000 I50G МОС 2500 XX»
Время (шт.)
■1019 сп/см3. Пленка толщиной 70 мкм прикреплялась к медной рамке и юмещалась внутрь вакуумной камеры (с), выполненной из толстостенного тайкаста-1266, как это показано на Рис. 20. Стайкаст является относительно розрачным для проникновения СВЧ-поля к пленке, с одной стороны, и обладает сключительно низкой теплопроводностью - с другой. К каркасу приклеивался .uO-термометр (] Ш, Dale RCW550) - обозначенный (RuO), микронагреватель п) для тепловых измерений и ЯМР-катушка для измерения поляризации ротонов в полиэтилене. Медная вставка (d), с закрепленным образцом, вакуумно плотнялась к камере с конической пробкой (а), и прижималась винтом (Ь). В генку камеры вставлялся капилляр (е), по которому могла осуществляться онденсация 4Не внутрь вакуумной камеры.
Устройство устанавливалось в медный цилиндр - микроволновой езонатор и погружалось в камеру растворения рефрижератора, для охлаждения иже 0.1 К. Динамическая поляризация ядер сначала выполнялась на образце, асположенном в вакуумной камере, а затем опыт повторялся при конденсации в
камеру ничтожной порции газообразного гелия 4Не. Результаты эксперимент показаны на Рис. 20. При образовании в камере сверхтекучей пленки 4Н температура мишени резко понижалась, а поляризация мишени начинал увеличиваться, как это показано на Рис. 21. Очевидно, что существует сильны! охлаждающий эффект, который способна доставить сверхтекучая пленка гелия охлаждаемому образцу; этот теплоприток исследовался на установке [27А, 28А] Такая мишень, при минимальной тепловой защите от теплового излучения может быть открыта для облучения и способна нормально функционировать i вакууме.
Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о необходимое™ формирования специальной программы исследования спинов радиоактивны: ядер, основу которой составлял бы метод динамического охлаждения.
Заключение
Перечислим основные результаты полученные в диссертации.
1. Достигнуты рекордные параметры крупнейшей в Мире 2.5-литрово1 поляризованной мишени CERN. Получена 96% поляризация протонов и 60°/ поляризация дейтронов.
2. Получено точное уравнение, позволяющее вычислить ядернук восприимчивость по измеренному сигналу Q-метра.
3. Предложена модификация Ливерпульского Q-метра, позволяюща; воспроизводить неискаженную форму линии ядерной восприимчивости
4. Теоретически и экспериментально показано наличие ложной асимметрии е дейтронных спектрах и разработан алгоритм ее коррекции.
5. Получена формула для расчета поляризации ядер спина 1 и разработан мето; определения асимметрии, поляризации и формы линии магнитных дипольныл переходов ядер спина 1.
6. Обнаружен эффект коллективного сверхизлучения системой поляризованны> магнитных диполей. Исследована работа СИ-источника радиоволн i мегагерцовом диапазоне.
Исследован механизм "захвата" частоты излучения СИ-генератора >езонатором и скорректировано условие самовозбуждения квантового енератора при расстройке ларморовской частоты относительно частоты >езонатора.
/точнена формула Робинсона для расчета чувствительности ЯМР-:пектрометра, приемный контур которого содержит коаксиальный кабель. Обнаружен эффект усиления ядерной поляризации дейтронной мишени 1утем ЧМ-модуляции СВЧ-генератора.
доказано, что модуляционный эффект относится к эффектам, связанным с фостранственной дисперсией.
Лолучена и проверена формула для расчета парамагнитного поглощения в шшени с учетом модуляционного эффекта.
Эбнаружены боковые сателлиты в ЭПР-линии, возникающие при шсыщающих СВЧ-полях за счет эффектов пространственной дисперсии. Впервые при сверхнизких температурах на действующей бутанольной шшени получена кривая насыщения парамагнитного резонанса. Предложен новый метод исследования спинов радиоактивных ядер с ^пользованием кросс-релаксационной поляризацией редких ядер. Локазана возможность использования сверхтекучей пленки 4Не для »хлаждения тонких поляризованных мишеней. Предложен новый тип вердой сверхтонкой поляризованной мишени, охлаждаемой сверхтекучей ¡ленкой 4Не.
В заключение я хочу выразить глубокую благодарность всем вторам, вошедшим в работы данной диссертации. Особенно я хочу шить благодарность Т.О. Нииникоски (Т.О. Niinikoski) - автору и цателю первой поляризованной мишени в CERN, с которым в течение и лет мы совершенствовали и исследовали в Женеве SMC-мишень - за явленную взаимопомощь и административную поддержку. Я благодарен Манго, П. Хаутле и Б. Брандту из института П. Шеррера в Цюрихе за местные исследования по тонким мишеням. А.Ф. Прудкогляду, A.C.
Шумовскому и В.И. Юкалову за сотрудничество в исследовш сверхизлучения, В.Л. Любошицу за помощь в расчетах анизотрог излучения радиоактивных ядер. Неоценимую помощь оказал професс
М.И. Подгорецкий 1. Выражаю глубокую благодарность Ф. Легару, И Савину (ОИЯИ) и В. Хьюзу (V.W. Hughes) из Иельского университет; Америке за прекрасную организацию и поддержку моей работы в CERNe.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
1А. Adams D., Kisselev Yu.F. et al. On behalf of the Spin Muon Collaborate at CERN. Measurement of the spin-dependent structure function gi(x) о the proton. Phys. Letters. В 329, (1994) 399.
2A. Adams D., Kisselev Yu.F. et al. On behalf of the Spin Muon Collaboratioi at CERN. Spin asimmetry in muon-proton deep inelastic scattering on ; transversely - polarized target. Phys. Letters В 336, (1994) 125."
ЗА. Буишвиди Л.Л., Киселев Ю.Ф., Фокина Н.П.. О низкотемпературно! протонной релаксации и динамическом охлаждении ядер i пропандиоле с примесью Cr+V. Краткие сообщения ОИЯИ 5[51]-91 Дубна (1991) 42.
4А. Kisselev Yu.F. and Niinikoski Т.О.. Frequency Modulation Effects in EPR and Dynamic Nuclear Polarization. Preprint CERN PPE/96-146, 21 October (1996).
5A. Adeva В., Kisselev Yu.F. et al. On behalf of the SMC at CERN Measurement of the Deuteron polarization in a Large Target. Nucl. Instr Methods in Phys. Res., A349 (1994) 334.
6A. Kisselev Yu. F.. On behalf by SMC. The Modulation Effect On Dynamic Polarization of Nuclear Spins, NIM in Phys. Res., A 356 (1995) 99.
7A. Киселев Ю.Ф., Сапожников А.П.. Расчет поправки на нелинейность Q-метра при измерении высокой поляризации мишени. Сообщение ОИЯИ Р13-10694 (1977), Дубна.
8А. Kisselev Yu.F., Dulya С.М. and Niinikoski Т.О.. Measurement of Complex RF Susceptibility Using a Series Q-meter. NIM in Phys. Res., A 354(1995) 249. Preprint CERN-PPE/94-118, 14 July, 1994.
?А. Киселев Ю. Ф., Черников А. Н.. Реакция гибридного контура на возмущение магнитного потока. Препринт ОИЯИ, 13-85-734 (1985).
10А. Киселев Ю. Ф., Сирунян А. М., Степаняи С. С.. Q-метр с цифровым регистратором для измерения ядерной поляризации. ПТЭ, 1 (1991) 99.
11 А. Киселев Ю. Ф., Карпихин И. Л.. Измерение поляризации ядер Q-метром. Препринт ОИЯИ, Дубна. Р13-89-468 (1989).
12А. Kisselev Yu.F. and Ozben С.. Comparison of the Asimmetry and Integral Methods to Determine Deuteron Polarization. Proc. of 8 th Int. Workshop on Pol. Target Mat. and Tech., Vancouver 1996.
13A. Adeva В., Dulya Ch., Kyynarainen J., Kisselev Yu.F. et all. Measurement of Proton and Nitrogen Polarization in Ammonia and Test of Equal Spin Temperature. CERN Preprint, CERN-PPE/97-66. June 16 1997.
14A. Kiselev Yu.F., Polyakov V.V., Kovalev A.I., Bunyatova Е.1., Borisov N.S., Trautman V.Yu., Werner K., Kozlenko N.G.. A medium size polirized deuteron target, Nucl. Instr. Meth. In Phys. Res. 220 (1984) 399.
15А. Киселев Ю.Ф., Попов С.А. и Федоров А Н.. Метод расчета поляризации и выстраивания по ЯМР спектру поляризованных дейтронов. Письма в ЖЭТФ, 55, 2 (1992) 99. Краткие сообщения ОИЯИ №5[51]-91.
16А. Adeva В., Dulya Ch., Kisselev Yu.F. et al.. A Line-shape Analysis for Spin-1 NMR Signals. NIM A 398 (1997) 109.
I7A. Киселев Ю.Ф., Прудкогляд А.Ф., Шумовский А.С., Юкалов В.И.. Обнаружение явления сверхизлучения системой ядерных магнитных моментов. Препринт 14-87-431. Дубна: ОИЯИ, 1987.
18А. Киселев Ю.Ф., Прудкогляд А.Ф., Шумовский Ф.С. и Юкалов В.И.. Обнаружение явления сверхизлучения системой ядерных магнитных моментов. ЖЭТФ 94, в.2 (1988) 344.
19А. Kiselev Yu.F., Shumovskij A.S. and Yukalov V.I.. Thermal-Noise Induced Radio Frequency Superradiance in Resonator. Mod. Phys. Lett.В 3 (1989) 1149.
20A. Киселев Ю.Ф., Алискандеров Э.И.. Радиочастотное сверхизлучение в резонаторе. Письма в ЖЭТФ, Т.51, вып. 1, (1989) 14.
21 A. Adeva В., Magnon A., Kisselev Yu.F. et al. Large enchancement of deuteron polarization with frequency modulation microwaves. NIM in Phys. Res., A372 (1996) 339.
22A. Kiselev Yu.F., Niinikoski Т.О.. EPR and Dynamic Polarization with Frequency Modulation. Proceedings of 12lh Intern. Symposium on High Energy Spin Physics, Amsterdam, The Niderlands, Sept. (1996) 389.
23A. Kiselev Yu.F., Lyboshitz V.L., Podgoretskij M.I. and Chernikov A.N.. New possibilities for investigation of collective spin-spin interactions using dynamic cooling of radioactive nuclei. Bulletin of Inventions 01, 21 (1988) 281. Краткие сообщ. ОИЯИ, 3 {29] (1988) 5. Препринт ОИЯИ, Дубна, Е14-89-195 (1989).
24А. Bultmann S., Baum G„ Dulya С. M., Hayasi N.. Kishi A., Kisselev Yu.F., et all. Cross-relaxation between protons and l3C nuclei. NIM in Phys. Res. A 356 (1995) 106.
25A. Van de Brandt В., Hautle H., Kisselev Yu.F., Konter J.A., Mango S.. Dynamic nuclear polarization in thin polyethylene foils cooled via a superfluid 4He film. Preprint PSI-PR-96-25 (1996). NIM in Phys. Res., A 381 (1996) 219.
26A. Борисов H.C., Бунятова Э.И., Киселев Ю.Ф., Неганов Б.С., Парфенов Л.Б., Розанов Э.Г., Стрюков В.Б., Феллер Г.. Динамическая поляризация протонов в полиэтилене при сверхнизких температурах. Препринт ОИЯИ Р6-7408 (1973) Дубна.
27А. Chernikov A.N. and Kiselev Yu.F.. Installation for Producing Low Temperature in the 0.028 4.2 К Range, Cryogenics 29 (1989) 55. Киселев Ю.Ф., Черников A.H.. Препринт ОИЯИ Р8-89-470 (1989).
28А. Киселев Ю. Ф.. Устройство для получения низких температур. Авт. Свид. № 960503 (СССР), Бюллетень Открытий и Изобретений 35 (1982) 143.
ЛИТЕРАТУРА
1. London Н., Clarcke G.R., Meudoza Е. Osmotic pressure of 3Не in liquid 4He, with proposal for a refrigerator to work below 1 K. Phys. Rev. 128 (1962) 1992.
2. Борисов Н С. Неганов Б.С. и Либург М.Ю.. ЖЭТФ 50 (1966) 1445.
орисов Н.С., Бунятова Э.И., Киселев Ю.Ф., Неганов Б.С. Матафонов В.Н и Усов Ю.А.. Поляризованная "замороженная" мишень (12 см3). Препринт ОИЯИ. Дубна, ч.1, 13-10253; ч.2, 13-10257(1976). ПТЭ, вып.2 (1978) 32. Киселев Ю.Ф.. Динамическая поляризация протонов при сверхнизких температурах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. ф. м. н. 1-12294, Дубна (1979).
Кожушнер М.А.. Поляризация ядер методом динамического охлаждения. ЖЭТФ 56, в. 1 (1969) 246.
Anselmino М., Efremov A., Leader Е.. The theory and Phenomenology of Polirized Deep Inelastic Scattering. Preprint CERN-TH.7216194, April (1994). Прудкогляд А.Ф.. Исследование динамических явлений в поляризованных спиновых системах. Автореферат диссертации к.ф.м.н. Препринт ИФВЭ 9061. Долгопрудный (1990).
Kyynarainen J.. The SMC polarized target. On behalf of the Spin Muon Collaboration at CERN. Nucl. Instr. And Meth. In Phys. Res. A 356 (1995) 47 Court G.R., Gifford D.W., Harrison P., Heyes W.G. and Houlden M A.. N1M in Phys. Res. A 324 (1993) 433.
Robinson F. N. H.. Phil D. Journal ofScient. Instr., 36 (1959) 481.
Лапндус Jl.И.. Соотношения между параметрами поляризованных мишеней
Сообщения ОИЯИ, 32-84-267 (1984).
Blombergen N., Pound R.. Phys. Rev. 95 (1954) 8.
Пантел P., Путхоф Г.. Основы квантовой электроники. М. (1972) С. 384. Андреев А.В., Емельянов В.И., Ильинский 10.А. Кооперативные явления в оптике. М., Наука, 1988.
Dicke R.H. Coherence in Spontaneous Radiat. Proces. Phys. Rev. 1954, 93, p. 99. Фокина Н.П., Хуцишвили К.О., Чхаидзе С.Г., Ломидзе A.M.. ФТТ, 37, №7, (1995) 1910.
Bloom S.. J. Appl. Phys. 28 (1957) 800.
Скрипов Ф.И., Альтман Э.Д.. Изв. Высш. Уч. Зав. Радиофиз , 5 (1962) 104.
19.Ацаркин В.А.. Динамическая поляризация ядер в твердых диэлектрика "Наука". Москва (1980).
20.Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред, М„ Наука (1982). 21 Portis A.M.. Electron Structure of F Centers: Saturation of Electron Sp
Resonance. Phys Rev. 91 (5) (1953) 1071.
22.Провоторов Б. H., ЖЭТФ, 41 (1961) 1582. ФТТ, 4, (1962) 2940.
23.Lee N.D., YangC.N.. Phys. Rev., 104(1956) 204. 24.Shmushkevich I.M.. JETF 33 (1957) 1477.
25.Балдин A. M. и др. Кинематика ядерных реакций, ч.Н, М., Атомиздат (196 §§ 50, 55.
26.Berestetsky V.B., Lifshits T.V., Pitaevsky LP.. Quantum Electrodynamic Moscow, Nauka (1980) 69.
27.Lederer M.C. et al., Table of Isotopes, New York (1978).
Рукопись поступила в издательский отдел 27 апреля 1998 года.
ЭФФЕКТЫ СВЕРХИЗЛУЧЕНИЯ И ЧАСТОТНОЙ
МОДУЛЯЦИИ В ПОЛЯРИЗОВАННЫХ МИШЕНЯХ
Специальности: 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов,,
автоматизация физических исследований.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Научный консультант - доктор физико-математических наук, профессор И. А. Савин
Дубна 1997
Содержание
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................3
ГЛАВА 1. Поляризованная мишень в исследованиях спиновой структуры нуклонов.................................................................................................8
1.1. Спиновая структура нуклонов................................................................8
1.2. Поляризованная мишень в 8МС эксперименте.................................12
ГЛАВА 2. Краткое описание вМС- поляризованной мишени..........................15
2.1. Поляризация ядер методом динамического охлаждения.....................15
2.2. Материал мишени...................................................................23
2.3. Бутанолкная мишень (С4 Н9ОН и СД^ОН)...........................................25
2.4. Приготовление аммиачной мишени......................................................27
2.5. Рефрижератор растворения жидкого 3Не в 4Не..............................29
2.6. Сверхпроводящая магнитная система мишени...............................33
2.7. Микроволновая система мишени................................................35
2.8. ЯМР-электроника..................................................................37
ГЛАВА 3. Измерение ядерной поляризации мишеней.......................................41
3.1. Уравнение для расчета восприимчивости по спектру р-метра...........42
3.2. Характерные искажения протонных спектров...............................45
3.3. Особенности измерения интегральной интенсивности....................50
3.4. Измерение ядерной поляризации сверхслабых сигналов......................54
3.5. С?-метр с кабелем I« Я/4. Коррекция формулы Робинсона.................55
ГЛАВА 4. Измерение поляризации ядер спина 1=1.........................................62
4.1. Поляризационные параметры ядер спина 1=1................................64
4.2. Метод расчета поляризации дейтронов.........................................66
4.3. Поляризации ядер в аммиачной мишени.................................72
ГЛАВА 5. Обнаружение и исследование эффекта сверхизлучения...................78
5.1. Обнаружение радиочастотного сверхизлучения.............................79
5.2. Исследование сверхизлучательной и мазерной генерации....................82
5.3. Теория сверхизлучения и сравнение с экспериментом.........................85
5.4. Влияние расстройки резонатора на возбуждение сверхизлучения.......89
ГЛАВА 6. Обнаружение и исследование модуляционного усиления
поляризации........................................................................................95
6.1. Обнаружение эффекта..........................................................................98
6.2. Материальные уравнения и постоянная распространения.................100
6.3. СВЧ- мощность, поглощаемая мишенью (<!«Я) при 4M..................103
6.4. Интенсивность СВЧ-поля в резонаторе......................................107
6.5. Исследование ЧМ-эффекта в бутаноле-Dio.........................................110
6.6. Дополнительное магнитное поглощение и ДЛЯ.................................115
ГЛАВА 7. Новые возможные приложения поляризованных мишеней..........119
7.1. Измерение спиновой температуры по анизотропии излучения..........120
7.2. ß-распад поляризованного ядра..................................................122
7.3. у- распад поляризованного ядра..........................................................123
7.4. Каскадные ß-y- переходы....................................................................124
7.5. Расчет каскадного перехода 22Na(3+)...................................................127
7.6. Измерение времени поляризации редких ядер 13С..............................130
7.7. ДЛЯ тонкой мишени, охлаждаемой сверхтекучей пленкой "Не........132
7.8. Кросс-релаксационная поляризация редких ядер...............................137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................141
ЛИТЕРАТУРА..................................................................................143
Введение
В диссертации обобщены результата научно-исследовательских и практических работ автора по созданию и применению твердых поляризованных мишеней замороженного типа. Разработка таких мишеней началась в начале 70-х годов в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ [1] и в CERN (Швейцария) [2]. Первая действующая протонная мишень ОИЯИ достаточно давно и детально была описана в трудах ОИЯИ [3]. В ее создании активное участие принимал и автор диссертации [4]. С другой стороны, с 1991 и по 1996 г. под непосредственным руководством Т.О. Niinikoski [2] автор был участником создания и большинства исследований, проведенных на мишени ЕМС (Европейской мюонной коллаборации) [5] и новой SMC-мишени (Спин-мюонная коллаборация) в CERN [6]. Последняя, крупнейшая в мире поляризованная мишень, создавалась коллективными усилиями ведущих европейских специалистов при участии физиков США и Японии. В мишени задействованы новейшие технологии, методы обработки данных, расчеты. Два новых эффекта: эффекты сверхголучения [7] и частотной модуляции [8], в обнаружении и разработке которых автор сыграл ключевую роль, по-существу определили ее рекордные параметры.
Ядерная поляризация в спиртовых замороженных мишенях получается методом динамического охлаждения [9]. Вещество мишени, в состав которого вводят парамагнитные примеси, помещают в магнитное поле и охлаждают до сверхнизких температур, обычно ниже 0.1 К. Ядра поляризуются микроволновым облучением парамагнитной примеси вблизи линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В результате облучения высокая электронная поляризация передается ядрам. При сверхнизких температурах, благодаря сильному замедлению процессов ядерной релаксации, этим методом удается получить почти 100% поляризацию протонов и 60% - дейтронов, при исключительно высокой плотности ядер по сравнению с мишенями других типов. Эти свойства открыли путь к уникальным исследованиям спиновых явлений на выведенных пучках ускорителей элементарных частиц. Центральную роль в разработке механизма поляризации сыграли классические работы А. Абрагама, М. Гольдмана, Б.Н. Провоторова, М.А. Кожушнера, В.А. Ацаркина, J1.JI. Буишвили, Г.Р. Хуцишвили, М. Боргини, Джеффриса и др., которые цитируются в диссертации. Практическая реализация стала возможной благодаря, предложенному Лондоном, Кларком и Мендозой [10],
методу получения сверхнизких температур растворением жидкого ^е в "Не, который впервые был реализован в ОИЯИ [11].
SMC-мишень в CERN предназначена для исследования спиновой структуры нуклонов на поляризованных мюонных пучках высоких энергий. При передачах четырехмерного импульса от лепгонов к нуклонам, превышающих массу нуклона, происходит процесс глубоконеупругого рассеяния (ГНР). При этом сечение реакции зависит от спинов лептонов и нуклонов и выражается через так называемые структурные функции, которые характеризуют вклад в спин нуклонов его конституентов - кварков. Подобные эксперименты, вследствие малости сечений и длительности периода набора статистики, требуют высокой стабильности параметров мишени, прецизионного измерения ядерной поляризации и ее быстрого реверса для уменьшения систематических погрешностей. Практически все эти требования удается совместить только в мишени замороженного типа. В течение шести лет интернациональный коллектив участников эксперимента SMC одновременно с набором данных непрерывно работал над усовершенствованием мишени. После создания методической части установки, запуска мишени в физическом эксперименте и получения первых результатов возник спектр новых проблем и вопросов исследовательского характера, которые распределились между участниками эксперимента и уже решались индивидуально. Проблемы, решенные автором в ходе этих исследований, вошли в данную диссертацию, как основной материал 3-7 ее глав. Главной целью работы, лежащей в основе данной диссертации было исследование поведения поляризованных спиновых систем при сверхнизких температурах для достижения рекордных параметров крупнейшей в мире поляризованной мишени. Материал изложен следующим образом:
• В первой главе кратко описаны физические цели и задачи, обусловившие оригинальную конструкцию мишени.
• Во второй главе диссертации приведено устройство SMC-мишени. Описаны состав и способы приготовления материала, рефрижератор растворения, сверхпроводящий магнит, микроволновая система накачки поляризации, система измерения ядерной поляризации. Эта глава помогает сформировать как общее представление об уникальной мишени, так и подчеркивает характерные методические особенности ее конструкции.
• В третьей главе рассматриваются проблемы, связанные с прецизионным измерением ядерной поляризации мишеней. Пожалуй более точно можно
сказать, что в этой главе впервые в замкнутой форме изложена теория измерения поляризации Q-метром. Здесь получено и анализируется точное уравнение [12], связывающее ядерную восприимчивость с выходным сигналом Q-метра. Анализ показывает, что при аккуратном измерении поляризации, необходимо учитывать ложную асимметрию, вводить фазовую и другие коррекции спектра, которыми обычно пренебрегают в менее тонких экспериментах. Ложную асимметрию удалось обнаружить при измерении равновесных ЯМР-спектров дейтронов в бутаноле-Dio- Анализ фазовой коррекции привел к идее усовершенствования так называемого Ливерпульского Q-метра: прибора, который в настоящее время на Западе повсеместно используется для измерения ядерной поляризации.
• В четвертой главе представлен метод определения асимметрии дейтронных ЯМР-спектров. Получена формула для оценки поляризации по седловым точкам дейгронного спектра [13]. Впервые рассчитывается и корректируется ложная асимметрия дейтронных спектров, после чего дейтронная поляризация, рассчитанная по асимметрии и интегральным методом, сравниваются между собой [76]. Далее метод уточняется для гораздо более сложного случая, а именно, для расчета поляризации ядер 14N, где обычные подходы к определению поляризации не работают.
• В шестой главе рассматривается эффект сверхизлучения (СИ) ядерными магнитными моментами [7]. Эффект заключается в быстром («100 ps) самопроизвольном реверсе отрицательной поляризации мишени, сопровождающемся мощным РЧ-шлучением. Генерация наступает, когда ларморовская частота ядерных спинов в поле совпадает с частотой какого-либо пассивного резонансного контура, расположенного в исследуемом материале. В процессе реверса ядерные спины индуцируют в приемном контуре радиочастотное напряжение, достигающее по амплитуде почти 1000 V. Нам удалось показать [7], что при достаточно высокой поляризации, ядерные спины индуцируют в резонаторе не один, как следует из уравнений Блоха, а два импульса: сверхизлучательный импульс и обычный импульс мазерной генерации. При этом поведение первого импульса аналогично предсказанию теории оптического сверхизлучения, что указывает на существование нового эффекта: сверхизлучения в системе магнитных моментов. При эксплуатации большой мишени CERN, сверхизлучение приводит к разрушению или даже реверсу отрицательной поляризации мишени, препятствуя ее нормальному
(адиабатическому) реверсу, так что приходилось принимать специальные меры по подавлению этого эффекта.
• В шестой главе исследуется модуляционный эффект. Экспериментально было обнаружено [8], что модуляция частоты микроволнового поля, поляризующего мишень, увеличивает в 1.7 раза поляризацию дейтронов в бутанольной мишени, и, кроме того, во столько же раз сокращает время накачки ядерной поляризации. Включение модуляции изменяет ЭПР-спектры, регистрируемые микроволновыми болометрами, а максимальная поляризация достигалась при микроволновой мощности более низкой, чем без модуляции; то есть качественно изменялись основные эксплуатационные характеристики поляризованной мишени. Незначительное усиление поляризации при частотной модуляции наблюдалось и раньше. Однако существующие объяснения этого явления, такие, как неоднородность поля магнита или неоднородное уширение ЭПР-линии, не отвечали на главный вопрос: почему при сравнительно низкой холодопроизводительности, нормированной на грамм материала, большого 8МС-рефрижератора удается достигнуть рекордных параметров мишени, чем в небольших по размерам мишенях большей холодопроизводительности? Как объяснить возникновение боковых сателлитов в ЭПР- линии, регистрируемых болометрами? Мы впервые объяснили эффект [14] введением механизма пространственного перераспределения поля в резонаторе, который отражает наличие эффектов пространственной дисперсии в неоднородном материале при насыщающих микроволновых полях. В условиях микроволнового насыщения дисперсионная компонента электронной восприимчивости значительно превосходит поглощение, поэтому механизм перераспределения поля играет важную роль в дополнительном поглощении энергии микроволнового поля. Математическое моделирование хорошо подтверждает физическую модель явления, объясняя как появление боковых сателлитов в линии ЭПР, так и зависимость добавочного микроволнового поглощения от частотной девиации.
• В седьмой главе автор попытался проанализировать возможность применения в будущем замороженных мишеней в задачах ядерной физики. Принцип динамического охлаждения ядер по своей сути не имеет ограничений на тип поляризуемых ядер [15]. Поэтому в дальнейшем, используя преимущества этого метода, можно было бы поляризовать радиоактивные ядра, как это было предложено автором совместно с. М.И. Подгорецким и В.Л. Любошицем [16].
Возможность поляризации редких ядер подтверждается нашим успешным экспериментом в CERN по поляризации редких ядер стабильного изотопа 13С [17]. Дальнейшие исследования в этом направлении показывают возможность получения значительного усиления поляризации ядер спина I > 1 кросс-релаксацией с протонными спинами. Практической реализации метода препятствует наличие стенок камеры растворения и вакуумных экранов, ограничивающих спектр энергий частиц, доступных для детектирования излучения из мишени. Решение проблемы было найдено совместно с группой С. Манго [18] из Института Пауля Шеррера (Цюрих), где был выполнен успешный опыт по охлаждению тонкой мишени сверхтекучей пленкой 4Не. Такая тонкая поляризованная мишень может работать в вакууме или даже на внутреннем пучке ускорителя. • В заключении сформулированы основные результаты работы. Диссертация написана по результатам работ [1, 7, 8,12, 13, 14,16, 17, 18, 24, 25, 32, 54, 56, 57, 58, 66, 69, 75, 76, 85, 94, 96, 102, 116, 117, 127, 128]. Основные результаты докладывались на международных конференциях в Швейцарии, Голландии, Канаде и Германии. Под руководством автора диссертации по материалам работ [85, 93], была выполнена кандидатская диссертация А.Ф. Прудкогляда [22]. В целом, с момента разработки [1] и по настоящее время, замороженные мишени превратились в новый, ставший классическим, инструмент исследования спиновых явлений в физике элементарных частиц. Автор надеется, что его опыт экспериментальных исследований в ОИЯИ и CERN, сконцентрированный в данной диссертации, окажется полезным для дальнейшего развития приложений замороженных мишеней в физике элементарных частиц.
Глава 1. Поляризованная мишень в исследованиях спиновой
структуры нуклонов
1.1. Спиновая структура нуклонов.
В современном представлении нуклон является сложным динамическим объектом, составленным из взаимодействующих с помощью глюонов валентных кварков и моря виртуальных кварков и антикварков. История исследования внутренней структуры свободных нуклонов и нуклонов, связанных в ядре, прошла несколько этапов и сопровождалась крупными открытиями в области физики элементарных частиц за последние три десятилетия [19], которые, в свою очередь, поставили ряд вопросов. Одним из них является вопрос о спине нуклонов. Каким то, до конца не ясным пока образом, составляющие нуклон частицы формируют его суммарный спин 1/2. В простейшей модели, в которой нуклон состоит из трех невзаимодействующих кварков, каждый из которых имеет спин 1/2, результирующий спин нуклона можно получить, комбинируя два параллельных и один ангипараллельный спины кварков. Однако, как показали эксперименты [20], такая наивная модель далека от реальности. В этих опытах изучалось рассеяние поляризованной частицы, электрона или мюона, на поляризованных нуклонах, и
впервые была обнаружена асимметрия, т.е. различие в поперечных сечениях рассеяния для электрона или мюона со спином, параллельным или аншпараллельным спину нуклона. Теоретически сечение реакции глубоко неупругого рассеяния (ГНР) мюонов на поляризованных нуклонах рассчитывается в предположении, что процесс соответствует фейнмановской диаграмме,
Рисунок 1.2. Диаграмме неупругого мюон - нук-лонного взаимодействия, исследуемого с использованием поляризованной SMC- мишени.
«-
мюон
к
изображенной на Рис. 1.1. В соответствие с этими расчетами разность сечений ГОР определяется формулами [21]:
а-П-аг"' = + соз^^2)-!^*,^)], (1.1)
е2 е
а - <т
мп^АЮ^е2) - 2Е02(х,д2)], (1.2)
с12ст
где а з ——— - дифференциальное сечение ГНР, Е и Е' - энергия падающей и
dQ.d
