Изучение механизма образования мюония в жидком гелии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ институт»

На правах рукописи -УДК 538.941

ЕЩЕНКО Дмитрий Геннадьевич

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ МЮОНИЯ В ЖИДКОМ ГЕЛИИ

01.04.07 — физика твердого "тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—-1996

Работа выполнена в Российском научной центре "Кучатовский Институт"

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник Красноперое Е.П.

Оффициальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Смилга В.П.

кандидат физико-математических наук Добрецов Ю.П.

Ведущая организация: Объединенный Институт Ядерных Исследований, гДубна

Защита диссертации состоится "¿6' 1996 г. в У/ часов на

заседании Диссертационного совета РНЦ "Курчатовский Институт" (Д.034.04.02.) по адресу:

Москва, 123182, пл. Курчатова, РНЦ "Курчатовский Институт"

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский Институт".

Автореферат разослан 1996 г.

0-

Ученый секретарь специализированного совета ' Скорохватов НД

Общая характеристика работы

Актуальность темы 1 ■

Данная работа поезящена одной га интересных задач на стыке ядерной физики и физики конденсированного состояния - проблеме образования атома мюония в веществе. Обычно различают два процесса образования мюония (Ми=,а + + е"). Первый - образование мюония в результате взаимодействия термализованного мюона с электронами и ионами треха (модель радиолиза или трековая модель) [1]. Выход мюония (а также и времена его образования) в рамках этой модели тесно связаны с процессами рекомбинации и движения зарядов трека вблизи мюсна. Второй - образование "горячего" атома мюония [2] на высокпэнергетичной стадии торможения мюона в среде. Мюон может участвовать в процессе многократных перезарядок, то приобретая, то теряя (опять же при столкновениях с атомами среды) электрон:

+ +с к ' -е т ге м* /1 —Ми -> ¡1 -> Ми -

Конечный вь.ход процесса перезарядок зависит в первую очередь от

ншкоэнергетического предела отношения сечения захвата электрона мюоном

и сечения потери атомом мюония электрона. Точный теоретический анализ

ситуации при этом затруднен. В благородных газах, однако, оказалось, что

конечное состояние мюона к моменту термализации главным образом зависит

от соотношения между потенциалом ионизации атома Ми - Е. = 1334 зВ и

молекулы соответствующего газа. В газообразных Кг и Хе с близкими к

мюонию потенциалами (соответственно 13.94 эВ и 12.08 эВ) образуется 100%

мюония. В газообразном аргоне (Е.= 15.68 эВ) доля мюония составляет

примерно 75%. Для Не и Ме, потенциалы ионизации (соответственно 24.48 эВ

м 21.48 эВ) значительно больше потенциала ионизации мюония, и в

газообразной фазе 100% мюонов термализуется в свободном состоянии.

Посте безуспешных попыток обнаружить мюоний в газообразном [3] и жидком [4] гелии, возник скептицизм в перспективности применения мюонов для исследования гелия. Однако в та боте [5] было обнаружено, что прецессия мюона в жидком гелии затухает и, более того, при понижении температуры ниже точки сверхтекучего перехода, затухание прецессии резко увеличивается. Заметим, что данный эффект противоположен обычно наблюдаемому. Б конденсированных средах скорость деполяризации уменьшается с увеличением коэффициента диффузии съерхтекучем

же состоянии 4Не рост скорости деполяризации происходит по ..(ере повышения коэффициента диффузии зарядов.

Можно было предположить, что деполяризация мюонов в гелии связана с некими центрами деполяризации, находящимися в треке. Тогда

действительно, чем больше подвижность, тем быстрее мюон достигает трека, тем больше скорость деполяризации. Такими центрами деполяризации могли бы быть, например, возбужденные атомы орто-гелия, отрицательные ионы гелия и электроны. При реализации последнего случая открывается уникальная возможность исследован™ трекового механизма образования мюония. Уникальность прежде всего заключается в особом свойстве жидкого гелия - сверхтекучести. Вследствие данного явления подвижность зарядов в гелии при понижении температуры от А точки до 0.5К увеличивается более чем на пять порядков. Можно было предположить, что данное огромное изменение должно проявить себя в /¡БЯ экспериментах при н'оких температурах. Более того, добавляя малую (<1%) примесь ''Не в области низких температур можно контролирование уменьшать подвижность в пределах трех порядков. Все это делало задачу изучения поведения мюонов в сверхтекучем гелии крайне привлекательной

Цель работы

Целью данной работы являлось экспериментальное изучение механизма деполяризации положительных мюонов в жидком *Не и использование метода /^Я для исследования сверхтекучего состояния гелия.

Для реализации поставленной цели исследования необходимо было решить ряд задач:

1. Изготовить низкофоновую криогенную аппаратуру для исследования нормального и сверхтекучего гелия методом рБЯ с учетом специфики мюонного канала синхроциклотрона ЛИЯФ.

2. Определить, является ли наблюдаемая мюонная деполяризация следствием взаимодействия мюона с заряженными или нейтральными частицами.

3. Разработать криогенную аппаратуру для проведения рБК. экспериментов в сверхтекучем гелии в диапазоне температур 05+ 1.5К с применением поверхностного пучка мюонов.

4. Исследовать особенности мюонной поляризации в сверхтекучем гелии при температурах Т<1К.

Научная новизна

В жидком гелии применение электрических полей впервые поз ват ил о отделить и подробно исследовать образование мюония в случае взаимодействия мюона с треком. Для исследования характерных времен образования мюония применено переменное электр:гческое поле.

Впервые обнаружена несимметричность влияния электрического поля на образование мюония.

Образование мюония в сверхтекучем гелии исследованию в широком

диапазоне температур. Показано, что совокупность полученных экспериментальных данных связана с изменением подвижности зарядов. Обнаружено, что экстремально большие подвижности приводят к уменьшению вероятности образования мюония в чистом гелии при Т<0.8К.

Практическая и научная ценность работы.

В работе показано, что используя внешнее электрическое поле можно как уменьшать (в сильных электрических полях и в случае больших подвижносгей), так и увеличивать (в случае малых подвижносгей в малых противоположно направленных первоначальному импульсу мюонного пучка полях) амплитуду наблюдаемой мюониевой прецессии.

Полученные результаты послужили основой для понимания физики образования мюония в конденсированных средах при низких температурах и инициировали проведение мюонных экспериментов во внешних электрических полях в неоне [6] и азоте [7]- Фактически можно говорить, что использование электрических полей стало общепризнанным методом мюонных исследований. ■

Проведенная работа представляет интерес с точки зрения получения новой качественной информации о поведении зарядов в сверхтекучем гелии. Эксперименты свидетельствуют о том, что с помощью метода, в отличие от время-пролетной методики, открылась возможность изучать кинетику сближения заряженных частиц в сверхтекучем гелии при расстояниях между

л

частицами меньше 10 см в сильном электрическом поле и временах движения г < Ю"5с. В частности, предметом обсуждения становится существенность данных условий для образования зарядом комплекса ион+кольцо.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем диссертации - 136 страниц машинописного текста,

включая 33 рисунка и библиографический список из 76 наименований.

*

Апробация работы

Основные результаты докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях ИАЭ, Всесоюзных совещаниях по физике низких температур в Ленинграде (1988), Донецке (19^0), Казани (1992), VI международной конференции (Маун, Гаваи, США, 1993).

Публикации

По результатам диссертации опубликованно 13 райот.

Содержание диссертации

Во введении формулируются задачи исследования.

В первой главе обсуждается структура зарядов в жидком гелии, приведен краткий обзор по движению свободных ионов в электрических полях и образованию вихревых колец ионами.

Во второй главе описана методика эксперимента.

В первом параграфе приведены необходимые для дальнейшего изложения сведения о постановке /¿SR экспериментов и характере получаемой информации.

Во втором параграфе описан криостат для исследования гелия в диапазоне температур 15+4.2К, рассчитанный на работу синхроциклотроне ПИЯФ, и представляющий собой обычный криостат откачки 4Не. При этом сам криоагент является и исследуемым веществом. Камера образца представляет собой стакан из нержавеющей стали Х18Н10Т диаметром 88 мм и высотой 130 мм с тонкими окнами из нержавеющей фольги толщиной 45 мкм. Большой размер камеры связан с большой длиной торможения мюонов в гелии (порядка 5 см для мюонов с начальной энергией 30 Мэв). Общий объем жидкого гелия в. криосгате составляет порядка 3 л, что хватает на 8 часов непрерывной работы. Объем азотной ванны порядка 10 л, что хватает на 12 часов при залитом в криостат гелии.

Криостат стыкуется с регистрирующей системой с охлажденными

сцинтилляторами, описанной в параграфе 3. Входной счетчик и позитронный

телескоп в данной системе расположены в непосредственной близости от

образца внутри азотного экрана криостата и охлаждены до Т-100К.

Благодаря такому решению число регистрируемых остановок мюонов вне

образца сведено к минимуму, а дополнительный теплоприток по от счетчиков

незначителен. Тестовые испытания показали, что в данной конструкции при

"толщине" мишени 1+15г/см2 число ложных событий от остановок мюонов вне

образца - менее 15%, а минимальная измеряемая скорость деполяризации

составляет А . »0.02MKC*1. mm

В четвертом параграфе описано устройство для создания внутри гелиевого образца электрического поля. Поле получается с помощью рдов проволочных . нитей, заполняющих весь образец. Максимальное электрическое поле, до которого испытана система - 104В/см.

Криостат откачки 3Не. предназначенный для работы с криогенными образцами в диапазоне температур 0.4+ЗК на канале поверхностных мюонов в PSI (Швейцария), описан в параграфе 5. Криостат имеет общий вакуум со спектрометром. . Для улучшения вакуума непосредственно вокруг низкотемпературной части, гелиевый и азотный экраны сделаны квазигерметичными. Ресурс работы криостата без подливки Не составляет —50 часов как при испытаниях в специальном вакуумном кожухе, так и

непосредственно в эксперименте. Для уменьшения числа остановок мюонов вне образца во всех экранах по пути пучка сделаны отверстия, заклеенные тонкой ( ~20мкм) алюминиевой фольгой. Снаружи экраны обернуты несколькими слоями алюмингоированного лавсана, что существенно уменьшает тепловые нагрузки. Камера откачки 3Не и экспериментальная камера выполнены га одного блока бескислородной меди. Диаметр камеры образца -20мм, глубина 9мм. Входное окно . камеры заклеено тонким -75 мхм позолоченным капроном металлизированной стороной внутрь камеры. Электрическое поле внутри камеры спасается с помощью электрода из протравленного фольгированного стеклотекстолита, приклеенного к задней стенке камеры. Напряжение на электрод подается манганиновым проводом через высоковольтную слезку. Напряженность электрического полч, достигнутая в данной системе - 2- Ю^В/см.

Глава 3 посвящена мюочным экспериментам в жидком 4Не в диапазоне температур 1.5+42К.

Первый параграф посвящен изучению температурной зависимости деполяризации мюонов при Т=15+42К. В работе [5] было обнаружено, что скорость деполяризации А слабо меняется (А - 0,1мкс-1) в нормальном гелии, а при охлаждении ниже точки сверхтекучего перехода вагоастает достигая А =■ ОЛбмкс"1 при температуре 1,55К. Данные результаты были получены на установке с обычным (снаружи криосгата) расположением регистрирующих, счетчиков, где доля регистрируемых остановок мюонов в конструкционных материалах достигала тридцати процентов. Поэтому, не было уверенности, что значение А « ОЛмхс"1 действительно отражает поведение мюона в гелии, а не является следствием аппаратурных эффектов. Измерения с использованием созданного низкофонового оборудования показали, что новые значения лежат ниже старых в диапазоне температур 2,17*4,2 К 0.068+0.1мкс~') и заметно выше разрешения системы

"^гат* • В сверхтекучем гелии разница между старыми и новыми

значениями А меньше и при Т=1_55К данные практически совпадайте

Анализ формы огибающей прецессии при температурах ниже точки сверхтекучего перехода показал, что при понижении температуры спехтр уже плохо описывается одной экспонентом. При Т = 155К на начальном участке спектра видна релаксация с характерной величиной 1мкс '.

Обнаруженное в экспериментах в ЛИЯФ влияние электрического поля на , деполяризацию мюонов описано в параграфе 2. В данной серии экспериментов использовалась многшлектродная система для создания электрического поля. В силу большой, по сравнению с расстоянием между разноименными электродами, длинной торможения мюонов с начальной энергией ЗОМэВ, мюон равновероятно останавливался- в параллельном н антипараллельном своему начальному импульсу направлении электрического пода. С увеличением

напряженности электрического поля наблюдалось . уменьшение скорости деполяризации. В нормальном гелии при изменении Е от нуля до 6- №3В/см скорость деполяризации уменьшается с О.Оббмкс'1 до 0.029мкс-1. В сверхтекучем состоянии подавление релаксации проявляется существенно ярче. Так, при Т=2.0К А уменьшается с 0.128мкс-1 до 0.032.мкс_1 соответственно. Наиболее подробно полевая зависимость была и<хледована при температуре 1.6К. В диапазоне палей 0+150В/см скорость деполяризации практически постоянна. При дальнейшем увеличении Е происходит резкое уменьшение Л, и в полях больше 700В/см скорость деполяргаации приближаете» к пределу разрешения ^БЯ установки.

В третьем параграфе излагается модель деполяризации мюонов в жидком гелии. Вследствие направленного сближения мюона с ближайшим электроном трека происходит образование мюония. В силу малости периода прецессии мюония (ТМи~ 2нс при Н=300Гс) по сравнению с временным разрешением /^Я спектра, прецессия мюония не дает вклад в наблюдаемый сигнал мюонной поляризации в полях сотни Гаусс. Образование мюония просто приводит к уменьшению свободной мюонной фракции во времени и прояьляется в затухании прецессии на мюонной частоте. Мюоннгя фракция в момент времени Л будет определяться начальной функцией распределения мюонов относительно электрона и законом сближения частиц. Набор экспериментальных данных в гелии удается качественно объяснить в предппложении, что функция начального распределения электронов вокруг мюона не зависит от температуры, а сближение мюона с электроном при Т>1.5К происходит по вязкостному закону:

"<3г _ ^ е2г ,,,

гт = "ь "тг- (1)

где г(1) - вектор, соединяющий частицы, а Ь - сумма подвижносгей электрона и мюона. Согласно (1) для спектров при разных температурах должен выполняться закон подобия:

Ь,

(2)

?1Ю = Р2

-1« Ь2 ■

где Р(0 - мюонная фракция (огибающая мюонной прецессии), а индексы 1 и 2 относятся к разным температурам. Чем ниже температура, тем отчетливее видно, что огибающая имеет два характерных времени деполяризации. На рисунке 1 приведена зависимость скорости быстрой деполяризации для всех спектров, снятых в температурном диапазоне 13+42К от суммарной подвижности зарядов. Высоким температурам соответствуют низкие подвижности. Если верен закон подобия (2), для скорости деполяризации должно выполняться соотношение:

Наилучшее приближение зависимости 1о^Л) от к^(Ь) дает наклон

«

10—1

г

3 в'

а г

1-

0.1

0.1

Подвижное«, см'/Во

Рис. 1. Зависимость скорости быстрой деполяризации от подвижности гелии в температурном диапазоне 135+4.2К.

I—I

> II.

к =0.941;0.030, что в пределах двойной ошибки совпадает с исходным предположением Л ~ Ь.

Наблюдаемое уменьшение скорости деполяризации во внешнем электрическом поле можно также качественно объяснить в рамках модели парной рекомбинации. С учетом внешнего электрического поля уравнение движения (1) переписывается в виде

и г2

ИТ

«"г - -- + ЪеВ (4)

г

Из (4) следует условие на начальные координаты частиц, при которых движение закончится рекомбинацией:

го< Е- —Г-^- <5>

0 Е со52(^0/2)

где ¡¿0 - угол между векторами г0 и Е. При т2<е/Е, частицы будут рекомбинировать при любом начальном угле, но, чем больше поле, тем из меньшей части пространства будут рекомбинировать частицы, и наблюдаемая релаксация будет уменьшаться. При очень больших полях "конус" (5) выродится в прямую г. Отметим, что в (5) не входит подвижность, и

данное неравенство справедливо для любого уравнения типа г = а-Е.

Четвертый параграф посвящен обнаружению влияния направления электрического поля на деполяризацию мюонов в гелии. Эксперименты проводились на поверхностном мюонном пучке. Конструкция экспериментальной камеры позволила исследовать влияние направления внутреннего электрического поля на деполяризацию мюонов. В качестве иллюстрации на рисунке 2 приведены огибающие мюонной прецессии в гелии при Т=224К для нулевого электрического поля (средний график), Е—ВЗВ/см (нижний график) и Е =889В/см (верхний график). Положительные паля направлены против импульса мюонного пучка. Влияние поля крайне несимметрична В отрицательных полях происходит быстрое подавление деполяризации. В положительных палях по мере увеличения Е начальный участок огибающей имеет увеличивающийся прогиб, а при больших временах огибающая стремится к возрастающей от поля константе. Данная тенденция объясняется тем, что функция распределения электронов вокруг мюона

§ е

а .

0.00 •

1 0.50 -£

: о.5о -

^■'^Лг^тА ¡Тф

Е-889В/см *

-1-

2.00 Врем!, гас

•п 1-Т1

Е«0

2.00 &рш1, мхе

Е—-133В/см

2.00 Время, ыхс

I

4.00

Рис..2. Временная эволюция мюонной фракции в гелии в различных электрических полях при Т=2.45К.

смещена против направления первоначального импульса мюонного пучка. Малые положительные внешние поля "помогают" рекомбинации основной дани электронов, складываясь с кулоновским притяжением и уменьшая время движения дасгиц. Однако, чем больше Е, тем из большей области пространства в соответствии с неравенством (5) частицы избегают рекомбинации. При отрицательных значениях Е эффект избегания рекомбинации проявляется гораздо раньше - для большинства частиц внешнее поле работает против взаимного кулоновского притяжения.

Используя набор экспериментальных данных (измерения проводились в 12 различных электричгсхих полях) оценен вид смещенного распределения Р0( г). В качестве приближения для />0(г) принята гауссова функция, смещенная от электронов на расстояние - г0 и имеющая дисперсию - Д

РпЮ

1

з «р(-

3

(6)

с помощью данного распределения с параметрами г0=4Л-10"5см можно удовлетворительно описать все

Показано, что

Л =3.9- 10"5см, г0 =4^2-10 "см можно удовлетворительно экспериментальные полевые зависимости. Теоретические огибающие проведены на рисунке 2 пунктирной линией.

Эксперименты по влиянию частоты переменного электрического поля на деполяризацию мюонов в жидком гелии изложены в пятом параграфе. Результаты, полученные в ЛИЯФ, по влиянию частоты электрического поля на скорость деполяризации М() при Т-1.56К приведены на рисунке 3. Скорость

1.00 0.60 -0.60 -0.40 -0.20 -

0.00

200

—I-1-1-

400 600

Часто*«, кГц.

ьоа

1000

Рис. 3. Зависимомть скорости деполяризации мюонов от частоты внешнего электрического поля амплитудой 220В/см в гелии при Т=1.6К.

деполяризации нормирована на максимальное значение. Амплитуда электрического поля была в данном эксперименте была выбрана 200В/см, что соответствует уменьшению Д по сравнению со скоростью деполяризации в нулевом поле вдвое. При увеличении частоты переменного электрического паля скорость деполяризации возрастает. В пределе- низких частот каждый пара движется в своем статическом внешнем поле. Напряженности этих полей распределены от -200В/см до 20ОВ/ш. Соответственно скорость деполяризации будет средней между Л(Е) в статических полях. По мере повышения частоты, за время сближения электрона с мюоном внешнее поле успевает поменять знак, что приводит к усреднению действия электрического поля и увеличению В пределе больших частот за время сближения электрона с мюоном происходит многократное усреднение влияния внешнего электрического поля - наличие переменного поля приводит лишь к небольшому дрожанию частиц. Эксперименты в переменном электрическом поле позволяют оценить время вязкого сближения электрона с мюоном при Т=1.6К - I » 2*5- Ю^с. Сплошной линией на рисунке 3 проведен модельный расчет.

Глава 4 посвящена обнаружению мюония в сверхтекучем гелии и его исследованию.

Первые эксперименты по обнаружению прецессии мюония в сверхтекучем гелии описаны в параграфе 1. Наблюдение когерентной прецессии мюония оказалось возможным благодаря резкому уменьшению времен сближения электрон- мюонных пар при Т<1К и использованию слабых (десятые Гаусса) магнитных полей. .

Исследованию температурной зависимости вероятности образования мюония посвящен второй параграф. Эксперименты проводились как в чистом 4Не, так и в 4Не с малой примесью - . 4Не+0.2%3Не. Полученные температурные зависимости амплитуды мюониевой прецессии в поле Н = 0,4 Гс приведены на рисунке 4. Данное магнитное поле позволяет регистрировать атомы Ми, которые образовались за времена меньше г « 2те/(т^-^Н) <* 0-Змкс. Атомы Ми, образующиеся после времени т, из-за спиновой расфазировки дают малый вклад в амплитуду мюониевой прецессии. При высоких температурах как в чистом 4Не, так и в растворе ам^ мало. По мере понижения температуры а^ увеличивается. При низкой температуре (0,7К для 4Не и 0,5К для раствора) асимметрия мюония близка к максимально возможной.

Анализ формы спектров показал, что эволюция мюонной фракции при всех температурах может быть достоверно описана выражением:

Р(0 = агеЛЧа5е'\1 (7)

По мере понижения температуры огибающая принимает все более прогнутый вид - доля и скорость быстрого рождения мюония увеличивается. В чистом гелии при температуре 0.7К, которая соответствует максимуму амплитуды

Теыпэратура, К

Рис. 4. Зависимость амплитуды мюониевой прецессии в поле 0.40 от температуры в Не и смеси Кривые линии проведены

на глаз.

мюониевой прецессии в поле 0.4Гс соответствующие параметры (7) равны af= 05i0.L Af=20i2 мкс'1, А;=5±2 мхе'1. При дальнейшем понижении температуры скорость быстрого процесса меняется слабо, однако амплитуда а^ уменьшается (особенно это заметно при T<0.6Kj. Большая величина 'Vas'.* ^ 1:с ' что почти на порядок больше простой оценки '"ch,ra' r/VL, гае rcha « 7- 10"5см - характерное начальное расстояние между электроном и мюоном, a VL=> 6' иЯсм/с - критическая скорость Ландау и уменьшение АМц в чистом гелии при Т<0.6К требовали теоретического объяснения.

В третьем параграфе изложено влияние величины поперечного магнитного поля на прецессию мюония в жидком гелии. Зависимость амплитуды мюониевой прецессии от магнитного поля для Т=0.7К приведена на рисунке-5. При увеличении магнитного паля амплитуда мюониевой прецессии уменьшается. Анализ показал, что полученная зависимость не описывается уравнением рекомбинации первого рода. Сплошная кривая соответствует образованию мюония по закону (7) и имеет параметры af= 0.57±0.04д^= 24î2mkc"1. Siluicc'1, что в пределах ошибки

совпадает с параметрами, оцененными из вида спектра в поле 0.4Гс.

Рис. 5. Зависимость амплитуды мюониевой прецессии от магнитного поля в 4Не при Т =0.7К.

Четвертый параграф посвящен влиянию внешнего электрического поля на процесс образования мюония при низких температурах. На рисунке 6 изображены зависимости амплитуды прецессии мюония в растворе при Т=0.5К и в чистом гелии при Т=0.7К от величины и направления электрического поля. Положительно« Е направлено против первоначального импульса пучка мюонов. Влияние поля несимметрично. Это свидетельствует о том, что при низких температурах, также как и при высоких, максимум мюонной плотности относительно электронов сдвинут вперед по пучку. При отрицательных полях внешнее поле направлено против кулоновского паля большинства мюон-электронных пар, и вероятность рекомбинации, а значит и амплитуда мюониевой прецессии резко уменьшается с увеличением модуля внешнего поля. В положительных полях направления внешнего и внутреннего кулоновского поля для большинства МЮОН- электронных пар совпадают -соответственно влияние внешнего поля на вероятность рекомбинации слабее.

Качественное объяснение особенностям образования мюония при низких температурах посвящен параграф 5. Особенности образования мюония при низких температурах удается объяснить, если предположить, что мюон образует тяжелый кластер, имеющий в начальный момент времени скорость порядка скорости Ландау. Время образования мюония в этом случае определяются временем релаксации начального импульса кластера. Уменьшение вероятности образования мюония в чистом гелии при Т<0.7К. объясняется тем, что в силу увеличивающихся длин пробега часть мюонов могут удалиться за сферу Он саге ра и избежать рекомбинации.

Из зависимостей амплитуды мюониевой прецессии от электрического поля оценен вид начального распределения электронов вокруг мюона. Для

и

Электрическое поле. кВ/си

Рис. 6. Зависимость амплитуды мюониевой прецессии в поле 0.4в от

4 4 3

внешнего электрического поля для чистого Не и смеси Не+02% Не.

Сплошная кривая - модельный расчет.

:меси (Т=0.5К, Ь-20 см2/В- с) смещение мюона за счет релаксации скорости Зудет иметь порядок ¿г - У^МЬ - 10"5см, точностью 6г траектории частиц Зудут следовать силовым линиям электрического поля (равного внутреннему сулоновскому плюс внешнее). Доля удачно срекомбинировавших частиц в этом лучае считается интегрированием плотности начального распределения по эбласти пространства (5). Полученная из таких соображений • модельная ¡ависимость АМи(Е) приведена на рисунке 6 сплошной линией и »ответствует параметрам смещенного распределения г0=4.5-10'^см и ^«4-10''см, что неплохо согласуется с. результатами главы 3.

В параграфе 6 рассмотрено возможное влияние сверхтекучих колец на [юрмирование мюония при низких температурах. Образованием колец можно »бъяснить большие времена сближения мюона с электроном при низких •емперзтурах. Однако данная модель находится в противоречии с кспериментами в электрическом пале. . В слабом внешнем поле, онаправленном с внутренним полем большинства мюон- электронных пар, ремя образования мюония уменьшается, в то время как движение зарядов, ахваченных кольцами, в электрическом поле замедляется.

В параграфе 7 рассмотрено влияние многочастичности трека на бразование мюония. Отталкиванием мюона от" положительных ионов треха южно объяснить большой начальный импульс мюонного кластера, необходимый 1ля понимания низкотемпературных экспериментов. Показано, что - 13

многочастнчность трека может оказаться существенной в экспериментах низких температурах с напряженностью внешнего поля £>400В/см. В целом модель уединенной электрон- мюонной пары может служить основой описания всех наблюденных в гелии эффектов.

В заключения диссертации перечислены основные выводы.

В приложении анализируются особенности медленного образовг мюония, приведена процедура выделения огибающей мюонной прецесси: полях Н > 20Гс, а также более подробно рассмотрены вопросы обрабс экспериментальных спектров с помощью ряда экспонент.

Основные результаты диссертации

1. Создано оригинальное низкофоновое оборудование для , исследований гелия в широком диапазоне температур и электрических по. При проведении fiSR экспериментов на высокоонергетичных мюонных пу» применение регистрирующей системы с охлажденными сцинтилляторг расположенными вблизи камеры образца, позволило существенно уменьи. количество регистрируемых остановок мюонов вне образца.

2. Установлено, что деполяризация мюонов в жидком 4Не связана процессом образования мюония вследствие рекомбинации мюона с электрон; трека. Экспериментально показано, что внешнее электрическое л напряженностью выше 1кВ/см практически подавляет деполяризацию.

3. Измерения в переменном электрическом поле позволили незавиа определить время вязкого сближения электрона с мюоном, которое T=1J5K составляет t-2+S-lO^c

4. Вопреки существовавшей ранее точки зрения, в гелии обнаруж прецессия свободного спина мюония. Изучена температурная зависимс амплитуды мюониевой прецессии в чистом гелии и в Не, содержащем 0 при меси 3Не. С понижением температуры амплитуда мюониевой прецес возрастает, проходя через максимум при Т«0Ж в чистом гелии. При у для смеси при Т<0Ж и для чистого гелия при Т«0.8К амплитуда мюоние прецессии в поле 0.4Гс близка к максимально возможному пределу.

5. Подробно исследованы зависимости амплитуды и фазы прецес мюония от магнитного поля. Полученные результаты не могут быть опием на основе уравнения рекомбинации первого рода.

6. По форме спектра в слабом поперечном магнитном поле оцен

временное распределение вероятности образования мюония при Т =05+1

Показано, что образование мюония имеет два характерных времени: коро7

- г,» 50+100- 10"9с. - время формирования сигнала мюониевой прецессии -ft

т* 1+5-10 с, наблюдаемое как медленно меняющаяся средняя линня мюониевой прецессии.

7. Обнаружена несимметричность пространственного распределе;

тронов относительно мюона: мюонная плотность смещена вперед по пучку

расстояние г . - 5- 10"5см. char

8. В рамках трековой концепции образования мюония построена :ственная модель деполяризации мкюнов в гелии. 5 диапазоне 1-5+4J2K оование мюония хорошо описывается уравнением вязкого направленного 1жения мюона с ближайшим электроном. При этом увеличение скорости эляризации при понижении температуры объясняется увеличением зижносги зарядов. Показано, что существенным отличием задачи вования мюония при низких температурах является необходимость учета жсации импульса ионов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Красноперое ЕЛ, Ещенко ДР. "О быстрой деполяризации мюонов в сверхтекучем гелии". 24 Всесоюзное совещание по физике низких температур. Тезисы докладов. Часть 1. Тбилиси, 8-10 сентября 1986 г. Г 10, стр 21.

Красноперое ЕЛ, Ещенко ДР. " Регистрация (iSR спектров охлажденными сцинтиллхторами." Препринт ИАЭ - 4392/9, 1987г. Еа,енко ДХ, Красноперое ЕЛ. Барсов СГ, Геталов АЛ. Коптев ВЛ, Кузьмин Л.А, Микиргычьянц С_М, Щербаков Г.В. "Подавление мюонной релаксации в жидком Не электричесхим полем". Письма s ЖЭТФ. 1988 г, г. 48, вып. 20, с. 568-570. Ещенко ДХ, Красноперое ЕП, Барсов С.Г, Геталов АЛ, Коптев ВЛ, Кузьмин Л .А, Микиргычьянц С.М, Щербакоз Г.В. "Влияние частоты переменного электрического поля на деполяризацию мюонов в жидким гелии". 26 Всесоюзное совещание по физике низких температур. Тезисы докладов. Часть 2. Донецк, 19 - 21 июля 1990 г. К 22, стр. 48-49. Е. Krasnoperov, Е. Meilikbov R. Abela. D. Herlach, E. Morenzoni F. Gygax. A. Schenck D. Eschenko "Muoniuni in superfluiJ hélium" Phys. Rev. Lett, 69, 1560-1563 (1992) Д.Герлах, ЭМорензони, Д.Солт, УДиммерманн, ФЛХигакс, А.Шенк, ДХ-Ещенко, ЕЛ.Красноперое, Е-Е-Мейлихов "Мюоний в изотопах жидкою гелия" Письма в ЖЭТФ, 57, выпЗ, стр. 154-157 (1993)

E.PJCrasnoperw, E-E.Meilikhcw, D.G£schenko, DHerlach, E.Moreazoni, U_Zimmermann, F.N.Gygax, A.Schenck. Electnc field dependence of muonium formation in liquid heiium. Hyperfine Interactions 87, 1011-1016 (1994)

IJ

Цитируемая литература

[1] Percival P.W, Roduner E, Fischer H, Chem. Phvs. 32, 353 (1978)

[2] Reining D.G, Mikula RJ, Gamer DM, Hypint. 8, 307 (1981)

[3] Stambaugh RX), ' Casperson DE, Crane T.W, Hughes V.W Kaspar H J, and Souder P_ Phys. Rew. Lett. 33, 568-571 (1974)

[4] Crane T.W, Casperson D£, Chang H„ Hughes V.W, Kaspar HP, Lovett B, Schiz A, Souder P, Stambaugh RX). and Gzu Putlitz, Pbys. Rew. Lett 33, 572-574 (1974)

[5] Красноперое EJI, Сторчах BP, Барсов CP, Геталов АЛ, Круглое С.П, Кузьмин ЛА, Микиртычьянц С.М, Щербаков BP, Письма в ЖЭТФ, 42, N 6, с. 263-265 (1985)

[6] Красноперое ЕЛ, Мейлихоа Е.Е, Пономарев АЛ, Ещенко Д.Г, Дугинов ВЛ, Жуков ВА, Мамедов ТЛ, Ольшевский BP, Помякушин В.Ю, Письма и ЖЭТФ, 59, вып. 11 с. 721-724 (1994)

[7] Storchak VJBrewer JJi, Morris G£), Physics Letters A 193. 199-205 (1994)