Новые типы поляризующих и отклоняющих электромагнитных систем и их оптимизация методами математического моделирования для экспериментов по поиску эффектов нарушения Т-инвариантности в молекулах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМ.Б.П.КОНСТАНТИНОВА

РГ б од

На правах рукописи 4Р0Ь

РЯБОВ Владимир Львович

УДК 539.1(21,93.43,98)

НОВЫЕ ТИНЫ ПОЛЯРИЗУЮЩИХ И ОТКЛОНЯЮЩИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ И ИХ ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДОИРСВАНИЯ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ПОИСКУ ЭФФЕКТОВ НАРУШЕНИЯ Т--ИНВАРИАШНОСТИ В ИОЛЕКУЛАХ

(01.04.16 - физика ядра иг элементарных частщ)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации не соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саикг-ПеторЛург 1994

Робота выполнена в Петербургском институте ядерной флаики им. 3.П.Константинова РАН,

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук В.Ф.Ежов.

Официальные оппоненты -

доктор физико-матэмЕТИческих наук З.М.Самсонов ,

кандидат физико-математических наук АХ-Бе-пот?.

Ведущая организация -

Санкт-Петербургский государстве&тай технический университет.

з *

Защита состоится " 1994г. в/* часов

на заседании специализированного совета Д-002.71.01 в Петербургском институте' ядерной физика им. Б.П.Константинова РА1 по адресу:

188350, Ленинградская область, г.Гатчина, Орлова роща, ПИЯФ. О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного кандидат физико-математических наук

совета,

К.А.Митропольскй

Актуальность проблемы поиска эффектов нарушения Т-янвзриант--ности хорошо известна. Использование в качестве объекта исследований молекул связано с тем, что сраЕнение результатов нзйтрсшшх, атоьмых л молекулярных экспериментов показывает, что на сегодняшний дань ограничении на константы Р и 1-ыарушащих взаимодействий, получаемые из них, примерно одинаковы. При ятом важно отметить, что точность измерения сдвига частоты в молекулярном эксперименте значительно хуже. Таким образом, достижение в молекулах точности атомных экспериментов позволит нь дач-три порядка улучшить ограничения на константы Р- и Т-нарушакцих взаимодействий.

Основная цель работы состоит в создании экспериментальной схемы проведения эксперименте на молекулярном пучке, позволяющей реализовать усиление эффектов нарушения 1-инвариантности в молекулах. Это включает в себя создание таких систем поляризации и анализа квантовых состояний молекул, для которых фоновый эффект был бы как можно меньше и ложный эффект по возможности исключался.

Научная новизна. Предложена дифференциальная схема эксперимента, система"поляризации молекулярного пучка и способ приготовления и анализа когерентных состояний для использования явления пересечения уровней в нулезом магнитим поле в эксперимента по поиску эффектов нарушения !Р-инвариантности на ;<клекуле Т1?.

Практическая ценность работы. Впоршэ дан исключения систематических ложных эффектов и мониторирования эксперимента предложена диЭДеранциальная схема эксперимента, в которой в качестве разделиг-толя молекулярного пучка на два канала используется экспоненциаль-пый электростатический диполь, конструкция которого защищена авторским свидетельством.

Автор защщает результаты:

I. Проведена оптшизпция~иараметров установки по поиску аффектов нарушения Т-инвариантности для гаоопоттштеявного сверхзвукового источника молекулярных пучков. С целью увеличения точности, в отличие от общепринятого параксиального приолитания для уракне-

шй движения нейтральных частиц в электрических полях, предпонен ж рзализован метод численного интегрирования уравнений движения с учетом в общем виде эффекта Штарка.^то эйтоматичиски приводят к учету всех аберраций, прдсущих системе.

2. Предложена система поляризации молекулярного пучке и способ приготовления и анализа когерентных состояний дня использования явления пересечения уровней в нулевом магнитном поло в эксперименте по поиску аффектов нарушения Т-инваряачтаости кг молекуле TIP. .

3. Впервые .для исключения систематичео.ких лоьгшк зффочтоп и мониторарования эксперименте предлолэнз дифференциажная слэмг; эксперимента, в'Которой в качестве разделителя молекулярного пучка на два канала используется акспснаациальный электростатический диполь, конструкция которого защищена авторским свидетельством.

4. с целью повышения чувствительности и улучшения фоновых условий предложенного эксперимента по поиску эффектов нарушения Т-инвариантности на молекуле T1F впервые предложено оригинальное решение анализатора молекулярного пучка - двойной объединенный квадруполь. Использование в дифференциальной схема окспзриманта экспоненциального диполя и объединенного квадруполя позволяет значительно поднять точность эксперимента.

5. В результате оптимизации параметров экспериментальной установки для эксперимента по поиску эффектов нарушения Т-инвариантности на молекуле TIP получены величины пропускания рабочих и фоновых состояний, обеспечивающие реализацию в полном объеме преимуществ от использования источника молекулярных пучков 1ШЯФ РАН и достижения статистической чувствительности эксперимента на уровне ~10-ьГц, что на два порядка превосходит последний результат группы Э.Хайндса из Иельского университета.

6. Выполнена работа по оптимизации конструкций® , характеристик фокусирующих элементов магнлторезонансной установки и предложено использовать сверхпроводящие шестиполюсные магниты, отличающиеся компактностью и рекордным градиентом магнитного поля (порядка 28 кгс/см).С этой целы» бала проведена оптимизация, предложена конструкция, изготовлеь и испытан сверхпроводящий шестиио-лисныЯ магнит. Получонное магнитное поле согласуется с рп^четанм.

7. Для модернизированного истотг:шка молскулнр-.ых п./чч : ''/Яг

РАН обоснована возможность определения вращательной температуры молекуляряот пучка TIP с помощью одного электростатического квад-руполя п оптимизирована схека такого спектрометра.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, зыводов, приложения, списка литературы ( 128 страниц, 42 рисучкоз, 10 таблиц ).

Первая глава посвящена обсуждению современного состояния экспериментального поиска нарушения Р- и Т-инвариантности в нейтроне, атомах и молекулах. Как известно, нарушение временной инвариантно-ст«х и пространственной четности вызывает существозание нонулорого элэктрического дипольного момента (ЭДМ) у элементарной частицы. Рассмотрены принципы постановки экспериментов по поиску ЭДЧ в нейтроне, атомах и молекулах и приводятся теоретические факторы усиления ЭДМ в атомах и молекулах. С этой точки зрения обсуждаются наиболее перспективные эксперименты по поиску ЭДМ в молекулах. Обсуадениа последнего, наиболее точного эксперимента на молекуле TIP, проводатся с целью выявления путей повышения точности в таком эксперименте. Дело в том, что в предыдущих экспериментах Н.Рямэея и Э.Хайвдса использовалась схема, в которой соотношение фон/эффект не могло Оы^ь лучше 14, а точность вкспершентов ограничивалась ложным эффектом, возникающим из-за неудачного выбора рабочих уровней.

Про.1"росс видится в улучшении молекулярного пучка и создании схемы эксперимента, для которой фоновый эффект был бы как можно меньше, а лсжшЯ эффект по возможности исключался.

Вторая глава посвящена общему описанию принципа действия сшж-трсмэтра для эксперимента по поиску эффектов нарушения Т-инвгфизн-тности на молекуле TIP. В основу создания спектрометр" положена идея использования интерференции в нулевом магнитном пела между выровдвнными в олвктрическом поле состояниями первого вралаюльно-го состояния (эффект Хаклв). для устранения основного нолмоъжго ложного эффекта, связанного с заилсимост^в частоты рабочьго .юрч-ходя от величины приложенного, злсктраческош поля.

Для описания предлагаемой схомн зкеперимелтз с молекулой fli

- о - .

подробнее остановимся на 'лшп-вращятельной струк.уре основнох'о со-столнин'^.Она может быть описана спнн-вращательным гамильтонианов:

где Нго^ПВ.]2. НБ1;-Цв.1, Нз^с^Ь^Нс^^.Д),

1Г - вращательный момент молекулы, I, - спин И, Е - внешнее электрическое поло,

12 - спин,?, В - впешнае магнитное поле.

При прохождении пучка по установке он попадает в разные поля, при бтом уровни энергии имеют несколько точек пересечения, причем б некоторых из них возможны неадиабатичесхие переходи, которые в результате могут привести к деполяризации молекулярного пучка.

|0,-1/2,-1/2>

|-1 ,-1/2,-1/2> Е

Е=3

|-1,-1/2, 1/2> |-1, 1/2,-1/2> J

E'l'mtiT

Ир

-1

В_— (1 /> 2) (|0,1/2,-' /2>-|U,-1 /2,1 /2>)

: (1/У^) (10,1/2,-1/2>+10,-1/2,1/2>) D |0, 1/2, 1/2>

1/2, 1/2> 1, 1/2,-1/2> 11,-1/2, 1/2>

[А (1//2)( |1 ,-1/2,-1/2>+|1,1/2,1/2>) -(1 /■/!?)(|0,-1 /2,-1 /2>- ,П,1/2,1/2>) 1 2

о

лр " mj + %

Рис. 1. Схема уровней энергии первого вращательного сс-стояггая молекулы Tli в сильном электрическом деле

Особенно опасным представляется пересечение уровней л я Е, поскопысу переход между ними идет без переворота ядерных мсменточ. Однако, если создать небольшое магнитное полэ, перпендикулярное эльктричеэкому Н^ х этс пересечение исчезнет. Т.о., знание поведения уровней сверхтонкой структуры в электрических и магнитных полях позволяет надежно проводить пучок в экспериментальной установка, не допуская его деполяризация и ненужных неадиабатичес-клх переходах в промежуточных областях.

Поведение уровней получается нахождением собственных злачэний при диагоналкзБции матрицы оператора энергии для произвольных значений .1, Т1Д2, Е и 3. На рис. 1 лрьведенн уровни сверхтопкой структуры первого вращательного уровня в сильном электрическом полэ в отсутствие магнитного поля. Видно, что в качестве рабочих состояний можно выбрать любую пару подуровней из -четырех пар ви-рожденных состояний. Гамильтониан Р- и Т-нарушащего взаимодействия могзт быть записан: Л,,т = , где 11 - сшш ядрэ Т1; й - степень Т-нарушения,.

А. - единичный вектор, направленный от ядра Т1 к ядру Р и ха-

- 8 - ,

проекции поляризуемости па ось квантования спина. Поскольку искомый эффект линейно зависит от Л2, то его зависимость от напряженности электрического поля носит такой же характер. Поэтому в качество рабочих состояли' предлагается использовать две пары изможденных состояний А с В л ? с 0, дай которых искомый ЭДМ-эффект при Е<15 кВ/см имеет противоположный знак. Такая дифференциальная схема постановки эксперимента с одновременной регистрацией эффектов по двум каналам, дает возможность контролировать састэматическиэ еф-

фекты. Для двух каналов получатся цве возможные комбинации : 1 1 а * - ( ), Б — ( й.4й_).

р 2 + 2

В результате <1 определяет искомый эффект, а Ь - ложный зффект.

На рис. 3 показана предлагаемая экспериментальная схема установки. Начальная сортировка молекул осуществляется квадруполвм, после прохоадения которого получаем практически параллельный пучок молекул в состоянии 11,0>, ьключающем четнрэ подуровня: А,В,С,Б. На выходе из квадруполя электрическое поле резко спадает по величине и обращается в некоторой точке в ноль, при этом, возможны неадиабатические перехода между сотояаиями |1,С> я ! 1 ,±1 >. Наши расчеты показывают, что избежать этого пересечения можно, создав на выходе из квадруполя небольшое магнитное поле Нх=1 Гс, перпендикулярное электрическому полю с помощью небольшого соленоида.

После квадруполя пучок попадает в адиабатический флиппер, расположенный внутри магнитного экрана в нулевом магнитном поле, в котором осуществляются электрические дипольные переходы между состояниями | Г,0> и |1,±1>: А,В -> Е,Н и С У,С, причем смесь состояний ? к С получается когерентной, поскольку осуществляется переход из состояния С в выроздонную пару состояний, а состояния Е.Н представляют фон. Флиппер представляет собой комбинацию из радиочастотного электрического поля Е1 и перпендикулярного ему медленно меняющегося вдоль пучка постоянного электрического поля Б0.

Таким образом, после адиабатического флиппера ( в нулевом магнитном поле ) мы тлеем когерентную смэсь состояний ?. и в (И,±1 >) и состояние В, из которого резонансным радиочастотным переходом в следующем резонаторе приготовляется другая когерентная смесь состояний А и Б (|" ,0>). Итак, поело описанной поляризущэй. системы но входэ в область интерферэн^ш состояний мы получили двс< пари

Рис.3. Схека экспериментальной установки.

- 1С -

вырожденных когерентных состояний:

А+В: 1/-/£~\|т^0,гп=-1> + |т^0,т=1>),

Р+0 1/уГ(|тл=1,ш-0> + где т - п^ + ш1 .

1 2

Если у я"ра Т1 существует ЭДМ 5"= (1-1/1^ то во внешнем электри-ческгч пола Е вырождение "отмается, и между состояниями А и Б, а также Р и 3 появляется иазность фаз: лср = 2<р гоюруга необходимо определить ( лг - время пролета интерференционной области ):

А+Б: ^У^Ме^т^О.-^-О + ё^т^О.тИ >),

?+С: .т=0> ё1"^,т=0>).

Для этого пучок проходит через анализатор, подобный уже описанному поляризатору, в котором радиочастотным полем индуцируются перехода: А+В ■* В и Р+0 -» I, а информацию об ЭДМ-эффе1;те несут состояния В и I. Далее пучок входит экспоненциальный диполь, способный пространственно разделить пучок молекул а состояниях И,0> и И,±1> на две пучка, в каждом из которых будут молекулы только одного состояния. Таким образом, после диполя мы имеем пространственно разделенное два пучка, в которых молекулы находятся в состоянияг с га --0 и т =1, для которых ЭДМ-зффект в интерфь-ренционноГ области имел противоположный знак. Каждый лучок далее пройдет через свой флиппер и квадруполь:

в левом канале из состояний В.АчВ фашппрром убираются состояния АIВ -» Е.Н, которые последующим квадругюлем дефокусируются, а на детектор попадает состояние В;

в правом канале из состояний (¡шише ром выделяется состоя-

:г/.е Т.-С, которое последующим киадруполем фокусируется на детектор, а состояния Р^С и Е,Н дефок>лгруются.

й результате на детекторы попали молекулы в состояниях, несущих и.'Цормзци-и о ЭДМ-згМекте. К достоинствам данной схемы эксперименте, Л'.■мимо ее даЗференциальности, следует отнести также и то, 1то п ней отсутствует фон от неиспользуемых состояний |1,0>, поскольку рое ■ ип-:-р?водятся флжтлэром в соотоя'ил ¡1,11 > и дефокусируются вход--;:';« и анализатор.

Н тр:-?-.?!й глм?:> диесертсцпи га- счгтрявядтся ирдагдигш математического* м! "in.-T.iH М-'-лекулярных спектр-'.•у.г-тр".. и проводка пучков

- 11 -

нейтральных частиц через магнитные и электрические поля.

Дня успешной работы прецизионных молекулярных спектрометров, способных давать информации о строении молекул и атомов необходима тщательная оптимизация установки и ее отдельных узлов. Важнейшими характеристиками молекулярного спектрометра являются:

1. интенсивность полезного пучка, т.е. величина усваиваемого фазового объема, которую желательно максимизировать, т.к. она обычно впрямую свясэна с искомым эффектом;

2. длина фокусирующей 'системы;

3. уровень фона рассеянных частиц, который желательно уменьшить.

Для получения лучших характеристик спектрометра необходимо провести математическое моделирование установки, как можно лучшч отражающее реальные физические процессы в ней, поэтому при оптимизации установки учитывается конечный фазовый объем молекулярного пучка, а скоростное распределение определяется из реального вра-мяиролетного спектра.

Тип поляризующей системы спектрометра определяется соотношением для определенной молекулы энергии эффекта Штарка и йеемана. Поэтому рассмотрение делится на две части: магнитные фокусирующие системы для молекул с электронным магнитным моментом и электрические фокусирующие и отклоняющие системы для полярных молекул с нулевым электронным магнитным моментом в состоянии.

Проведена многопараметрическая оптимизация магниторезонансной системы, позволившая полностью использовать преимущества источника молекулярных пучков ПИЯФ РАН и получить высокоселективную по квантовым состояниям систему. Пропускание системы получилось Q,G7 при фоне 0,025. Определена возможная область применения оптимизированной магшторезонянсной установки для пучков слабоотклоняомых в магнитном поле частиц.

Как было показано во второй главе, предлагаемый акспорпжшт основывается на методе электрического резонанса на молекулярном пучке, поэтому ему и уделено основное внимание. Как известно, полярные молекулы в пучке могут быть отсортированы в соответствии с их квантовым состоянием при использовании неодаеродных электри ческих нолей, питому что их энергия в электрическом поло згмшслч главным образом от вращгтолыюго квантового числа J и от a6Cf.j::iir-

ной величины его проекции IMJ (|J,Mj>): »3=ф(Е,J.Mj). Со стороны

электрического поля на полярную молекулу действует силе ?, которая возникает из-за взаимодействия между градиентом электрического поля и аффективным электрическим дипольпым моментом молекулы:

Ciw

Р = -grad W ---s grad Е - ре eif grad Е

и as t-.Bii

Видно, что действие неоднородного (grad Е ¡¿0) электрического поля на полярную молекулу приводит к ее смещение. Поскольку в электростатическом квадруполе grad Е >0, то сила будет фокусируэтцей F<0, когда e:fi<0,H дофокуснрупцей, когда ре eii>0. Для определения величины эффективного ЭДМ полярной молекулы необходимо знание поведения вращательных уровней в электрическом поло. В слабых полях это можно получать но теории возмущений, и известного решения п отсутствие поля. Однако в поляризующих системах мы работаем в

полях, где анергия взаимодействия молекулы с электрическим шлем сравнима с расстоянием . между уровнями,и решением, полученным по теории возмущений, пользоваться нельзя, и положение энергетических уровней можно вычислить из известного выражения для анергии Штарка V?s в виде непрерывной дроби, которое получил Лэмб и справедливое даже в очень сильных полях. При его численном решении мы получали зависимость уровней итарковскоЯ энергии от поля Б с любым шагом, что позволило с достаточной точностью определить значение Ц(Е,.7,МЛ), продифференцировав функции Wg^CE.J.M^). Рис.4.Зависимость величины эф- Эти графики приведены на рис.4. Фонтанного ЭДМ молекулы от ве- где pQ- собственный ЭДМ молекулы, -т/чани электрического шля X = р.гЕ/В, а В-вращательная конс-

тыгта. У.з графиков видно, что. ис-

пользуя неоднородное электрическое поле, можно осуществлять отбор молекул в пучке по вращательным состояниям. Например, если пучок молекул пролетает неоднородное электрическое поле с £гас1 Е >0, в котором Л.<5, то все молекулы в состоянии с |1,0> будут фокусироваться, в то время как молекулы пучка в состояниях и ,±1 > и Ю,0> будут выводиться из пучка.

Для начальной поляризации молекулярного пучка ( выделения состояния 11,0> ) мы используем электростатический квадруполь, эквипотенциальные поверхности которого в идеальном случае описывает-' ся в полярных координатах выражением: и(г,<р) = ио (г/г соз(2ф), здесь ?. совпадает с осью поля, го - радиус апертуры. В идеальном случае предполагается, что длина линзы Ь>>го, и распределение потенциала не зависит от продольной координаты, а является двумерным. Модуль напряженности электрического поля пе зависит от ср: |Е|= 2■ 1Го г/г^, и поэтому с помощью квадруполя мояно осуществлять пространственную фокусировку и отбор состояний с це Главное удобство и вместе с тем основной недостаток используемых способов расчета фокусировки состоит в том, что все исследователи ограничиваются только квадратичным аффектом Штарка, благодаря чему движение фокусируемых частиц описывается простым гармоническим движением, поэтому можно быстро проводить анализ и оптимизацию систем фокусировки, используя аналитические, графические или матричные методы. Но эта простота имеет своей оборотной стороной основной недостаток такого подхода. Квадратичное взаимодействие Штарка - это необходимое условие достоверности оптимизации и хорошей фокусировки. К сожалению, взаимодействие [Игарке является квадратичг т лишь в слабых полях, т.е. вблизи оси системы. В результате электростатические квадруполыше линзы овладеют сферической аберрацией, обусловленной компонентами эффекта Штарка высших порядков. На практике это приводит, с одной стороны, к ограничению апертурного угла (т.е. в итого к уменьшению янтьнси-вности). а с другой - к увеличению длины квадруполя (из-за малой фокусирущэй силы в малых полях).

Отличительная черта нашего метода моделирования спектрометра состоит в отказе от традицио:шого параксиального приблажыия при рс>.л:.тл"л уравнений движения молекул в электрических полях. Нал мптод основывается на точном численном интетрировогми уравнения

движения частиц в предположении идеальности полей квадруполя и экспоненциального диполя и при точном учете энергии взаимодействия эффективного ЭДМ молекулы с электрическим полем (аффекте Штарка). Увеличение мощностей современных ЭВМ позволило соединить все это с методом Монте-Карло и получать достоверные результаты при модели" ровании спектрометров. При этом вычисление точной траектории движения частиц дает то преимущество, что автоматически учитываются все аберрации, присущие системе - как геометрические, так и хроматические и сферические,а модель адекватно отображает эксперимент.

Для реализации дифференциальной схемы проведения эксперимента необходимо эффективно разделять молекулы в состояниях |1,0> и 11 ,±1 > из одного пучка на разные детекторы. С этой целью мы предложили высокосветосильное устройство, позволяющее осуществить перестраиваемую селекцию пучка полярных молекул с произвольным знаком цр eif, которое мы назвали экспоненциальным электростатическим диполем, потенциал поля которого имеет вид: ф = <pQexp(a-x) cos (а-у), в эквипотенциальные линии этого поля показаны на рис.5. Селектирующие свойства отклоняющих (не фокусирующих) систем зависят от однородности градиента поля по высоте пучка, поэтому зависимость

зкспошнщиального диполя

градиента напряженности электрического поля от высоты приводит к размытию пучка. Потенциальная анергия экспоненциального диполя не зависит от координаты Y, что составляет главное его преимущество перед известными отклоняющими сь^темами, т.к. он не вносит дополнительного углового расхождения в пучок в направлении UY, кр^ме

естественного: Е = J -grad <р| = a-cp0 exp(a-x).

? " '¿e.elf*^ exP(a x) ре>еГг а Е. Далеэ, численными расчетами показано, что экспоненциальный диполь может быть успешно использован для увеличения пропускания пучков полярных двухатомных молекул в нужных вращательных состояниях при создании двухплечевых систем, пространственно разделяя молекулы с разным знаком |iQ eíí.

Четвертая глава посвящена обсуждению некоторых эксперимен-талышх аспектов построения чолекулявпчх спектрометров, связанных с определением скоростного распределения молекулярного пучка, знание которого необходимо для точного математического моделирования экспериментальной установки и провод.л пучка. Молекулярный пучок получается на созданном в ПШФ РАН по методу уменьшения разового объема атомного пучка высокоинтенсивном сверхзвуковом источни: э молекулярных пучков, предложенного В.Л.Варенцовым и В.В.Ящуком.

Для определения оптимальных газодинамических и геометрических параметров источника молекулярных пучков проводились стандартные газодинамические измерения сверхзвуковой струи азота, а для получения скоростного распределения молекулярного пучке проводились вре-мяпролетпые измерения. Как известно, измеренный времяпролетный спектр представляет собой свертку истинного спектра, яшкзрзтной фунгции прерывателя и динамической функции детектора, которая обычно имеет экспоненциальную форму. Показано, что для корректного росстановлэния истинного спектра необходим учет этих факторов. Так но ну л о bol характеристическое время динамической функции депжторп приво.-ит к "уиирениэ" спектра таким образом, что пост сяб^тра будет в основном определяться этой экспоненциальной функцией. Ра нескольких времлпролетных спектров, !толу^г)Шгчх в установке с разной длиной пролетной базы определялось харзктэрчстичес7>';?э вр^-мя

детектора подгонкой по методу наименьших квадратов прямой к полулогарифмическому графику хвоста времяпролетного спектра. Окончательное восстановление спектра осуществляется подгонкой параметров предполагаемого спектра с использованием критерия согласия х*. В этой ко главе приводятся результаты оптимизации параметров экспериментальной установки по поиску эффектов нарушения Т-инвариант-ности на молекуле TIP и получены величины пропускания рабочих и фоновых состояний. Исходными данными для оптимизации служат скоростное и угловое распределение молекулярного пучка:

и ж * 003 ( !' •§-) •

° п ¥п _

VQ- средняя скорость.потока частиц в пучке, Vn=v£kT/m - величина,

1аректеризущэя разброс скоростей в пучке относительно VQ и определяемая по статической температура пучка Т. Параметры молекуляр-лярного пучка TIP, используемые для этих распределений,такие: VQ- 600 м/с, Vn- 27 м/с, eQ- 0.72°.

Квадруполь настраивается на фокусировку состояний п,0>. Если воспользоваться параксиальным приближением для гармонического движения в кпадругюле, можно определить его длину 1пар= 1-44 м, наша оптимизация квадруполя при точном учете взаимодействия в нем дает длину 1 = 1,03 м; это доказывает, что точность параксиального приближения недостаточна для оптимизации прецизионных спектрометров. Для избавления от молекул б фоновых состояниях (2,0>, |3,0>, 12,1 >,..., для которых pf< еjj<0, а фокусирующая сила значительно меньше, чем для молекул в состоянии И,0>, на вход первого квадру-iiojiii устанавливаем заслонку, которая как бы затеняет детектор от слабоотклоняемых молекул пучка. В атом случае нам нет необходимости учитывать при расчетах весь спектр состояний молекул пучка, начиная с J-i>, поскольку молекулы в этих состояниях слабо отклоияюгея от прямолинейного движения и на дотекторн не попадают.

После ¡шторфиронционной области созданы рабочие состоянии для J'OBOI'O кпнал?! - КОГОрМГШйЯ CiMCii'ь состояний А и I) (11,С)>) и кого-1 «¡гния с.миоь со<'ТС»ший J' и О (м,»1>) для прлюго канала. Поэтому г..нд;:ча .'¡.«■пеж'нцинлг.тго ди'к.ля - разделить пучок молекул па

два таким образом, чтобы молекулы в состояниях |1,0> и |!,1> разошлись в конечном итоге на разные детекторы. Между диполем и детектором расположены область радиочастотного поля и кЕадруполи для выделения рабочего состояния В для левого капала и С - для правого. Вследствие того,что из-за большой мессы TIP и сравнительно небольшого собственного ЭДМ пучки левого и правого каналов разводятся на небольшое расстояние, стадруполл разных каналов мы объединяем в одно устройство, состояцэе из шести электродов, сроднив два электрода которого являются обида®! как для левого квадру-поля, так и для правого. Для устранения влияния крайни электродов на соседний квадруполь потенциалы на центральных электродах долиш быть выше, чем на крайних.

Полная длина установки равна 8,28 м. Пропускание спектрометра получилось следующим: для левого канала доля молекул в состоянии В попавших на детектор составляет 0,043 часть от вылетевших, гчи этом фон молекул других состояний полностью отсутствует; для правого какала доля молекул в состоянии С попивших на детектор составляет 0,009 часть, при этом фон от посторонних молекул других состояний составляет 0,0001 часть. Это позволяет сделать оценку чувствительности спектрометра по измерении сдвига частоты при работй на высокоинтенсивном сверхзвуковом источнике молекуляр;шх пучков ПШФ РАН с газом-носителем азотом: av « 10~ь Гл..

В пятой главе дано описание экспериментального исследования поляризаторов для молекулярных спектрометров. Сна естественно делится на две части.

В первой части исследуется поляризатор для управления пучками молекул с ненулевым электронным магнитным момектом-сверхпроводящий шестиполгасный магнит. Была проведена оптимизации поля магшгга с целью получения наибольшей магнитной индукции на полюсном наконечнике при минимальном расходе свзрхпроводат.ого материала и при минимальном искажении формы поля. Дело в том, что отличив формы полюсного наконечника, от фермы "идеального" иестиполюсного магнита приводат к появлению более высоких гармовшх поля, а следовательно, к частичной деполяризации пучка. Для определения магнитной индукции решается уравнение Пуассона для вектср-потенциала в о От./: с -.л, гдо магнитные и тогсиэсугтш мятерчады методом нож-.ли

- 18 - ,

элементов, идеи которого состоит в аппроксимации непрерывных функций кусочно-нэпрерывнымп на коночном числе подобластей.

На основании результатов оптимизации магнитов был разработан, изготовлен,испытан сверхпроводящий шестиполюсный магнит. Получен-воч магпитясв поле согласуется с расчетным.

Вторая часть посвящена обоснованию возможности определения вращательной температуры молекулярного пучка Т1Р с помощью одного электростатического квадруполя для высокоинтеноивного сверхзвукового источника молекулярных пучков ПИЯФ РАН. Описана конструкция и работа квадруполя, электроды которого изготовлены в виде цилиндрических стержней с оптимальным соотношением их радиуса г0 и радиуса апертуры квадруполя Л для получения идеального поля квадруполя: г0= 1.15 К с ць.ш»ю адекватного моделирования спектрометра.

Помимо стандартных спектроскопических методов определения вращательной температуры молекулярного пучка существует метод прямо!« анализа распределения вращательных состояний и врашатэльной температуры. Он заключается в получении "вращательного спектра" состояний шлакул пучка, фокусируемых квадруполем в зависимости от напряжения на нем. Затем к экспериментальному спектру подгоняется расчетный спектр, полученный для определенной вращательной температуры. Получение расчетного "вращательного спектра" состоит из трех этапов:

!. "определение" параметров скоростного распределения молекул из источника для предполагаемой вращательной температуры;

2. для полученного скоростного распренеленяя определяются спектры фокусируемых (м0 еГГ<0) квадруполем состояний в зависимости от нанряшэнил на квадрушле;

3. спектры отдельных состояний интегрируются в соответствии с распределением Больцмана во "вращательный спектр", который ужо и сравнивается с экспериментальным.

Если согласие неудовлетворительное, вращательная температура изменяется и лтапы 1-3 повторяются. Конечно же, в скоростном распределения V определяется поступательной температурой 1' молекулярного пучка, а не вращательной, но, как показали многочисленные исследования вращательной релаксации в молекулярных пучках, разница мозду У V; ? несущественна На ряс.6 приведены дна вращательных спектра, полученных для пучка молекул Т1? в разных газах-носителях: азоте

<V KB

Рис.б. Вращательные спектр« для молекул Т15 з азоте и ксеноне

с Тг - ЮК и ксонопе с Тг = О,ЭК, для заслонки перед квэдруполвм ИЗ = 1,0 мм и детектора с М = 1,0 мм. Сравнение между собой этих спектров демонстрирует возможность с помоцьга простого спектрометра с одним квадруполем определения вращательной температуры молекулярного пучка.

В выводах сформулированы основные результаты работы.

Апробация работы. Материалы, продставлепныв в диссертации, докладывались на 7111-сй Международной конференции по сверхтонким взаимодействиям ( VTIIth International Conference on ¡iyperilne Interaction,Prague. August 14-19, 1989 ), на XXVI Зимней школе Л11ЯФ АН СССР ( 25 февраля-3 марта 1991 г.). нэ сежлчр.рь/., проведонных в 1936-1993гг. в ¡КЯФ РАН, частично вошли в цикл рчбот, удостоенных премии Ленинградского кемссмолз за 19Йсг.

- 20 -

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Vpxentsov V.L., Ryabov V.L., Yaschuk V.V., Andrlanov 5.N., Matysiev A.A. the focusing magnetic resonance system with a .new type of supersonic atomic beam source.// Nuci.Instr. and Meth.-1S85.-V.228.-P. 343-348.

2. Ежов В.Ф., Рябов В.Л., йцук В.В., Матышев.А.А., Голиков Ю.К., Варэнцрв В.Л. Использование электростатического экспоненциального диполя для селекции полярных молекул по квантовым состояниям. // ЖТФ. -1993. -Т.63. -В.5. -С.117-121.

3. Рябов В.Л. Шйстиполюсные магниты для установки по поиску

плектрического дипольного момента электрона. // Препринт ЛИЯФ, -Л., 1983.-J6 843.-С: 14.

Часть результатов в работах:

4. Ashkinadsl B.W., Ezhov V.F., Jaschuk V.V., Groshev M.N., Khasov A.Yu.., Knjazkov V.A., Kozlov M.G., RJabov V.L.,

Yugaldin M.A. Search for P- and T-vlolation In moleciiles. Part I. Kdm TIP. // Препринт ПШФ,-С.-]1., 1992.-J618C1.-C.28.

5. Раренцов В.Л.,Ежов В.Ф..Князьков В.А.,Муратов В.Г., Рябев В Л., Х'эзов А.Ю. ,Ящук В.В. Высокоинтенсивный газодинамический источник молоку.нярных пучков нового типа.//ЖТФ.-1987. -Т.57. -В.4. -G.755-753.

fj. йаренцов В.Л., Ежов З.Ф., Князьков В.А., Рябов Б.Л., Хазоъ А.Ю., .'Тщун B.B. Времяпролетный спектрометр молекулярных пучков. // ПТЭ-1986.- И I-C.152-154.

И ^¡чищены авторским свидетельством: 7. Рябов В.Л., Ящук В.В., Ежов В.Ф., Варенцов В.Л., Матышев.А.А., Гэ.)гкков U.K. Устройство для управления пучками нейтральных частиц. // Авторское свидетельство J6I535244 от 8.09.1989.-Бш л 130бр. -1992. -»44. -С. 215.

РГИ IlUftO, зах.155, ткр.ЮО, уч.-изд.лЛ; 14/Ш-1994Г. . Бесплатно