Развитие экспериментальных методов исследований с молекулярными пучками, направленное на увеличение чувствительности экспериментов по поиску эффектов нарушения временной 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

РГ6 ОД 1гРа2а^ рукописи

УДК 539.19£>,539Л21+Л43

■У 1404

ЯДУК Валерий Владимирович

РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОЗАМЙ С МОЛЕКУЛЯРНЫМИ ПУЧКАМИ, НАПРАВЛЕННОЕ НА УВЮТ-ШШЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ПОИСКУ ЭФФЕКТОВ НАРУШЕНИЯ ВРЕМЕННОЙ ИНВАРИАНТНОСТИ В МОЛЕКУЛАХ

(01.04.1о - физика чдра и элементарных частиц) •

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисклшм ученой стонет! кандидата физико-математических кеук

Сажт-Петербург . 1994

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной $иаиьи ш.Б.П.Константинова РАК.

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

В.Ф.Еиов.

Официальные оппоненты - доктор физико-мэтеыатичэских. наук,

процессор Л.Н.ЛаСзоЕСКИЙ,

- кандидат физико-математических наук А.В.Стрелков.

Ведущая организация - Физико-технический институт

им.А.Ф.Иоффе РАН.

h , fl f^

Защита состоится " ]J" , JLLClJL 1994 г. в{1 час. на

на заседании специализированного совета Д 002.71.01 в Петербургском институте ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН но адресу: 188350, г.Гатчина Ленинградской области, Орлоза роща, ПИЯФ.

С .диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН. Автореферат разослан " <1 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кеягадчт физ.-мат. наук

И.А.Митропольский

- 3 - /

Актуальность проблемы. Единственным указанием на нарушена шгеерчаитности относительно инверсии времени (Т-инвариантностя) служит наблюдение нарушения комб;шированной CP-инвариантности в распадах долгокквущих нейтральных К^-мезонов. Нэсмотря на интенсивные поиски, нарушение Т-швариантности в распадах или взаимодействиях других частиц на сегсдняшпгй день не обнаружено.

Применение Т-инвариантности к молекуле ведет к отсутствию у нее определенных постоянных (статических) электромагнитных уульти-польных момэнтов. К таким моментам относится ЭДМ - электрический дипольный момент. Особый интерес к молекулам как объзктам исследований по поиску нарушения Т-инвариантности, объясняется, во-первых, тем, что результаты измеренчя ЭДМ молекулы могут быть • использованы для установления верхних ограничений либо ка ЭДМ составлящих ее частиц, либо на величины возможных Р,Т-кеиньариант-ньк электрон-нуклонных и нуклон-нуклонных (N-N)- взаимодействий. Во-вторых, теория предсказывает значительное усиление Р.Т-нечвтгах эффектов в ряде двухатомных молекул (Т1?, РЪ? и др.). Как следствие, резонансные эксперименты на пучках молекул TIP имеют уровень физической значимости одного порядка с нейтронными. и атомными экспериментами, хотя достигнутая то-шость О(Дт) ~ 2«10_лГц измерения Р,Т-к9чегного сдвига частоты Av в молекулярных экспериментах па два порядка хуке, чем в нейтронных экспериментах, и на четыре порядкь хуке, чем в атомных. Достижение ч эксперименте нн TIP точности нейтронных экспериментов Q[Av) ~ 10' бГц будет оышчать увеличение на два порядка чувствительности к проявлениям Р,Т-кэинвариантных N-N-взаимодейотЕий. Постановка эксперимента на молекуле- радикале типа PbF, обладающей нонулеbum электронном моментом, даже с точностью C(Av) 10-3Гц обеспечит чувствительность к ЭЩ

ра

электрона на уровне de" 1G э»ом, что на два порядка wcra су^ео'г-вущего ограничения и одного порядка со многими теоретическими предсказаниями.

Таким образом, в сложившейся экспериментальной ситувцни, когда существенное продвижение но точности нейтронных и атомных экспериментов затруднено, особую актуальность представляет задача реализовать указанные преимущества гдолэкудпсныл эксперйкенпзв. Рэшзште этой задачи невозможно боз соотаэтетьуюдего рп.'в:гтим экспериментальных методов исследовений с пучками труднол^тучих

молекул и радикалов.

Основная цель работы состояла в резниъш окспоримвнтяльшх методов исслбдований с молекулярным я пучкзми, направленном хек нп увеличение статистаческо" точности экслоржентоь по поиску эффектов нарушения Т-инъаризнтности в молекулах., так и ка устранение основного систематического эффекта - кеадряшчкого эффекта Штерна, опредзлнвпего точность, достигнутую в выполненных на настоящее время экспериментах на молекуле T1F.

С помощью модернизированного источника молекулярных пучков ПИЯФ РАН достигнуты параметры формируемого пупса, практически предельно возможные с гязом носителем акотом. В результате получен стабильный во времеш! пучок рздикалог РЫ. обладающий рекордным значением поступательной температуры iv=•СК при средней массовой скорости Vt=605M/c.

Для выделения пучков из потоков, содержащих труднолетучие вещества, впервые предложена и реализована конструкция сктамера, защищенная авторским свидетельством на изобретение, в которой для очистки его поверхности используются ультразвуковые колебьния корпуса скиммера.

Впервые для устранения основного ложного эффекта молекулярных экспериментов по поиску эффектов' нарушения Т-инвариантности -квадратичного .эффекта Штарка - предложена и обоснована схема эксперимента, заключающаяся в наблюдении интерференции вырожденных когерентных состояний, обусловленной прецессией ЗДМ молекулы в сильном электрическом и слабом осциллирующем магнитном полях.

Б плане развития методов исследований с молекулярными пучками научная новизьа работы состоит еще и в том, что предложен и апробирован новый метод экспериментального определения динамической функции времяпролетного спектрометра молекулярных пучков, основанный на сравнении времяпролетных спектров кластеров, и эренных на массах кластерного иона и иона мономера. Кроме того, показано, что времяпролетные измерония можно использовать для определения доли конденсированной фазы в пучке. Впервые рассмотрены и вопросы статистики измерений интенсивности пучков конденсирующихся газов. На основе этого рассмотрения предложен способ определения основных параметров распределения кластеров по числу входящих в :тлг молекул-мономеров.

Практическая а научная значимость данной работы состоит прежде всего в том, что созданы ключевые узлы установки по поиску эффектов нарушения Т-инварианткостн в молекуле T1F:

- компл&кс геноратора молекулярных пучков, включающий модернизированный источник молекулярных пучков, вакуумную систему с производительностью ~ 5«104л/с при остаточном вакууме ?н~Ю~3мм рт.пт., пятикоординатный котировочный стол и скиммер с ультразвуковой очисткой;

- детектор молекулярного пучка на базе модернизированного радиочастотного масс-спечтрометра (FMC) ИВА-I и с положительной попорх-ностной иояиг-ацией молекул пучка.

Самостоятельную практическую ценность имеет предлокенныГ: и реализованный в ИВА-I способ'расширения диапазона масс серийного РМС за счет перехода к высокочастотному (ВЧ) непряжению прямоугольной формы - меандру.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из бзоцония, шести глар. и заключения. Работа содержит 162 страницы, включая 32 рисунка, II таблиц и список литературы :хз 169 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Од_вве£0!_щи раскрывается фундаментальный характер проблемы нарушена Т-инвариантности а дается обзор содержания всей работы.

ПерБая^гл&вь представляет собой обзор-теоретических и .экспериментальных работ, имеющий целью, во-первых, раскрыть актуальность и пэрспбктинность исследований по поиску нарушения Т-ингари-антаости б молекулах к, во-вторых, очертить круг молекул, наиболее подходящих для этих экспериментов. с точки «зрения чувствительности к обсуждаемым эффектам предпочтительными являются галогениды тяжелых элементов, такие как ?bF, Pbl, TIF, HgF и другие, большинство из которых - химические радикалы. По-прежнему остаются перспективными эксперименты на молекуле T1F. Однако, да/ькейьжй прогресс здесь может бить достигнут только за счет посыле»® н статистической точности эксперимента при устранении сиетяматчес-ккх и логаш i аффектов.

§^_§™РЯЙ_глаБе формулируются основные прсбло.лы молекулярных аксперщ.:энтср, нытокакщиэ го них треСозаычя к схеме вкоперт^нтч ¿:

к основным узлам установки: источнику молекулярного пуша и детектору, и намечаются пути их решения.

Эксперимент по поиску ЭДМ рлэмбитарных частиц, атомов или

молекул состоит в наблюдении прецессии углового момента J вокруг

сси приложенных электрического С и магнитного Я полей. При этом ищется сдвиг частоты ларморовой прецессии Ду при переключении

взаимной ориентации С в В, обусловленный ненулевым ЭДМ (й = (1 .7),

№=ЩС\/Ъ. (Ь - постоянная Планка). Предельная, определяемая статистикой, точность измерения А г» описывается соотношением:

О(А^) ~ (2К0Т)"1/г(2а)"1 , (1 )

где Т - полное время набора статистики, т - время взаимодействия частицы с электричэским полем. Интенсивность на детекторе пучка частиц в выбранном квантовом состоянии Л0 непосредственно зависит от основных параметров Установки:

- 1 Г 4 ? е , . (2)

где I - поток молекул от источника, I - заселенность рабочего квантового состояния, Р - пропускание системы, селектирующей молекулы по квантовым состояниям, е - эффективность детектора, о^ -параметр установки, имеющий смысл телесного угла, вырезаемого скиммерами.

Приведенные соотношения позволяют еыявить основные проблемы молекулярных экспериментов.

1. Необходимо сформировать интенсивный пучок молекул с максимально возможной заселенностью 1 рабочих - низших вращательных основного колебательного - состояний. Трудность в том, что плотность уровней у тяжелых двухатомных молекул соответствует температуре ~0.5К. А для их испарения необходима температура ~800К, при которой 1~10~л.

2. Для эффективной работы селектирующей системы испол емый пучок должен обладать минимально возможной скоростью У^. при одновременно высокой монохроматичности и узком угловом распределении. Такое же тгоЗорание к У^ следует из того, что точность эксперимента пропорциональна Уг, т.к. т ~

Максимальным образом требованиям I и 2. удовлетворяет разработанный нами источник молекулярных пучков нового типа. "

3. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВаТЬ тот ИЛИ ИНОЙ МеТОД ДЛЯ эф1нктненого

детектирования' молекулярного пучка определяется физическими характеристиками молекул, такими как энергия диссоциации, потенциал ионизации и энергия сродстве к электрону элементов, составляющих молекулу. ОдноЕроменно эффективных и универсальных детекторов не существует. Поэтому мы разработали ряд детекторов, каждый из которых используется для решения довольно ограниченного круга задач. 4. Чрезвычайно острая проблема прецизионных экспериментов по поиску эффектов нарушения Г-инварк?нтности - ложные и систематические эффекты. В экспериментах на•молекулах главный из них - квадратичный эффект Штарка. Поясним, з чем тут дело. В резонансных экспериментах на "IF использовались перехода между сверхтонкими уровнями, которые отличаются только знаком проекции спина ядра il. Эти уровни в электрическом поле не вырождены. Энергетическое расщепление мевду ниш и, следовательно, частота рабочего перехода зависят

от |£|. Поскольку при переключении направления поля С его величина слегка меняется, то возникает систематический сдвиг намеряемой частоты. 3 готовящихся в ПИЯФ экспериментах мы будем измерять интерференцию в нулевом магнитном поле дзух вырожденных когерентных

состояний - эффект Ханле, вызванную прецессией ЭДМ в поле I .

Подробное изложение найденных нами решений этих проблем содержится в следующих четырех глэезх.

ё. !Шэтьэй_главе обсуждаются методы формирования пучков трудно л эчу чих молекул и радикалов, подходящих для рассматриваемых экспериментов. Здесь ошюаны способ уменьшения фазового объема атомного пучка и созданные на его основе в ПИЯФ им. Б.П.Константинова РАН источники молекулярных пучков нсвсго типа, выго/то сллч-чеювдэся от использовавшихся до сих пор источников по основным параметрам формируемых пучков молекул: интенсивности, монохроматичности, заселенности рабочего состояния, экономичности.

Основная идея таких источников состоит в том. чтоси шзеотк пары рабочего вещества непосредственно в сверхзвуковую струю газа• носителя. В результате столкновений с частицами геза-носкчалл пучок рабочего вещества тэрма.газуется до температуры и скорости СЕврхзвукогоЯ струи. Термзлизация сопровождается рзлаксэционни'м/ процессами: вргщательно-гюступотельным и колебатально-поступптель-ным, приводящими к уменьшению соотве гстпущих температур и, следовательно, к увеличению заселенности низших состояний.

- а -

Ь настоящее время в эксплуатация находится модернизированный источник, конструкция которого покезаяа на риз Л. В отличие от прэдыдущего варианта, материалом для которого служило кварцевое стекло, 'здесь сверхзвуковое сопло и нагреваемая доухкпмеряая колбз, содержащая рабочее вещество, изготовлены из меди. Капилляр колон -схемный и состоит из двух коаксиальных 0кс?4дорсв8нных никелевых кагшлляров, сваренных точечной сваркой по одному из кониов. Нагревается он прямым пропускание// тока .

Главным результатом модернизации источника явилось снижение вдвое поступательной температуры пучка до 1^-ЮК. Кроме того, бьиш устранены долгфвременные флуктуации интенсивности пучка, связанные с локальным подкипанием рабочего вещества из-за его нерагномерного нагрева в кварцевой колбе. Полученные с модернизированным источником значения поступательной температуры Т^ЮК и средней скорости молекул в пучке Уг= 605м/с практически совпадают с найденными

Риз.1. Конструкция модернизированного источника лекулярных пучкоз; а - узел капилляроЕ колбы з увеличенном масштаие. I-осесимметричное сопло с внутренним телом, 2-двухкамерная колба, 3-рабочее вещество, 4-нагреватель, 5-медный экран, б-плзтфсрма координатного стола, 7-тепловые экраны, 8-внутренниЙ капилляр колбы с фланцем, 9-внешний ктаилляр колбы, Ю-ленточка-электрод, П-фпянеи накидной.

экспериментально предельными значениями для газа-носителя азота. Предел налагает развитие интенсивной конденсации в струе газа-носителя N? при понижении температуры в ресивере сопла до ~ IGQK.

Проведённые нами оценки показывают, что использование вместо охлажденного азота в качестве газа-нссителя ксенона при комнаткой температуре позволит еще почти на порядок увеличить заселенность рабочего состояния TIP, вдвое уменьшить среднюю скорость молекул в пучке и в три раза юс разброс по продольной скорости - таблица I.

Таким образом, даже с газом-носителем М2 мы имеем выигрыш по интенсивности пучка в рабочем квантовом состоянии около четырех порядков. Это открывает, согласно выражению (I), принципиальную возможность увеличения чувствительности экспериментов по поиску эффектов нарушения Т-инвариантности в молекуле T1F на два порядка.

Непрерывную работу рассмотренного источника обеспечивает комплекс генератора молекулярных лучков, нклячвю:циа вакуумную систему источника о производительностью откачки 5« СО* .ч/о при

"Таблица I. Основные параметры пучков молекул T1F, формируемых различным источник;'.™.

Тип источника молекулярного пучка Т о (К) тг (X) vt (м/с) Vn {и/с) I f мол.1 (cTeppcJ Примечания

Сверхзвуковой источник в эксперименте Хайндса 753 350 344 "150 6.4 I015

Источник с введением рабочего вещества в сверхзвуковой поток газа-носителя Н2 (1ЖЯО) 180 (Ns) 10 605 23 3 I0Id расчет по эксперимен- Tajif.HiiM результатам с I'Ы2

Истсчнлк с введением рабочего вещества в езерх- ЗЕУКОЕОЙ ПОТОК газа-носителя Хе 1ПИЯФ) 322 (Хе) о.э 317 8 6 ю14 оц&кка по пт>? дальним параметрам с учетом ройуЛЬТЯГОЕ ? РЬ[ , С

То - температура о ресивере сопла;

Тг - вращательная, температур* пучка молекул TIF, ту» Т^; Уц - тепловой разброс яподольнкх скоростей, V =(2кТ'/м)1/2-.

ость точней вакууме, в каморе источника 1ГГ3-Ю~'! мм рт.ст. В вэкум-ной кадете источника размещен пятикоординатннй котировочный стол, позволяющий производить полную юстировку источника автоматически, оез пазгррмитизации вакуумной системы

Пр^ работе источника с труднолетучими веществами происходит зарастание отверстия скиммера, формирующего пучок из приосевой части смеси газа-носителя и рабочего вещества. Очистка скиммера н&гррвом крайне нежел: тельна, поскольку при распылении рабочего вещества в камере источника будут закорачиваться и разрушаться кшогочисленные -электрические контакты узлов котировочного стола.

Нами разработана принципиально новая конструкция скиммера, защищенная авторским свидетечьством на изобретение, с очисткой скиммера за счет ультразвуковых колеианий его поверхности - рис.2. Ультразвуковые изгисшв колебания корпуса скиммера возбуждаются с помощью бимор^юй структуры, образованной корпусом и уль.'ра-зеукоеым пьезокерамичреким преобразователем, приклеенным электропроводящим клеем к внутренней поверхности корпуса.,

В_четЕертдй_глаЕе описаны использованные нами экспериментальные метода исследования параметров сверхзкукового потока газа-носителя л формируемого молекулярного пучка. Измерения проводились на времЯ'фолэтном спектрометре молекулярных пуков, детектором которого олухит модешизисовашшй монопольный масс-спектрометр МХ-7304

РиС.2. Конструкция скиммера с ультразвуковой очист"ой. I - корпус, 2 - основание, 3 - тонкая оболочка, 4 -ультразвуковой преобразователь.

- II - / с ионизацией электронным ударом.

Оптимальные газодинамические и геометрические условия формирования пучка определялись по измерениям распределений интенсивности пучка газа-носителя масс-спектрометром в продольных и поперечных сечениях сверхзвукового потока. В частности, было установлено, что при режимах с повышенным расходом газа, оптимальных для работы нашего источника, производительность откачки вакуумной системы зремяпролетного спектрометра (104л/с) недостаточна. Это явилось одной из причин создания генератора молекулярных пучков с производительностью откачки примерно в пять раз Еыше.

Измерения массового состава формируемого пучка проводились при оптимизации температурного режима образования радикалов РЫ при термической диссоциации РЫ2 и исследовании конденсации гаоь-носителя 112. Один из признаков возникновения конденсации - появление в масс-спектре пиков на массах, кратных массе М2. Однако количественная интерпретация масс-спек-трометрических измерений с пучками кластеров и многоатомных молекул сильно затруднена из-за фрагментации первичных частиц при их ионизации электронным ударом.

Однозначную информацию относительно параметров сверхзвукового потока и сформированного пучка дают времялролетные измерения. В этом случае измеряется распределение по времени пролета частицами пучка известного расстояния Ь - между прерывателем и детектором. Из времяпролетного распределения извлекаются основные параметры пучка, определяющие распределение молекул • в пучке но скорости, и Т^, поскольку они однозначно связаны с параметрам! времяпролетного распределения ^ - наиболее вероятным Бременем пролета и Д1;- шириной времяпролетного распределения на полувысоте.

Для адиабатического сверхзвукового течения газа-носителя вро-мяпролетше измерения предоставляют также однозначную информацию относительно газодинамических параметров потока в районе носика скиммера, поскольку число Маха М, которой СЕЯЗывпет параметры га^а в потоке с его параметрами в ресивере сопла, выражается через величины, непосредственно измеряемые бромяпролетнкм методом: с , Д1.

Для случая тяжелых двухатомных молекул найденное ■>. времяпролетных измерений значение поступательной температуры '!', является довольно хорошей оценкой вращательной темшратури ^ . ло связано с тем, что характерные величины ьрпи'тгелы'.'гх постоянных

- 12 - .

таких молекул настолько малы, что при столкновении частиц адиабатические, не ведущие к изменению внутренней энергии, перехода маловероятны' вплоть до поступательных температур порядка IK. •

Приведенные рассуждения справедливы, если сам времяпролетный спектрометр не вносит искажений в измеряемый спектр. Конечная длительность импульса молекул, вырезаемого прерывателем из пучка, приводит к уширению исходного времяпролетного спектра. Неидеальность прерывателя легко выявляется при изменении частоты вращения диска прерывателя. Гораздо тяжелее количественно определить иска-жэния спектра из-за его интегрирования в детекторе, обусловленного конечной скоростью откачки ионизатора. Влияние детектора описывается его динамической функцией G(t), которая обычно имеет экспоненциальный вид с характеристическим временем т: G(t)-exp(-t/t). Ня эксперименте неидеельность детектора приводит к уширению и видимому замедлению исходного спектра.

Для определения динамической функции детектора мы предложили и с успехом использовали метод, состоящий в сравнении времяпро-летных спектров одного и того же кластеризованного пучка, но измеренных при настройке масс-спектрометра, соответственно, на массы ионов одного из полимэров, например, димера (N2)t, и мономера - N^. Так как кластеры перерассеиваются стенками ионизатора в виде мономеров, то наблюдаемое различие этих спектров связано с разностью динамических функций детектора для мономеров и полимеров. Причем для последних характеристическое время х пренебрежимо мало. Для мономеров т, найденное описанным методом, составило т = (430 т 35)мкс. На рис.3 наглядно видно влияние прерывателя и детектора нэ результат измерения времяпролетных спектров газа-носителя и формируемого пучка. Учет реальных величин аппаратной функции прерывателя и динамической функции детектора приводит к совпадении поступательных скоростей - Vt =б05м/с и температур этих пучков - ОК. Это свидетельствует о наличии термализации.

Развитые экспериментальные методы позволили установить основной механизм, ограничивающий предельно достижимые параметры источ-отхов нового тигэ - кластеризацию газа-носителя. В результате язтло объяснение разлнше величин предельных параметров, полученных из измерений с помощью труб!ai Пито и времяпролотного слек"'регистра. Источник этого различия - нечувствитёльность трубки Пито к

Рис.3. Врбмяпролетнно спектры пучков: а - газа-носителя б - рабочего вещества РЫ2;

1 - исходные экспериментальные спектры,

2 - восстановленные время-пролетные спектры.

2600 2800 3000 3200 3400 I (икс) - время пролета

появлению в потоке газа-носителя конденсированной фазы.

В четвертой главе рассмотрены также методические вопросы измерений интенсивности пучков конденсированных газов. Показано, что при настройке масс-спектрометра на массу мономера может наблюдаться "нестатисткчность", то есть отличие дисперсии пьблцдеемого сигнала от дисперсии сигнала равной интенсивности, но соответствующей распределению Пуассона. Величина этой "нестатистичности" зависит от среднего числа мономеров, из которых состоит кластер, и эффективности детектора. Кроме того, анализ показывает, что существует возможность (по крайней мера формальная) определить основные параметры распределения кластеров в пучке по числу ьходящих в них мономероЕ из измерений нормальных моментов функции распределения сигнала от вторичных мономеров.

разбираются вопросы лотоктироь&нля молекулярных пучков. Сли'--?кк созданные н&ми детекторы для розмялролэтнсгр

/ - 14 -

спектрометра- и для регистрации пучка молекул T1F. Предложена достаточно универсальная и эффективная схема регистрации галоге-нидов элементов с потенциалом ионизации, заметно превышающим 6эВ.

Детектором при времяпролетных измерениях служил монопольный масс-спектрометр МХ-7304. Его выходной тракт, включавший вторичный электронный умножитель ВЭУ-2 и электрометрический усилитель, был заменен, соответственно, на ВЭУ-6 и предусилитель, обеспечившие импульсный режим регистрации частиц пучка и обработку статистической интенсивности до 106имп/с. За счет изменения рабочей частоты генератора высокой частоты масс-спектрометра с 2Мгц на 1,25Мгц расширен диапазон масс с 200а.е.м. до 600а.е.м. Замена штатного источника ионов с ионизацией электронным ударом на источник, разработанный нами по схеме Бринка, позволила увеличить эффективность регистрации приблизительно в 14 раз.

Для основного эксперимента по поиску Р,Т-нечетных эффектов в молекуле T1F разработан детектор на базе модернизированного радиочастотного масс-спектрометра (РМС) ИВА-1 - рис.4. Высогая эффективность регистрации этим детектором молекул TIP обеспечивается использованием положительной поверхностной ионизации на оксидированном вольфрамовом катоде с образованием ионов Т1+ с вероятностью близкой к единице. Фоновые условия при этом определяются чистотой материала катода. Мы используем наиболее чистый выпускаемый про-мышленно газофазный вольфрам. Измерения показывают заметные количества примесей в таком катоде, обуславливающие резкое увеличение фонового ионного тока при возрастании тока накала катода. Значительно уменьшается фон после отжига катода при повышенных токах. Для увеличения отношения сигнал/фон необходима масс-сепарация.

Для масс-сепарации мы используем радиочастотный масс-спектро-■ мэтр (РМС) - анализатор верхней атмосферы ИВА-I, имея в виду, главным образом, его компактность, достаточно большую входную апертуру 0 20мм) и отсутствие рабочих магнитных полей. Это несмотря на то, что коэффициент использования ионного пучка будет около десяти процентов. Серийный РМС ИВА-I имеет диапазон масс 1^48а.е.м. Чтобы использовать его. для отделения от фона ионов Т1+, имввдих массу 204а.е.м., необходимо увеличить диапазон регистрируемых масс. Естественный путь - изменение частоты ВЧ-напряжения. Нетрудно понять, • что проще эта задача решается при переходе на

на Сзза PMC ИВА-I. I - обечайка; 2 - "зел кгтода; 3 - анализатор РМС KBA-I; 4 - узел подачи кислорода; 5 - пребразователь ПМИ-32-1; 6 - катод. „

ВЧ-напряжение прямоугольной формы - меандр. Расчеты и экспериментальные исследования с РМС ИВА-I показали, что переход ка меандр в РМС, анализатор которого оптимизирован для синусоидального ВЧ-напряжения, но ухудшает его аналитичестпс характеристик.

Эффективное использование положительной поверхностной ионизации для детектирования молекулярных пучков ограничивается кпугсм молекул, содержащих атомы с потенциалом ионизации К6.5В.

Для детектирования пучков галсгекидов элементов с большим потенциалом ионизации (типа HgF) возмохнь схема /егектаров а-гля, закл»>ччясаяея в диссоциации молекулы на разогретой поверхности ;

последующим испарением нейтральных втомое и регистрацией последних методами фотсионизационной лазерной спектроскопии или флюоресцентного детектирования, обладающими очень высокой селективностью.

Б_шестой_главе представлена разработанная нами схема эксперимента по поиску Р.Т-нечетных эффектов в молекуле T1F. Показано, что использование в эксперименте интерференции в нулевом магнитном поле двух вырожденных когерентных состояний - эффекта Ханле, вместо традиционного магнито-резонансного метода, позволяет создать установку дифференциального типа, принципиально свободную от основных систематических и ложных эффектов. Проведенные оценки чувствительности такого эксперимента позволяют надеяться на статистическую точность на уровне Ю"бГц, что на два порядка лучше

существующего на настоящее время экспериментального предела.

> ♦

. В сильном электрическом поле С (при Я=0 и в отсутствии Р,Т-нечетных эффектов) сверхтонкая структура первого, вращательного

состояния J=I молекулы Tli состоит из 12 уровней, имеющих

* >

различные значения mr, гат , пц. - проекций на направление С J -11 11 а2 *

вращательного момента молекулы, 11 - спина ядра Т1, 12 - спина ядра F, соответственно. Согласно теореме Крамерса, четыре пары из этих уровней, отличающихся знаками всех проекций угловых моментов, строго вырождены по энергии.

Рассмотри/ собственное состояние молекулы T1F, представляющее собой когерентную суперпозицию вырожденных в электрическом поле состояний, например:

0, " 2~1/г(|шт=0,га=1 > + ¡шт^О,ш—1>), ш=шт .

» 1

При наличии Т-нечй'Шого ЭДМ у ядро T1 d = d это вырождение

снимается и между состояниями с разными знаками ш возникает разность фаз:

Д<? - 2<pd

г1 да А1 - время нахождения молекулы в поле Г.

Fcjra усиление когерентного состошшя Ф) происходит в поляри-sarope, н котором осуществляется переход: Ф0 = |m0=Cj,m---O> Ф1, з гиходицее шел-) интерференционной области состояние Ф,, идентифицируется лнализатором. настроенным на переход ->- ф , то вероятнее гь перехода '1', — 9,, обусловлонюго пруц-эсснеП когерентного

лостояния вокруг С за счет электрического дипольного момента (1, квадратично зависит от 1р. Чтобы перэйти к измерениям эффекта, линейного по фа и на отличной от нуля частоте, иогзю создать дошлнктельную, зависящую от времени разность фаз ф.,(1;), приложив

слабое переменное магнитное полб Я ооз (и1: параллельное Тогда но выходе ¡13 интерференционной области мы получаем состонниэ Ф, с зависящей от времени фазой фЦ) = ч ф^',+;): А вероятность перехода й1 ®2 будет описываться выражением:

Ж'с) - |<®2||р.>|г = 1 + £ ,10(2) + ^ АЭп Ооэ((2п)о)(1-Д1/г); -

п=1

- Фа» £ А2п+ 81X1 ((2т 1 )1|)С Х-М./г)),

п-О

пде - функция Боссе ля нулевого порядка, '¿-ЦЛ/ы а1г_((ии/2>.,

В= |И|, ц - магнитный момент состояния. Величины А2г я ¿гг1+1 упкже выражаются через функции Бесселя.

Тагам образом, амплитуды нечетных гармоник пропорциональны величина Р,Т-нечвтного эффекта -- фл. Амплитуды четных гармонии не зависят от ф^ и могут быть использованы для мошторироЕания пучка.

С позиции резонансного эксперимента - рассматриваемый эксперимент можно интерпретировать как резонансный на нулевой 1эстоте. Принципиальны здесь два обстоятельства. Во-первых, значение этой резонансной частоты не зависит от природы пары когерентных вырожденных состояний. Поэтому без изменения условий в резонансной области можно работать одновременно с несколькими парами когерентных состояний. Следовательно, появляется возможность создания установки .дифференциального типа, в которой на разных состояниях в одно время и в одних условиях измеряются эффекты, известным образом отличающиеся по величине. Второе принципиальное обстоятельство состоит в том, что значение резонансной частоты {кулеше) не зависит, в силу выровдонности участвующих состояний, от ааш,;и-жегшэсти электрического поля и, следовательно, эксперимент окапывается свободен от основного ложного эффекта.

Оценить статистическую точность Эфд в случае, когда и.?ме>'-ния фазы проводятся на первой гармонике - частоте осциллирующего магнитного поля можно из соотяотения - " которой в терминах сдвига частоты V (ф^?."' М) 'приводит к (Мчрзг/.?-

ниям, аналогичным (I) и (2), зависящим от параметров молекулярного пучкэ, селектирующих-систем и детектора.

В таблице 2 приведены основные параметры разработанной нами устанозки в вариантах источника с газом-носителем азотом и ксено-, ном и соответствующие значения йу при Т*=10бс и длине интерференционной области 1=1м. Видно, что переход на газ-носитель ксенон обеспечивает увеличение статистической точности обсуждаемых Бксперимектов с "1С"бГи до ~1СГ7Гц, то есть, почти на порядок.

Таблица 2.

гаг- нсситель У(м/с) .мол. -> I [с^ерр су Р 1 Мэ(ИОЯ./с) еу (Гц)

"г Ш5 3«1018 4,3»10~2 8 «Ю-3 5«Ю1° 6«Ю"7

Хо 317 6 Ю13 11,3 ю"г 3,8 Ю-2 1.2 Ю12 7 10~8

Ь_5§ключенш обсуждвются перспективы работы по дальнойтэму развитию методики молекулярно-пучковых экспериментов по поиску эффектов нарушения временной инвариантности, в гакже сформ^.шровь-ш положения,выносимые на защиту.

%

I. Осуществлена модернизация высокоинтенсивного газодинамического источнике молекулярных пучков ное^го типа, созданного в ПКЯФ им.Б.П.Константинова РАН в рамках подготовки экспериментов по поиску эффектов нарушения Т-иннариснтности в молекулах. В результате модернизации была«, устранены долговременные флуктуации интен-сипности и уменьшена в два раза - до ЮК -- поступательная температура формируемого источником пучка радикалов РЫ.

Р.. Проведены экспериментальные масс-спектрометрическиэ и вре-мяпролеткыо исследования процессов конденсации в сверхзвуковой струе геза-носителя В результате онято кажущееся противоречие меод величинами предельных параметров формируемого пучка, получа-емичн из из^орений с трубкой Пито и из времяпролетиах измерений, гюкникаодео из-зг! нечувствительности измерений с трубкой Пито к

появлению в струе ковденсиранвнноЯ фазы. На основании данных, полученных, с газом-носителем N2, рассчитаны предельные, ограниченные конденсацией, параметры (средняя массовая скорость к статическая температура), достижимые с источником ГТИЯФ при замене азота на различные благородные газы. Показано, что при использовании в качестве газа-носителя ксенона, наиболее удобного с экспериментальной точки зрения, средняя массовая скорость лучка молекул TIP составит величину У^мЗПм/с, что почти н двд раза мвньшэ, -лем с {J.,. Поступательная температура при этом будет около IK.

3. Предложен новый метод экспериментального определения динамической футиш времяпролетяого спектрометра молекулярных пучков, основанный на сравнении времяпролетных спектров кластеров, измеренных на массах кластерного иона и иона мономеря. Этот метод с успехом использовался при обработке времяпролетных измерений с источником молекулярных пучков ПИЯФ.

4. Впервые предложена и реализована конструкция осплмера, защищенная авторским свидетельством, в котором для очистки его поверхности от осажденного рабочего вещества испсльзуются ультразвуковые колебания корпуса скиммера.. Проведены испытания склммэра, которые продемонстрировали его работоспособность.'

5. Впервые рассмотрены вопросы статистики измерений интенсивности пучков конденсированных газов. На основе этого рассмотрения предложен способ определения основных параметров распределения кластеров по числу входящих в них мономеров.

6. Обоснована теоретически и осуществлена модернизация радиочастотного масс-спектрометра (РМС) ИВА-1 (с целью расширить, диапазон регистрируемых масс до ~ 250 а.е.м.), основанная на использовании в качэстве высокочастотного (ВЧ) напряжения в серийном, рассчитанном на работу с синусоидальным ВЧ - напряжением, ВЧ-чшряжя-ния прямоугольной формы - меандр. На базе модернизированного FN!С, MBA-I разработан поверхностно-ионизационный детектор /ик экспериментов на пучках молекул, содержащих элементы с потенциалом ионизации до, приблизительно, 6 эВ. Предложена схема эффективно? регистрации галогенидоЕ элементов с больимм потенциалом ионизации.

7. Впервые для устранения основного ложного эффекта молекулярных экспериментов по поиску эффектов нарушения Т-икварианткссти - квадратичного эф5екта Штарка - предложено использовать сХ'М-г/

у . - XiU -

эксперимента, заключающуюся в наблюдении интерференции выроэденных когерентных состояний, обусловленной прецессией электрического ди-польного момента ьодакули в сильном электрическом и слабом осцил-Л!рующем мьгсШтном полях. Проведена оценка статистической точности предложенного эксперимента на пучке молекул TU. Показано, что с ■ источником молекулярного пучка ГШЯФ, использующим газ-носитель ьзот, принципиально достижима чувствительность на уровне Ю~гТц за полное время набора статистики 10бс. Это более, чем на двь порядка лучше существующего ограничения. Предложенный переход к газу -носителю ксенону обеспечивав увеличение статистики еще на порядок.

Апробация работы и публикации.

Материалы, вошедшиэ а. диссертацию, представлялись на VIII-ой Международной конференции по сверхтонким взаимодействиям (Vlllth International Conference on Hyperflne Interectlon, Prague, August 14-19,1949); докладывались на XXVI Зимней школе ЛШФ АН СССР (25 феЕраля - 3 марта 1991 г.), на семинарах, проведенных в 1986-1993г б 1Г1/ШФ РАН; а также вошли частью в цикл работ, .удостоенных премии Ленинградского комсомола зн 1986г.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

I. Андрианов G.M., Варенцов В.Л., Матышэв A.A., Ящук В.В. Исследование и расчет магнито-резонансной установки с газодинамическим источником дпя пучков дипольшх частиц - Препринт Ш АН СССР- 686, Ленинград, 1981, 23с. '¿. Бьренцоь ЬЛ., Яшук В.Е. Газодинамический мзтод уменьшения фа-зоного объема атомного пучка.-Гшсьма йТФ,1983,т.9,в.о,с.I47-1Ь0.

3. Варениов Г).Л., Ежов В.Ф., Князьков В.А., Лобашев В.М., Чазаренко В.А., Рябов В.Л., Ящук В.В. Источник молекуляр-. них. и атомных пучков с термелизацией частиц в сверхзвуковой струе газа-носителя. - Отчет ЛИЯФ им.Б.П.Константинова

АН СССР N60i. - Гатчина:ЛИЯФ АН СССР,1983. 37с.

4. Ашкинадзи Б.И.. Грогаеь М,Н., Ежов В.Ф., Ннязьков В.А., Рг/юь З.Л., Хазоа А.Ю., ¡Огалдин М.А.,Ящук В.В..Касьянов Г.М., Ипхункоа A.A.,Федоров А.Г. Исследование характеристик молз-ку.¡ирных лучков.-Отчет 7ШЯФ им.Б.П.Константинова АН ССОУ и ЙПГ мм.E.K.Сидорова,Л'атч*шй:ЛИЯФ АН СС.СР.1ЭУ0.-44С."

5. Ашкипгцзи H.H., Гремев М.Н., Ежов ь.Ф., Кнлзько>з Ь.А.,

РяОоз В.Л.,Хазов д. Ю., Юга л дин М.А.,Ялук З.В. Времяпролотные иамерония на пучках конденсирующихся газов. - Препринт ЛШФ мм.Б.П.Константинова АН OCCf, №1751, Ленинград, 193] ,23с;.

6. Ertön В.Ф., Князьков В.А., Ящук В.В. Использование прямоугольного вксокочастстного напряжения в серийных радиочастотных масс-спектрометрах. - П?3, 1993, №з, с.138-143.

7. Ежоз В.Ф., Ящук В.В, Статистика измерений интенсивности,'пупсов конденсированных газоь. - Письма ЖТФ, 19ЭЗ, ч*. 18, вьп.Э, о. 1-5. -

8. Ашкинадзи З.Н., Гроиев H.H., Ежов В.Ф., Князьков 3.A.,

Рябов В.Л., Хазов А.Ю., Ящук В.Б. Калибровки оремяпролегного ■ спектрометра на пучке конденсированного газа. - Письма ЖТФ, 1994, т.20, ЕНП.1, с.30-35,

'iacTt результатом опубликована в работах:

9. Взрещов В.Л., Ежов В.Ф., Ннязьков В.А., Рябов В.Л., Хазов А.О., Ящук В.В. Вреыяпролетный спектрометр молекулярных пучков. - ПТЗ, 1Э86, N1, с.152-155.

Ю. Вэренцов В.Л., Ежов В.Ф., Князьков В.А., Мурэтсв В.Г., Рябов В.Л., Хазов 4.Ю., Ящук В.В. Васокоинтенпквный газодинамический источник молекулярных пучков нового тала. -ЖТФ, 1987, Т.57, N.4, с.755-759.

11. Ashkinadal B.N., Ezhov V.F., Groshev M.N., Jaaohuk V.Y., Khazov A.Yu., Knjazkov V.A., Rlabov V.L., Yugaldin H.A.. Search'for P and T Violatlonin In Molecules.Part 1:EDM TIF.-Preprint PNPI №1801, St.-Petersburg,199I, ?8p".

и защищены авторскими свидетельствами:

I. Вэрэнцсв В.Л., Ящук В.В. Способ уменьшения фазоЕого объема атомного пучка. - Авт.свид. N"774523, Бюлл.изоор.,1981.¥47,с.313.

2_ Ежов В.Ф., Рябов В.Л., Ящук В.В. Способ управления пучками поляризующихся в электрическом поле нейтральных молекул. -Авт.свид. N1695398, Еюлл.изобр., 1991, ¿44 . с.'221.

3. Князьков В.А., Попов Н.Л., Ящук В.В. Устройство для формирования и сзпарапии пучка частиц нелетучих соединений. -Абт.сеид. №1805505. Бюлл.йзобр., Г993, Я2, с.125.