Развитие экспериментальных методов исследования 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

развитие экспериментальных методов исследований с молекулярными пучками, направленное на увеличение чувствительности экспериментов по поиску эффектов нарушения временной инвариантности в молекулах

(01.04.18 - физика ядра и элементарнчх частиц) •

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискяпие ученой сгоиогш кандидата физико-математических неук

На правах рукописи УДК 539.1%,539.121+ .143

ящук Валерий Владимирович

Сяггкт-Петврёург 1994

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им.Б.П.Константинова РАК.

Научный руководитель - кандидат физико-математическш наук

В.Ф.Енов.

Официальные оппоненты - доктор физико-мэтематачэеких. наук,

профессор Л.НЛабзовский,

- кандидат физино-мэтематичеасих наук А.В.Стрелков.

Ведущая организация - Физико-технический институт

им.А.Ф.Иоффе РАН.

Защита состоится " {л" .А1СиаЭ\ 1994 г. в /Г час. на на заседании специализированного совета Д 002.71.01 в Петербургском институте ядерной физики им.Б.П.Константинова РАН по адресу: 188350, г.Гатчина Ленинградской области, Орлоза роща, ПИЯФ.

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

Ученый секретарь специализированного совета кенлидчт физ.-мат. наук

И.А.Митрополь ский

- 3 - /

Актуальность проблемы. Единственным укезанием на нарушение ишерчантности относительно инверсии времени (Т-инвариантнооги) слукит наблюденке нарушения комбинированной СР-инвериантности в распадах долгокквущих нейтральных к£-мезонов. Нэсмотря на гатвн-сивнне поиски, нарушение Т-инвариантности в распадах или взаимодействиях других частиц на сегодняшний день не обнаружено.

Применение Т-инвариантности к молекуле ведет к отсутствию у нее определенных постоянных (статических) электромагнитных мульти-польных момзнтов. К теким моментам относится ЭДМ - электрический дгогольныЯ мимент. Особый интерес к молекулам как объзктам исследований по поиску нарушения Т-тивариентности, объясняется, во-первых, тем, что результаты измерения ЭДМ молекулы могут ^ыть • использованы для установления верхних ограничений либо ка ЭДМ составляющих ее частиц, либо на величины возможны? Р,Т-кеинвариант-ньк электрон-нуклонных я нуклоя-нуклонных (N-N)-взаимодействий. Во-вторых, теория предсказывает значительное усиление Р,Т-кечетных эффектов в ряде двухатомных молекул (TIP, Pr>F к др.). Как следствие, резонансные эксперименты на пучках молекул TIP имеют уровень физической значимости одного порядка с нейтрогаыуи • и атомными экспериментами, хотя доспи нутая точность О(Дт) ~ 2>10~лГц измерения Р.Т-кэчегиого сдвига частоты Lv р молекулярных экспериментах па два порядка хули, чем в нейтронных экспериментах., и на четыре порядка хуке, чом в атомных. Достижение в эксперименте нн 'IIP точности нейтронных экспериментов ~ Н)'бГц будет о&начать

увеличение на два порядка чувствительности к проявлениям Р,Т-нзгат -пар-лантных N-N-взаимодейотвий. Постановке эксперимента на молекуле- радикале типа PbF, обладающей ненулевым электронном моментом, даже с точностью C.(Av) * ю_3Гц обеспечит чувствительность к ЭДМ электрона на уровне d.a" 10"23а«см, что на два порядка ша;е cyn;oov-вущего ограничения и одного порядка со многими теоретическими предсказаниями.

Таким образом, в сложившейся экспериментальной ситу а;1,та, когда существенное продвижение но точности нейтронных и атомных экспериментов затруднено, особую актуальность надставляет зчлача реализовать указанные преимущества люлэкулясных экскерилекгов. Решение этой задачи невозможно баз соотаэтетьунцего рабыни и экспериментальных методов исследонЕяий с пучками труднол^тучих

молекул и радикалов.

состояла в ргзиит*ш экспериментальных методов исслйдоввний с молекулярными пу^гк'змя, нщфззлвнном Kill: tin >величекие отатистаческо" точности экспериментов по поиску эшфдк-тов нарушения Т-инваризнтнэсти в молекулах, так и ка устранение основного систематического эффекта - ква,трагичного эффекта Шторка, опред-элявпего точность, достигнутую в выполненных на настоящее время экспериментах на молекуле Т1Г.

Научная новизна. С помощью модернизированного источника молекулярных пучков ГШЙФ РАН достигнуты параметры формируемого пучка, практически предельно возможные с гезом косительм азотом. В результате получен стабильный во времени пучок радикалов Pol. обладающий рекордным значением поступательной температуры 1V=10R при средней массовой скорости Vt=605m/c.

Для выделения пучков из потоков, содержащих труднолетучие веществе, впервые предложена и реализована конструкция окиммера, защищенная авторским свидетельством на изобретение, в которой для очистки его поверхности используются ультразвуковые колеб&ния 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 интерфэренции вырожденных когерентных состояний, обусловленной прецессией ЭДМ 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 времяпролетннх спектров кластеров, и яренных на массах кластерного иона и иона мономера. Кроме того, показано, что времяпролетные измерония можно использовать для определения доли конденсированной фазы в пучке. ВперЕые рассмотрены и зопрссы статистики измерений интенсивности пучков конденеирушцихся газов. На основе этого рассмотрения предложен способ определения осногьшх пкрвм^троз распределения кластеров по числу входящих в .-.та молекул-мономеров.

Практическая я неучн^я значимость данной работы состоит прежде всего з том, что созданы ключевые узлы установки по поиску эффектов нарушения Т-инварианткости и молекуле T1F:

- компл&кс геноратора молекулярных пучков, включающий модернизированный источник молекулярных пучков, вакуумную систему с производительностью ~ 5«10ал/с при остаточном вакууме ?н~10~3мм рт.от., пятикоординатный котировочный отол и скиммер с ультраззукпвоП очисткой;

- детектор молекулярного пучка пь Сазе модернизованного радиочастотного масс-спектрометра (PWC) ИВА-1 и с положительной поверхностной ионизацией молекул пучка.

Самостоятельную практическую ценность имеет предложенный и реализованный в ИВА-1 способ расширения диапазона масс серийного РМС за счет перехода к высокочастотному (ВЧ) нгпряжению иршо-угольной формы - меандру.

Структура и объем реботы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа содержит 162 страницы, включая 32 рисунка, II таблиц и список литературы 16Э наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Rg_j'ee£QmiH раскрывается фундаментальный характер тфоблемы нарушения Т-инвариантности ц дается обзор содержания всей роботы.

представляет cocoil обзор теоретических и .экспериментальных работ, имеющий целью, во-первых, раскрыть актуальность и перспективность исследований по поиску нарушения Т-ишняри-шггноети е молекулах и, во-вторых., очертить круг молекул, нзисюлвэ подходящих для этих экспериментов. С точки чрэния чувствительности к обсувдаемым эффектам предпочтительными являются галогенидц тяжелых элементов, такие как PbF, Pbi, TIF, HgF и .ьругие, большинство из которых - химические радикалы. По-прэжнему остаются перспективными эксперименты на молекуле TIP. Однако, далы:е(й:ий прогресс здесь может бить достигнут только за счет понижении статистической точности эксперимента при устранении сиот^и&'т.чпе -ккх и жиигш эффектов.

формулируются основные проблемы молекулярных экспериментов. нытокакщиэ из них требования к схеме вкопер^мььтч к

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

Эксперимент по поиску ЭДМ с.Л9Мбнтарных частиц, атомов или

>

молекул состоит в наблюдении прецессии углового момента J вокруг

► V

сси приложенных электрического £ и магнитного 3 полай. При этом

ищется сдвиг частоты ларморовой прэцессии дV при переключении » * » *

взаимной ориентации С я В, обусловленный ненулевым ЭДМ (й = <1 |Г),

Ду=4с1|С|/1г (Ь - постоянная Плвнка). Предельная, определяемая статистикой, точность измерения ¿V описывается соотношением:

0(Дг>) ~ (2Ы0Т)"1/г(2я)"1 , (1)

где Т - полное время набора стетистихи, т - время взаикодейст&ия частицы с электричэским полем. Интенсивность на детекторе пучка частиц в выбранном квантовом состоянии И0 непосредственно зависит от основных параметров установки:

- 1 I 0% ? е , . (2)

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

Приведенные соотношения позволяют выявить основные проблемы молекулярных экспериментов.

1. Необходимо сформировать интенсивный пучок молекул с максимально возможной заселенностью Г рабочих - низших вращательных основного колебательного - состояний. Трудность в том, чтс плотность уровней у тяжелых двухатомных молекул соответствует температуре ~0.5К. л для их испарения необходима температура ~800К, при которой Г~Ю"4.

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

Максимальным образом требованиям I и 2. удовлетворяет разработчики л нами источник молекулярных пучков нового типа.

3. Возусхность использоввть тот или иной метод для эффективного

■_r 7 - -

детектирования'молекулярного пучка определяется физическими характеристиками молекул, такими как энергия диссоциации, потенциал ионизации и энергия сродстве к электрону элементов, составляющих молекулу. ОдноЕроменно эффективные 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 Т-инваркентности - ложные и систематические эффекты. В экспериментах на■молекулах главный из них - квадратичный эффект Игарка. Поясним, з чем тут дело. В резонансных экспериментах на TIP использовались переходы между сверхтонкими уровнями, которые отличаются только знаком проекции спина ядра Т1. Эти уровни в электрическом поле не вырождены. Энергетическое расщепление между ними и, следовательно, частота рабочего перехода зависят

»

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

состояний - эффакт Ханле, вызванную прецессией ЭДМ в поле К .

Подробное изложение найдет.та нами решений этих проблем содержится в следующих четырех главах.

1.1Р§1Ь2Я_главе обсуждаются методы формирования пучюв труд-нолэуучкх молекул и радикалов-, подходящих для рассматриваемых экспериментов. Здесь описаны споссб уменьшения фазового объема атомного пучка и созданные на его основ» в ПИЯФ им. Б.П.Константинова РАН ИСТОЧНИКИ МОЛвКуЛЯрНЫХ ПУЧКОВ НСВСГО ТИПа, ВЫГО^о о'глч--

чеющиеся от использовавшихся до сих пор источников по основным параметрам формируемых пучков молекул: интенсивности, монохроматичности, заселенности ребочего состояния, экономичности.

Основная идея таких источников состоит в том. чтосы и-а^т/ пары рабочего вещества непосредственно в сверхзвуковую струю газ» -носителя. В результате столкновений с частицами геза-носк19:1л пучок рабочего вещества тэрмвл!зуется до температуры к екорост;» сворхзЕукоеой струи. Термэлизация сопровождается рглаксгизюнни'м.' процессами: ьращптельно-поступотельным и ко ле б т е .п ьно-по с:v п <и ел ь -ним, приводящими к уменьшения соответствующих температур л, следовательно, к увеличению заселенности низаих состоя? иП.

- а -

В настоящее вромя в эксплуатации находотся модернизированный источник, конструкция которого показана на рио.1. В отличив от прэдыдущег'0 варианта, материалом для которого служило кварцевое стекло, здесь сверхзвуковое сопло и нагреваемая двухкамерная колба, содержащая рабочее вещество, изготовлены иг меди. Капилляр колбн -схемный и состоит из двух коаксиальных оксядарсванных никелоБых кагшлляров, сваренных точечной сваркой по одному из конноп. Нагревается он прямым пропусканием тока .

Главным результатом модернизации источника явилось сюшэкю вдвое поступательной температуры пучка до Т^ТОК. Кроме того, Оь>.ш устранены долгрвременные флуктуации интенсивности пучка, связанныэ с локальным подкипанием рабочего вещества из-за ого нерегном.ерного нагрева в кварцевой колбе. Полученные с модернизированным источником значения поступательной температуры Т1;-10К и средней скорости молекул в пучке У^ 605м/с практически совпадают с найденными

Рка.1. Конструкция модернизированного источника лекулярных пучкоз; а - узел капилляроЕ кэлбы з увеличенном масштаие. 1-осескмметричное сопло с внутренним телом, 2-двухкамерная колба, З-ребочее вещество, 4-нагревэтэль, 5-медный экран, 6-плэт$орма косрпшатного стола, 7-тешювые экраны, 8-внутренний капиллчр кслбы с Сланцем, 9-внешний капилляр колбы, Ю-ленточка-электрод, П-фпанец накидной.

- э - ■

экспериментально предельными значениями для газа-носителя азота. Предел налагает развитие интенсивной конденояции в струе газа-носителя N? при понижении температуры в ресивере сопла до ~ I60K.

Проведённые нами оценки показывают, что использование вместо охлажденного азота в качестве газа-носителя ксенона при комнатной температуре позволит еще почти на порядок увеличить заселенность рабочего состояния T1F, вдвое уменьшить среднюю скорость молекул в пучке и в три раза их разброс по продольной скорости - таблица I.

Таким образом, даже с газом-носителем N2 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, включающий вакуумную систему источника о производительностью откачки 5« to* .ч/с при

"Таблица I. Основные параметры пучков молекул T1F, формируемых различным! источниками.

Тип источника молекулярного пучка Т о (К) тг (X) Vt (м/с) Vn (м/с) I Г мол.1 (.стерро J Примечания

Сверхзвуковой ИСТОЧНИК в экспо-римэнте Хайндса 753 350 344 "150 6.4 I015

Источник с введением рабочего вещества п сверхзвуковой поток Г53&-носителя Мг (ПИТО) 180 (N2; 10 605 23 3 10Гв расчет по рксперимен- T^Jif.HxIM результатам с Шг

Источник с введенном рабочего вещества в сверхзвуковой поток . газа-носителя Хе (1ШЯФ) о2й (Хе) О.Э 317 8 6 IG-'g ощ-нка но гл>: дальним парам* тр.чм с уче r?v. - 1>(Я

То - температура с ресиворо сопла;

Тг - вращательная температура пучка молекул T1F, ? Т^; V - тепловой разброс продольных скоростей. Y = (2кТ\/М)1/2-

— 10 -остаточном вакуума в камере источника 1ГГ3-Ю-с2 мм рт.ст. В вэкум-ной коувтю источника размещен пятикоординатннй котировочный стол, позволяющей производить полную юстировку источника автоматически, иез лазгермитизации вакуумной системы

Пр"и работе источника с тру дно летучими веществами происходит зарастание отвьрстия скиммера, формирующего пучок из приосовой части смеси газа-носителя и рабочего вещества. Очистка скиммера ныррвом крайне нежел: тэльна, поскольку при распылении рабочего вещества в камере источника будут закорачиваться и разрушаться сшагочисленные -электрические контакты узлов котировочного стола.

Нами разработана принципиально новая конструкция скиммера, защищенная авторским сведетечьством на изобретение, с очисткой скиммера за счет ультразвуковых колеоакий его поверхности - рис.2. Ультраззуковые пзгиолые колебания корпуса скиммера возбуждаются с помощью бимор^юй структуры, образованной корпусом и ультразвуковым пьезокерамичрским преобразователем, приклеенным электропроводящим клеем к внутренней поверхности корпуса.,

?:.Л§1кертой_главе описаны использованные нами экспериментальные метода исследования параметров сверхзвукового потока газа-носителя и формируемого молекулярного пучка. Измерения проводились на иремяпролэтнол! спектрометре молекулярных пуков, детектором которого олухат модетаизисовашшй монопольный масс-спектрометр МХ-7304

Р»»с.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, сыло установлено, что при режимах с повышенным расходом газа, оптимальных для работы нашего источника, производительность откачки вакуумной системы зремяпролотного спектрометра (ЮАл/с) недостаточна. Это явилось одной из причин создания генератора молекулярных пучков с производительностью откачки примерно в пять раз Ешие.

Измерения массового состава формируемого пучка проводились при оптимизации температурного режима образования радикалов РЫ при термической диссоциации РЫ2 и исследовании конденсации гаоь-носителя Один из признаков возникновения конденсации - появлз-ние в масс-спектре пиков на массах, кратных массе Ы2. Однако количественная интерпретация масс-спектрометрических 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 времяпролетше измерения. Б этом случае измеряется распределение по времени пролета частица:«! пучка известного расстояния Ь - между прерывателем и детектором. Из времяптюлетного распределения извлекаются основные параметры пучка, определяющие распределение молекул в пучке по скорости, V,. и Т^, поскольку они однозначно связаны с параметрами время-пролетного распределения ^ - наиболее вероятным временем пролета и Д1;- шириной зремяпролотного распределения на полувысоте.

Для адиабатического сверхзвукового течения газа-носителя врё-мяпролетнке намерения предоставляют также однозначную информацию относительно газодинамических параметров потока в районе носика скиммера, поскольку число Маха М, которое сЕЯзквает параметр» га?.а в потоке с его параметрами в ресивере сопла, выражается через величины, непосредственно измеряемые бромяпролетнкм методом: с , ¡и.

Для случая тяжелых двухатомных молекул найденное ?; >.о;у времяпролетных измерений значение поступательной температуры Г, является довольно хорошей оценкой вращательной темив^чтугн . Ук> связано с тем, что характерные величины !":>: постоянных

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

Приведенные рассуидения справедливы, если сам времяпролетный спектрометр не вносит искажений в измеряемый спектр. Конечная длительность импульса молекул, вырезаемого прерывателем из пучка, приводит к утиранию исходного времяпролетного спектра. Неидеальность прерывателя легко выявляется при изменении частоты вращения диска прерывателя. Гораздо тяжелее количественно определить иска-жешя 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). Кя эксперименте неидеальность дотектора 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)Î, 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 т пренебрежимо мало. Для мономеров т, найденное описанным методом, составило г = (430 т 35)мчс. 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 =605м/с и температур этих пучков - it-1 СЖ. Это свидетельствует о наличии термализэции.

Развитые экспериментальные методы позволили установить основной механизм, ограничивающий предельно достижимые параметры источников нового типа - кластеризацию газа-носителя. В результате нагло объяснение раз.т/-»*.е величин предельных параметров, получениях из измс-р^сий с помощью трубил Пито и времяпролетного слектро-лстра. Источник этого различия - нечувствительность трубки Пито к

5000

Рис.3. Врбмяпролетнне спектры гучков: а - газа-носителя {12, б - рабочего вещества РЪГ2;

1 - исходные экспериментальные спектры,

2 - восстановленные время-пролетные спектры.

2600 2800 3000 3200 3400 г (мкс) - время пролета

появлению в потоке газа-носителя иг конденсированной фазы.

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

разбираются вопроси лотоктироьыня молекуляр!шх пучков. 0пис9ны созданные нами детекторы для рглзмклролвтного

/ - 14 -

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

Детектором при времяпролвтных измерениях служил монопольный масс-спектрометр МХ-7304, Его выходной тракт, включавший вторич-" ный электронный умножитель ВЭУ-2 и электрометрический усилитель, Пыл заменен, соответственно, на ВЭУ-6 и предусилитель, обеспечившие импульсный режим регистрации частиц пучка и обработку статистической интенсивности до 10бимп/с. За счет изменения рабочей частоты генератора высокой частоты масс-спектрометра с 2Мгц на I,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. Высокая эффективность регистрации этим детектором молекул T1F 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-сеиарации мы используем радиочастотный масс-спектро-• метр (РМС) - анализатор верхней атмосферы ИВА-1, 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-1 имеет диапазон масс ]448а.е.м. Чтобы использовать его для отделения от фона ионов Т1+, имении« массу 204а.о.м., необходимо увеличить диапазон регистрируемых масс. Еотестьеншй путь - изменение частоты ВЧ-напряжения. Нетрудно понять, - что проще эта задача решается при переходе на

на базе PMC ИВА-I. I - обечайка; 2 - узел к??ода; 2 - анализатор PMC K3A-I; 4 - узел подачи кислорода; 5 - првбразоватвль ПМИ-32-1; б - катод. .

ВЧ-напряжвние прямоугсльноЯ формы - мэандр. Расчеты и экспериментальные исследования с РМС ИВА-I показали, что переход на меандр в РМС, анализатор которого оптимизирован для синусоидального ВЧ-напряжения, но ухудшает его аналитических характеристик.

Эффективное использование положительной поверхностной ионизации для детектирования молекулярных пучков ограничивается кругом молекул, содержащих атомы с потенциалом ионизации 1<б,5В.

Дли детекшрсвйчия пучков галсгенидсв элементов с большим потенциалом ионизации (типа HgF) зозмохнь схема детектирования, закл*тюгаяся з диссоциации молекулы на разогретой пэЕерхностя -

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

Б_щестой_главе представлена разработанная нами схема эксперимента по поиску Р,Т-нечвтных 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. Проведанные оценки чувствительности такого эксперимента позволяют надеяться на статистическую точность на уровне 10"бГц, что на два порядка лучше существующего на настоящее время экспериментального предела.

. Б сильном электрическом поле С (при В=0 и в отсутствии Р,Т-нечетных эффектов) сверхтонкая структура первого вращательного состояния J=I молекулы TIP состоит из 12 уровней, имеющих

различные значения mT, тт , пц. - проекций на направление С J -

1 2 *-вращательного момента молекулы, I, - спина ядра Т1, 12 - спина

ядра F, соответственно. Согласно теореме Крамерса, четыре пары из

этих уровней, отличащихся знаками всех проекций угловых моментоБ,

строго вырождены по энергии.

Рассмотрим собственное состояние молекулы T1F, представляющее

собой когерентную суперпозицию вырожденных в электрическом поле

состояний, например:

0. * 2"1/2(|mT=0,m=1> + ¡шТ=0,т—1>), т=тТ +т_ .

При наличии Т-нечешого ЭДМ у ядро Т1 <3 = d I,/!, это вырождение снимается н между состояниями с разными знаками m возникает разность фаз:

Л(р = 2<pd

г;;в At - время нахождения молекулы в иоле С\

Ecjra ai'C'jJiohno когерентного состояния Ф, происходит в поляри-аагорэ. и котором осуществляется переход: ®0 = |mJ=0,tn^(b -»- ®1, з £Ыхогу:щее iiocjh интерференционной области со с то лъчга ф,, идентифицируется анализатором, настроенным на переход ■-»■ ф , то вероятность пе^юхода 0, — Ф,, обусловленного пруц-эссиеП когаргптного

состояния вокруг Г за спет электрического диполнгаго момента а,

квадратично зависит от сра. Чтобы перэйти к измерениям эффекта,

линейного по <рй и яв отличной от нуля частоте, ногно создать

д0ШJШИтeльнув, зависящую от времени разность фаз ф.,(1;), приложив

*■ г1 - "

слабое переменное магнитное поле Я соз ал параллельное г.. Тогда но выходе из интерференционной области мы получаем состояние Ш, о Епвпсищей от времени фазой фШ = * {X): А вероятность перехода Ф1 -»• Ф2 будет описываться выражением:

чт) - |<о2|Ф.>|2 =о + 2 11о(2;) + '-^((¿гомп-дг/г)) -

- ф," А 81п((2т1 )ыГТ.-Д1:/2П,

ПсО

Лце «I \2) - функция Бесселя нулевого порядка,

П= |Я|, ц - магнитный момент состояния. Величины А2г я '/пкке

выражаются через функции Бесселя.

Таким образом, амплитуда нечетных гармоник пропорциональны величине Р,Т-нечетного эффекта -- <рд. Амплитуды четных гармоьих не зависят от ф^ и могут быть использованы для моииторироБшша пучкг.

С позиции резонансного эксперимента■рассматриваемый эксперимент можно интерпретировать как резонансный на нульвой }эстоте. Принципиальны здесь два обстоятельства. Во-первых, значение этой резонансной частоты не зависит от природы пары когерентных ьырож -денных 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 но величине. Второе принципиальное обстоятельство состоит в том, что значение резонансной частоты Iкулеше) не зависит, в силу вырожденности участвующих состояний, ст напряженности электрического шля и, следовательно, эксперимент окапывается свободен от основного ложного эффекта.

Оценить статистическую точность 0ф4 в случае, когда измерения фазы проводятся на первой гармо.аме - частоте осциллирующего магнпгнэго псля можно из соотнотекия в<р - <МлТ/2>" которой в терминах сдвига частоты V (<р,=2тг.> &г.) пр^сди1" к Рпра*?-

ниям, еналогичннм (I) и (2), аависящим от параметров молекулярного пучка, селэктируыцда систем и детектора.

В таблице 2 приведены основные параметры разработанной нами установки в вариантах источника с газом-носителем азотом и ксеноном и соответствующие значения 6г> при Т«=10бс и длине интерференционной области 1=1м. Видно, что переход на газ-носитель ксенон обеспечивает увеличение статистической точности обсуздаемых экспериментов с '"1С"6Ги до ~1СГ'гГц, то есть, иочти на порядок.

Теблица 2.

гяг- носитель У(м/с) , мол. -V 1(С'серр cJ р г Ыэ(ион./с) 6у (Гц)

"г 605 э«ю1а 4,3«10~г а» ю-3 Б«Ю10 б «Ю-7

Хо 31? 6 ю18 11,3 Ю'г з,е кгг 1,2 Ю12 7 Ю-8

В заключении обсуждаются перспективы работы по дальнэйшэму развитию методики молекулярно-пучковых экспериментов по поиску эффектов нарушения временной инвариантности, а также сформ^.тронами положения, ьшюсяшэ ка ьащиту.

Пдлохонилл__вщосшые_н§_защ;тУд

— ^

I. Осуществлена модернизация высокоинтенсивного газодинамического источника молэкулярных пучков ное' г'-' типа, созданного в ПКЯФ им.Е.П.Константинова РАН в рамках подготовки экспериментов по поиску эффектов нарушения Т-иниариснтности в молекулах. В резуль- 1 тате модернизации бы ли устранены долговременные флуктуации интен-сущности и уменьшена в два раза - до ЮК - поступательная температура формируемого источником пучка радикалов РЫ.

?.. Проведены экспериментальные масс-опектрометрическиэ и зре-мяпрольтьыо исследования процессов конденсации в сверхзвуковой струе геза-косителн В результате снято кажущееся противоречив мевду величинами предельных параметров формфуомого пучка, по.пуча-ршчн лэ измерений с трубкой Пито и из вр«мдпро.петннг. измерений, .чоышкаадаи и?-з.!1 нечувствительности измерений с трубкой Пито к

появлению в струе конденсираванной фазы. На осноЕаши данных, полученных с газом-носителем N2, рассчитаны предельные, ограниченные конденсацией, параметры (средняя массовая скорость к статическая температуры), достижимые с источником ПШФ 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 T1F составит величину V «017м/с, что почти н два раза меньше, чем с

Поступательная температура при этом будет- около IK.

3. Предложен новый метод экспериментального определения динамической функции вромяпролетного спектрометра молекулярных пучков, основанный на сравнении времяпролетнкх спектров кластеров, измеренных на массах кластерного иона и иона мономера. Этот метод с успехом использовался при обработке времяпролетнкх измерений с источником молекулярных пучков ПИЯФ.

4. Впервые предложена и реализована конструкция скямчера, защищенная авторским свидетельством, в котором доя очистки его поверхности от осажденного рабочего вещества используются ультразпу-коЕые колебания корпуса скиммера,. Проведены испытания скаммэра, 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 радио- частотного масс-спектрометра (РМС) ИВА-1 (с целью расширить, диапазон регистрируемых масс до ~ 250 а.е.м.), основанная на использовании в качестве высокочастотного (ВЧ) напряжения е серийном, рассчитанном на работу с синусслдальным ВЧ - напряжением, ВЧ-чьпряжя-ния прямоугольной формы - меандр. На базе модернизированного FMC-MBA-I разработан поверхностно-ионизационный детектор для экспериментов на пучках молекул, содержащих элементы с потенциалом ионизации до, приблизительно, 6 эВ. Предложена схема эффективно? регистрации галогенвдоЕ элементов с большим потенциалом ионмз^'.ц-ет.

7. Впервые для устранения основного ложного эффекта молекулярных экспериментов по поиску эффектов нарушения Т-инвзрипитнссти - квадратичного эффекта Штарпа - предложено использовать схрму

. - <iU -

эксперимента, заключающуюся в наблюдении интерференции выроненных когерентных состояний, обусловленной прецессией электрического ди-польного момента ыолэкули в сильном электрическом и слабом осцил-лирукцем магш'тном полях. Проведена оценка статистической точности предложенного вкспвримвнтв на пучке молекул ïlî. Показано, что с источником молекулярного пучка ПИЯФ, использующим газ-носитель азот, принципиально достижима чувствительность на уровне Ю'г'Гц за полное время набора статистики 10бс. Это более, чем на двь порядка лучше существующего ограничения. Предло конный переход к газу -носителю ксенону обеспечивао*" увэличение статистики еще на порядок.

Апробация работы и публикации.

Мэтериалы, воыедоиэ ь\ диссертацию, представлялись на VIII-ой Международной конфереяцш по сьерхтонким взаимодействиям (VlIIth International Conference on Hyperfine Interaction, Prague, August Î4-IÇ.1989); докладывались на XXVI Зимней школе ЛИ® АН СССР (25 февраля - 3 марта 1991 г.), на семинарах, проведенных в 1986-1993г.

в ПйЯФ РАН; а также вошли частью в цикл работ, удостоенных премии Ленинградского комсомола sa 1986г.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

I. Андрианов U.M., Варенцов В.Л., Матышэв А.А,, Ящук В.В. ^сслодоьанне к расчет магнито-резокансной установки с г:-..чодикамичьским источником для пучков дипольшх час-тли - Прычрикт .ИФ A4 СССР- 686, Ленинград, 1981, 23с. Ьг'рсмцоь ЬЛ., Яшук В.В. Газодинамический метод уменьшения фа-зоього объема атомного пучка.-Письма жтф,1983,т.9,в.3,с.I47-I&G.

3. Варениов В.Л,, Оков В.Ф/, Князьков В.А., Лобашев В.М., Чазаренко В.А., Рябов В.Л., Ящук В.В. Источник молекуляр-. них а атолших пучков с термелизацией частиц в сверхзвуковой '.:труо газа-носителя. - Отчет ЛШФ им.В.П.Константинова

АН СССР М60Ф. - Гатчина:ЛИЯФ АН СССР,1983. 37с.

4. Ашкинадзи В Л?., Грогсев М.Н., Ежов В.Ф., Князьков В. А., Р'.;бон В.Л., Хазоп A.D., ¡Or а л дин М. А., Ящук Б.В. .Касьянов Г.М., 'Лохунков A.A..Федоров А.Г. Исследование характеристик молй-куляркых пучков.-Отчет ?ШЯФ им. Б .Ii. Ксноть'нтнноаа АН ССОР и КПГ им.Е.К.Седсисва, Гатч*ш&:ЛИЯФ АН СССР.19У0.-44С.

5. Дшкиш'ьки S.U., Греков М.Н., Екоэ Б,Ф., Князьков В.Л.,

Рябов В.Л.Дазог. л. Ю., Юга л дин М.А.,Я'лук В.В. Времяпролотные измерения на пуншах конденсирующихся газов. - Препринт ЛЖФ им.Б.П.Константинова АН СССР, №1751, Ленинград, 193],230.

6. Епои В.Ф., Князьков В.А., Ящук В.В.Использованиепрямоугольного высокочастотного напряжения в серийных радиочастотных масс-спектрометрах. - ПТЭ, 1993, N-3, с.138-143.

Г. Ежов В.й., Ящук В.В, Статистика измерений интенсивности,'пучков конденсированных газоь. - Письма ЖТО, 19ЭЗ, t.ib, вын.Э, о.1-5. -

8. Ашкинадзи З.Н., Грэдев М.Н., Ежов Е.4>., Князьков В.А.,

Рябов Ь.Л., Хазов А.Ю., Ящук В.В. Калибровка зремяпролегного ■ спектрометра на лучке конденсированного газа. - Письма ЯТФ, 1994, т.20, ЕНП.1, с.30-35.

Часть результатов опубликована в работах:

9. Баренцов В.Л., Ежов Б.Ф., Князьков В.А.., Рябов В.Л., Хазов A.n., Ящук В.В. Времяпролетный спектрометр молекулярных пучков. - ПТЗ, 1Э86, N1, с.152-155.

10. Вэренцов В.Л., Ежов В.Ф., Князьков В.А., Муратов В.Г., Рябов В.Л., Хазов 4.Ю., Ящук В.В. Высокоиктенпквнкй газодинамический источник молекулярных пучков нового типа. -ЖТФ, 1987, т.57, N.4, 0.755-759.

11. Ashkinadzl B.N., Ezhov V.F., Groshev M.N., Jaaohuk V.V., Khazov A.Yu., Knjazkov V.A., Riafoov V.L., Yugalaln M.A.. Search'Jtor P and T Violatlonln in Moleculea.Part 1:ЕШ TIF.-Preprint PNPI №1801, St.-Petersburg, 19Э1, 28p".

и защищены авторскими свидетельствами:

I. Вэрэнцсв В.Л., Ящук В.В. Способ уменьшения фазоЕого объема атомного пучка. - Авт.свид. К"774523, Бюлл.изоор. ,1981,.¥47,с.213. Ежов В.Ф., Рябов В.Л., Ящук В.В. Способ управления пучками поляризующихся в электрическом поле нейтральных молекул. -Авт.свид. N1695398, Бюлл.изобр., 1991, £44 , с .'221.

3. Князьков В.А., Попов Н.Л., Ящук В.В. Устройство для фэр:.жрова-Ш!ч и сепарации пучка частиц нелетучих соединений. -Авт.сеид. №1805505. Бюлл. изобр., 1993, W2, с. 125.