Спектроскопические исследования триплетных состояний молекул Не2 в сверхтекучем гелии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

СП о**

I

Российская Академия наук ^Институт физических проблем им. П. Л. Капицы

На правах рукописи УДК 538.941

ЕЛЬЦОВ Владимир Борисович

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРИПЛЕТНЫХ СОСТОЯНИЙ МОЛЕКУЛ Не2 В СВЕРХТЕКУЧЕМ ГЕЛИИ

• 01.04.09 — физика низких температур и криогенная техника

Автореферат

диссертации на соискаиие ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1997

Работа выполнена в Институте физических проблем им. П. Л. Капицы РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

член-корреспондент РАН Паршин А. Я.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Каган М. Ю.

доктор физико-математических наук ' Лукашевич И. И.

Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН, г. Троицк

Защита диссертации состоится 1997 г. в часов на

заседании Специализированного совета Д003.04.01 ИФП РАН по адресу. Москва, 117334, ул. Косыгина, 2, ИФП РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФП РАН.

Автореферат разослан " " /И О Д 1997 г.

Ученый секретать

Специализированного совета ИФП РАН доктор физико-математических наук

Прозорова Л. А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Данная работа посвящена исследованию одного из наименее изученных таив возбуждений, существующих в сверхтекучем гелии — эксимерных моле-:ул 4Не| в долгоживущем триплетом состоянии. Существование высокоэнер-етичных нейтральных возбуждений в конденсированном гелии долгое время >ыло неочевидно для исследователей. Лишь в 1968 г. Сурко и Райф [1] экспери-1енталыю обнаружили такие возбуждения. В результате последующих исследований было установлено, что наиболее долгоживущим и, следовательно, наиболее важным типом таких возбуждений являются эксимерные молекулы 4Нез ? состоянии [2]. Информация о свойствах таких состояний в сверхтеку-1ем гелии, имеющаяся к настоящему времени, довольно ограничена: основ-тое внимание в исследованиях молекул, проводившихся до сих пор, уделялось процессам их образования и распада. Это связано, по-видимому, с весьма коротким временем жизни молекул в сверхтекучем гелии при концентрациях, удобных для спектроскопических исследований. Радиационное время жизни молекул 4Н&'2 в низшем трзшлетном состоянии составляет ~ 10 с [3]. В сверхтекучем гелии это время жизни, однако, не достигается, так как существует процесс распада молекул при их взаимной рекомбинации. При концентрации молекул ~ 1013 см-3 этот процесс ограничивает их время жизни на уровне < 1 мс, что затрудняет детальные исследования их свойств. Отсутствует и теоретическое описание таких объектов.

В работе [3] высказано предположение, что процесс рекомбинации молекул будет подавлен, если молекулы поляризованы по спину в сильном магнитном поле, причем при полной поляризации концентрация молекул может достигать ~ 10" см~3 при времени жизни ~ 1 с. Такое долгоживутцее состояние молекул представляло бы значительный интерес. С одной стороны, большое время жизни облегчает исследования молекул. С другой стороны, большая концентрация позволяет рассматривать молекулы как новый газ возбуждений в сверхтекучем гелии и изучать коллективные (например, магнитные) свойства. До настоящего времени, однако, магнитные свойства триплетных молекул в конденсированном гелии экспериментально обнаружены не были [1, 4], что представляет определенную загадку.

Молекулы 4Ие*2, по-видимому, образуют в жидком гелии пузырек, аналогично возбужденным атомам и. отдельным электронам. Статическая структура таких пузырьков для отдельного электрона и возбужденного атома довольно подробно исследована как теоретически, так и экспериментально, Большой интерес представляло бы изучение динамического поведения таких систем, что дало бы новую информацию об их структуре и о взаимодействии заклю-

ченного в пузырьке объекта с непосредственно граничащими атомами гелия и через них — с элементарными возбуждениями сверхтекучего гелия. Такая информация могла бы быть полезной и при рассмотрении нетривиальной структуры подобных объектов в твердом гелии.

Эксимерные молекулы гелия представляются наиболее интересным и удобным объектом дм подобных исследований. Во-первых, вследствие усложнения строения самой молекулы по сравнению с атомом и отдельным электроном, структура комплексов, образуемых ими в жидком; гелии, должна быть более богатой. Во-вторых, молекулы имеют дополнительные степени свободы, такие как колебательная и вращательная, состояние которых легко наблюдать спектроскопическими методами, что позволяет получить более детальную информацию о взаимодействии молекулы с окружающим гелием. Однако, до настоящего времени даже статическая структура эксимерных молекул 4Не2 в сверхтекучем гелии не исследовалась теоретически. Очень мало и экспериментальных дагагых, которые способствовали бы разработке детальной модели их строения.

На молекулы 4Па* в сверхтекучем гелии можно взглянуть и с другой стороны, в связи с исследованием примесей в конденсированном гелии, что также вызывает значительный интерес. В последнее время, особенно в связи с успехами метода лазерного распыления вещества в жидком гелии, удается помещать в гелий различные новые примеси, помимо хорошо изученных атомов 3Не. Наиболее близкими по строению к молекулам гелия являются атомы и молекулы щелочных металлов [5], которые также образуют в жидком гелии- пузырьки. Сравнение свойств этих объектов со свойствами молекул гелия было бы весьма интересным.

Цель работы

Целью настоящей работы было исследование триплетных эксимерных молекул /Не^ в сверхтекучем гелии при временах жизни, значительно превышающих достигнутые в ранних исследованиях, и получение на этой основе информации о строении комплекса, образуемого эксимерной молекулой в жидком гелии, а также о взаимодействии между молекулой и возбуждениями сверхтекучего гелия.

Конкретные задачи исследований состояли в следующем:

1. Разработать метод получения молекул в сверхтекучем гелии в требуемой концентрации и создать установку для аккуратного измерения их спектров поглощения в диапазоне давлений от давления насыщенных паров до давления затвердевания гелия.

2. Провести исследование структуры спектров переходов а Ъ и а с триплетных молекул 4Не?; в широком диапазоне давлений.

3. Исследовать процессы колебательной и вращательной релаксации в молекулах 4Не2, локализованных в пузырьках в сверхтекучем гелии.

4. Исследовать переходные процессы в поглощении с целью определить численные характеристики процессов рождения и гибели молекул в сверхтекучем гелии.

5. Провести поиск ожидаемого эффекта замедления рекомбинации молекул в сильном магнитном поле.

Научная новизна

В данной диссертации:

1. Впервые измерены спектры поглощения триплетных эксимерных молекул ''! ¡<>2 в сверхтекучем гелии при временах жизни 4 — 20 мс, что превышает, времена, достигнутые п ранних исследованиях, более чем на порядок.

2. Подробно исследована колебательная и вращательная структура спектров переходов а —)• Ь и а с: положения, ширины и относительные интенсивности отдельных спектральных компонент как функции давления. Обнаружены аномалии поведения, которые могут свидетельствовать о структурной перестройке молекулярного комплекса.

3. Впервые измерены времена колебательной и вращательной релаксации в молекулах гелия, локализованных в пузырьках в сверхтекучем гелии, и исследована зависимость скорости релаксации от давления.

4. Экспериментально определены вероятность образования молекулы при рекомбинации ионов гелия и абсолютная величина коэффициента взаимной рекомбинации молекул.

5. Впервые проведены измерения спектров молекул в магнитном поле и получена оценка снизу на время магнитной релаксации молекул в состоянии

Практическая и научная ценность работы

1.. Разработан и реализован метод получения молекул 4Нв2 о3Е+ в сверхтекучем гелии в концентрации, достаточной для оптических измерений, вне областей возбуждения гелия. Этот метод позволяет исключить неконтролируемое взаимодействие молекул с другими возбужденными атомными, молекулярными и ионными состояниями гелия. Разработан способ расчета скорости образования молекул данным методом.

1. Измерено сечение поглощения.света молекулами в сверхтекучем гелии для наиболее интенсивных линий поглощения, что устраняет имевшийся ранее произвол в определении концентрации молекул гю величине поглощения.

3. Полученная в настоящей работе экспериментальная информация о свойствах эксимерных молекул 4Не5 в сверхтекучем гелии и о их взаимодействии с окружающей жидкостью представляет хорошую основу для разработки теоретической модели строения молекулярного комплекса в жидком гелий. Такая модель необходима для дальнейшего целенаправленного исследования молекулярных возбуждений в жидком гелии и для лучшего понимания строения и свойств, особенно неравновесных, других "пузырьковых" микроскопических объектов в конденсированном гелии.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований, составивших содержание диссертации, докладывались и обсуждались на XXX Совещании по физике низких температур (Дубна, 1994), на международной конференции по возбуждениям и спин- поляризованным системам (Триест, Италия, 1995), на международной конференции по физике низких температур ЬТ-21 (Прага, Чехия, 1996).

Основные результаты диссертации опубликованы в 2 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации — 88 страниц, включая 41 рисунок, 1 таблицу и список литерату ры из 52 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы исследований, дана общая характеристика работы и сформулированы ее задачи.

Первая глава носит вводный характер и посвящена обзору свойств эксимерных молекул гелия, установленных в предыдущих исследованиях.

В первом параграфе описывается классификация й структура молекул 4Нс^ в вакууме. Во втором параграфе дается обзор экспериментов по наблюдению эксимерных молекул в конденсированном гелии. В третьем параграфе излагаются современные представления о процессах образования и распада молекул 41в конденсированном гелии. В четвертом параграфе приводятся сведения о структуре уровней молекулы 4Нвз в состоянии а3в магнитном поле, излагаются теоретические представления о влиянии магнитного поля на динамику молекул в жидком и твердом гелии, приводятся данные об экспериментальных попытках наблюдения магнитных свойств молекул в жидком гелии.

Во второй главе описаны экспериментальная установка и методика проведения измерений.

Первый параграф посвящен описанию способов получения молекул в жидком гелии. При исследовании молекул в конденсированном гелии используются три основных способа возбуждения гелия: радиоактивный источник (обычно металлическая пластинка, покрытая /3-радиоактивным ИТ), автоэлектронная эмиссия с острий в сильном электрическом поле и высокоэнергетич-ный электронный пучок. Наиболее простым для реализации и оптимальным по рассеиваемой мощности является использование /3-радиоактивных источников (этот метод использовался при спектроскопических исследованиях молекул в твердом гелии [6]). Однако, как показали наши предварительные исследования, малый ток насыщения таких источников, высокая скорость рекомбинации молекул в жидком гелии и невозможность глубокой модуляции скорости образования молекул препятствуют применению данного метода в наших экспериментах.

Возбуждение гелия с помощью высокоэнергетичной электронной пушки — единственный метод, с помощью которого наблюдался сигнал оптического поглощения от молекул в сверхтекучем гелии [2]. Однако, этот метод не обеспечивает возможности проводить исследования молекул при значительно больших временах жизни и в более термализованных состояниях, чем это сделано в [2]. Поэтому, мы выбрали эмиссию зарядов с острий в сильном электрическом поле в качестве способа возбуждения гелия в наших экспериментах.

Холодная эмиссия неоднократно применялась при исследовании ионов в жидком гелии, в меньшей степени — при исследовании молекул,- Принципиальное отличие метода рождения молекул в наших экспериментах заключается в том, что мы использовали два острия, расположенных навстречу друг другу. Прикладывая между ними высокое напряжение, можно извлекать заряды противоположных знаков в центр экспериментальной ячейки. При этом молекулы образуются в результате рекомбинации зарядов по всему объему, занятому током. Тем самым, впервые в экспериментах в жидком гелчи, имеется возможность наблюдать молекулы вдали от областей возбуждешш гелия, в которых в заметной концентрации имеются другие возбужденные атомные, ионные и молекулярные состояния гелия. Подобные объекты в предыдущих экспериментах давали значительное число дополнительных линий в спектрах, а также взаимодействовали тем или иным образом с молекулами. Избранный нами метод также обеспечивает возможность управлять скоростью рождения и, тем самым, концентрацией и временем жизни эксимеряых молекул.

Во втором параграфе описана конструкция экспериментальной ячейки. Корпус экспериментальной камеры был выполнен из нержавеющей стали с фланцами на индиевых уплотггениях. Свет вводился и выводился из камеры через световоды, концы которых были закреплены на расстоянии й = 2.6 мм. Собственно ячейка представляла собой стеклотекстолитовый корпус с держа-

■гелями для острий, отделявший экспериментальный объем от остальной части камеры. Острия изготавливались из вольфрамовой проволоки диаметром 0.2 мм методом электрохимического травления в ЗН растворе КОН. Радиус острий контролировался в сканирующем электронном микроскопе и составлял < 0.1 мкм. Геометрия для протекания тока могла изменяться с помощью вставок в экспериментальный объем. Большая часть измерений была выполнена в геометрии, в которой рабочая область имела размеры приблизительно 2x2x2мм3.

Третий параграф посвящен описанию оптической схемы и методики измерения поглощения. Источником света служила галогенная лампа мощностью 100 Вт. Свет лампы модулировался прерывателем. Спектральная селективность обеспечивалась светосильным монохроматором МДР-2, который был прокалиброван по линиям ртутной лампы. После монохроматора свет поступал в световод, идущий в экспериментальную ячейку. Кварцевые световоды имели красную границу пропускания 2.2 мкм. В качестве фотоприемника использовались кремниевый фотодиод при измерениях вблизи 1 мкм и PbS фоторезистор при измерениях вблизи 2 мкм, которые размещались непосредственно на входном разъеме lock-in усилителя, демодулировавшего сигнал на частоте прерывателя. Для достижения высокой чувствительности к поглощению ток через ячейку модулировался на меньшей частоте, что приводило к модуляции сигнала поглощения. Вторая демодуляция производилось цифровым образом при помощи компьютера. Чувствительность реализованной схемы к поглощению составляла 4-Ю""6 при измерении спектров а -> с перехода (1мкм) и 'Ю-5 для спектров а —> Ь перехода {2мкм). В максимуме перехода а —>■ с можно было отказаться от модуляции света и исследовать переходные процессы в поглощении,

В четвертом параграфе описана криогенная система и линия чистого гелия. Все исследования проведены в диапазоне температур, достижимых с помощью откачки 4Не, при этом экспериментальная камера контактировала по всей поверхности с гелием в дьюаре, откачанным до нужной температуры. Мы использовали предварительно очищенный гелий-4. Необходимое давление создавалось газификатором и поддерживалось электронным стабилизатором. Датчик давления был прокалиброван при малых давлениях с помощью ртутного манометра, а при давлениях более 25 бар — по кривой плавления гелия.

Третья глава посвящена исследованию спектральных характеристик экси-мерных молекул гелия.

В первом параграфе приведет типичные спектры поглощения (рис. 1) и описан способ их обработки. Мы исследовали спектры поглощения переходов а3Е+ c3S+ и. а3£+ -> 63П9 вблизи 1 мкм и 2мкм соответственно. Основная часть измерений была выполнена при температуре вблизи А-линии, где коэф-

Рис. 1: Спектры поглощения переходов -V с3£+ (а) и Ь3П5 (б) снятые при

температуре 2.1 К и давлении насыщенных паров и нормированные на поглощение в максимуме. Данные дм времени жизни 0.2 мс взяты из работы [2].

фициект рекомбинации эксимеров имеет минимальное значение для сверхтекучего гелия. Времена жизни молекул лежали в диапазоне 3.5 — 20 мс. Под временем жизни мы понимаем характерное время г = 1 /(ая) для процесса взаимной рекомбинации (п — концентрация, а — коэффициент рекомбинации молекул).

Сравнение наших спектров со спектрами из работы [2], соответствующими времени жизни 0.2 мс, показывает, что их структуры аналогичны: в спектре перехода а -> с отчетливо видны колебательные полосы (0 — 0) и (1 — 1),'а в спектре перехода а Ь — вращательные полосы Я, Р, В то же время мы видим очевидное уменьшение интенсивности переходов из возбужденных вращательных и колебательных состояний, а также на наших спектрах отсутствуют неидентифицированные линии и линии спектров поглощения любых других объектов, кроме трицлетных молекул. Распределение молекул по возбужденным состояниям сильно неравновесное и может быть определено путем одновременной подгонки обоих спектров. Вместе с числами заполнения определяются и спектральные характеристики отдельных компонент переходов: их ширина, положение и относительная интенсивность, которые отличаются от вакуумных значений.

По всей совокупности измерений спектров определено отношение сил осцилляторов переходов (0—0) а ~> с и (0 — 0) а Ь для триплетных экси-мерных молекул гелия, локализованных в пузырьках в сверхтекучем гелии: /яс//об = 0.59 ± 0.11. Эти два перехода из состояния а являются самыми интенсивными. Пренебрегая остальными переходами и используя правило сумм для сил осцилляторов, можно найти абсолютные значения /ас и Дь и сечений

кшнм.А

I

Рис. 2: Зависимость ширины линии (0 — 0) о -)• с от давления.

140

120

100

80

0

10

20 Р, бар

поглощения. В частности, в максимуме перехода (0—0) а —> с при давлении насыщенных паров

Второй параграф посвящен исследованию зависимости спектральных характеристик молекул от давления гелия. При таком исследовании представляется целесообразным обеспечить приблизительное постоянство концентрации молекул и их времени жизни в широком диапазоне давлений, тогда спектры поглощения при различных давлениях можно сравнивать непосредственно. Наилучшим образом этому требованию отвечает проведение наблюдений вдоль А-линии гелия. Спектры переходов а —> с и а —> Ь были измерены до давления 28.1 бар при времени жизни молекул бмс. В согласии с результатами [7] линия поглощения (0 — 0) а с сдвигается в сторону коротких дыш волн при повышении давления, в то время как сдвиг полосы поглощения (0—0) а отсутствует. Это единственные данные о спектрах поглощения молекул в жидком гелии при повышенных давлениях, которые были известны до настоящей работы. Мы уточнили зависимость положения перехода (0—0) а с от плотности гелия. Измерения были выполнены при различных давлениях и температурах и подтверждают предположение, что это положение зависит только от плотности гелия.

В поведении ширины линии поглощения (0 — 0) а 6 была обнаружена особенность: максимум при давлении около 24 бар (рис. 2). Такое поведение является неожиданным. Ширина линий атомных переходов монотонно растет с давлением [7], причем эта зависимость хорошо согласуется с теоретическими расчетами в "пузырьковой" модели строения возбужденных атомов в жидком гелии. В этой модели ширина линии поглощения связана со взаимодействием возбужденного электрона с окружающим гелием и возрастает по мере уменьшения размеров пузырька при увеличении давления. Тем самым,

сое 5 6 - Ю-16см2.

(1)

Рис. 3: Спектры поглощения, нормированные на величину поглощения в максимуме, в несверхтекучем гелии: О — 14.4бар 2.32К, А — 14.4бар 2.55 К, и сравнение со спектром в сверхтекучем гелии: о — 14.4бар 1.98 К. Для нормального гелия указана температура в гелиевой ванне.

0.93 X, мкм

наблюдаемую особенность предположительно' можно интерпретировать как отражение структурной перестройки молекулярного комплекса при данном давлении, хотя нельзя исключить и возможность появления при этом давлении. дополнительной неидентифицированной линии поглощения, перекрывающейся с полосой (0 — 0) а —> с.

В третьем параграфе приводятся данные о зависимости поглощения от тока через ячейку. Эти зависимости важны для понимания процессов образования и гибели молекул в наших экспериментах. При наличии тока ионов только одного знака сигнал поглощения отсутствовал. В случае, когда оба острия работали в нормальном режиме, сигнал поглощения был пропорционален квадратному корню из тока А ос у/1. Такая зависимостБтюглощения от тока согласуется с представлением о рождении молекул в процессе рекомбинации ионов и их гибели за счет взаимной рекомбинации.

В четвертом параграфе описаны эксперименты по наблюдению спектров поглощения перехода (0 — 0) а -> с в несверхтекучем гелии при давлении 14.4бар. Такие измерения становятся возможными, если давление превышает давление в критической точке и, следовательно, отсутствует процесс гашения. В нормальном гелии перегрев внутреннего объема экспериментальной ячейки по отношению к термометру мог быть значительным. Приблизительное значение температуры (« 3.5 К) можно определить по положению полосы поглощения (0 — 0), связанному с плотностью гелия. Концентрация молекул в этой серии измерений поддерживалась постоянной при различных условиях. Тем самым, можно ожидать, что время жизни молекул было больше в нормальном гелии, в связи с уменьшением коэффициента рекомбинации. Несмотря на это, спектры,-снятые выше Л-линии (рис. 3), демонстрируют резкое возрастание доли молекул в возбужденных состояниях, причем относительная

интенсивность частей спектра, соответствующих переходам из возбужденных состояний, больше, чем значение для сверхтекучего гелия, экстраполированное к нулевому времени жизни. Это означает, что сверхтекучесть оказывает существенное влияние на процессы образования и дальнейшей эволюции эк-симерных молекул в. жидком гелии. Факт весьма удивительный, если учесть, что типичные энергии, связанные с молекулами, на порядки превышают характерный масштаб энергий в сверхтекучем гелии.

В четвертой главе развита модель образования молекул в наших экспериментах, позволяющая рассчитать скорость их образования по известным величинам. Впервые эксперименты с молекулами проводятся в постановке, в которой такой расчет возможен. Это используется' для определения числовых значений ряда характеристик молекул в последующих главах.

В первом параграфе описывается модель и проводятся основные вычисления. Предполагается, что молекула образуется в процессе рекомбинации положительного и отрицательного ионов с вероятностью /3, а сама рекомбинация ионов описывается соотношением Ланжевена для кулоновски взаимодействующих частиц

divj+ = -divj_ = -4тгс2(уи+-)-^-)га+я_! (2)

где п± — концентрации положительных и отрицательных ионов с подвижно-стями /л±, создающих токи j-t- .Уравнение (2) делает систему, описывающую распределение полей и токов в нашей ячейке, нелинейной. Для ее решения вводится ряд упрощающих предположений по аналогии с работой [8J. В.этой работе изучались процессы холодной эмиссии в различные криогенные жидкости, в том числе и в гелий, и была предложена модель, описывающая эмиссию зарядов одного знака в системе острие-коллектор. В. этой модели несферическая симметрия задачи заменяется сферической с требованием, чтобы весь ток был сосредоточен внутри телесного угла 4тг7, где 7 — параметр аппроксимации и должен определяться экспериментально, подвижность ионов считается не зависящей от поля и возможным наличием пузырька ионизированного газа вблизи острия пренебрегается. Данная модель, несмотря на такие допущения, подтверждается с хорошей точностью экспериментально. В нашем- случае, мы рассматривали аналогичным образом две области ячейки, прилегающие к каждому из острий, и сшивали решения на их границе.

Основные результаты расчетов заключаются в следующем. Хотя при заданной величине напряжения между острием и коллектором положительный и отрицательный токи могут сильно различаться, в геометрии с двумя остриями происходит автоматическая балансировка токов, обеспечивающая практически полную рекомбинацию ионов. Тем самым, полная скорость рождения молекул в ячейке равна Р — J В/<•■, где I — полный ток. Основная часть наших экспериментов выполнена при условиях, когда подвижности положитель-

ных и отрицательных ионов можно считать одинаковыми с требуемой нам точностью. В этом случает скорость образования молекул в единице объема постоянна по всему объему, занятому током, и составляет

3 IB

где D — расстояние между остриями.

Во втором параграфе выполнен расчет вольт-амперных характеристик ячейки и проведено их сравнение с экспериментом. В случае равных подвиж-ностей ВАХ должна иметь вид

Г/= const 4-2.224/—/. (4)

у TZ'

Значение const в этом выражении определяется условиями вблизи острий.' ВЛХ, измеренные при различных давлениях и температурах (то есть разных подвижностях ц) и различных расстояниях между остриями D, действительно имеют одинаковый наклон в координатах U от \jDIjß. По этим характеристикам определено значение параметра 7 = 0.20 ± 0.05.

В третьем параграфе рассматривается возможное влияние движения жидкости на распределение молекул по ячейке. Сила, действующая на локализованную в пузырьке молекулу со стороны жидкости такова, что при температурах не слишком низких по сравнению с температурой сверхтекучего перехода молекулы движугся вместе с нормальной компонентой жидкости. Для наших экспериментов движение жидкости является мешающим обстоятельством. Оно может приводить к перераспределению молекул по ячейке и, в худшем случае, к выдуванию молекул из поля зрения к стенкам или из внутреннего объема экспериментальной ячейки, где эти молекулы и распадутся. Основной причиной движения жидкости в наших экспериментах является увлечение нормальной компоненты током за счет рассеяния возбуждений движущимся ионом. В диссертации приведены оценки скорости движения жидкости в наших условиях и максимальной скорости, при которой движение жидкости еще можно не учитывать для вычисления концентрации молекул в области наблюдения. Обе оценки дают значение скорости ~ 30 см/с. Фактически, это означает, что окончательное решение вопроса о влиянии движения жидкости па наши наблюдения следует сделать опираясь на экспериментальные данные.

Мы имеем целый ряд экспериментальных свидетельств в пользу того, что движение жидкости можно не учитывать. Характер зависимости сигнала поглощения от тока и переходные процессы в поглощении указывают на то, что молекулы гибнут в процессе взаимной рекомбинации. Хорошее согласие сечений поглощения света, измеренных методом, нечувствительным к движению

жидкости и распределению молекул по ячейке и методом, чувствительным к таким эффектам, указывает на то, что молекулы распределены по объему, ожидаемому из модели их образования, изложенной в настоящей главе, а не размешаны движением жидкости по всему доступному объему. Это подтверждается и сравнением сигналов поглощения для двух различных конфигураций экспериментальной ячейки, в которых внутренний объем отличался в 6 раз.

Пятая глава посвящена изучению переходных процессов в поглощении при включении и выключении источника молекул.

В первом параграфе описаны экспериментальные данные. Измерения переходных характеристик поглощения в максимуме 'перехода (0 — 0) а с выполнены при периодической модуляции тока прямоугольными импульсами с частотой 5 Гц и скважностью 1 в диапазоне давлений 1—28 бар и. температур 1.53—2.05 К. Регистрировались отклонение поглощения от среднего за период значения A(t) — А (предварительный усилитель фототока не пропускал постоятгую составляющую) и зависимость тока от времени I(t'). Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что сигнал поглощения при заданной геометрии определяется только полным током через ячейку и коэффициентом рекомбинации молекул, в согласии с моделью, развитой в предыдущей главе. Данные также демонстрируют ускорение переходных процессов при понижении температуры при заданном давлении, что является отражением ускорения рекомбинации молекул. Наконец, зависимость поглощения от времени после выключения тока следует закону 1/t, что соответствует распаду молекул, за счет взаимной рекомбинации.

Во втором параграфе проводится анализ данных о переходных процессах с целью извлечь ряд характеристик молекул. Определение коэффициента рекомбинации молекул по скорости их распада после выключения источника молекул было проведено в [2|. Однако, в то время как относительные значения коэффициента рекомбинации при различных условиях были, по-видимому, определены правильно, абсолютное значение было вычислено на основе довольно произвольной оценки концентрации молекул с точностью по порядку величины. По результатам наших измерений переходных процёссов в известной геометрии коэффициент рекомбинации молекул и сечение поглощения ими света могут быть определены независимо на основе модели, описанной в главе 4. Поглощение A(t) связано с током I(t) через уравнения

А = а\п, dn/dt = a^I - n2, п(Т) = n(0), (5)

содержащие всего два параметра сц и а2 \n(t) — вспомогательная функция). Эти параметры могут быть определены путем подгонки экспериментальных данных, при этом неизвестное значение À служит третьим подгоночным па-

Рис. 4: Результат подгонки временных характеристик, снятых при давлении 1,0 бар и температуре 2.05 К (а) и 1.53К (б): О — экспериментальные точки, к которым добавлено найденное в процессе подгонки значение А, сплошная липкя — решение уравнения (5) с найденными параметрами ах и аг, штриховая линия — ток через

ячейку.

раметром (рис. -1). По известным а 1 и ог может быть вычислена зависимость поглощения от тока в стационарном режиме А(1) = аг^/в? ■ л/1. Вычисленные таким образом токовые характеристики находятся в хорошем согласии с экпе-риментально 'измеренными. Значения коэффициента рекомбинации молекул а и сечения поглощения света <т находятся по формулам

а = 7ге7£>3а2/(3/?1), а = аха/а, (6).

Наибольшая неопределенность среди величин, входящих в правые части выражений (6), у вероятности образования триплетпой молекулы при рекомбинации ионов (мы наблюдаем только триплетные молекулы). Мы полагаем, ■что вероятность образования сшгглетной молекулы в три раза меньше, чем триплетной, в соответствии с отношением статистических весов, а полная вероятность /3 = 1, тогда 01 — 3/4.

Найденный таким образом коэффициент рекомбинации молекул остается приблизительно постоянным вдоль А-линии гелия и растет с понижением температуры. Зависимости а от температуры и давления совпадают с данными работы [2). При этом абсолютные значения коэффициента рекомбинации оказались завышены в [2] приблизительно в полтора раза.

Значения сечения поглощения (среднее значение при 1 бар составляет 4.8- Ю-16 см2) находятся в хорошем согласии с (1). При увеличении давления а имеет тенденцию к уменьшению, что можно связать с увеличением ширины

линии данного перехода. Если различие между сечением поглощения, измеренным данным методом, и значением (1) целиком отнести за счет отличия ¡3 от единицы, то можно получить нижнюю границу для вероятности образования молекулы в акте рекомбинации ионов в сверхтекучем гелии: ¡3 > 0.8.

Шестая глава посвящена исследованию процессов релаксации в молекулах 4Нс2 а3£+ в сверхтекучем гелии.

В первом параграфе приводятся данные о скорости колебательной и вращательной релаксации при давлении насыщенных паров. Рабочий диапазон токов через ячейку при давлении насыщенных паров (где он был самый широкий) составлял приблизительно 200 — 500нА, При таком изменении тока концентрация молекул и, следовательно, их время жизни изменяются всего в 1.5 раза. В пределах точности наших измерений мы не видели отличия в заполнении возбужденных состояний в этом диапазоне времен жизни. Для того, чтобы существенно снизить скорость рождения молекул в области наблюдения, мы установили между остриями две медные диафрагмы, которые отводили часть тока с острий. Время жизни молекул считалось обратно пропорциональным их концентрации, которая определялась по величине поглощения. Таким образом были выполнены измерения при временах жизни около 11 и 20 мс в дополнение к измерению при 3.5 мс, выполненному в геометрии без диафрагм. Полученный результат для доли молекул на уровне V — 1 (с учетом всех ,7) и для доли молекул в возбужденных вращательных состояниях на уровне ь — 0 как функция времени жизни представлен на рис. 5а. Доля вращательно возбужденных молекул быстро падает в данном диапазоне времен жизни и мы можем «ценить время вращательной релаксации как тг « 15 ± 5мс. При возрастании времени жизни наблюдается также некоторое уменьшение доли молекул на уровне V = 1. С учетом одновременного протекания процессов релаксации и рекомбинации, отношение числа молекул на уровнях « = 0и« = 1в стационарном состоянии зависит от времени жизни г линейно

"о I- )• ! . ' ,,,

— =-т + к, . (7)

«I т..

где т„ — время колебательной релаксации. Из экспериментальных данных (рис. 56) находим г„ .0.3 ± 0.2 с.

Колебательная и вращательная релаксация в молекулах гелия до сих нор экспериментально изучалась только в газах [9], а теоретические исследования этого вопроса отсутствуют. Из сравнения наших данных с данными [9] следует, что качественно процессы релаксации триплетных молекул в газе и в жидкости при низком давлеции похожи, что само по себе удивительно. Во-первых, как и в газе, в жидкости при малых временах жизни имеются два максимума в заполнении молекулами вращательных состояний на уровне V = 0: один в области малых ,/ ~ 1, другой в области 3 ~ 10; во-вторых,

"ex/" tot По/ni

Рис. 5: а) Доля молекул, находящихся в возбужденных состояниях, в- зависимости от времени жизни: □ — колебательные состояния,- • — вращательные состояния на уровне V — 0; б) отношение числа молекул на колебательных уровнях к = 0и1>=,1 как функция времени жизни, прямая соответствует подгонке по формуле (7). Измерения выполнены при температуре 2.12 К и давлении насыщенных паров. Сплошные значки — наши данные, пустые значки — дашше [2].

в жидкости, так и в газе скорость вращательной релаксации превышает скорость колебательной релаксации; наконец, в жидкости и в газе скорости колебательной и вращательной релаксации в молекулах гелия являются аномально малыми по сравнению с другими молекулами. Прямое сравнение величин скоростей релаксации между нашими данным и данными [9] сделать затруднительно, поскольку измерения в жидкости и в газе выполнены при различных температурах, а скорость релаксации может зависеть от температуры. Отметим, однако, что скорость вращательной релаксации п жидкости при температуре 2.1 К и давлении насыщенных паров, рассчитанная как обратное время релаксации, деленное на плотность гелия, Я ~ 3 - 1СГ21 см3/с, почти на пять порядков меньше соответствующей величины в газе при температуре 7? К Я = 1.6(±0.6) ■ 10~16 см3/с (в газе Я не зависит от давления),

Во втором параграфе изучается поведение колебательной и вращательной релаксации при повышенных давлениях. Измерения были выполнены при постоянном времени жизни молекул, равном бмс. В жидком гелии можно было ожидать ускорения релаксации при увеличении давления за счет усиления взаимодействия молекулы с окружением при уменьшении радиуса пузырька. Как следует из полученных данных, увеличение давления не приводит к существенному изменению доли молекул в возбужденных состояниях, в отличие от газообразной фазы. По-видимому, время колебательной релаксации значительно превышает время жизни молекул вплоть до давлений, близких к давле-

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

6.2 бар 2.06 К

л_

13 17

28.1 бар 1.75 К

13 17 J

Рис. 6: Относительные числа заполнения возбужденных вращательных состояний на уровне V = 0 с учетом статистического веса: (2Л-1)п^/(Зп1) при различных давлениях.

ншо затвердевания гелия. В то же время, распределение молекул по состояниям с различными ./ на уровне и = 0 качественно меняется при повышении давления (рис. 6). Максимум, наблюдаемый вблизи 315 при низком давлении, постепенно исчезает, а заполнение уровней с малыми 3 увеличивается. Поскольку общее количество молекул в возбужденных вращательных состояниях меняется незначительно, то можно предположить, что условия образования молекул слабо зависят от давления, а времена релаксации из состояний с большими и малыми 3 существенно отличаются: переходы из состояний с большими .7 происходят значительно быстрее при высоких давлениях.

В третьем параграфе описываются эксперименты в магнитном ноле и обсуждается проблема релаксации магнитного момента в триплетных молекулах. В случае," когда скорость рождения молекул р постоянна во времени, а время жизни молекул ограничено процессом их взаимной рекомбинации, поляризация молекул в магнитном поле и соответствующее замедление их рекомбинации должны приводить к возрастанию стационарной концентрации молекул [3]. В случае, если успевает установиться равновесная поляризация молекул, эффект должен составлять 3.6 раза при температуре 2.1 К и более 8 раз при температуре 1.4 К в доступном нам поле 5.5 Т. Мы провели измерения поглощения в магнитном поле до 5.5 Т при следующих условиях: температура

2.12К, давление равно давлению насыщенных паров и время жизни 4мс; те же давление и температура и время жизни 20 мс; температура 1.76 К, давление 28.1 бар и время жизни 6 мс; температура 1.43 К, давление насыщенных паров и время жизни 1 мс. При всех исследованных условиях эффект от магнитного поля отсутствовал. При максимальном времени жизни изменение поглощения отсутствовало с точностью 10%.

Наиболее естественное объяснение этому результату состоит в том, что время Т\ для молекул превышает время их жизни в наших экспериментах. Времена 7\, значительно превышающие миллисекундный масштаб — довольно обычное явление для различных объектов в жидком гелии. Основанием надеяться на более короткие времена магнитной релаксации служили результаты работы [4] и соображения о возможности "внутренней" релаксации магнитного момента в молекуле за счет взаимодействия спин-ось. Однако, эти. предположения не нашли экспериментального подтверждения. Из отсутствия эффекта с точностью 10% при времени жизни 20 мс можно вывести нижнюю границу на время магнитной релаксации молекул'4Не^ а3Е£ в сверхтекучем гелии: 2\ > 60 мс.

Другим эффектом, существующим в магнитном поле, является эффект Зее-мана. Если бы этот эффект удалось наблюдать, то можно было бы определить, является ли на самом деле отсутствие возрастания концентрации в магнитном иоле следствием медленной магнитной релаксации молекул или же молекулы на самом деле поляризованы, а представления о влиянии магнитного поля на их рекомбинацию неправильны. В диссертации показано, что, к сожалению, большая ширина линий поглощения препятствует обнаружению эффекта Зее-мана в пределах нашей чувствительности.

В заключении диссертации изложены основные результаты работы и выражены благодарности автора.

Основные результаты диссертации

1. Создана установка, позволяющая проводить высокочувствительные исследования спектров поглощения ближнего инфракрасного диапазона в жидком гелии в широком диапазоне давлений вплоть до давления затвердевания. Реализованная оптическая схема обеспечивает чувствительность к поглощению на уровне 4 • Ю-6.

2. Предложен и реализован способ получения триплетных эксимерных молекул 4Не2 в жидком гелии с использованием холодной эмиссии зарядов с двух металлических острий, между которыми приложено высокое напряжение. Данный способ, впервые в экспериментах в жидком гелии, обеспечивает получение эксимерных молекул в концентрации, достаточной для измерения

их спектров поглощения, вне областей возбуждения гелия. Это обеспечивает благоприятные условия для изучения триплетных молекул, так как их концентрация в области наблюдения многократно превышает концентрации любых других электронных возбужденных состояний гелия.

3. Измерены спектры поглощения переходов с3£+ и а3£+ ¿>3П9 триплетных молекул 4НК в сверхтекучем гелии в диапазоне давлений от давления насыщенных паров до давления затвердевания гелия и в диапазоне температур 1.45 —2.12 К. Времена жизни молекул превышали более чем на порядок достигнутые в ранних исследованиях и определялись процессом взаимной рекомбинации.

4. По совокупности измерений спектров а —> 6 и а —> с переходов определено отношение сил осцилляторов для этих переходов /ас//аь = 0.59±0.П и найдены приближенные значения сечений поглощения.

5. Уточнена зависимость положе11ия линии поглощения (0 — 0) а -> с от плотности гелия.

6. Обнаружено аномальное поведение ширины линии перехода (0—0) а —> с от давления с максимумом при давлении около 24 бар. Это явление может означать структурную перестройку молекулярного комплекса при данном давлении.

7. Измерены спектры поглощения перехода а -> с в нормальном гелии при давлении 14.4 бар. Обнаружено резкое увеличение доли молекул в возбужденных состояниях по сравнению со сверхтекучим гелием, несмотря на некоторое увеличение времени жизни.

8. Построена модель, описывающая рекомбинацию зарядов и образование молекул в нашей ячейке. Модель дает правильное описание вольт-амперных характеристик, зависимости поглощения от тока через ячейку и переходных процессов в поглощении.

9. Исследованы переходные процессы в поглощении при включении и выключении источника молекул. На основе разработанной модели рекомбинации зарядов по переходным характеристикам независимо" определены коэффициент рекомбинации молекул гелия и сечение поглощения ими света в максимуме перехода (0 — 0) а —> с. Найдены значительные поправки к принятым ранее значениям.

10. Экспериментально установлено, что вероятность образования эксимер-ной молекулы в акте рекомбинации ионов в сверхтекучем гелии близка к 1.

11. Проведены исследования колебательной и вращательной релаксации в триплетных молекулах в сверхтекучем гелии. Измерено время колебательной и вращательной релаксации при низких давлениях: т„ =.0.3 ± 0.2 с и тг = 15±5мс. Обнаружена качественная близость процессов релаксации в жидкости при низком давлении и в холодном газе. Исследована зависимость

релаксации от давления. Существенного ускорения колебательной релаксации при повышении давления не обнаружено. Для вращательной релаксации обнаружено, что поведение времен релаксации из состояний с большими,и малыми J существенно отличается: переходы из состояний с большими J происходят значительно быстрее при высоких давлениях.

12. Установлено, что время магнитной релаксации в триплетных молекулах 4Не2 в состоянии а3£+ при всех исследованных условиях существенно превышает 20 мс.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ельцов В. Б., Паршин А. Я., Тодощенко И,А., Оптические спектры триплетных молекул4Не.j в сверхтекучем гелии в магнитном поле. — ЖЭТФ, 1995, том 108, вып. 5(11), стр. 1657-1667.

2. Eltsov V. В., Parshin Л. Ya., Todoshchenko I. Dzhosyuk S. N„ Optical spectra of the triplet molecules 4He2 in superfluid helium in a magnetic field. — Czech. J. of Phys., 1996, vol. 46, N SI, pp. 361-362.

Цитируемая литература

[1] Surko С. M, Reif F„ Phys. Rev. 175, 229 (1968).

[2] Keto J. W., Soley F. J., Stockton M., Fitzsimmons W. A., Phys. Rev. A 10, 872 (1974). -

[3] Коновалов А. В., Шляпников Г. В., ЖЭТФ 100, 521 (1991).

[4] Zimmerman P. Н., Reichert J. F„ Dahm A. J., Phys. Rev. В 15, 2630 (1977).

[5] Kinoshita Т., Fukuda K., Matsuura Т., Yabuzaki Т., Phys. Rev. A 53, 4054 (1996).

[6] Копелиович Д. Б., Паршин А. Я., Переверзев С. В., ЖЭТФ 96, 1122 (1989).

[7] Soley F. J., Fitzsimmons W. A., Phys. Rev. Lett. 32, 988 (1974).

[8] Halpern В., Gomer R., J. С hem. Phys. 51, 1031 (1969).

[9] Callear А. В., Hedges R. E. M„ Trans. Paraday Soc. 06, 2921 (1970).