Transcript I = 1/2

Поляризация нейтронов 3He
поляризаторами
В.А. Матвеев, Н.К. Плешанов
Петербургский институт ядерной физики, Гатчина
Нейтронные спиновые фильтры на основе 3Не
3He
p
p
n
n
n
n
n
Cпин ядра 3He : 1/2;
Магнитный момент ядра 3He : 0.9 μn
Каналы захвата нейтронов атомами 3He:
•синглетный канал: спин нейтрона антипараллелен спину ядра 3He (↑↓) In = 0
•триплетный канал: спин нейтрона параллелен спину ядра 3He (↑↑) In = 1
σ ↑↓>>σ↑↑
σ↑↑≈ 0
Связь коэффициента пропускания и поляризации
нейтронного пучка с параметрами нейтронного фильтра
Tn  (T  T ) / 2
T  T
Pn 
T  T
коэффициенты пропускания и
поляризующей эффективности
поляризатора

0 = линейный коэффициент поглоще-
Tn  exp(0 l ) cosh(0lPHe )
ния неполяризованного пучка
нейтронов;
l = длина 3He фильтра;
PHe = поляризация 3He.
Pn  tanh(0lPHe )
0 l  0.7282 p [bar] l [cm]
.
.
.l
[nm]
по табличным значениям
для плотностей (T = 295K)
и амплитуд рассеяния
Методы поляризации 3Не
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Полный электронный момент атома 3He
J=L+S
(L-S взаимодействие)
Спин ядра 3He
I = 1/2
Полный момент атома 3He
F=J+I
(сверхтонкое
взаимодействие)
Электронные состояния разбиваются
на синглетные (спины электронов ↑↓) и
триплетные (спины электронов ↑↑).
Оптические переходы между синглетными
и триплетными состояниями запрещены.
Из-за этого состояние 23S1 является
метастабильным. У 3He метастабильный
уровень 23S1, как и прочие уровни с J≠0,
расщеплен сверхтонким взаимодействием.
[F.D.Colegrove, L.D.Shearer, G.K.Walters,
Phys.Rev. 132 (1963) 2561]
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Магнитное поле
● задание оси процесса поляризации,
● сохранение поляризации
B
В магнитном поле каждый уровень
расщепляется на 2F + 1 подуровней.
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Подавляющее большинство атомов 3He
находится
на
основном
уровне.
Ядерные спины именно этих атомов
нужно поляризовать – ориентировать,
скажем, по полю («вверх»).
«Грубая сила» (фактор Больцмана)
даже при сверхнизких температурах
(0.03°K ) и сверхвысоких полях (15T)
дает мизерную поляризацию (0.034%).
B
+1/2
-1/2
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
В методе ОНОМ сначала поляризуют
атомы в метастабильном состоянии
(J = S = 1). МС-уровень с учетом
сверхтонкого взаимодействия расщепляется в магнитном поле на подуровни: два с I↑↓J , четыре с I↑↑J. Они
характеризуются проекциями F на
магнитное поле (магнитными квантовыми числами m = 3/2, 1/2)
B
+1/2
-1/2
+3/2 +1/2
+1/2
-1/2
-1/2
-3/2
Черные стрелки – полный электронный
момент атома J
Красные стрелки – спин ядра I
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Если вдоль магнитного
+1/2
-1/2 поля направить правополяризованный свет с
частотами переходов
23S1 – 23P0, переходы
s+ будут происходить только
из состояний с m<0.
B
+1/2
-1/2
+3/2 +1/2
+1/2
-1/2
-1/2
-3/2
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
(ударное перемешивание)
+1/2
-1/2
Уровень 23P0 с малым временем жизни спонтанно высвечивается практически с
равной вероятностью на
каждый из подуровней МС.
B
+1/2
-1/2
+3/2 +1/2
+1/2
-1/2
-1/2
-3/2
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Газ из атомов гелия-3 в колбе.
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
B
Магнитное поле ● задает ось динамической поляризации,
● позволяет сохранить полученную поляризацию
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
B
● ядра неполяризованы
● подавляющее большинство атомов – в основном состоянии (ОС)
● доля атомов в метастабильном состоянии (МС) слишком мала
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
B
РЧ- катушка
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
B
Лазер и преобразователь линейно-поляризованного света в циркулярнополяризованный. Фотоны с правой поляризацией, направленные вдоль
стационарного поля, возбуждают только атомы в МС с m < 0
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
B
Обратный излучательный переход происходит, как правило, после ударного
перемешивания возбужденных состояний, что влияет на скорость накачки, и в
данном случае не принципиально.
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
B
После излучательных переходов доля атомов в МС с m<0 уменьшается.
Эти атомы вновь взаимодействуют с фотонами.
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
B
В приближении невзаимодействующих атомов почти все метастабильные атомы будут переведены в состояния 23S1 с m>0 за характерное время tp - время накачки МС
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
1. Столкновения атомов при которых атомы 3He обмениваются состояниями
«основное»-«метастабильное» (т.н. обмен метастабильности - с ним связано
название метода ОНОМ).
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Фундаментальную роль для конвертирования поляризации МС в поляризацию
ядер атомов в ОС играет сверхтонкое взаимодействие, которое включает ядерные
спины в игру при обмене метастабильности (ср. оптическая накачка МС).
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
2. Сумма угловых моментов при столкновениях сохраняется  для МС с m>0:
1) обмен метастабильности с атомами в основном состоянии с ядерными
спинами «вверх» не меняет их поляризацию
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
2) обмен метастабильности с атомами в основном состоянии с ядерными
спинами «вниз» увеличивает их поляризацию (долю атомов с ядерными спинами
«вверх»)
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Поляризованные фотоны вновь перебрасывают состояния с m<0
в состояния с m>0: 23S1 (m<0)  23P0 23S1 (m>0)
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
3. Обмен поляризации через диполь-дипольное взаимодействие при столкновениях атомов возможен, но соответствующее сечение SF-рассеяния слишком мало.
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
3. Обмен поляризации через диполь-дипольное взаимодействие при столкновениях атомов возможен, но соответствующее сечение SF-рассеяния слишком мало.
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
T2
При tp=0 (мгновенная накачка) и при условии взаимодействий только между
ансамблями атомов в МС и ОС ядра атомов в ОС поляризовались бы за характерное время T2
Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)
Более реалистичная
модель:
Кроме tp и T2 ,
tr и Tr – релаксационные времена перехода к равновесному неполяризованному состоянию ансамбля
атомов, соответственно, в МС и ОС
при tp =  и T2= 

[Phys.Rev. 132 (1963) 2561]
– равновесный уровень
поляризации ядерных спинов
Tp=Tp(tp,T2,tr,Tr) – «время накачки» (характерное время достижения уровня P0)
T1=T1(T2,tr,Tr)
– время релаксации ядерных спинов (при tp= и T2#  )
►
Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP)
● Давление 3He: 1- 3 атм. и более (в методе ОНОМ: 0.0007- 0.001 атм).
● Добавляются пары Rb + печка 160-220°С для увеличения давление
паров (на несколько порядков).
● Лазер и преобразователь линейно-поляризованного света в циркулярно-поляризованный.
Также как в методе ОНОМ, сверхтонкое взаимодействие в атоме Rb
при оптической накачке не играет принципиальной роли  можно
использовать 2-х уровневую модель оптической накачки.
Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP)
2-уровневая модель оптической накачки Rb 52S1/2
t(52P1/2)  27 ns
● Валентные электроны Rb (щелочной
металл) поляризуются на уровне 52S1/2 :
S-1/2 P1/2 (P1/2↔P-1/2)(S1/2, S-1/2)
(вверх электроны переводятся поляризованными фотонами с одного подуровня, а
вниз - благодаря ударному перемешиванию подуровней (P1/2↔P-1/2) - переходят на
оба подуровня S1/2, S-1/2.
● Необходимо подавить излучательный
переход P1/2  S-1/2 (данный фонон вызывает нежелательный переход S1/2  P-1/2 на
другом атоме Rb).  Для этого добавляют
гасящий газ N2– энергия переводится в его
колебательную и вращательную степени
свободы.
Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP)
N2
Rb
s
HF
B
SE
~1
Стандартный метод
ОНСО
.2 x
1
0 -2 4
sp i
cm 2
n
co l -e x c
lis i h an
on s ge
3
He
● Электронная поляризация Rb передается ядрам 3He во время столкновений со
спиновым обменом (отсюда название метода - ОНСО).
● Также как в методе ОНОМ, для конвертирования электронной поляризации Rb в
поляризацию ядер 3He фундаментальную роль играет сверхтонкое взаимодействие.
Природа сверхтонкого взаимодействия другая: атом 3He проникает в облако валентного электрона Rb, который взаимодействует с ядром 3He через электронную
оболочку 3He; сечение sSE = 1.2*10-24 см2 (ср. sME = 4*10-16 см2).  Tp = 2 - 4 суток
Метод поляризации 3Не: ОНСО (SEOP)
N2
Rb
spin-exchange
collisions
s
HF
B
Гибридный метод
ОНСО
SE
~1
.2 x
1
K
HF spin-exchange
collisions
0 -2 4
sp i
cm 2
n
co l -e xc
lis i h an
on s ge
sSE ~1.5x10 -23 cm2
3
He
● Гибридный метод ОНСО: добавляются пары К, атомы которого быстро поляризуются при столкновениях с атомами Rb и на порядок эффективнее конвертируют
поляризацию в поляризацию ядер 3He.  Tp < 1 суток.
Методы поляризации 3Не: сравнение
ОНСО (SEOP)
ОНОМ (MEOP)
Однородное магнитное поле ~10-100 Э
Однородное магнитное поле ~10-100 Э
Циркулярно поляризованное
излучение лазера l = 795 нм
Циркулярно поляризованное
излучение лазера l = 1083 нм
Печка 160-220°С (обдув горячим воздухом)
РЧ-катушка (внешний электрод для
зажигания плазмы)
Газ: 3He (1- 3 -10 атм), Rb(~100 мг),
{K (~100 мг)}, N2 (0.06-0.13 атм)
Газ: 3He (0.0007- 0.001 атм)
 требуется газовый компрессор
sSE = 1.2*10-24 см2 (Tp до 1-3 суток)
sME = 4*10-16 см2 (Tp ~ 1 ч)
Производственная мощность [бар л/день]:
Производственная мощность [бар л/день]:
~0.3 (Rb); ~ 2 (Rb+K)
15 (TIREX), 10 (FS HMI)
Локальная станция на приборе (in-situ) Заправочная станция
+ транспортировка + хранение
Газовые колбы: напр. кварц GE180
(менее пористый) T1=50-500 ч (*)
Газовые колбы переносные: напр.
кварц Pyrex GE224 +Cs: T1=300-650 ч (*)
постоянная поляризация, 60-75%
релаксация поляризации от P=70-80%, T1
(*)
1/T1 = 1/Tcell+1/Tmagn
1/Tcell = 1/Tdd+ 1/Twall