В.А. Матвеев , Н.К. Плешанов Петербургский институт ядерной физики, Гатчина

В.А. Матвеев, Н.К. Плешанов Петербургский институт ядерной физики, Гатчина

Поляризация нейтронов 3He поляризаторами

3He

Нейтронные спиновые фильтры на основе 3Не

n n

n

pp

nn

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

)cosh()exp( He00 lPlTn

)tanh( He0lPPn

коэффициенты пропускания и поляризующей эффективности поляризатора

0 = линейный коэффициент поглоще-ния неполяризованного пучка нейтронов;l = длина 3He фильтра;PHe = поляризация 3He.

0 l 0.7282 . p [bar] . l [cm] . [nm]по табличным значениям для плотностей (T = 295K) и амплитуд рассеяния

TT

TTPn2/)( TTTn

Методы поляризации 3Не

Метод поляризации 3Не: ОНОМ (MEOP)

J = L + S

F = J + I (сверхтонкое взаимодействие)

(L-S взаимодействие)

Полный электронный момент атома 3He

Полный момент атома 3He

I = 1/2Спин ядра 3He

[F.D.Colegrove, L.D.Shearer, G.K.Walters, Phys.Rev. 132 (1963) 2561]

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.


В магнитном поле каждый уровень расщепляется на 2F + 1 подуровней.

Магнитное поле● задание оси процесса поляризации,● сохранение поляризации

B


+1/2 -1/2

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


+3/2 +1/2 -1/2 -3/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

В методе ОНОМ сначала поляризуют атомы в метастабильном состоянии (J = S = 1). МС-уровень с учетом сверхтонкого взаимодействия расще-пляется в магнитном поле на поду-ровни: два с I↑↓J , четыре с I↑↑J. Они характеризуются проекциями F на магнитное поле (магнитными кван-товыми числами m = 3/2, 1/2)B

Черные стрелки – полный электронный момент атома J

Красные стрелки – спин ядра I


+3/2 +1/2 -1/2 -3/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2 Если вдоль магнитного поля направить право-поляризованный свет с частотами переходов 23S1 – 23P0, переходы будут происходить только из состояний с m<0.

B

+


+3/2 +1/2 -1/2 -3/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

+1/2 -1/2

Уровень 23P0 с малым вре-менем жизни спонтанно вы-свечивается практически с равной вероятностью на каждый из подуровней МС.

B

(ударное перемешивание)


Газ из атомов гелия-3 в колбе.


Магнитное поле ● задает ось динамической поляризации, ● позволяет сохранить полученную поляризацию

B


● ядра неполяризованы ● подавляющее большинство атомов – в основном состоянии (ОС)● доля атомов в метастабильном состоянии (МС) слишком мала

B


РЧ- катушка

B


Лазер и преобразователь линейно-поляризованного света в циркулярно-поляризованный. Фотоны с правой поляризацией, направленные вдоль стационарного поля, возбуждают только атомы в МС с m < 0

B


B

Обратный излучательный переход происходит, как правило, после ударного перемешивания возбужденных состояний, что влияет на скорость накачки, и в данном случае не принципиально.


B

После излучательных переходов доля атомов в МС с m<0 уменьшается. Эти атомы вновь взаимодействуют с фотонами.


В приближении невзаимодействующих атомов почти все метастабильные атомы бу-дут переведены в состояния 23S1 с m>0 за характерное время p - время накачки МС

B


1. Столкновения атомов при которых атомы 3He обмениваются состояниями «основное»-«метастабильное» (т.н. обмен метастабильности - с ним связано название метода ОНОМ).


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).


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



2) обмен метастабильности с атомами в основном состоянии с ядерными спинами «вниз» увеличивает их поляризацию (долю атомов с ядерными спинами «вверх»)



Поляризованные фотоны вновь перебрасывают состояния с m<0 в состояния с m>0: 23S1 (m<0) 23P0 23S1 (m>0)


3. Обмен поляризации через диполь-дипольное взаимодействие при столкнове-ниях атомов возможен, но соответствующее сечение SF-рассеяния слишком мало.


3. Обмен поляризации через диполь-дипольное взаимодействие при столкнове-ниях атомов возможен, но соответствующее сечение SF-рассеяния слишком мало.


При p=0 (мгновенная накачка) и при условии взаимодействий только между ансамблями атомов в МС и ОС ядра атомов в ОС поляризовались бы за харак-терное время T2

T2

[Phys.Rev. 132 (1963) 2561]


Более реалистичная модель:

Кроме p и T2 ,r и Tr – релаксаци-онные времена пе-рехода к равновес-ному неполяризо-ванному состоя-нию ансамбля атомов, соответст-венно, в МС и ОС при p = и T2=

– равновесный уровень поляризации ядерных спинов

Tp=Tp(p,T2,r,Tr) – «время накачки» (характерное время достижения уровня P0)

T1=T1(T2,r,Tr) – время релаксации ядерных спинов (при p= 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 цирку-лярно-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.


2-уровневая модель оптической накачки Rb 52S1/2

● 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 поляризо-ванными фотонами с одного подуровня, а вниз - благодаря ударному перемешива-нию 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 вызы-

вает 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.

(52P1/2) 27 ns


● 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 валент-ного электрона Rb, который взаимодействует с ядром 3He через электронную оболочку 3He; сечение SE = 1.2*10-24 см2 (ср. ME = 4*10-16 см2). Tp = 2 - 4 суток

B

N 2

3He

Rb

HF spin-exchangecollisions

SE ~1.2x10 -24 cm 2

Стандартный метод ОНСО


● Гибридный метод ОНСО: добавляются пары К, атомы которого быстро поляри-зуются при столкновениях с атомами Rb и на порядок эффективнее конвертируют поляризацию в поляризацию ядер 3He. Tp < 1 суток.

B

N 2

3He

Rb Kspin-exchangecollisions



SE ~1.5x10 -23 cm 2

SE ~1.2x10 -24 cm 2

Гибридный метод ОНСО

ОНСО (SEOP) ОНОМ (MEOP)Однородное магнитное поле ~10-100 Э Однородное магнитное поле ~10-100 Э

Циркулярно поляризованное излучение лазера = 795 нм

Циркулярно поляризованное излучение лазера = 1083 нм

Печка 160-220°С (обдув горячим возду-хом)

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

SE = 1.2*10-24 см2 (Tp до 1-3 суток) ME = 4*10-16 см2 (Tp ~ 1 ч)

Производственная мощность [бар л/день]:~0.3 (Rb); ~ 2 (Rb+K)

Производственная мощность [бар л/день]: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

Методы поляризации 3Не: сравнение

Documents

В.А. Матвеев , Н.К. Плешанов Петербургский институт ядерной физики, Гатчина