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( 0 lPHe ) ния неполяризованного пучка нейтронов; l = длина 3He фильтра; PHe = поляризация 3He. Pn tanh( 0 lPHe ) 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 c o l -e x c l i si h a n 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 0 -2 4 sp i cm 2 n c o l -e x c l i si h a n on s ge K HF spin-exchange collisions sSE ~1.5x10 -23 cm 2 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