Содержание к диссертации
Введение
2. Ориентация ядер при оптической накачке в основном атомном состоянии
2.1 Введение 15-18
2.2 Механизм ориентации атомов и ядер щелочных элементов при оптической накачке 18-28
2.3 Ориентация ядер No. при оптической накачке излучением импульсного лазера на красителе . . .28-47
2.4 Ориентация ядер N(X, No. , No. в кювете при оптической накачке импульсным лазером на красителе . . 47 - 74
2.5 Заключение и выводы 74-75
3. Поляризация ядер в атомно состоянии с помощью импульсного лазера на красителе
3.1 Введение 76-82
3.2 Поляризация атома,ядра и электронной оболочки в возбужденном атомном состоянии и угловое распределение и поляризация флюоресценции 82-86
3.3 Схема экспериментальной установки 86-94
3.4 Расчот величин
3.5 Результаты экспериментов и обсуждение 98 - 103
3.6 Заключение ЮЗ
4. Когерентные эффекты в электронной оболочке и ядре при возбуждении атомного перехода когерентным лазерным излучением 104
4.1 Введение .... 104-105
4.2 Поляризационная когерентность в атомной оболочке и интерференционные явления в оптическом излучении 105 - 124
4.3 Измерение констант сверхтонкого взаимодействия и определение квадрупольного момента ядра "
по сигналам пересечения уровней в Рз/2состоянии.І24 -143
4.4 Сравнение величин квадрупольных моментов и па
раметров деформации определенных методами ла
зерной спектроскопии и ядерной физики для
изотопов Л/а, Ne , Мд, из - ібо
4.5 Получение и исследование когерентных ансамблей
атомных ядер с помощью лазерного излучения . . 160 - 170
5. Заключение 171 - 177
6. Приложение 178-184
Литература
- Механизм ориентации атомов и ядер щелочных элементов при оптической накачке
- Ориентация ядер N(X, No. , No. в кювете при оптической накачке импульсным лазером на красителе
- Схема экспериментальной установки
- Измерение констант сверхтонкого взаимодействия и определение квадрупольного момента ядра "
Введение к работе
В последние годы, благодаря существенному прогрессу квантовой электроники и в особенности лазеров с перестраиваемой частотой (лазеров на красителе) ,стало развиваться множество весьма интересных, оригинальных и эффективных методов исследования атомов, молекул и ядер с помощью лазерного излучения. Существенно, что во многих случаях применение лазерного излучения позволяет решить проблему, которую не удавалось решить до этого, или же радикально упростить или улучшить существовавший метод исследования.
Спектр открывшихся новых методов исследования свойств атомов, молекул и ядер, связанный с возможностью плавной перестройки частоты генерируемого излучения, оказался очень широким и продолжает расширяться.
Применение лазеров в ядерной физике основано на том факте, что в тонких деталях строения внешней электронной оболочки атома, то есть оптическом спектре атома, вполне однозначно проявляются многие характеристики ядра число протонов к нейтронов, магнитный и квадрупольный момент ядра и связанные с ним форма и средний зарядовый радиус, а также скорости движения и ориентация спина ядра. Измерение сверхтонкой структуры и изотопического сдвига методами лазерной спектроскопии, по существу, есть прямое измерение формы и размера зарядового распределения в ядре. Эта особенность методов лазерной спектроскопии представляется весьма принципиальной, так как в отличии от существующих в ядерной физике методов исследования, не связана с модельными свойствами ядер и каналами распада радиоактивных изотопов. И наоборот воздействуя лазерным излучением с заданными свойствами на электронное облако окружающее ядро, можно осуществлять определенные операции с ядрами и контролировать это воздействие на ядро через электронную оболочку как по ядерному так и по оптическому излучениям. Высокая чувствительность и разрешающая способность методов лазерной спектроскопии позволяет исследовать характеристики ядер доступных в малых количествах, а возможность плавной перестройки частоты генерируемого излучения открывает широкие возможности для работы с атомами и молекулами, содержащими радиоактивные ядра исследовать свойства этих ядер.
Механизм ориентации атомов и ядер щелочных элементов при оптической накачке
Исследование распада ориентированных ядер позволяет получать разнообразную информацию как о характеристиках ядерных состояний, так и о свойствах фундаментальных ядерных взаимодействий /I/.Однако широкое применение таких методов наталкивается на существенные трудности и ограничения развитых в настоящее время способов ориентации ядер.Значительное расширение арсенала ядерно-физических исследований может быть достигнуто при разработке надежных оптических методов ориентации ядер. Возможность ориентации ядер с помощью оптической накачки атомов циркулярно поляризованным светом отмечалась ещё Кастлером /2/,однако первые попытки использовать этот метод в ядерной физике относятся к середине 70 годов.Гораздо более интенсивно проводились исследования ориентации электронной оболочки атомов с помощью циркулярно поляризованного света.Обзор работ, выполнешх с целью изучения оптимальных условий для оптической накачки атомов,времен релаксации и т.д.содержится в /3/. Все эти работы выполнены с ламповыми источниками света.Некоторые особенности оптической накачки атомов с помощью лазерного излучения обсуждаются в /4/.Естественно,что факт ориентации атомов и степень ориентации регистрировались также с помощью оптических методов или по отклонению поляризованных атомных пучков в неоднородных магнитных полях. В ядерной физике можно использовать то обстоятельство,что вследствие существования сверхтонкого взаимодействия между ядром и электронной оболочкой при ориентации атомов возникает и ориентация атомных ядер.Динамическая ориентация ядра происходит в процессе,где преимущественно заселяется один из магнитных подуровней атома.
Первые работы по оптической ориентации радиоактивных ядер выполнены группой Оттена /5/.Принципиальной особенностью этих работ явилась регистрация факта ориентации ядер по анизотропии ядерного J2) или Y -излучения ((Ъ- $ - RADOP ). Эти работы можно разделить на две группы.Первая группа работ /б/ выполнена на изотопах ртути.Оптическая накачка проводилась с помощью ртутной лампы,сканирование длины волны света проводилось магнитным полем,пары ртути создавались при нагреве коллектора ,на который высаживался пучок ионов после изотопного сепаратора.Применение подобной схемы для исследования других элементов встречается с существенными трудностями из-за различий релаксационных эффектов и химической активности. Вторая группа работ /7,8/ относится к ориентации короткоживу-щих изотопов /Va И К,которые образуются непосредственно в реакции с протонами или дейтонами на газовых гдашенях А/е и At . В этом частном случае удается избежать основной методической трудности для работ с радиоактивными изотопами:приготовления образца в кювете в нужном химическом состоянии с минимальным содержанием на стенках кюветы,однако,практически невозможна работа с долгоживущими изотопами из-за малого выхода их в реакции. Ориентация корткоживущих изотопов /Va и К осуществлялась за счет спин-обменных столкновений с оптически ориентированными с помощью специальных ламп параш Ru .С точки зрения проведения ядерно-физического эксперимента работы /5-7/ имеют ряд недостатков.
.Асимметрия ядерного излучения измерялась при сравнении отсчетов только при двух углах,поскольку использовались детекторы с большими телесными углами.Однако часто требуется иметь такую методику,которая позволяла бы осуществлять детальное измерение углового распределения ядерного излучения. 2.Работа с оптически ориентированными образцами продемонстрирована только в некоторых специальных случаях. Основная трудность заключается в том,что ещё при приготовлении образца значительная часть используемого вещества садится на стенки кюветы,создавая фон,не позволяющий проводить измерения асимметрии ядерного излучения.Поэтому необходимо было разработать достаточно универсальную методику позволяющую избежать эту трудность.
Оптическая накачка проводилась с помощью ламповых источников света,что существенно ограничивает возможности экспериментов. Использование современных лазеров на красителе с перестраиваемой частотой,в том числе и в импульсном режиме,существенно расширяет диапазон возможных применений. Б настоящем разделе описывается достаточно универсальная установка и метод мориентации как стабильных ядер .так и радиоактивных долгоживущих ядер N а и /Уа.Давно известные трудности приготовления образцов преодолены с помощью импульсного лазерного испарения вещества.Накачка осуществлялась импульсным лазером на красителе с перестраиваемой частотой.
Ориентация ядер N(X, No. , No. в кювете при оптической накачке импульсным лазером на красителе
Основная методическая трудность при ориентации спинов ядер долгоживущих изотопов с помощью лазерного излучения заключается в приготовлении исследуемого образца в нужном химическом соединении минимальным содержанием на стенках кюветы. В традиционных /19/ способах приготовления паров долгоживущих изотопов /Va и получения нейтральных атомов /Va из его солей требуется сильный нагрев ( до 600 С) и применение ряда химических веществ,которые увеличивают скорости процессов релаксации ориентации и обладают большой летучестью.Все эти факторы приводят к значительному увеличению процессов релаксации и увеличивают химическую активность на стенках кюветы,что приводит к скоплению радиоактивных ядер па. на стенках кюветы и увеличению фона при измерении углового распределения ядерного излучения.
Поэтому задача сводилась к следующему.
1.Получить пары нейтральных атомов /Va при незначительной примеси изотопов натрия в виде различных химических соединений,поскольку последние не участвуют в процессе оптической накачки и дают изотропное угловое распределение.
2.Кювета не должна нагреваться выше 250 С,так как в этом случае,как будет показано в дальнейшем,минимальны эффекты дезориентации на стенках.
3.Использовать материалы,обладающие низким сечением дезориентации, прозрачные для оптического излучения и обеспечивающие достаточно высокий вакуум в кювете ( 10 мм.рт.ст.). 4.В экспериментальной установке должны быть созданы условия, приводящие к минимальному вкладу эффектов деполяризации.Кроме того,количество атомов,используемых для ориентации,не должно превышать величины (Dp #"V »где Ор -равновесная плотность атомов при заданной температуре стенок кюветы,а V -объем кюветы. В противном случае значительная часть атомов будет находиться на стенках и давать фон.Неудачные попытки получать ориентированные ядра долгоживущих изотопов в ряде работ /20/ связаны,по нашему мнению, с тем,что авторы этих работ пытались ориентировать слишком большое число атомов. При температуре стенок кюветы U = 200 С и объеме V= I см число атомов должно быть ограничено ( в случае /уа) /V- 10 ,что соответствует активности около 5 мкКюри для /га В наших экспериментах трудности приготовления образцов исследуемых веществ были преодолены с помощью импульсного лазерного испарения и разложения в вакууме различных химических соединений. Остановимся несколько подробнее на этом вопросе. В настоящее время, с помощью лазерного излучения исследуются радиоактивные ядра,входящие в состав нейтральных атомов или ионов /21/.В большинстве случаев для экспериментов требуются нейтральные атомы.Эксперименты проводятся либо с парами веществ в кюветах,либо с атомными пучками.Обычно ионы исследуемых веществ,полученных в результате ядерных реакций и сепарации, транспортируются в зону взаимодействия с лазерным излучением,перед которой они тормозятся в различного рода фольгах и затем,при нагреве последней,происходит испарение исследуемых веществ в виде нейтральных атомов /22/.При работе с элементами, обладающими малым потенциалом ионизации,поверхность фольги необходимо покрывать материалом с низкой работой выхода ( например,иттрием).Рассмотрим типичную схему получения нейтральных атомов после маес-сепарации продуктов ядерных реакций,использованную в работе /23/ для исследования коротко-живущих изотопов N а.Ионы п а,ускоренные до энергии около 60 кэВ ,термализовались на танталовой фольге с иттриевым покрытием, нагретой до температуры 1200 С,нейтрализовались и поступали в зону взаимодействия с лазерным излучением.Происходила нейтрализация 80 % ионов за время около 150 мс.Основным недостатком такой системы при получении ориентированных ядер до-лгоживущих изотопов да является необходимость нагрева фольги до высоких температур и использование материалов с высоким сечением дезориентации,что предполагает работу только с атомными пучками.
В то же время известно,что при облучении исследуемого образца излучением первой гармоники ( А = Ю60 нм) АИГ: пи лазера работающего в режиме модулированной добротности,происходит процесс испарения вещества в виде нейтральных атомов и ионов /24/.В работе /25/ отмечается,что при подобном разложении солей с помощью иішульсного лазерного излучения большой мощности до 70 % испарившегося вещества может находиться в виде нейтральных атомов, а оставшиеся 30 % в виде ионов,причем процесс испарения длится несколько сотен наносекунд.
Схема экспериментальной установки
Из экспериментальных данных о степени поляризации и угловом распределении флюоресценции можно определить величины [TL0(F) и Tl (D) .Данные величины, ее ли известна схема оптических переходов- легко связать с соответствующими значениями ИЧ I feo \і-уХДл5г этого нужно использовать хорошо известное соотношение /53/:
Двойные скобки в ( 33 ) означают приведенный матричный элемент соответствующего оператора.
В заданной выше геометрии эксперимента интенсивность флюоресценции выражается через параметры ориентации и выстраива - 86 ния следующим образом ( см.Приложение): где У - угол между направлением наблюдения флюоресценции и направлением лазерного луча, при наблюдении в линейно поляризованном свете, Jb = /4 - для циркулярно поляризованного света, ф" = 0 или 90 в зависимости от схемы эксперимента. Величины (О и О связаны с угловыми моментами возбуждаемых уровней следующим образом:
Рассматривался переход г - г . Проводя усреднение по компонентам сверхтонкой структуры,полу-чим у = I и Р =1.
Таким образом ,из выражения (34) видно,что измеряя угловое распределение и поляризацию тлюоресценции,можно определить параметры ориентации и выстраивания для атома,а по известной схеме атомных уровней,используя соотношение ( 34»53 ), оценивать соответствующие параметры для ядра.
Схема экспериментальной установки
Рассмотрим и проанализируем несколько схем эксперимента, использованных нами для определения параметров ориентации и выстраивания спинов атома и ядра в возбужденном атомном состо - 87 Рисунок 16.Схема эксперимента по определению параметров выстраивания атома и ядра при облучении линейно поляризованным светом,I - луч лазера, Р4 и ( - поляризаторы, 3 - ФЭУ,4 - амплитудный анализатор АИ-4096,Н - магнитное поле. янии и обсудим ряд технических деталей.
Пусть облучение ведется линейно поляризованным светом,тогда возможны три метода измерения величины Ag .Обсудим каждый из них.
I.Схема эксперимента изображена на рисунке 16.Облучение ведется светом одной из поляризаций ( Хц или Xl ).Измеряется степень линейной полярзаци флюоресценции под различными уг Лаш: о (п\- Ій(Є)-Іі(Є) Ъ 1„(0)+ЫО)
К недостаткам данной схемы относится то,что для измерения степени поляризации флюоресценции необходимо вращать поляроид,установленный перед ФЭУ,из-за этого возможно изменение чувствительности в канале регистрации,что приведет к ошибкам в определении Гц (О J ,а,значит,и ошибкам при определении параметра выстраивания.
Во втором варианте схемы эксперимента,облучение ведется светом с различной поляризацией ( X и и X 1 ),измеряется угловое распределение света с определенной поляризацией ( 1 и или Ix ,рисунок 46 ).В этом случае мощность лазерного излучения поддерживалась постоянной с помощью фотодиода,что позволяет компенсировать изменения мощности в излучении,которое попадает в зону взаимодействия с атомами.Эти изменения мощности возникают из-за поворота поляроида,установленного в канале облучения. Однак о, в этом случае для исключения когерентных эффектов и сохранения диагональности матрицы плотности требуется, вместе с изменением направления поляризации лазерного излучения ,менять и направление внешнего магнитного поля,что оказывает соответствующее влияние на ФЭУ.Поэтому приходится доста - 89 точно далеко выносить ФЭУ от зоны взаимодействия лазерного излучения с атомами ЛІО. и использовать различного рода экраны.
З.В третьей схеме эксперимента измеряется только угловое распределение флюоресценции при определенной поляризации облучающего света.К недостаткам этого метода относится то,что изменения параметра А а более слабо сказываются на угловой зависимости сигнала,чем в случаях I и 2.То есть техническая простота метода компенсируется меньшей чувствительностью в определении параметров выстраивания.
Рассмотрим теперь случай,когда облучение ведется циркулярно поляризованным лазерным излучением.В этом случае в системе возникает и ориентация,и выстраивание.
Параметр выстраивания Ag наиболее удобно измерять в геометрии,где ориентация не проявляется.Схема такого эксперимента приведена на рисунке М- .В этом случае измеряется степень линейной поляризации флюоресценции под углом У =90 Интенсивность каждой из компонент выражается через параметр выстраивания следующим образом:
Измерение констант сверхтонкого взаимодействия и определение квадрупольного момента ядра "
Кювета с парами исследуемого вещества нагревается до температуры, когда давление паров достигает такой величины,что поглощается примерно(К) - Ь0)% падающего излучения.Мощность лазерного излучения должна быть гораздо меньшей,чем на границе насыщения атомного перехода.При малых давлениях паров сигнал свободен от искажений,но мал по величине,и начинают сказываться шумы аппаратуры.При увеличении давления рост сигналов пересечений отстает от роста интенсивности флюоресценции из-за деполяризации при перепоглощении фотонов ( пленение излучения ),а при высокой упругости паров начинает падать по абсолютной величине из-за атомных столкновений.Из-за этих эффектов искажается обычная связь между формой сигнала и атомными константами А и В .В связи с этим решение о плотности паров всегда компромисное,и в каждом конкретном случае - свое. Кювета имеет размеры порядка 0.5-1 см и помещается в магнитное поле.Если пересечения уровней происходят в полях,меньше сотни эрстед,то для создания магнитного поля применяются катушки Гельмгольца /62/.Связь между током в катушках и величиной внешнего магнитного поля хорошо известна: где Н - в эрстедах, X " в амперах, П - число витков в одной катушке, R - радиус катушки в сантиметрах.Как правило в экспериментах вычисления дублируются непосредственным измерением магнитного поля.Для измерения величины магнитного поля можно использовать элементы с известными сигналами пересечений.Пары в кювете облучаются лазерным излучением,настроенным на соответствующий переход в атоме.Возбуждение атомного перехода ведется светом линейной или круговой поляризации,для чего используются поляризующие устройства.Наиболее выгодным направлением облучения и наблюдения являются направления вдоль магнитного поля или перпендикулярно ему.При наблюдении перпендикулярно полю ( вдоль вектора поляризации облучающего света или перпендикулярно ему ) регистрируется интенсивность света флюоресценции через поляризатор,либо без него.При наблюдении вдоль направления поля применение поляризующих устройств обязательно, так как в обычном сигнале флюоресценции пересечения не проявляются.В этом случае измеряется либо степень поляризации, в зависимости от величины магнитного поля,либо интенсивность в поляризованном свете.
До настоящего времени мы говорили о сигнале пересечения, который должен наблюдаться в идеальных условиях эксперимента: атомы не взаимодействуют друг с другом,магнитное поле однородно, возбуждающий свет имеет определенную поляризацию,отсутствует перепоглощение фотонов,наблюдается свет строго определенной поляризации и в определенном направлении.В реальном эксперименте все эти условия выполняются лишь приблизительно.Все отличия от идеальных условий эксперимента влияют на форму сигнала и усложняют связь между параметрами сигнала и атомными константами. Рас смотрим влияние ряда факторов на форму сигнала.
Проанализируем вид сигнала,считая,что интенсивность как наблюдаемого,так и облучающего света имеет распределение по телесному углу,которое связано: несовершенством поляризатора,то есть существует отклонение оси поляризатора в каждой точке сечения от среднего направления, для поляроидов среднего качества этот разброс составляет около 0.02 радиан.
С отклонением оси поляризатора от заданного направления к магнитному полю,эта ошибка складывается из ошибки определения направления оптической оси поляроида и установки поляроида в схеме.На практике довольно нетрудно получить точность в несколько градусов ( I - 2 ).
С разбросом направлений вектора поляризации наблюдаемого света после прохождения поляризатора.Последний образуется,если поляризатор стоит в непараллельном пучке,или,еели параллельный пучок,прошедший поляризатор,собирается в фокусе линзы.В эксперименте типичное значение составляет АС/ 0.1 радиана.
