WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 9 02 Процессы спинового обмена и хемоионизации при столкновении поляризованных метастабильных атомов гелия с атомами цезия в основном состоянии © С.П. Дмитриев, Н.А. Доватор, В.А. Картошкин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поcтупило в Редакцию 14 января 1999 г.) Рассмотрена кинетика оптической ориентации атомов в гелий-цезий газоразрядной плазме и получены кинетические уравнения, описывающие оптическую ориентацию атомов в случае двух одновременно протекающих процессов: упругого (спиновой обмен) и неупругого (хемоионизация). Экспериментально определены константы скорости этих процессов, которые оказались равны: Cse =(2.8 ± 0.8) · 10-9 cm3 · s-1, Cci =(1.0 ± 0.3) · 10-9 cm3 · s-1.

Введение В настоящей работе предпринята успешная попытка решения этой проблемы и измерено сечение спинового Исследования взаимодействия возбужденных поляри- обмена при столкновении возбужденных метастабильзованных атомов инертных газов с атомами щелочных ных атомов гелия с атомами цезия в основном состоянии.

металлов в основном состоянии проводятся достаточно Это оказалось возможным сделать в рамках эксперимендавно. Основной интерес к этой проблеме обусловлен тов по оптической ориентации и магнитному резонансу возможностью непрямой поляризации одного из участ- метастабильных атомов гелия.

ников столкновения за счет другого, если последний был предварительно оптически ориентирован резонансным Уравнения эволюции наблюдаемых оптическим излучением [1–3]. Ориентация партнера столкновения в рассматриваемой ситуации возможна за в системе He(23S1)-Cs(62S1/2) величин счет двух процессов: спинового обмена и хемоионизации.

В [4] было показано, что оба эти процесса оказывают При столкновении возбужденных метастабильных атосущественное влияние друг на друга. Это необходимо мов гелия в 23S1-состоянии с атомами цезия в основном учитывать как при проведении расчетов, так и при 62S1/2-состоянии происходит процесс ионизации атомов постановке соответствующих экспериментов.

цезия за счет большой внутренней энергии возбуждения Возврат интереса к системам с участием щелочных метастабильных атомов гелия (E = 19.82 eV). При этом, атомов в последнее время обусловлен целым рядом если один из партнеров столкновения предварительно причин как чисто научного, так и прикладного характера. был поляризован тем или иным образом, эта поляризаК последним, в частности, можно отнести использова- ция может быть передана другому партнеру столкновение непрямой оптической ориентации в системе атом ния, если в процессе столкновения сохраняется полный щелочного металла–атом инертного газа для получения спин системы, т. е. имеет место следующая картина:

поляризованных атомов ядерных парамагнетиков (в пер3 вую очередь атомов He и Xe) с последующим их He (11S0) +Cs+(21S0) +e-(m3), использованием в медицине, в частности в ядерной томографии [5,6], а также создание и успешное использование He (23S1, m1)+Cs (62S1/2, m2) HeCs+ + e-(m3). (1) щелочно-гелиевых магнитометров с непрямой оптичеi ской ориентацией атомов [3]. Несмотря на интерес к Процесс (1) происходит со скоростью 1/2 = CciNi, подобным системам, такие важные физические данные, где Cci — константа скорости хемоионизации, Ni — как поперечные сечения соответствующих процессов, концентрация метастабильных атомов гелия или атомов изучены крайне слабо. При этом если эксперименталь- цезия в основном состоянии. Реакция (1) разрешена, ные данные по сечениям ионизации еще присутствуют когда полный спин системы на входе реакции m1 + mв литературе (в основном из экспериментов по распа- равен полному спину на выходе реакции — m3 (здесь дающейся плазме), то данные по сечениям спинового mi — проекция электронного спина соответствующей обмена полностью отсутствуют. Это связано с тем, что частицы). Таким образом, если первоначально были пов экспериментах с поляризованными частицами, кото- ляризованы атомы цезия (пусть проекция их спина на рые традиционно применяются для измерения константы выделенное направление была равна m2 = 1/2), то в рескорости спинового обмена [4], трудно разделить два зультате столкновения преимущественная поляризация одновременно протекающих спин-зависимых процесса. атомов гелия будет m1 = 1.

Процессы спинового обмена и хемоионизации при столкновении поляризованных... Вторым процессом, который протекает одновременно поляризационных моментов. В матричном виде система с хемоионизацией, в случае столкновения поляризован- уравнений примет вид ных частиц, является спиновый обмен SHe z SHe z He (23S1, m1) +Cs (62S1/2, m2) He (23S1, m 1) d z SCs =[A] SCs z dt + Cs (62S1/2, m 2), (2) QHe zz QHe zz z zz причем m1+m2 = m 1+m 2 при сохранении полного спина SHe QHe i системы, скорость процесса 1/3 = CseNi, где Cse — z zz +[B] SCs QHe +[p] +[R], (6) константа скорости спинового обмена.

z z В настоящей работе мы будем рассматривать взаи SHe SCs модействие атомов цезия-133 с атомами изотопа гелия He, которые в основном состоянии диамагнитны, а в где матрицы [A], [B], [p] имеют вид метастабильном состоянии обладают электронным пара 1 магнетизмом (спин S1 = 1). У атомов цезия в основном - + 32 состоянии электронный спин S2 = 1/2 и ядерный спин 1 1 4 I = 7/2. - - ; + ;d R 92 Поскольку время столкновения частиц (tcoll 10-12 s) 1 много меньше времени сверхтонкого взаимодействия + ;

62 (для атома Cs sf 10-10 s), то далее мы будем 1 [A]= + полагать, что при столкновении происходит эволюция - 32 электронной ориентации, а изменение ядерной ориента- 1 ;0;

- - d R ции происходит в промежутке времени между столкнове- ниями. Эволюция продольных компонент наблюдаемых 1 - + 32 в эксперименте величин — электронной ориентации 1 метастабильных атомов гелия SHe, электронной ори0; 0; - - d R ентации атомов Cs SCs и электронного выстраивания метастабильных атомов гелия QHe примет слудующий -p1 r1 вид (здесь мы полагаем, что S = Tr(S), а компоненты электронного выстраивания имеют вид QHe = Tr(Q), = r2 -p2 0, (7) где Q = 3/2(SS + SS) - S2 и, = x, y или z, 0 0 -p — матрица плотности):

2 d 1 1 4 z z 92 SHe = - + SHe + + SCs z dt 32 23 92 [B] =, (8) 2 z zz 2 + - SHe QHe, (3) + 92 32 d 1 1 1 z z p SCs = - + SHe + + SCs z dt 32 23 32 p [p] =, (9) z zz p + SCs QHe, (4) а матрица [R] учитывает различные релаксационные d 1 zz процессы. Следует иметь в виду, что в (9) соответ QHe = - + QHe zz dt 32 ствующие элементы матрицы проявляются при определенных условиях накачки. При оптической накачке 2 z z + + SCs SHe. (5) метастабильных атомов гелия линейно поляризованным 32 светом последний создает только выстраивание, а при Далее можно учесть влияние света накачки введением накачке циркулярно поляризованным гелиевым светом соответствующих членов в уравнения (3)–(5): p, p создаются одновременно и ориентация, и выстраивание и p (p = Lp/P, p — время накачки для ориен- в гелии. При оптической накачке атомов цезия в системе тации или выстраивания, LP характеризует используе- зеемановских подуровней атома цезия возникает элекмое излучение). Кроме того, в уравнениях могут быть тронная ориентация. В дальнейшем за счет сверхтонкого учтены вклады от диффузии и прочих релаксационных взаимодействия возникают ориентация и выстраивание в процессов, влияющих на эволюцию соответствующих системе сверхтонких подуровней атома цезия.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 38 С.П. Дмитриев, Н.А. Доватор, В.А. Картошкин p pz Мы будем интересоваться случаем, когда осуществля SHe = 1 - (21)d ется оптическая ориентация метастабильных атомов гелия. В результате столкновений последних с атомами p1p2/d, (13) цезия в основном состоянии ориентация перераспредеp2 +2 +(21)2 p1p2/d ляется между партнерами столкновения. Из (3) и (5) где d = p1p2 - r1r2, = - 20, = - 1/2 · 0.

следует, что ширина линий магнитного резонанса меПри магнитном резонансе на частотах зеемановских тастабильных ориентированных ( for) и выстроенных переходов атомов цезия мы получаем следующие вы( fal) атомов гелия, обусловленные столкновениями с ражения, принимая во внимание, что g-факторы обоих атомами цезия в основном состоянии, имеют вид сверхтонких состояний равны по величине и отличаются for = 1/(23) +1/(32), (10) только знаками (g = ±1/2):

fal = 3/(23) +1/(32). (11) pr2 1 p1p2/d z SCs = 1 - 1, Отсюда нетрудно видеть, что разность ширин линий d 2 p2 +2 + 1 p1p2/d магнитного резонанса ( fal - for) равна скорости спинового обмена атомов гелия и цезия (1/3 = CseNCs).

= - 1/2 · 0, Таким образом, появляется реальная возможность опреp r1rz деления как сечения спинового обмена, так и сечения SHe = 1 + 1 - (21)p1 d хемоионизации из экспериментов по оптической ориентации атомов в смеси He–Cs (имея в виду, что сечение p1p2/d. (14) процесса равно (T ) = C(T )/ v, где v — средняя p2 +1 +(21)2 p1 p2/d относительная скорость столкновения частиц).

При необходимости нетрудно получить аналогичные выражения для случая оптической ориентации атомов Магнитный резонанс в системе цезия резонансным излучением.

оптически ориентированных атомов Используя полученные выше соотношения, можно гелия и цезия написать выражение для сигнала магнитного резонанса атомов Cs, наблюдаемого по изменению поглощения Для учета влияния на систему магнитного резонанса света накачки атомов гелия для света, параллельного в матрицу (6) можно ввести диагональные члены вида:

постоянному магнитному полю, а) для ориентации NHe z zz S = -A0 + A1 SHe + A2 QHe. (15) i · 1/pi NHe F1(i) =, i +2 + 1/pi Здесь коэффициенты A0, A1 и A2 определяются относигде индекс i = 1 для гелия и 2 для цезия; б) для тельными вероятностями переходов между различными выстраивания зеемановскими подуровнями 23S1- и 23P0,1,2-состояний гелия, а также интенсивностями D0-, D1- и D2-линий F2(1) =1 pгелиевой лампы накачки и контуром поглощения ячейки.

Следует заметить, что в выражении (15) преобладают 2 31(1 + 42 + 1/p2) два последних члена, так как изменение заселенности в, (12) 2 (41 + 42 + 1/p2)(1 +2 + 1/p2) момент резонанса, как правило, мало. Кроме того, сле 3 дует учитывать возможное изменение вкладов в сигнал i = iH1 — амплитуда резонансного радиочастотномагнитного резонанса от ориентации и выстраивания, обго магнитного поля, i — гиромагнитное отношение, условленное столкновительными процессами. Результа = - 0 — расстройка частоты, 0 = iH0 — том такого изменения может быть существенное отличие резонансная частота.

формы линии магнитного резонанса от лоренцевой [7,8].

Таким образом, резонанс в системе ориентированных атомов гелия может быть описан введением члена F1(, 1): F2(, 1) — в системе выстроенных атомов Экспериментальное определение гелия и F1(, 3) — в системе ориентированных атомов сечений спинового обмена цезия.

и хемоионизации при взаимодействии При оптической ориентации атомов гелия резонансатомов гелия и натрия ным излучением и возбуждении магнитного резонанса на частоте зеемановских переходов атомов гелия (g-фактор В настоящей работе рассматривается взаимодействие равен 2) в случае слабой накачки имеем следующие атомов Cs с оптически поляризованными атомами результаты:

гелия, находящимися в 23S1-состоянии, и впервые экспеr2 z z SCs = SHe, риментально определена константа скорости спинового pЖурнал технической физики, 1999, том 69, вып. Процессы спинового обмена и хемоионизации при столкновении поляризованных... обмена при столкновении поляризованного метастабильного атома гелия с атомом цезия в основном состоянии.

Как было показано выше, скорости разрушения ориz zz ентации SHe и выстраивания QHe метастабильных атомов гелия зависят от столкновительных процессов типа (1) и (2) в соответствии с (10) и (11). Как видно из (10) и (11), вклады в ширину линии магнитного резонанса для выстроенных и ориентированных атомов гелия должны отличаться друг от друга. Именно такое различие и позволяет определить константы скорости двух одновременно протекающих процессов.

В эксперименте использовалась стандартная установка для исследования оптической ориентации атомов. Оптическая ориентация спиновых моментов метастабильных атомов гелия производилась циркулярнополяризованным,1 а выстраивание — неполяризованным Зависимость ширины линии магнитного резонанса ориентиросветом накачки ( = 1.08 µm), распространявшимся ванных (2) и выстроенных (1) метастабильных атомов гелия вдоль магнитного поля Hz 35 mOe, создаваемого = от концентрации атомов цезия в основном состоянии (NCs):

кольцами Гельмгольца внутри магнитного экрана. В for, al — уширение линии магнитного резонанса, обусловленкачестве источника накачки использовалась гелиевая ное процессами спинового обмена и хемоионизации для орикапиллярная лампа, в которой возбуждался высокочаентированных и выстроенных атомов.

стотный разряд. Заселение метастабильного состояния осуществлялось путем возбуждения ВЧ разряда в объеме камеры поглощения, содержащей газ He (P = 1Torr камеры поглощения for,al = for, al(T ) - for,al(T0), где при T = 300 K) и металлический цезий. Газоразрядная for,al(T0) — ширина линии при T = 300 K ( 2-3 kHz).

камера помещалась в термостат. Рабочая температура Для построения зависимостей for,al от концентрации определялась с помощью терморезистора, наклеенного атомов Cs (NCs) температура пересчитывалась в значена камеру поглощения в наиболее холодной ее части. Изние NCs в соответствии с данными работы [9].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.