DE2036002A1

DE2036002A1 - Verfahren zur Polarisation atomarer Strahlenbündel

Info

Publication number: DE2036002A1
Application number: DE19702036002
Authority: DE
Inventors: Manfred Stuzfein Hinsdale 111 Kaminsky (VStA)
Original assignee: United States Atomic Energy Commis sion, Washington
Priority date: 1969-08-01
Filing date: 1970-07-21
Publication date: 1971-02-04
Also published as: FR2056922A1; GB1263413A; CH514218A; FR2056922B1; US3569705A; SE351517B

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D.. 0·, USA

Verfahren zur Polarisation atomarer Strahlenbündel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Polarisation eines atomaren Strahlenbündels.

Polarisierte Atome werden beispielsweise in Teilchenbeschleunigern zum Studium von Kernreaktionen benötigt. Die bisher übliche Herstellung gemäse W. Haeberli , Sources of Polarized Ions, Annual Review of Nuclear Science, Bd. 17, 1967» unter Verwendung von Trennmagneten und HF-Übergängen ist aufwendig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist ein weniger aufwendiges und wirtschaftlicheres Verfahren zur Polarisation atomarer Strahlen.

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Bie Lösung der Erfindung sieht vor, dass ein einkristallines Material magnetisch gesättigt und das Strahlenbündel in einem Teilvakuum parallel zu einem Gitterkaaal durch das Material geleitet wird«,

2hir weiteren Erläuterung der Erfindimg diene die sehematische Darstellung einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Torrichtimg.

Wach dem erfindungsgeaäesea fsrfaJiren wird ©in Strahl von Atomen (positive Ionen., negative Ionen ©d©3? neutrale" Atome) erzeugt und stark kollisi©rt_? so dass es? la Teilvataium auf &i® Oberfläche ©Ines Eaga@tiseli ge©ättigt©a_? ainlsristallinen Materials parallel zn eine®. GitteÄaaal ä@s Materials auf» ' trifft. Beim Durchgaiag d©s at©as2?©a Btesklesibüiidels ©nt= lang einem ©itterkaaal des ©iateistailimga Haterials, es?- wirht er durch eise !»aö.iiagsil'be^tragimgsE'QÄtiom sit d©a Material polarisiert© Fslekteönes raad fisiisst das einkristalline Material daließ als polarisiertes Etrahlsntoündel von. Atomen ο Bieses IStrahleaMniä©! i-jiwä mm. ss@@liliessead durch ein schwacheis Hagaetfeld mit ä,®T gl©i©hem Ätia^iehtiang wie das Magaetiisierfeld €es @inki?is"feallia©ii-Ifs\te?ials geleitet« Dieses seliw&sii© Hagnetf@ld erstreckt sich in fort«·

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Pflanzungsrichtung des Atomstrahlenbündels um eine Strecke, die ausreicht, um eine Durchgangszeit zu ergeben, die läng-er ist, als die Lamor'sche Präzessionszeit des nuklearen magnetischen Moments des Kerns des Atomstrahls, so dass sich eine Kernpolarisation des Strahls durch Hjperfeinstrukturwechselwirkung ergibt. Das schwache Magnetfeld bewirkt also die Kernpolarisation durch Hyperfeinstrukturwechselwirkung zwischen dem magnetischen Moment eines eingefangenen, polarisierten Elektrons und dem magnetischen Moment des entsprechenden Atomkerns.

Der bei Durchführung des Verfahrens in Frage kommende Gitterkanal besteht aus planaren und achsialen Kanälen, z. 6. den achsialen Kanälen /IlOj, Z⁵W* /XW ^r· β-^χί? °^^{βΓ den} planaren Kanälen (110), (100), (111), (112) eines flächenzentrierten, kubischen, einkristallinen Materials· Entsprechende Kanäle bestehen in anderem, einkristalline» Material mit unterschiedlichem, hexagonalem, dicht gepackten * Material, das zur Durchführung des Verfahrens ebenfalls geeignet ist.'

Die Figur der Zeichnung zeigt eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

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Der Strahlengenerator IO erzeugt ein Atomstrahlenbündel (z. B. positive Ionen) 12, das durch ein Paar Vierpolmagneten 14 und 16 geleitet wird, anschliessend durch die immer enger werdenden öffnungen der Kollimatoren 18 fällt und auf eine Oberfläche eines einkriätallinen Materials 20 parallel zu einem seiner Gitterkanäle auftrifft* Das einkristalline Material 20 ist auf einem Goniometer 21 befestigt und kann daher zur Ausrichtung des Gitterkanalverlaufe relativ au dem Atomstrahlenbündel 12 eingestellt werden. Ein Magnet 22 erzeugt ein durch das einkristalline Material senkrecht sram Strahlengang des Atomstrahlenbündels verlaufendes Gleiehstrommagnetfeld, das stark genug ist, um das einkristalline Material zu sättigen«, Hinter das Material ist ein weiterer Magnet 24 geschaltet«, Dieser erzeugt ein schwaches, homogenes magnetisches Zweipolfeld in der gleichen Sichtung wie das durch das einkristalline Material verlaufende Feld.

Durch Unterbringung in einem geeigneten Vakuumgehäuse und Anschluss an eine Vakuumpumpe 26 erfolgt die Erzeugung des Strahlenbündels, seine Fortpflanzung durch den Kollimator und das einkristalline Material sowie das Magnetfeld des Magneten 24 in einen Teilvakuum von z. B* etwa 2 χ 10 Torr·

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Beim Betrieb der Vorrichtung wirken die Vierpolfelder der Magneten 14 und 16 derart auf das vom Generator 10 erzeugte Strahlenbündel ein, dass der Durchmesser des Bündels verkleinert wird. Durch die mit zunehmend engeren öffnungen angeordneten Kollimatoren 18 wird der Strahlengang stark kollimiert, etwa bis auf einen Durchmesser von ca. 1 mm an der Oberfläche des einkristallinen Materials. Wie erwähnt, ist dieses Material so angeordnet, dass das stark kollimierte Strahlenbündel 12 auf die Oberfläche parallel zu einem der Gitterkanäle trifft. Beim Durchgang entlang einem Gitterkanal des magnetisch gesättigten Materials 20 werden im Wege einer Ladungsübertragungsreaktion polarisierte Elektronen eingefangen, so dass der austretende Atomstrahl polarisiert ist. Das in der gleichen Richtung wie das PeId des Magneten 22 schwach polarisierte, homogene, bipolare PeId des Magneten 24 erlaubt eine Kernpolarisation durch Hyperfeinstrukturwechselwirkung zwischen dem magnetischen Moment des eingefangenen polarisierten Elektrons des Materials 20 und dem magnetischen Kernmoment des Atoms " im Strahlenbündel 12, in dem es die Polarisationsachse ungestört erhält· Für diese HTperfeinatrukturwechselwirkung ist die Durchgangszeit des Atomstrahlenbündel» durch das schwache Magnetfeld grosser als die Lamor'sche Träzeaeionszeit des magnetischen Kernmoments der Atomkerne des Strah-

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lenbündels· Am Ausgang dee iron dem Mafpnatien 24 erzeugten achwachen Magnetfelds entsteht- somit ©in Strahlenbündel kernpolarisierter Atome»

Der weiteren Erläuterung ohne Besetaäalniag dien© das folgende AusfühniBgslbeisplele

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de. Die Feldstärke des durch den Magnet 24 erzeugten schwachen Magnetfelds betrug annähernd 10 Gauss. An Stelle von Deuteronen können andere Atome treten, z. B. Atome mit niedriger Atomzahl wie ζ. Β· Protonen» Tritonen, Helium, Lithium, die in entsprechender Veise polarisiert werden können· Ferner können die erzeugten kernpolarisierten Atome positiv, negativ oder neutral sein. Werden z. B. positive Wasserstoff atome erzeugt und auf die Oberfläche mit niedrigem Index des einkristallinen Materials gerichtet, so dass sie auf diese auftreffen, so entstehen am Ausgang des von dem Magneten 24 erzeugten Felds polarisierte, neutrale "Wasserstoff atome. Diese neutralen Wasserstoffatome können dann durch einen Gitterkanal einer einkristallinen Umladungefolie geleitet und dadurch in den positiven oder negativen Zustand überführt werden.

Das Verfahren der Erfindung ist nur mit einkristallinem Material durchführbar] wesentlich ist ferner, dass das Atomstrahlenbündel parallel zu einem Gitterkanal auftrifft· " Brauchbar ist ein beliebiges, ferromagnetische, einkristallines Material. Geeignet ist aber auch ein hochgradig magnetisierbares, paramagnetisches,, einkristallines Material, z. B. mit einem Heisenberg¹ sehen Austauschintegralverhältnis der durchschnittlichen Gitterdistanz zum Gitteratomdurch-

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messer von mehr als 1,5· Hierzu gehören z. B» Gadolinium, Dysprosium, Holmium und Terbium.

Zur Erzielung der maximalen Polarisation nach dem erfindungsgemässen Verfahren muss das Atomstrahlenbündel so kollimiert werden, dass es eine maximale Halbwinkeldivergenz an einer Ebene des Materials mit niedrigem Index von 0,01 besitzt. Bei zunehmender Winkeldivergens sinkt der Leistungsgrad des Verfahrens»

Die Energie des erzeugten und durch das Material gehenden Strahls sowie die Dicke des Materials in Fortpflanzungsriehtung des Atomstrahlenbündels wird so gewählt, dass die erforderliche Ladungsübertragung unter Einfang eines polarisierten Elektrons vom einkristallinen Material durch das Atomstrahlenbündel eintritt« Die oben erwähnten Werte dienen nur als Beispiel ohne Beschränkung.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Polarisation eines atomaren Strahlenbündels, dadurch, gekennzeichnet, dass ein einkristallines Material magnetisch gesättigt und das Strahlenbündel in einem Teilvakuum parallel zu einem Gitterkanal durch das Material geleitet wird.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das atomare Strahlenbündel bis zu einem maximalen Streuungswinkel mit .seiner iOrtpflanzungsach.se an der Oberfläche des einkristallinen Materials von 0,01° kollimiert wird.

3. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline Material ferromagnetisch und im Schnitt in Fortpflanzungsrichtung des atomaren Strahlenbündels von solcher Grosse ist, dass mit diesem eine Ladungsübertragungs reaktion eintritt.

4. Verfahren gemäss Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, dass das einkristallin· Material senkrecht zur Fortpflansungsrichtung des atomaren Strahlenbündels magnetisch gesättigt wird.

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5. Verfahren gemäss Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, dass das atomare Strahlenbündel nach Durchgang durch das einkristalline Material durch ein magnetisches Feld geleitet wird, und zwar für eine einer Itechgangszeit entspre- ■ chende Strecke die länger¹ ist, als die Ssasor"seh® Präzessionszeit des magnetischen Moments der Kerne des atomaren Strahlenbündel a, so dass· ein© Hyperfeinstniktiirwechselwirkung eintritt.

6. Verfahren gemäss Anspruch. 5_S dadmreti gekeimseichnet, dass das magnetische Feld in der - gleic&ea Hicktiang wie die magnetische Sättigung des einkristallinett Hatsrials erzeugt wird.