RU2094775C1 - Способ измерения свойств парамагнитных газов - Google Patents
Способ измерения свойств парамагнитных газов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2094775C1 RU2094775C1 RU93050149A RU93050149A RU2094775C1 RU 2094775 C1 RU2094775 C1 RU 2094775C1 RU 93050149 A RU93050149 A RU 93050149A RU 93050149 A RU93050149 A RU 93050149A RU 2094775 C1 RU2094775 C1 RU 2094775C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- paramagnetic
- biharmonic
- laser
- properties
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Использование: изобретение относится в нелинейной оптике, а именно к средствам управления светом параметрами элементарных частиц и может быть использовано для изменения свойств парамагнитных веществ на основе макроскопических квантовых эффектов. Сущность изобретения: способ изменения свойств парамагнитных газов включает формирование импульса бигармонического лазерного излучения, воздействие на парамагнитный газ бигармоническим лазерным излучением и спинполяризацию парамагнитного газа бигармоническим лазерным излучением. 3 ил.
Description
Изобретение относится к нелинейной оптике, а именно к средствам управления светом параметрами элементарных частиц и может быть использовано для изменения свойств парамагнитных веществ на основе макроскопических квантовых эффектов.
Известен способ изменения свойств парамагнитного газа в сжиженном состоянии [1] который заключается в получении парамагнитного газа (гелий - 3), охлаждением его до температуры близкой к абсолютному нулю, одновременно формируется мощное магнитное поле, с помощью которого осуществляется воздействие на сжиженный газ. При этом спины атомов гелия 3 ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля, т.е. происходит спинполяризация газа. При этом изменяются макроскопические свойства квантового газа, в частности теплопроводность, вязкость и др. и эти изменения могут быть весьма значительны (в несколько раз и даже порядков).
Однако у этого способа есть два крупных недостатка, которые ограничивают область его практического использования решением исследовательских задач. Недостатки заключаются в необходимости охлаждения газа до криогенных температур и использовании мощных магнитных полей. Это в свою очередь настолько усложняет и удорожает установку, реализующую описанный способ, что фактически исключает возможность его практического использования.
Известен способ изменения электрофизических свойств газа [2] прототип, заключающийся в формировании импульса лазерного излучения, формировании пучка лазерного излучения, воздействии на газ лазерным излучением, поглощении квантов электромагнитного излучения атомами газа, отрыв возбужденных электронов от отдельных оболочек атомов и образование носителей зарядов в виде свободных электронов и ионов. Следствием этого является изменение электрофизических свойств газового канала (проводимость, коэффициентов отражения, поглощения, пропускания радиоволн и др.).
На фиг. 1 представлен описанный способ, где операции, входящие в его состав, обозначены следующим образом:
1 формирование импульса лазерного излучения;
2 формирование пучка лазерного излучения;
3 воздействие на газ лазерного излучения;
4 поглощение квантов электромагнитного излучения атомами газа;
5 отрыв возбужденных электронов от электронных оболочек атомов и образование носителей зарядов в виде свободных электронов и ионов.
1 формирование импульса лазерного излучения;
2 формирование пучка лазерного излучения;
3 воздействие на газ лазерного излучения;
4 поглощение квантов электромагнитного излучения атомами газа;
5 отрыв возбужденных электронов от электронных оболочек атомов и образование носителей зарядов в виде свободных электронов и ионов.
Недостатками описанного способа являются большие энергозатраты на изменение электрофизических свойств газа, и кроме того, изменяются лишь электрофизические свойства и то на непродолжительное время (единицы микросекунд), что ограничивает возможность его практического использования.
Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно уменьшение энергозатрат на изменения свойств парамагнитного газа и расширение числа изменяемых свойств.
Для достижения этой цели в известный способ, заключающийся в формировании импульса лазерного излучения, формировании пучка лазерного излучения, воздействии на газ лазерного излучения введена операция спинполяризации парамагнитного газа, при этом импульс лазерного излучения формируется бигармоническим, а на парамагнитный газ воздействует бигармоническое лазерное излучение.
Изложенный способ поясняется на фиг. 2, где приведена последовательность операций, выполнение которых позволяет достигнуть поставленной цели. На фиг. 2 обозначено:
1 формирование импульса бигармонического лазерного излучения;
2 формирование пучка бигармонического лазерного излучения;
3 воздействие на газ бигармонического лазерного излучения;
4 спинполяризация парамагнитного газа;
известные операции;
операции, отличающиеся от прототипа режимом их проведения;
новые по сравнению с прототипом операции.
1 формирование импульса бигармонического лазерного излучения;
2 формирование пучка бигармонического лазерного излучения;
3 воздействие на газ бигармонического лазерного излучения;
4 спинполяризация парамагнитного газа;
известные операции;
операции, отличающиеся от прототипа режимом их проведения;
новые по сравнению с прототипом операции.
Принципиальным моментом в предлагаемом способе является формирование бигармонического (двухчастотного) лазерного излучения. Разностная частота бигармоники близка к типичным частотам элементарных возбуждений в парамагнитном газе, обусловленных движением ядер и электронов. Численно разность длин волн двух гармоник не превышает долей ангстрема. Причем в предлагаемом способе важна лишь разность длин волн двух гармоник, а значение несущей длины волны существенного значения не имеет.
Операция формирования пучка лазерного излучения требуемой расходимости и диаметра принципиальных отличий от прототипа и других аналогичных технических решений не имеет и поэтому не требует подробного рассмотрения.
Ключевым моментом в предложенном способе является воздействие бигармонического излучения на парамагнитный газ. В отличии от прототипа, где фактически происходит (в зависимости от длины волны лазерного излучения) одно и многофотонная ионизация газа, т.е. молекулы газа в возбужденном состоянии за счет поглощения фотонов теряют электроны, в предлагаемом способе взаимодействие молекул парамагнитного газа происходит одновременно с двумя квантами лазерного излучения, имеющими различные частоты. При этом спины электронов и/или ядер атомов, попадающих в магнитное поле разностной электромагнитной волны ориентируются вдоль силовых линий ее магнитного поля. Сечение взаимодействия бигармонического лазерного излучения с парамагнитным газом оказывается на 5 6 порядков превышает сечение взаимодействия релеевского рассеяния при ионизации газа.
Таким образом, при воздействии на парамагнитный газ бигармонического лазерного излучения с определенной разностью частот происходит его спинполяризация и газ переходит в спинполяризованное состояние. При этом между отдельными молекулами газа начинают происходить дальнодействующие обменные взаимодействия, называемые спиновыми волнами и макроскопические свойства газа резко изменяются. В частности, изменяются вязкость и теплопроводность, магнитная проницаемость, коэффициенты поглощения и отражения электромагнитного (в том числе оптического) излучения. В результате спинполяризации газа в нем также происходит образование магнитных диполей, эквивалентных по своим свойствам электрическим диполям или свободным зарядам, появляющимся в частности при их взаимодействии с радиоволнами. Степень спинполяризации и, следовательно величина (диапазон) изменения его свойств зависит от мощности бигармонического лазерного излучения, с увеличением которой усиливается спинполяризация газа. Поляризуемость парамагнитного газа также зависит от его давления и увеличивается пропорционально его росту. Важной особенностью спинполяризованного состояния парамагнитного газа, влияющей на возможность практического использования предлагаемого способа является то, что обменные взаимодействия между молекулами газа в виде спиновых волн приводят к возникновению самоподдерживающегося механизма, препятствующего разрушению квазикристаллической структуры, образовавшейся в парамагнитном газе при прохождении бигармонического лазерного излучения. В результате спинполяризованный газ сохраняет свою структуру десятки-сотни миллисекунд.
На фиг. 3 приведена блок-схема варианта установки, реализующей предлагаемый способ, которая содержит: лазер 1, формирующую оптику 2 и парамагнитный газ 3. В свою очередь, лазер 1 содержит активный элемент 1.1, глухое 1.2 и полупрозрачное 1.3 зеркала, лампу накачки 1.4, затвор 1.5 и диспергирующий элемент 1.6, в качестве которого может быть использован интерферометр Фабри-Перо.
Диспергирующий элемент 1.6 обеспечивает выделение двух продольных мод с необходимой разностью частот. Другие элементы лазера не описываются ввиду их очевидного назначения и широко известного применения.
Лазер 1 предназначен для формирования импульсов бигармонического (двухчастотного) лазерного излучения. Формирующая оптика представляет из себя известную коллимирующую оптическую систему, с помощью которой обеспечиваются расходимость и диаметр пучка лазерного излучения. Он может быть сфокусированным в объем 3 парамагнитного газа либо быть близким к параллельному.
В качестве парамагнитного газа может быть выбран любой газ, имеющий нескомпенсированные спины электронных оболочек или ядер в молекулах газа. В частности в качестве квантового газа могут быть использованы парамагнитные компоненты воздуха: молекулы азота, ядерный спин которых равен двум, и соответствующее число спиновых состояний пяти (+2; +1; 0) и молекулы кислорода, электронный спин которых равен 1, а число спиновых состояний трем (+1; 0). При использовании парамагнитного газа (и любых веществ с парамагнитными свойствами в газообразном состоянии), не входящих в состав атмосферы, этот газ должен быть заключен в герметичный сосуд с прозрачным окном для прохождения лазерного излучения либо инжектироваться в атмосферу с интенсивностью, обеспечивающей поддержание требуемой его концентрации.
Работает установка (фиг. 3) следующим образом.
Импульс запуска подается на лазер, по которому срабатывает лампа вспышка 1.4, а затем затвор 1.5. При открытии затвора между зеркалами 1.2 и 1.3, установленных на определенном расстоянии, с помощью диспергирующего элемента 1.6 создаются условия для усиления только двух продольных мод.
Двухчастотное лазерное излучение поступает с полупрозрачного зеркала 1.2 на вход формирующей оптики 2. В этой оптической системе в зависимости от направления применения способа происходит преобразование диаметра и расходимости пучка бигармонического лазерного излучения до требуемых значений. Эти параметры могут или уменьшаться для повышения плотности мощности, или увеличиваться для повышения облучаемого газа и т.д. С выхода формирующей оптики 2 бигармоническое лазерное излучение направляется на парамагнитный газ 3, где при взаимодействии бигармонического лазерного излучения происходит спинполяризация газа и изменяются его свойства. В зависимости от назначения технологического процесса, в котором используется предлагаемый способ, лазерные импульсы с необходимой скважностью могут повторятся для поддержания парамагнитного газа в спинполяризованном состоянии либо периодически переводить газ в это состояние.
Оценка технико-экономической эффективности предлагаемого способа по сравнению с прототипом и другими техническими решениями проводилась теоретически и экспериментально.
Экспериментальные исследования предлагаемого способа проводились более 10 лет и показали его высокую эффективность и принципиальную новизну по сравнению с прототипом и другими техническими решениями. Как уже отмечалось, обнаружено, что сечение взаимодействия бигармонического лазерного излучения с парамагнитным газом на 5 6 порядков выше, чем рассеяние с наибольшим сечением. Это позволяло наблюдать эффект спинполяризации при помощи лазера сотни ватт (режим свободной генерации) на длине волн 0,53 мкм. и десятки милливатт на длине волны 0,63 мкм (непрерывный режим гелий неонового лазера). Оценки показывают, что примерно в то же пропорции удается снизить энергозатраты на изменение электрофизических свойств газа. Кроме того, предложенный способ может быть использован для существенного изменения оптических свойств парамагнитных газов (и в частности коэффициента прозрачности воздуха) их кинематических, магнитных и других свойств, что открывает перспективы его широкого применения в различных технологических процессах.
Claims (1)
- Способ изменения свойств парамагнитных газов, заключающийся в том, что формируют импульс лазерного излучения и воздействуют на газ лазерным излучением, отличающийся тем, что импульс лазерного излучения формируют бигармоническим, воздействие на газ осуществляют бигармоническим лазерным излучением и под действием этого излучения производят спинполяризацию парамагнитного газа, при этом разность частот бигармоники в зависимости от вещества выбирают равной типичной частоте элементарных возбуждений в парамагнитном газе.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93050149A RU2094775C1 (ru) | 1993-11-03 | 1993-11-03 | Способ измерения свойств парамагнитных газов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93050149A RU2094775C1 (ru) | 1993-11-03 | 1993-11-03 | Способ измерения свойств парамагнитных газов |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93050149A RU93050149A (ru) | 1996-07-10 |
RU2094775C1 true RU2094775C1 (ru) | 1997-10-27 |
Family
ID=20148803
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93050149A RU2094775C1 (ru) | 1993-11-03 | 1993-11-03 | Способ измерения свойств парамагнитных газов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2094775C1 (ru) |
-
1993
- 1993-11-03 RU RU93050149A patent/RU2094775C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Башкин Е. П. Спиновые волны и квантовые коллективные явления в больцмановских газах. - УФН, 1986, т.148, вып.3, с.433. Тугов И.И. Нелинейные фотопроцессы в двухатомных молекулах. Известия АН СССР, серия физическая. - 1986, т.50, N 6, с.1148 - 1154. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Siegman | Lasers | |
Ikezi et al. | Formation and interaction of ion-acoustic solitions | |
Hepburn | Coherent vacuum ultraviolet in chemical physics | |
RU2094775C1 (ru) | Способ измерения свойств парамагнитных газов | |
Phillips et al. | Laser manipulation and cooling of (anti) hydrogen | |
Lam | Doppler-free laser spectroscopy via degenerate four-wave mixing | |
Kuznetsova et al. | Generation of coherent terahertz pulses in ruby at room temperature | |
Elias et al. | Scientific research with the UCSB free electron laser | |
Elesin et al. | Theory of the natural width of a semiconductor laser emission line | |
Baklanov et al. | Transit width of a nonlinear power resonance in low-pressure gases | |
GUPTA et al. | Stimulated Raman Scattering: A Review. | |
Takada et al. | Second harmonic emission from a picosecond laser‐produced plasma | |
Aghili et al. | Generation of High Order Harmonics from H2+ Molecule Ion by Using Homogenous and Inhomogeneous Laser Fields | |
Vikharev | Pulsed discharges produced by strong microwaves | |
DeMaria et al. | Ultrafast laser pulses | |
Corcoran et al. | ss PREss• McLEAN, vA• 1999 | |
Furuse et al. | Midinfrared optical absorption in germanium measured with a free-electron laser at room temperature | |
REF | co IONIZATION RATES RELEVANT TO LASER COOLING OF HYDROGEN | |
Kocharovskaya et al. | Explosive Amplification in the Laser without Inversion | |
Corney et al. | Coherent anti-Stokes Raman scattering in caesium vapour | |
Zharov et al. | Compression of terahertz radiation in resonant systems with a quantum superlattice | |
Kim et al. | Cold atomic beam from an axicon trap | |
Thompson | A note on the theory of Brillouin scattering in molecular crystals | |
Flusberg et al. | Cooperative Effects in Atomic Metal Vapors | |
Kosachiov et al. | Velocity selection of double Λ-atoms |