SU1728753A1 - Способ измерени времени электронной спиц-решеточной релаксации - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к радиоспектроскопии и предназначено дл  измерени  времен электронной спин-решёточной релаксации в оптически прозрачных кристаллических парамагнетиках при температурах, не превышающих температуру жидкого гели .

Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона измерений в сторону меньших значений концентраций парамагнитных центров .

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Изобретение основано на тепловом методе возбуждени  спиновой системы.(СС) в парамагнетиках. Тепловой импульс нагревает кристаллическую решетку парамагнетика до максимальной температуры Тт,

превышающей как рабочую температуру образца , так и температуру жидкого гели  Т . равную 2,14 К..

В результате разности температур через границу кристалл - гелий протекает тепловой поток с поверхностной плотностью q, за счет энергии которого в приповерхностном слое жидкости образуетс  парожидко- стна  фаза, при этом создаетс , так называемый режим пленочного кипени  гели . Ввиду малой по сравнению с гелием теплопроводности указанна  парова  пленка эффективно теплоизолирует нагретый кристалл от жидкостного термостата, причем положительна  зависимость ее толщины от величины q стабилизирует тепловой поток на сравнительно низком, практически посто нном уровне: q. - 101 Вт/см2.

VI

ю

00

VI ел

GJ

Благодар  этим свойствам пленочного режима нагретое состо ние решетки парамагнетика сохран етс  в течение длительного промежутка времени At, пр мо пропорционального поступившей в него от нагревател  энергии Q и многократно превышающего длительность т возбуждающего теплового импульса, С ростом температуры решетки Тр парамагнетика динамическа  св зь (тепловой контакт) СС с колебани ми решетки усиливаетс . Указанные факторы создают реальную возможность повышени  спиновой температуры Ts исследуемого перехода за врем  О.1 At до температуры решетки ТрЈ Тт. Использу  закон Деба  дл  теплоемкости кристаллов , можно показать, что после окончани  возбуждающего импульса {в момент t1 t+ A t 0 и достижени  температуры Тт) функци  остывани  решетки приближенно описываетс  выражением

Tp(t1)4S-o-qit1)1/;

учить Tm/То Ј 10, что видно из следующего оценочного расчета. Посто нна  .а в выражении (1) определ етс  формулами

К4

h3V3

+ v3 v2

v3

(2)

1 -$r1

где а - посто нна  пропорциональности закона Деба  (Тр аТ3);

V, S - объем и площадь поверхности кристалла.

Функци  Тр убывает слабо в области значений 0 git-Ј0,6 и более резко - в области 0,6 qit1 1. В соответствии с этим тепловой контакт между СС и решеткой во второй области разрываетс  при выполнении услови 

4-ldT/dtl гГ1 (Тр), р

где ri - врем  электронной спин-решеточной релаксации,

и дальнейшее остывание указанных подсистем парамагнетика происходит взаимно независимо, причем в решетке этот процесс протекает гораздо быстрее и завершаетс  в момент времени (t 0).

Разность температур (Тр - Т0) и с ней тепловой поток через поверхность раздела двух сред станов тс  равными нулю, режим пленочного кипени  прекращаетс , релаксаци  СС с этого момента протекает.при равновесной температуре решетки Тр Т0 и подлежит регистрации.

Из совместного рассмотрени  формулы (1) и услови  потери теплового контакта между СС и решеткой нетрудно видеть, что значение Ts, а следовательно, параметр возбуждени  m в начальный момент регистрации t 0 будет тем больше, чем выше отношение Тт/Т0. Практически легко полгде h и К - посто нные Планка и Больцма10 на;

V2 и VT - средние скорости продольных и поперечных упругих волн в кристалле.

В большинстве кристаллических веществ VT (2,5 - 4). 10 см/с, что согласно

15 (2), приводит к расчетным значени м аг(1- -5) 10 Дж/см К . Дл  измерительных целей вполне достаточны образцы объемом V 0,1 см (которому соответствует площадь поверхности см2). Подставл   при20 веденные значени  параметров а, V, S, a также qsrl Вт/см2 и Q Дж в формулу (1), находим

Тт(20-30). Даже при максимальной рабочей темпе- . 25 ратуре Т0 2К это дает Тт/Т0 10 - 15. 0)Получение тепловых импульсов с энергией

Дж и передача этой энергии в исследуемый кристалл без существенных потерь не представл ет технических трудностей.

30 Способ может быть реализован при использовании устройства. Исследуемый кристаллический образец 1, изготовленный в форме пр моугольного параллелепипеда, .поджат с усилием, обеспечивающим надеж35 ный тепловой контакт, к плоскому малоинерционному электрическому нагревателю 2, выполненному, например, из нихромовой фольги, который закреплен на диэлектрическом основании 3, выполненном из материа40 лэ с низкой теплопроводностью в области рабочих температур (например, из стеклотекстолита). Образец с нагревателем расположен в оптическом криостате в центре содержащихс  в нем сверхпровод щих

45 катушек Гельмгольца дл  создани  пол  И, причем оптическа  ось /Г образца параллельна горизонтальной геометрической оси этих катушек. Источником зондирующего света служит газовый лазер 4. Объективы 5

50 и 6 формируют световые пучки. Анализатор 7 преобразует угол поворота в в изменение интенсивности света I на входе фотоэлемента 8, электрические сигналы с выхода которого поступают в электронное

55 регистрирующее устройство 9.

Пример. Криостат заливают жидким гелием и понижают его температуру до рабочего значени  . Накладывают на образец измерительное поле Й//1/ пропускают через криостат с образцом пучок лаучить Tm/То Ј 10, что видно из следующего оценочного расчета. Посто нна  .а в выражении (1) определ етс  формулами

К4

h3V3

v3

(2)

зерного света в направлении К//Ни устанавливают анализатор на минимум проход щего света. Подают на нагреватель импульс электрического тока пр моугольной форм ы с параметрами, обеспечивающи- ми образование режима пленочного кипени  (ориентировочно . . Е Дж). наличие которого фиксируют по резкому возрастанию и хаотическому изменению интенсивности света l(t). Затем сразу после окончани  этого режима, определ емого по моменту исчезновени  указанных признаков светорассе ни  в парожидкостной пленке, регистрируют изменени  интенсивности света, по которой определ ют врем  п . При отсутствии режима пленочного кипени  или недостаточной точности измерени  l(t) основные операции способа повтор ют при увеличенной энергии Е возбуждающего импульса.

Дл  практической проверки предлагаемого способа провод т эксперименты на парамагнитных кристаллах La 1-хСехРз с различными концентраци ми примесей при рабочей температуре Т0 1,7 К. В этих кристаллах исследуемые магнитные ионы Се в ориентации имеют только два заселенных магнитных уровн , расщепл емых полем И на величину энергии h v g ft H , где ft - магнетон Бора, g 2,61. На описанной установке измер ют врем  т дл  указанных образцов при различных фиксированных значени х Н. Возбуждение СС ионов Се3 осуществл ют с помощью нихромового нагревател  с сопротивлени- ем R 2 Ом, через который пропускают

пр моугольные импульсы электрического пол  силой I 20А,, п - с. При энерги х Е , и Дж обеспечиваетс  пленочный режим во всех кристаллических образцах , в момент окончани  которого измеренные значени  параметра возбуждени  СС m составл ют от 30 до 90%.

Предлагаемым способом можно измер ть времена релаксации парамагнитных, центров с концентрацией, более чем на два пор дка меньше концентрации ионов Nd3 в кристалле этилсульфата неодима.

Claims (1)

1. Формула изобретени  . Способ измерени  времени электронной спин-решеточной релаксаций, включающий помещение парамагнитного кристалла в статическое магнитное поле, облучение кристалла в направлении магнитного пол  линейно-пол ризованным монохроматическим светом, охлаждение кристалла жидким гелием, импульсное возбуждение спиновой системы кристалла и последующую регистрацию спин-решеточной релаксации по изменению угла, фа рад е- евского вращени  плоскости пол ризации монохроматического света, отличаю- щ и и с   тем, что, с целью расширени  диапазона измерени  в сторону меньших значений концентраций парамагнитных центров, возбуждение спиновой системы осуществл ют тепловым импульсом, нагревающим кристалл до режима пленочного кипени  гели , затем снимают тепловой импульс, а измерени  спин-решеточной релаксации провод т после завершени  режима пленочного кипени  гели .