Введение к работе
1.1 Актуальность темы
Исследование взаимодействия ионизирующего излучения с веществом остается классическим разделом атомной и ядерной физики. Благодаря широкой области применения, до настоящего времени не потерян интерес в углубленном понимании физических процессов, преобладающих при торможении быстрых ионов в веществе.
В частности, исследования по проблеме инерциального термоядерного синтеза на пучках легких и тяжелых ионов [1, 2, 3] показали необходимость проведения экспериментальных работ по торможению заряженных частиц в плазме. В настоящее время разрабатывается два эсновных сценария облучения термоядерной мишени: первый, пряное вложение энергии ионов в оболочку мишени; второй, облучение шнвертора, преобразующем энергию пучка в излучение с температурой 200 4- 300 эВ , с последующим воздействием этого излучения на )болочку мишени. В обоих типах термоядерных мишеней, пучок по-лощается оболочкой, содержащей низкоплотпые слои из материала с газким Z [4], которые полностью ионизуются при облучении, что при-юдит к увеличению тормозной способности оболочки. Следовательно, годелирование торможения ионов в плазме есть ключевой момент в :онструировании мишени для инерциального термоядерного синтеза. Большинство экспериментальных данных, получено относительно 'орможения быстрых ионов в веществе в нормальном состоянии, когда энергетических потерях преобладают взаимодействия со связанными
4 электронами [5]. В тоже самое время, незначительное число данных получено по торможеншо в плазме, где теоретически предсказывается увеличение Кулоновских энергетических потерь в столкновениях ее свободными электронами плазмы.
Это соображение является принципиальным обоснованием, определяющим основную цель данной работы — исследование тормозно! способности плазмы, в частности экспериментальное измерение К у-лоновского логарифма свободных электронов плазмы при взаимодействии с налетающим ионом.
1.2 Научная новизна
Впервые экспериментально измерено отношение Кулоновского ло
гарифма свободных электронов в водородной плазме к логарифм;
связанных электронов молекулярного водорода.
%&- = 3.1 ± 0.6
Впервые получила экспериментальное подтверждение теоретиче
екая формула для величины Кулоновского логарифма свободны
электронов при торможении быстрых точечных зарядов в низ
коплотной плазме.
3KcnLfe = 14.9 ± 2.8, meopLfe = 12.48
1.3 Практическая ценность работы
Разработана водородная плазменная мишени с линейной плотне
стью свободных электронов rifcdx = (7.2±0.2) х 101Тсм~2 и средне
степенью ионизации водорода а — 0.44 ± 0.1.
Разработана оригинальная методика, основанная на использовании двухволнового интерферометра по оптической схеме Маха-Цандера, позволившая измерить среднюю степень ионизации водородной плазмы. Данная методика позволяет проследить эволюцию параметров плазмы во времени.
Разработана методика по диагностике потерь 1-МэВ протонов с экспериментальным разрешением по энергии (5Е/Е и 0.04%) и с временным разрешением (100 не), что позволило, во-первых, измерить потери энергии протонов в диапазоне от 2 до 8 кэВ в водороде, и, во-вторых, проследить эволюцию энергетических потерь во времени при торможении протонов в плазме.
1 Положения выносимые на защиту
L. Разработка водородной плазменной мишени с линейной плотностью свободных электронов rifedx = (7.2±0.2) х 1017см~2 и средней степенью ионизации водорода а = 0.44 ± 0.1.
I. Впервые получены экспериментальные результаты по оригинальной методике измерения средней степени ионизации водородной плазмы, основанной на использовании двухволнового интерферометра по оптической схеме Маха-Цандера.
\. Разработка методики по диагностике потерь 1-МэВ протонов с экспериментальным разрешением по энергии (SE/E « 0.04%) и с временным разрешением (100 не), что позволило, во-первых, измерить потери энергии протонов в диапазоне от 2 до 8 кэВ в водо-
роде, и, во-вторых, проследить эволюцию энергетических потері во времени при торможении протонов в плазме.
4. Впервые экспериментально измерено отношение Кулоновского ло
гарифма свободных электронов в водородной плазме к логарифму
связанных электронов молекулярного водорода.
^ = 3.1± 0.6
5. Впервые получила экспериментальное подтверждение теоретиче
екая формула для величины Кулоновского логарифма свободны:
электронов при торможении быстрых точечных зарядов в низ
кошютной плазме.
3KcnLfe = 14.9 ± 2.8, meopLfe = 12.48
1.5 Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертацию, были апробированы в доклг дах Российских и Международных конференций: "Всероссийская Кої ференция по Физике Плазмы", Звенигород, 1994, 1995; "Physics < High Energy Density in Matter" International Workshop at Hirschegj Klein-Walsertal(Austria), 1995; "Intense ion beams and target physics International Workshop at Les Houches(France), 1995; "1995 Internationi Simposium on Heavy Ion Inertial Fusion" Berkeley, California(USA). C< держатся в отчетах НИР ИТЭФ(Москва) и в сборниках работ Gi Darmstadt(repMaHaa), опубликованы в журналах: Fusion Engineerir and Design 32-33, pp. 557-560, (1996) и Phys. Rev. E 53, 3, pp. 270 2707 (1996).
7 1.6 Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4-ех глав и заключения, а также из списка использованной литературы — всего 46 страниц текста, созданного пакетом программ компьютерной системы типографского набора MgX, включая 12 рисунков и библиографию из 33 наименований.
2 Содержание работы
В первой главе приводятся теоретические предпосылки исследова-аия тормозной способности плазмы, а также дается обзор экспериментальных работ, посвященных данной тематике. В конце главы сформулирована основная цель исследования и обосновывается выбор типа хробного иона.
Принимая во внимание, что пучок ионов достаточно разрежен и >тсутствуют коллективные процессы, такие как пучково-плазменные іеустойчивости, торможение пучка можно свести к торможению одиночной частицы.
В общем случае, Кулоновская тормозная способность ионизованного іещества для налетающего точечного иона, может быть представлена :ак сумма тормозных способностей связанных электронов (be), сво-одных электронов (fe) и ионов плазмы (fi):
dE__(dE\ (dE\ /dE\ их . \dxjfe
> нерелятивистском случае, пренебрегая малым вкладом в тормозную
пособность ионов плазмы в силу их большой массы, тормозные потери
8 для налетающего иона можно записать как:
_ ш = W^Vo 2 . г _ + z,G / м |
их metryit уу L \ие/ J
где No число Авогадро, Zt и At соответственно атомный номер и масса атомов мишепи, р объемная плотность мишени, z* средний уровень ионизации ионов мишени, ие скорость свободных электронов мишени, v и Zeff скорость и эффективный заряд налетающего иона, соответственно.
Функция Чандрасекхара G(v/ve) описывает изменение Кулоновских потерь налетающего иона вследствие усреднения скорости иона по отношению к тепловым скоростям свободных электронов мишени, имеющих распределение Максвелла. Значение функции G приближается к единице для случая v ^> ve — справедливого для данной работы — и стремится к нулю как (v/ve)3 для случая v «С ve.
Кулоновскис логарифмы Ьье и Ь/е для связанных и свободных электронов соответственно, возникают в результате интегрирования Ре-зерфордовского сечения по области изменения прицельного параметре или, что эквивалентно, по области переданного импульса.
Более полный анализ тормозной способности в предельных случаях, полностью нейтрального (z* = 0) газа и полностью ионизованноі (z* = Zt) плазмы, выявили два основных эффекта.
1. В низкоплотной плазме, типичной для разряда в газе, величині плазменной частоты ир много ниже чем атомная частота й, т.е свободные электроды плазмы участвуют во взаимодействии с на летающей частицей при более высоких значениях прицельного па
раметра или, что эквивалентно, при меньших значениях переданного импульса. В результате, как видно из уравнений (2), ионизация газа приводит к увеличению его тормозной способности из-за Lfe > Lbe-
2. Второй эффект не может быть явно получен из уравнения (2). Динамика процессов ионизации и захвата электронов налетающим ионом различна в холодном и в ионизованном веществе, т.к. сечение захвата свободного электрона обычно много ниже, чем сечение захвата связанного электрона. В результате эффективный заряд Zeff налетающего иона в полностью ионизованном газе имеет более высокую величину, что приводит к увеличению энергетических потерь.
Во всех предыдущих экспериментальных работах результаты со-іержали оба механизма увеличения тормозной способности плазмы, эазделение которых происходило на стадии обработки. Таким обра-юм, на настоящий момент, отсутствуют достоверные данные о влия-гаи каждого из них в отдельности.
И в заключение, протоны с энергией 1-МэВ выбраны из утвержде-шя, что их эффективный заряд Zefj = 1 для холодного газа, тем более >авен единице для ионизованного вещества.
Основная цель работы - исследование Кулоновского торможения гонов в плазме при выделении одного из механизмов, влияющих на [его, т.е. прямое измерение Кулоновского логарифма свободных элек-ропов L/e в водородной плазме.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать и создать низкоплотную водородную плазменную мишень, обеспечивающую уровень энергетических потерь < 1% от энергии протонов 1-МэВ.
-
Разработать методики по диагностике линейной плотности свободных электронов плазмы n;edx и средней степени ионизации водорода.
-
Разработать методику по измерению потерь протонов в водороде и в плазме, во-первых, с энергетическим разрешением, которое должно составлять < 10% от уровня потерь протонов в мишени во-вторых, с разверткой во времени, поскольку параметры плазмы, влияющие на торможение протонов, зависят от времени.
Во второй главе дается общее описание эксперимента. Приво дятся оценки по энергии пучка протонов, по энергетическому и вре менному разрешению диагностики энергетических потерь протонов і плазме. Определены основные параметры плазменной мишени (линей ная плотность свободных электронов и средняя степень ионизации) нуждающиеся в экспериментальном измерении с временным разре шением. Также даются теоретические оценки времени достижени; максимальной степени ионизации и времени жизни плазмы. Приведе ны параметры ускорителя протонов, удовлетворяющего требовашш эксперимента. Описана конструкция плазменной мишени и та част: ускорительного ионопровода, куда встраивалась мишепь.
Проанализированы основные условия эксперимента по энергии прогонов (~ 1 МэВ, поскольку необходимо выполнить требования: Zefj = 1 и G(v/vc) = 1) и по стабильности энергии пучка (±200эВ), которые реализуются на ускорителе УКП-2. Проведенная оценка по необходимому энергетическому разрешению диагностики протонов (около 200 эВ), говорит о необходимости разработки диагностики энергетических тотерь с временным разрешением по точности сравнимой с диагно-;тикой энергии протонов, реализуемой в методе по ядерным реакциям [данный метод применим для пучка протонов со стабильным по времени уровнем энергии).
Представленная водородная плазменная мишень обладает улучшен-гыми характеристиками по сравнению с аналогичными конструкциями: скомпенсирован эффект фокусировки ионов магнитным полем тока зазряда; реализует возможность работы в частотном режиме (~ 1Гц), гри этом характеризуется высокой стабильностью по величине разрядного тока; легко встраивается в систему ионопровода ускорителя.
Расчет, проведенный при уровнях вложенной энергии в несколько їжоулей, показал, что максимальная степень ионизации достигается :а время после начала разряда ~2 мке, а время жизни водородной шазмы ~5 мкс.
В третьей главе представлено описание методик по диагности-:е параметров низкоплотной водородной плазмы и по измерению тор-юзных потерь протонов с энергией ~ 1 МэВ при взаимодействии с іишенью, параметры которой меняются со временем.
Описанная методика по измерению параметров плазмы, основанная
на двухволновой интерферометрии, позволяет проследить эволюцию линейной плотности свободных электронов и средней степени ионизации водорода во времени.
Методика по измерению энергетических потерь реализует высокое разрешение по энергии (6Е/Е и 0.02%) и приближается по точности к методу измерения энергии протонов по ядерным реакциям. Данный вывод подтверждается калибровочными измерениями зависимости энергетических потерь протонов dE от напряжения U на дефлекторе. В тоже самое время, позволяет проследить зависимость энергетических потерь от времени с разрешением 100 не. Основной недостаток данной методики по сравнению с методом по ядерным реакциям-это, наличие в дисперсии измеряемого энергетического распределения вклада от эмитанса протонного пучка.
В четвертой главе приводятся результаты по торможению протонов в плазме и по измерению основных параметров мишени, что в совокупности позволили экспериментально определить величину Ку-лоновского логарифма свободных электронов при торможении протонов в плазме.
Проведены измерения энергетических потерь 1-МэВ протонов в газообразной водородной мишени в двух различных состояниях: в состоянии холодного нейтрального газа и в частично-ионизованном состоянии плазмы. При оценке параметров плазмы, таких как линейная плотность свободных и связанных электронов вдоль области взаимодействия пучка протонов с плазмой, и при оценке энергетических потерь протонов, была достигнута ~ 10% точность. Общая линейная
плотность мишени незначительна, такая что 1-МэВ протоны теряют їє более чем 0.4% своей начальной энергии, и взаимодействие пучка с вишенью можно рассматривать в монохроматическом приближении.
При сравнении энергетических потерь в холодном и ионизованном -.остоякии мишени и учитывая, что Кулоновский логарифм Lje для :вязанных электронов хорошо известен (как теоретически, так и экс-1ериментально),была определена величина Кулоновского логарифма іля свободных электронов плазмы Lfe = 14.9 ± 2.8. Существенно, для іанной работы, отсутствие влияния на тормозную способность плаз-ш эффективного заряда Zejf налетающего иона: с высокой степенью іероятности, Zeff для 1-МэВ протонов равен 1 и не зависит от состоим мишени. Основной источник ошибки в величине Lfe находится в ізмерении средней степени ионизации плазмы в мишени.
Экспериментальный результат находится в согласии с теоретиче-кими выводами Ларкина [б]:
, 2тУ ,„„ , [7 Е.\(1^суС*\Ф\ лпло
L/<=b-rS—= 12.13 + In —— =12.48
1 hwp U МэВ/ \ nfe J
Іаметим, что теоретическая величина известна с точностью лучше .5%, потому что 10% - ная ошибка в величине nfe (типичной в данной аботе) дает в результате 0.4% ошибку в теоретической величине L/e. 'аким образом, в пределах экспериментальной ошибки, не найдено ротиворечия между теорией и экспериментом в торможении быстрых очечных зарядов в низкоплотной плазме.
14 3 Основные результаты работы
-
Разработана водородная плазменная мишень с линейной плотно стью свободных электронов rifedx = (7.2±0.2) х 1017см-2 и средне степенью ионизации водорода а — 0.44 ± 0.1.
-
Получены экспериментальные результаты по оригинальной мете дике измерения средней степени ионизации водородной плазмь основанной на использовании двухволнового интерферометра п оптической схеме Маха-Цандера.
-
Разработана методика по диагностике потерь 1-МэВ протонов экспериментальным разрешением по энергии (8Е/Е ~ 0.04%) и временным разрешением (100 не), что позволило, во-первых, и: мерить потери энергии протонов в диапазоне от 2 до 8 кэВ в вод< роде, и, во-вторых, проследить эволюцию энергетических потер во времени при торможении протонов в плазме.
-
Экспериментально измерено отношение Кулоновского логарифм свободных электронов в водородной плазме к логарифму связал ных электронов молекулярного водорода.
^ = 3.1 ±0.6
5. Получила экспериментальное подтверждение теоретическая фо]
мула для величины Кулоновского логарифма свободных электр<
нов при торможении быстрых точечных зарядов в низкоплотне
плазме.
3KCnLfe = 14.9 ± 2.8, m"TLit = 12.48
15 Основные научные результаты диссертации полностью опубликованы в работах:
1. G.Belyaev, M.Basko, A.Cherkasov, A.Golubev, A.Fertman, I.
Roudskoy, S.Savin, B.Sharkov, V.Turtikov, A.Arzumanov, A.
Borisenko, I.Gorlachev, S.Lysukhin, D.H.H.Hoffmaim, A.Tauschwitz
"Measurement of the Coulomb energy loss by fast protons in a plasma
target."
Annual Report 1994 GSI-95-06,pp. 9,(1995)
2. G.Belyaev, M.Basko, A.Cherkasov, A.Golubev, A.Fertman, I.
Roudskoy, S.Savin, B.Sharkov, V.Turtikov, D.H.H.Hoffmann,
A.Tauschwitz
"Time resolved diagnostics of plasma target in beam-plasma
interaction experiments."
Annual Report 1994 GSI-95-06,pp. 10,(1995)
3. A.Golubev,G.Belyaev, M.Basko, A.Cherkasov, A.Fertman, B.Sharkov
"Diagnostics of plasma target for ion beam-target interaction
experiments."
Fusion Engineering and Design 32-33, pp. 557-560, (1996)
4. G.Belyaev, M.Basko, A.Cherkasov, A.Golubev, A.Fertman, I.
Roudskoy, S.Savin, B.Sharkov, V.Turtikov, A.Arzumanov, A.
Borisenko, I.Gorlachev, S.Lysukhin, D.H.H.Hoffmann, A.Tauschwitz
"Measurement of the Coulomb energy loss by fast protons in a plasma
target."
Phys. Rev. E 53, 3, pp. 2701-2707 (1996).
Литература
[1] Т.Р. Godlove, in Proceedings of the Symposium on Accelerate Aspects of Heavy Ion Fusion, Darmstadt, GSI-82-8, March 29-Apr 2, (1982).
[2] П.Р. Зенкевич и др., Препринт ИТЭФ, 64, (1981).
[3] Studies on the Feasibility of Heavy Ion Beams for Inertial Confinemei Fusion, Annual Report 1981, GSI-82-6, (1982).
[4] D.D.-M. Ho, J.D. Lindl, and M. Tabak, Nucl. Fusion 34,1081 (1994
[5] S.P. Ahlen, Rev. Mod. Phys. 52, 121 (1980).
[6] A.I. Larkin, Журнал Экспериментальной и Теоретической Физик 37, 264 (1959).[Sov. Physics JETP 37(10), 186 (I960)].
^,-^-^-^--
Подписано к печати 28.03.97 Формат 60x90 Офсетн.печ.
Усл.-печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 439.
Отпечатано в ИТЭФ, II7259, Москва, Б.Черемушкинская, 25
На правах рукописи
I/.
Евгений Вад
КРЮКОВ Евгений Вадимович
Исследование методами ЯМР и ЯКР
фазового расслоения в сверхпроводниках
ТтВа2Си30б+х и ТтВагОцОд
01.04.07 — физика твердого тела
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
КАЗАНЬ - 1997
Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и радиоспектроскопии Казанского государственного университета.
Научный руководитель - доктор физико-математических наук,
профессор Теплов М.А.
Научный консультант — кандидат физико-математических наук,
доцент Дуглав А.В.
Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук,
профессор Ацаркин В.А.
— доктор физико-математических наук, в.н.с. Катаев В.Е.
Ведущая организация -Институт физики металлов УрО РАН
(г.Екатеринбург)
Ъд Защита состоится " (? " АПРЕЛЯ 1997 г. в 14 час. на заседании Диссертационного Совета Д 053.29.02. при Казанском государственном университете (420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18).
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке университета.
Автореферат разослан "1? " МАРТА 1997 г.
Ученый секретарь Диссертационного
Совета, профессор Sl М.В.Ерёмин
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. Вопрос о механизме высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), оставаясь неясным до настоящего времени, стимулирует проведение все новых и новых исследований свойств слоистых купратов. Большое внимание в исследовании структуры ВТСП соединений уделяется эффектам фазового расслоения, которые изучаются различными методами (в том числе ЯМР, ЯКР). Ранее при исследовании ВТСП соединений методом "усиленного ЯМР" на ядрах празеодима и тулия бьшо показано1, что спектральные и релаксационные характеристики ЯМР очень чувствительны к искажениям структуры ближайшего окружения редкоземельных (РЗ) ионов—зондов, поэтому могут служить хорошим инструментом для изучения микроструктуры соединений. Поскольку идея фазового расслоения в слоистых купратах к настоящему времени еще не получила полного подтверждения, применение указанного метода для изучения фазового расслоения в сверхпроводниках структуры 1-2-3 и 1-2-4 является, на наш взгляд, актуальным.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы на примере соединений ТтВа2СизОб+х и ТтВ^СщО^, относящихся к семействам наиболее изученных слоистых купратов со структурой 1-2-3 и 1-2-4, экспериментально исследовать характеристики ЯМР тулия и ЯКР меди и выявить их особенности, связанные с проявлением эффектов фазового расслоения. В работе предпринята попытка построения возможной модели фазового расслоения в данных соединениях. Модель базируется как на результатах, полученных в данной работе, так и на данных других методов исследования.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Впервые использован ЯМР тулия в качестве внутреннего эталона
для исследования зависимости интенсивности ЯКР меди от содержания
кислорода в сверхдопированных сверхпроводниках структуры 1-2-3.
2. Показано, что кинетика восстановления продольной
намагниченности ядер тулия в кислород-дефицитных сверхпроводниках
структуры 1-2-3 имеет двухкомпонентный характер. Этот факт может быть
интерпретирован как следствие структурного фазового расслоения.
!NMR studies of singlet-ground-state rare-earth ions in high-Tc superconductors /Bakharev O.N., Dooglav A.V., Egorov A.V., Lutgemeier H., Rodionova M.P., Teplov M.A., Volodin A.G., Wagener D. -Applied Magnetic Resonance.-1992.-V.3.-P.613-640.
-
Установлено, что спектры ЯМР тулия и ЯКР Си(2) в структурно совершенных сверхпроводниках структур 1-2-3 и 1-2-4 могут быть разложены на две компоненты с относительными интенсивностями 2:1.
-
Исходя из полученных экспериментальных данных, была выбрана и доработана модель зарядового и спинового фазового расслоения в плоскостях СиС>2 высокотемпературных сверхпроводников.
-
На основании измеренных гиромагнитных отношений произведено уточнение параметров кристаллического электрического поля и уровней энергии ионов Тт3+ в соединении структуры 1-2-4.
Практическая ценность работы состоит 1) в дальнейшем развитии "усиленного ЯМР" как метода исследования структуры и магнитных свойств твёрдых тел и 2) в получении ряда новых результатов, касающихся структурных особенностей и магнитных свойств соединений 1-2-3 и 1-2-4 при низких температурах.
Автор защищает
-
Результаты экспериментальных исследований ядерной спин-решеточной релаксации ядер 169Тт3+ в образцах ТтВа2СиЗОб+х (х=0-М) при низких температурах.
-
Результаты исследований спектральных и релаксационных характеристик ЯМР 169TmJ+ и ЯКР Си(2) в сверхдопированных образцах ТтВазСизОб+х (х=0,90-Н,00), а также в образце ТгсЛ^СщОв.
3. Интерпретацию экспериментальных результатов, обобщённую в
разделе "Основные результаты работы" (см. ниже).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XXVII Конгрессе AMPERE (Казань, 1994), 30-м Совещании по физике низких температур (Дубна, 1992), 4-ой Международной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Гренобль, 1994), Международном семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Майами, 1995), Международной конференции, посвященной десятилетию открытия высокотемпературной сверхпроводимости (Делфи, 1996)
Публикации. Основное содержание работы отражено в десяти научных статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (119 наименований). Работа содержит 160 страниц машинописного текста, в том числе 53 рисунка и 7 таблиц.