Новые возможности исследования вещества мюонным методом

• Автор: Батурин, Андрей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 195 с. : ил

Оглавление
1. Введение.
2. Исследование процессов торможения положительных мюонов в веществе
и образования мюония и мюонис-подобных систем.
2.1. Необходимость расчета структуры трека.
2.2. Описание программы моделирования
2.3. Сечения взаимодействия мюона/мюония с инертными газами.
2.4. Результаты моделирования процесса торможения мюона в инертных
газах.
2.5. Восстановление квазинейтральности мюонного трека и образование мюония и мюоние-подобных систем.
3. Поведение поляризации отрицательного мюона в мюоние-подобных
системах со спином более 1/2.
3.1. Особенности применения pSR метода для исследования акцепторных центров.
3.2. Спиновый гамильтониан акцепторного центра.
3.3. Влияние деформаций, электрических и магнитных полей на структуру энергетических уровней АЦ.
3.4. Поведение поляризации спина мюона в А Ц.
3.5. Релаксационное уравнение для мюоние-подобных систем со спином j>l/2.
3.6. Определение константы сверхтонкого взаимодействия I АЦ в кремнии.
3.7. Анализ экспериментальных данных по исследованию fAl АЦ в кремнии.
4. Корреляционный мюоиный метод (pSR2 метод).
4.1. Основные принципы pSR2 метода.
4.2. Определение размеров диамагнитных размеров в бериллии.
4.3. Компьютерное моделирование pSR2 эксперимента.
4.4. Возможность проведения fjSR2 эксперимента на существующем оборудовании. 1 -’
Заключение
Список литерату ры
Приложение 1. Двойные дифференциальные сечения ионизации атомов инертных газов мюонами
Приложение 2. Исходные тексты БЬЬ библиотеки для моделирования процесса торможения положительных мюонов в газах.
Приложение 3. Исходные тексты программы моделирования рБИ2 эксперимента.

Введение.
Мюонный метод исследования вещества (|xSR метод) является мощным современным инструментом в исследованиях конденсированных и газовых сред. Своим рождением мюонный метод обязан, проводимым в конце 50-х - 60-х годах, исследованиям по проверке теории слабого взаимодействия. Первые экспериментальные работы [1,2], подтвердившие несохранение четности в я+-ц+-е+ распаде, вызвали поток публикаций посвященных верификации V-A-теории. При постановке таких экспериментов физики неизбежно сталкивались с проблемой влияния мишени, в которой останавливаются мюоны, на наблюдаемое значение асимметрии распада. Вынужденное изучение закономерностей поведения поляризации спина мюона в различных средах привело к появлению нового метода исследования вещества - pSR-метод.
Устоявшееся в литературе название uSR-метод расшифровывается как Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance и подразумевает под собой целый ряд методик, объединенных тем, что все они основаны на «наблюдениях» за поведением спина мюона в веществе. Возможность такого наблюдения появляется из-за анизотропии распада мюона, обусловленной эффектом не сохранения четности в слабых взаимодействиях. Угловое распределение позитронов (электронов) распада определяется выражением [3]
dW (0,е) = (3 + 2e)|±i;-ii-^cos0j-E2de-d(cose),
где £ = £/£та( - относительная кинетическая энергия образовавшегося позитрона,
Етт~52 МэВ, 0 - угол между импульсом позитрона (электрона) и направлением спина мюона в момент распада, а £, - параметр, определяющий асимметрию распада, значение которого в V-A-варианте теории слабых взаимодействий должно быть равно 1. Усредненная по энергиям позитрона асимметрия распада составляет 1/3.
Регистрация позитронов (для ц+) или электронов (для ц'), образовавшихся при распаде мюона, позволяет определить направление поляризации спина мюона в момент распада. В классической постановке U.SR эксперимента используется первичный пучок поляризованных мюоннов, а зависимость поляризации мюона от времени получается путем усреднения гистограммы распадов по большому числу событий [см. например 4]. Такая постановка эксперимента предоставляет уникальную возможность исследования вещества с помощью одной единственной пробной частицы. Ниже будет показано, что это существенное преимущество позволяет проводить с помощью p.SR метода измерения в физике твердого тела, которые недоступны методам ЭПР и ЯМР.

Первые опыты в области )iSR были осложнены отсутствием ускорителей, позволяющих получать высокую интенсивность мюонного пучка (среднее число мюонов поступающих в мишень в единицу времени). Развитие экспериментальной техники за последние 30 лет позволило создать специализированные ускорители - «мезонные фабрики». В настоящее время основные места проведения pSR исследований - это российские экспериментальные центры ядерных исследований: ОИЯИ (г. Дубна), ПИЯФ РАН (г. Гатчина), а также зарубежные «мезонные фабрики»: PSI (Швейцария), TRIUMF (Канада), КЕК (Япония), ISIS (Англия). К сожалению, российская мезонная фабрика в Троицке пока так и не введена в строй.
Достоинства |iSR метода не возможно оценить без рассмотрения конкретных областей его применения. Прежде всего, мюонный метод является мощным инструментом для исследования магнитных сред. По крайней мере, в тех средах, где не происходит образование мюония в спиновом смысле, мюон можно рассматривать как локальный магнитный зонд. Каждый отдельный мюон «сообщает» информацию о локальном магнитном поле в месте, где он находится. Проанализировав частотный спектр pSR сигнала, можно получить информацию о распределении локальных магнитных полей в точках остановок мюона. Следует, однако, отметить, что локальное поле на мюоне может отличаться от локального поля невозмущенной решетки. Во-первых, за счет изменения контактного поля электронов проводимости. Во-вторых, за счет эффекта Яна-Теллера, который приводит к деформации кристаллической решетки, а, следовательно, к изменению дипольного поля локальных моментов атомов. Кроме этого, в ряде случаев картина осложняется диффузией мюона по кристаллически-эквивалентным точкам, что искажает частотный спектр pSR сигнала. Тем не менее, мюонный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими ядерными методами. В частности при изучении металлов методами ЭПР характерная толщина изучаемой области ограничена толщиной скин-слоя и составляет 10-100 рм. При исследовании методами ЯМР и гамма-спектроскопии, кроме ограничений по толщине образца, возникают трудности с определением макроскопических характеристик образцов, так как эти методы непосредственно получают информацию о сверхтонких полях на ядрах.
Применение pSR метода для изучения неупорядоченных магнетиков, в которых энергия обменного взаимодействия случайным образом меняет как величину, так и знак (спин-стекольные состояния) представляет уникальную возможность определить распределение магнитных полей в объеме образца. В частности в работе [5] был определен вид функции распределения локальных статистических магнитных полей в «разбавленных» спиновых стеклах (типа Сщ-дМп*, Auj.^Fe при д«1) и динамика спин-

Угол рассеяния, градусы
Рисунок 12. Сечение упругого рассеяния мюона на атоме аргона. Получено в приближении эйконала на основании потенциала взаимодействия восстановленного из данных по рассеянию протонов.
Энергия мюона, эВ
Рисунок 13. Значение дифференциального сечения рассеяния мюона на атоме аргона при О—И) в зависимости от энергии мюона. Получено в приближении эйконала на основании потенциала взаимодействия восстановленного ит данных по рассеянию протонов.

Угол рассеяния, градусы
Рисунок 14. Дифференциальное осчснис рассеяния протонов с энергией 5кэВ на атомах неона. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.