Исследование фонон-максонной области спектра возбуждений жидкого гелия методом рассеяния медленных нейтронов

• Автор: Скоморохов, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 117 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО СТРУКТУРНОГО ФАКТОРА ЖИДКОГО ГЕЛИЯ В ОБЛАСТИ МАЛЫХ Q
1.1. ДИНАМИЧЕСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ ФАКТОР ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
1.1.1 Сверхтекучая фаза гелия
1.1.2. Температурная зависимость S(Q,&)
1.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ S{Q, со) ЖИДКОГО 4НЕ
1.2.1 Модель спектра элементарных возбуждений Ландау
1.2.2. Спектр возбуждений слабо неидеалъного бозе-газа
1.2.3. Теория Фейнмана и Фейнмана-Коэна
1.2.4. Природа спектра возбуждений сверхтекучеого гелия
с точки зрения квантово-полевой теории
1.3. ВЫВОДЫ. ЦЕЛЬ НАСТОЯЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
II. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
11.1. СПЕКТРОМЕТР ДИН-2ПИ
11.2. КРИОСТАТ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОГО 4Не В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 0.4-4.2К.. 37 II.3 ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ФУНКЦИЯ РАЗРЕШЕНИЯ СПЕКТРОМЕТРА
2.3.1. Оптимизация условий эксперимента. Выбор начальной энергии нейтронов
2.3.2. Функция разрешения спектрометра ДИН-2ПИ
2.3.3. Расчет функции разрешения
2.3.4. Экспериментальная проверка расчета фунщии разрешения
II.4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ
2.4.1. Кинематика нейтронного рассеяния
2.4.2 Методика времяпролетного эксперимента
2.4.3. Калибровка эксперимента. Точное определение начальной энергии, и длин вторых пролетных баз
2.4.4. Получение спектров S(Q,a)
ВЫВОДЫ
III. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
III. 1. ПОЛУЧЕНИЕ ОДНОФОНОННЫХ ПАРАМЕТРОВ
3.1.1 Модель простого вычитания многофононной части
3.1.2.Аналитическая форма описания однофонопной части S:(Q,a>).
Модель затухающего гармонического осциллятора
III.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
ФОНОННЫЙ УЧАСТОК СПЕКТРА ВОЗБУЖДЕНИЙ
3.2.1 Дисперсионная зависимость co(Q) в области малых Q.
Аномальная дисперсия
3.2.2Параметры однофонопной части S(Q, со)
111.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
МАКСОННЫЙ УЧАСТОК СПЕКТРА ВОЗБУЖДЕНИЙ
111.4. ИЗМЕНЕНИЕ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ФОРМЫ S,(Q,ffl)
В ФОНОН- МАКСОННОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА ВОЗБУЖДЕНИЙ
111.5. КОЛИЧЕСТВЕННОЕ СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
С МОДЕЛЬЮ ГЛАЙДА-ГРИФФИНА
3.5.1 Модель Глайда-Гриффина
3.5.2.Выполнение параметризации
3.5.3 Результаты парамметризации
ВЫВОДЫ
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

I. ВВЕДЕНИЕ
Гелий - второй элемент периодической таблицы Менделеева. Это инертный одноатомный газ. В природе имеется два устойчивых изотопа гелия: 3Не и 4Не. Ядро атома 4Не состоит из четного числа нуклонов: двух протонов и двух нейтронов, спин ядра равен нулю. Ядро 3Не состоит из двух протонов и одного нейтрона, соответственно, спин ядра 3Не равен 1/2. Таким образом, атомы 4Не являются бозе-частицами, а атомы 3Не ферми-частицами. Предметом исследований в настоящей работе является жидкий 4Не. В виде жидкости гелий был впервые получен в 1908 году в физической лаборатории Лейденского университета (Голландия) под руководством Хейке Камерлинг-Оннеса. Температура перехода гелия из газообразного в жидкое состояние оказалась рекордно низкой - 4.2 К и он оставался жидким при дальнейшем охлаждении вплоть до самой низкой, полученной тогда температуры - 0.83 К.
При столь низких температурах в гелии существенную роль начинают играть квантовые эффекты. При температурах, когда длина волны Де Бройля становится сравнимой с межатомным расстоянием (для гелия эта температура составляет несколько градусов Кельвина) существенными становятся так называемые квантовые дифракционные эффекты, которые определяют высокую энергию нулевых колебаний легких атомов 4Не, что препятствует его переходу в кристаллическое состояние. Таким образом, сам факт существования жидкого гелия при Г=0 К является макроскопическим квантовым эффектом. При дальнейшем охлаждении гелия, при так называемой температуре вырождения определяющими становятся статистические квантовые эффекты, связанные с перекрытием волновых функций атомов, характер которых определяется статистикой, в данном случае статистикой Бозе-Эйнштейна. Как показал
Эйнштейн в 1926 году, в идеальном газе бозе-частиц при понижении температуры до температуры вырождения Тв, бозе-симметрия системы
нарушается, и макроскопическое число частиц М(1 оказывается на наинизшем
энергетическом уровне с импульсом р=0, образуя бозе-конденсат.
Для идеального газа бозонов с атомной массой 4, равной плотности жидкого 4Не, температура вырождения Тв равна 3.13 К. Это значение удивительно близко к температуре фазового перехода второго рода, который происходит в жидком гелии при Г=2.17К. Температура 2.17 К получила название л-точки и обозначается как Тл. При температуре выше Тл, 4Не находится в нормальной фазе и называется гелием-1, а сверхтекучая фаза ниже Т-к называется гелием-П. На фазовой диаграмме (рис. 1.) области устойчивости этих двух фаз гелия разделены линией, наклон которой означает, что с повышением давления температура перехода понижается. Гелий-П, кроме того, что он остается жидким при нормальном давлении и при Т—>0, проявляет еще целый ряд удивительных свойств, характерных только квантовым жидкостям.
В 1938 году Лондон [1] сделал предположение, что при Г=2.17 К в жидком 4Не так же, как и идеальном бозе-газе происходит конденсация Бозе-Эйнштейна. Основываясь на этом предположении, Тисса предложил феноменологическое описание гелия, сейчас известное под названием “двухжидкостной модели” [2, 3,4]. Несмотря на то, что использованное в этой модели описание квантовой системы в классических терминах движения сверхтекучей и нормальной компонент не является вполне адекватным, она не только описала многие свойства гелия, но и смогла предсказать новые эффекты [5].

р, атм
Твердый Не

К-пиния
Критическая
точка
.Газ
Г, к
Рисунок 1. Фазовая диаграмма Не
СВК - это система из двух последовательно расположенных, вращающихся коллиматоров ВК-1 и ВК-2 [75]. Пролетная база (расстояние от кассеты замедлителя до ВК) ВК-1, составляет 3.5м, а ВК-2 - 5.2м. Каждый из ВК представляет собой автономный механический прерыватель пучка нейтронов (стальной цилиндрический ротор диаметром 500 мм имеет окно высотой 400 и шириной 200 мм) с вертикальной осью вращения, момент открытия окна которого может быть синхронизирован по времени с импульсом мощности ИБР-2.
Основной прерыватель (ОП) также представляет собой ротор с вертикальной осью вращения (диаметр - 250 мм). Расстояние между замедлителем и ОП составляет 18.523 м. В роторе имеется окно с щелевым пакетом 150x180 мм. Имеется набор из четырех штатных роторов с различными характеристиками щелевого пакета.
Система вращающихся коллиматоров предназначена для уменьшения фона запаздывающих нейтронов между импульсами мощности, а ОП служит для окончательного формирования импульса монохроматических нейтронов заданной энергией Е0. Монохроматизация осуществляется по времени пролета. СВК и ОП вращаются с частотами кратными частоте ИБРа, причем с помощью электронной системы между временем вспышки ИБРа и моментом открытия щелей ротора ВК-1, ВК-2 и ОП поддерживается постоянный сдвиг фаз. Сдвиг фаз 1фа, для ротора ВК-1, ВК-2 и ОП подбирается таким образом, чтобы время открытия окна соответствующего ротора совпадало со временем прилета нейтронов с энергией Е0:
- = тп~, (2.1)
фаз
где т„ - масса нейтрона, У0 - скорость монохроматических нейтронов с энергией