Способ измерения времени электронной спиц-решеточной релаксации

 

(t9) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 24/10 2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4659817/25 (22) 09.03.89 (46) 23.04.92. Бюл. ¹.15 (71) Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина . (72) А.Х. Хасанов и Э.Е. Шакиров (53) 539.143.43(088,8) (56) Запасский В.С., Феофилов П.ll. Развитие поляриэационной магнитооптики парамагнитных кристаллов. — УФН, 1975, т. 116, вып. 1, с. 41-78.

Da n le l s Т. S pin l att lee re laxat В

neodynium ethylsulphate at liquid helium

temperature. — Canad. J., Phys., 1960, ч. 38, ¹ 5, р. 604-615. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ

ЭЛЕКТРОННОЙ СПИН-РЕШЕТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ

Изобретение относится к радиоспектроскопии и предназначено для измерения времен электронной спин-решеточной релаксации в оптически прозрачных кристаллических парамагнетиках при температурах, не превышающих температуру жидкого гелия.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений в сторону меньших значений концентраций парамагнитных центров, На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Изобретение основано на тепловом методе возбуждения спиновой системы.(СС} в парамагнетиках. Тепловой импульс Нагревает кристаллическую решетку парамагнетика до максимальной температуры Tm, (57) Изобретение относится к радиоспектроскопии и позволяет измерять времена электронной спин-решеточной релаксации в оптически прозрачных кристаллических парамагнетиках при рабочих температурах.

Цель изобретения — расширение диапазона измерения концентраций парамагнитных центров в сторону меньших значений. Для этого на исследуемый кристалл воздействуют тепловым импульсом, нагревающим его до образования режима пленочного кипения гелия и после окончания этого режима по изменению угла фарадеевского вращения плоскости поляризации монохроматического света регистрируют процесс спин-решеточной релаксации. 1 ил. превышающей как рабочую температуру образца, так и температуру жидкого гелия 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 образуется парожидкостная фаза, при этом создается, так называемый режим пленочного кипения гелия. Ввиду малой по .сравнению с гелием теплопроводности указанная паровая пленка эффективно теплоизолирует нагретый кристалл от жидкостного термостата, причем положительная зависимость ее толщины от величины q стабилизирует тепловой поток на сравнительно низком, практически постоянном уровне; q 10 — 10 Вт/см2.

1728753

Благодаря этим свойствам пленочного режима нагретое состояние решетки парамагнетика сохраняется в течение длительного промежутка времени Лt, прямо пропорционального поступившей в него от нагревателя энергии Q и многократно превышающего длительность т1 возбуждающего теплового импульса, С ростом температуры решетки Тр парамагнетика динамическая связь (тепловой контакт) СС с колебаниями решетки усиливается. Указанные факторы создают реальную возможность повышения спиновой температуры Т исследуемого перехода за время 0,1 Лt до температуры решетки Тра Tm. Используя закон Дебая для теплоемкости кристаллов, можно показать, что после окончания возбуждающего импульса (в момент t1= t+ At = 0 и достижения температуры Tm) функция остывания решетки приближенно описывается выражением

Т (1) ((1 q1t )) 0

qS (1) где а — постоянная пропорциональности закока Дебая (Тр = aT );

V, S — объем и площадь поверхности кристалла, Функция Тр убывает слабо в области значений 0 < g1t 0,6 и более рез1 ко — в области 0,6 < q1t < 1. В соответствии с этим тепловой контакт между СС и решеткой во второй области разрывается при выполнении условия — I dT/dtI >т1 " (Т„)

Т, Ф где t1 — время электронной спин-решеточной релаксации, и дальнейшее остывание указанных подсистем парамагнетика происходит взаимно независимо, причем в решетке этот процесс протекает гораздо быстрее и завершается в момент времени 1 =о, (t = О).

Разность температур (Тр — Tp) и с ней тепловой поток через поверхность раздела двух сред становятся равными нулю, режим пленочного кипения прекращается, релаксация СС с этого момента протекает при равновесной температуре решетки Тр = To u подлежит регистрации.

Из совместного рассмотрения формулы (1) и условия потери теплового контакта между СС и решеткой нетрудно видеть, что значение Т>, а следовательно, параметр возбуждения а в начальный момент регистрации t - 0 будет тем больше. чем выше отношение Tm/To.. Практически легко пол55 интенсивности света I íà входе фотоэлемента 8, электрические сигналы с выхода которого . поступают в электронное регистрирующее устройство 9.

Пример . Криостат заливают жидким гелием и понижают его температуру до рабочего значения Т < Т . Накладывают на образец измерительное поле Н//У пропускают через криостат с образцом пучок лаучить Тп /То 10,.что видно из следующего оценочного расчета, Постоянная а в выражении (1) определяется формулами з K

5 а10 з з

h V

3 — 1+ 3= 3: (2)

3 1 2 2 где h и К вЂ” постоянные Планка и Больцма10 на;

Vz u VT — средние скорости продольных и поперечных упругих волн в кристалле.

В большинстве кристаллических веществ Чт = (2,5 — 4).10 см/с, что согласно

15 (2), приводит к расчетным значениям а=(1-.

° .5) 10 Дж/см ° К . Для измерительных це-7 з а лей вполне достаточны образцы обьемом

Ч = 0,1 см (которому соответствует плоз щадь поверхности 31 см ), Подставляя приведенные значения параметров а, V, S, а также q 1 Вт/см и Q = 2 10 Дж в формулу (1), находим

Tm - (20 — 30) К» Т, >Тр, Даже при максимальной рабочей темпе25 ратуре To .. 2К это дает Tm/To = 10 — 15, Получение тепловых импульсов с энергией

Е 10 Дж и передача этой энергии в иссле-з дуемый кристалл без существенных потерь не представляет технических трудностей.

30 Способ может быть реализован при использовании устройства. Исследуемый кристаллический образец 1, изготовленный в форме прямоугольного 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 ла с низкой теплопроводностью в области рабочих температур То<Т (например, из стеклотекстолита), Образец с нагревателем расположен в оптическом криостате в центре содержащихся в нем сверхпроводящих катушек Гельмгольца для создания поля Н, причем оптическая ось Т образца параллельна горизонтальной геометрической оси этих катушек. Источником зондирующего света служит газовый лазер 4. Обьективы 5

50 и 6 формируют световые пучки. Анализатор

7 преобразует угол поворота 8 в изменение

1728753

Составитель В. Майоршин

Редактор И. Дербак Техред М.Моргентал Корректор О, Кундрик

Заказ 1403 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 зерного света в направлении К//НГи устанавливают анализатор на минимум проходящего света. Подают на нагреватель импульс электрического тока прямоугольной формы с параметрами, обеспечивающими образование режима пленочного кипения (ориентировочно тих=10 с . Е = 10 Дж), наличие которого фиксируют по резкому возрастанию и хаотическому изменению интенсивности света ф), Затем сразу после окончания этого режима, определяемого по моменту исчезновения указанных признаков светорассеяния в парожидкостной пленке, регистрируют изменения интенсивности света, по которой определяют время t> ° При отсутствии режима пленочного кипения или недостаточной точности измерения 1(1) основные операции способа повторяют при увеличенной энергии Е возбуждающего импульса.

Для практической проверки предлагаемого способа проводят эксперименты на парамагнитных кристаллах La1->

Се в ориентации Н//Уимеют только два заселенных магнитных уровня, расщепляемых полем Й на величину энергии

h v = g P Н, где P — магнетон Бора, g=2,61.

На описанной установке измеряют время т1 для укаэанных образцов при различных фиксированных значениях Н. Возбуждение

СС ионов Се осуществляют с помощью нихромового нагревателя с сопротивлением R = 2 Ом, через который пропускают прямоугольные импульсы электрического поля силой l =20А„ t1 - 2 ° 106 с. При энергиях Е> l Дж обеспечивается пленочный режим во всех кристаллических образ5 цах, в момент окончания которого измеренные значения параметра возбуждения СС m составляют от 30 до 90 .

Предлагаемым способом можно измерять времена релаксации парамагнитных

10 центров с концентрацией, более чем на два порядка меньше концентрации ионов Nd в кристалле этилсульфата неодима.

Формула изобретения

Способ измерения времени электрон15 ной спин-решеточной релаксации, включающий помещение парамагнитного кристалла в статическое магнитное поле, облучение кристалла в направлении магнитного поля линейно-поляризованным

20 монохроматическим светом, охлаждение кристалла жидким гелием, импульсное возбуждение спиновой системы кристалла и последующую регистрацию спин-решеточной релаксации по изменению угла, фараде25 евского вращения плоскости поляризации монохроматического света, о т л и ч а юшийся тем, что; с целью расширения диапазона измерения в сторону меньших значений концентраций парамагнитных

30 центров, возбуждение спиновой системы осуществляют тепловым импульсом, нагревающим кристалл до режима пленочного кипения гелия, затем снимают тепловой импульс, а измерения спин-решеточной ре35 лаксации проводят после завершения режима пленочного кипения гелия.