Способ измерения времени электронной спиц-решеточной релаксации

(9 01 й 24/10 твенный ун нина Шакировси офилов П.П. Развиагнитооптики пара - УФ Н, 1975, т. 116,1 аи 1 се геахат Ь е ат Ичоб йеИце ., Раув., 1960, ч. 38,ЕНИЯ ВРЕМ РЕШЕТОЧНОЙ Н уру обия Т,блок-схема едлагаемый едставле ующего тепловом меистемы,(СС) в пульс нагреу парамагнеературы Тв,овано на иновой с лавой им ю решетк ной темп ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Запасский В.С., Фетие поляриэационной ммагнитных кристаллов.вып. 1, с. 41-78,Оапеэ Т, Зр 1 ппеобупйв еФу зЫрпасеарегамге. - Сапад. 3М 5, р. 604-615,(54) СПОСОБ ИЗ М Е РЭЛЕКТРОННОЙ СПИНЛАКСАЦИИ 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 прустройства, реализспособ.Изобретение остоде возбуждения спарамагнетиках. Тевает кристаллическтика до максимал 2(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 температ разца, так и температуру жидкого гел равную 2,14 К.В результате разности температур через границу кристалл - гелий протекает тепловой поток с поверхностной плотностью ц, 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 о стабилизирует тепловой поток на сравнительно низком, практически постоянном уровне; о 10 - 10 Вт/см.Благодаря этим свойствам пленочного режима нагретое состояние решетки парамагнетика сохраняется в течение длительного промежутка времени Ь, прямо пропорционального поступившей в него от нагревателя энергии 0 и многократно превышающего длительность а 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 Тз исследуемого перехода за время .0,1 Ь до температуры решетки Тра Т. Используя закон Дебая для теплоемкости кристаллов, можно показать, что после окончания возбуждающего импульса (в момент т = 1+ Л 1 = 0 и достижения температуры Тв) функция остывания решетки приближенно описывается выражениемТ (с )( 1 о сО (т (сцЯ(1)где а - постоянная пропорциональности закона Дебая (Тр = аТ );Ч, Я - объем и площадь поверхностикристалла,Функция Тр убывает слабо в области значений 09114 0,6 и более резко - в области 0,6о 111. Всоответствии с этим тепловой контактмежду СС и решеткой во второй областиразрывается при выполнении условиядТудт г(Т )Т,Фгде 71 - время электронной спин-решеточной релаксации,и дальнейшее остывание указанных подсистем парамагнетика происходит взаимнонезависимо, причем в решетке этот процесспротекает гораздо быстрее и завершается вмомент времени 1":," (1 = 0).Разность температур (Тр - То) и с нейтепловой поток через поверхность разделадвух сред становятся равными нулю, режимпленочного кипения прекращается, релаксация СС с этого момента протекает приравновесной температуре решетки Тр = Т иподлежит регистрации.Из совместного рассмотрения формулы(1) и условия потери теплового контактамежду СС и решеткой нетрудно видеть, чтозначение Та, а следовательно, параметрвозбуждения а в начальный момент регистрации 1 - 0 будет тем больше, чем вышеотношение Т/Т, Практически легко пол учить Т/То 310,.что видно из следующего оценочного расчета, Постоянная а в выражении (1) определяется формуламиз К 4;з,у+ з- з(2) 3 1 2 2где и и К - постоянные Планка и Больцмана; 10 ла с низкой теплопроводностью в области 40 рабочих температур ТТ (например, из стеклотекстолита), Образец с нагревателем расположен в оптическом криостате в центре содержащихся в нем сверхпроводящих 45 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 и 6 формируют световые пучки. Анализатор 7 преобразует угол поворота. О в изменение интенсивности светана входе фотоэлемента 8, электрические сигналы с выхода которого . поступают в электронное 50 регистрирующее устройство 9.П р и м е р . 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 ла 55 Ч 2 и Чт - средние скорости продольныхи поперечных упругих волн в кристалле.В большинстве кристаллических веществ Чт = (2,5 - 4).10 см/с, что согласно 15 (2), приводит к расчетным значениям аа(1-.5) 10 Дж/смК . Для измерительных це.7 з алей вполне достаточны образцы обьемом Ч = 0,1 см (которому соответствует пло 3щадь поверхности Я 1 см ), Подставляя приведенные значения параметров а, Ч, Я, а также о 1 Вт/см и 0 = 2 10 Дж в формулу (1), находимТ . (20 - 30) КТТДаже при максимальной рабочей темпе ратуре То 2 К это дает Тв/То = 10 - 15,Получение тепловых импульсов с энергией Е 10 Дж и передача этой энергии в иссле-здуемый 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 надеж ный тепловой контакт, к плоскому малоинерционному электрическому нагревателю 2, выполненному, например, из нихромовой фольги, который закреплен на диэлектрическом основании 3, выполненном из материа, Дербак еда аказ 1403 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго.Гагарина, 10 зерного света в направлении Ь/Ги 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, Затем сразу после окончания этого режима, определяемого по моменту исчезновения указанных признаков светорассеяния в парожидкостной пленке, регистрируют изменения интенсивности света, по которой определяют время г 1 . 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 .а 1-Сехз с различными концентрациями примесей при рабочей температуре То = 1,7 К. В этих кристаллах исследуемые магнитные ионы Се в ориентации Н ОУ имеют только два заселенных магнитных уровня, расщепляемых полем Й на величину энергии й ю =9 ф Н, где ф - магнетон Бора,9=2,61. На описанной установке измеряют время т 1 для укаэанных образцов при различных фиксированных значениях Н. Возбуждение СС ионов Се осуществляют с помощью нихромового нагревателя с сопротивлением В = 2 Ом, через который пропускают прямоугольные импульсы электрического поля силой =20 Ай 1 - 2 10 с, При энергиях Е 1 е Дж обеспечивается пленочный режим во всех кристаллических образ цах, в момент окончания которогоизмеренные значения параметра возбуждения СС гп составляют от 30 до 90.Предлагаемым способом можно измерять времена релаксации парамагнитных 10 центров с концентрацией, более чем на двапорядка меньше концентрации ионов йб в кристалле этилсульфата неодима.Формула изобретения Способ измерения времени электрон ной спин-решеточной релаксации, включающий помещение парамагнитного кристалла в статическое магнитное поле, облучение кристалла в направлении магнитного поля линейно-поляризованным 20 монохроматическим светом, охлаждениекристалла жидким гелием, импульсное возбуждение спиновой системы кристалла и последующую регистрацию спин-решеточной релаксации по изменению угла, фараде евского вращения плоскости поляризациимонохроматического света, о т л и ч а ющ и й с я тем, что; с целью расширения диапазона измерения в сторону меньших значений концентраций парамагнитных 30 центров, возбуждение спиновой системыосуществляют тепловым импульсом, нагревающим кристалл до режима пленочного кипения гелия, затем снимают тепловой импульс, а измерения спин-решеточной ре лаксации проводят после завершения режима пленочного кипения гелия.