[科普中国]-极化靶

简介

核子和基本粒子都在转动 ，都有自旋在通常情况 下，虽然单个核子的自旋方向是一定的，但对于众多核子而言 ，它们的自旋取向是杂乱无章的，在总体上不显示出方向性在不均匀磁场作用 下，核子的自旋排列有序， 在空 间就 不 是各向同性，而是在某一量子化轴线上占优势，这就是核极化现象极化技术在国外发展很快，特别在欧 、 美和 日本的一些大学和研究所，正在进行着广泛深入的研究 ，并在高能物理、光谱学、光学仪器和电磁仪器制造 、生物医学、 离子注入以及辐射损伤等方面得到了应用 在核物理领域 ，它已成为研究核力 、核谱学 、 核反 应 、 弱相互作用的对称性和重离子反应机制等的重要手段1。

极化了的核靶即极化靶，衡量极化靶的品质有极化度（见核的极化）和极化核在靶中相比于其他核的相对浓度两个主要指标。一个好的极化靶要有尽可能高的极化度和相对浓度。
为了实现靶中核的极化，要应用定向核技术。定向核技术也被用于极化放射性样品的核来研究极化核的衰变性质，例如吴健雄所做的极化60Co的β衰变实验,证明了弱相互作用中宇称不守恒。尽管原理相同，但用于极化靶时有专门的要求，例如相对浓度要高，靶装置要有薄的窗口允许入射粒子和出射粒子通过等等2。

方法分类使核极化的方法可以分为静态法和动态法两大类。

静态极化法又叫热平衡法。核和周围环境处于热平衡状态，它的布居函数

W(M)=Aexp【-E(M)/kT】，

利用磁场使磁量子数M不同的态能量E(M)分离。降低温度使β=【E(M)-E(M+1)】/kT≈1,使得各磁量子态的布居明显不等，优先布居最低能态，达到核极化。根据磁场来源的不同，可进一步划分为直接作用法和超精细相互作用法。
① 直接作用法,又叫强力法。是20世纪30年代最早提出的方法。在低温下外界加以强磁场，利用核磁距同磁场的相互作用达到极化。过去由于不能得到很强的磁场，所能达到的极化度很低。如对115In，在0.043K下加11000Gs磁场，只得到极化度P=0.02。利用超导线圈可得到50000Gs 的强磁场，用顺磁盐的铯热去磁致冷温度可到0.003K。于是H/T≈107Gs/K，就可得到可观的极化度，这个方法将会得到广泛的应用。
② 超精细相互作用法。在固体中可以产生强度高达105～106Gs的内磁场。在低温下，利用外界的弱磁场(102Gs)先使电子极化。通过核磁矩同电子的相互作用使核极化。在某些晶体中，超精细作用产生强的电场梯度，通过与核的电四极矩相互作用，使核取向。所用的固体有顺磁盐晶体、铁磁体和铁磁化合物等几种。
顺磁盐晶体中原子的未满充的电子内壳层在核处会产生超精细相互作用场,场强可达105Gs。由于种种因素，这个方法最适用于稀土和锕系元素。所需的顺磁盐根据所要极化的元素来选择。
在铁磁体（如铁、钴、镍等）中引入溶质时，点阵会对溶质核产生超精细作用磁场,场强可高达106Gs。这个方法适用的元素范围极广。甚至如稀有气体、卤族元素和碱金属都可以引入到金属铁的点阵中。当通常的合金技术不行时可采用离子注入技术。这类方法的优点是极化核在靶材料的浓度可达到50%以上，适用于作核反应的靶。BiMn就是用于极化铋的一个很好的例子。这个化合物在铋核处的超精细磁场为8×105Gs。在0.1K温度下加以5×103Gs的外场时极化度达到40%。
静态法由于能适用于各类元素，所以在低能核物理实验中应用较广泛。但到目前为止，大多数用极化靶的实验是用中子束做入射粒子。这是因为静态法要求靶核处于极低温度下，而带电粒子束在靶中会淀积能量，给保持低温造成困难。

动态极化法极化核同周围环境不处于热平衡状态。在外磁场下，原子能级会发生塞曼劈裂和超精细劈裂。利用微波和光学抽运的方法,有选择地激发某个跃迁,再利用发射辐射的几率不同，使某个量子态布居优先，从而达到极化3。
① 微波抽运。有许多不同的机制。例如极化质子时，常用的抽运机制是在大量的氢核中加入少量等效电子自旋s=1/2的顺磁杂质，在外磁场H作用下整个系统的能级劈裂和相应的本征波函数(用|i>=|sz,Iz>表示)将如图1所示。μe和μp分别为电子和质子磁矩。按量子跃迁的选择定则，能级3,1(或4,2)间为允许跃迁，而能级4,1和3,2间为禁戒跃迁。当加的微波场功率足够大,频率v1=(μe+μp)H/h时,能级1的态被抽运到能级4。由于电子的自旋－点阵弛豫时间短,能级4的态跃迁落在能级2上。而该能级的核的自旋-点阵弛豫时间很长,质子便滞留在该能级上。经过一段时间的抽运，能级1上的质子便经过能级4转移到能级2上,得到很大的负极化度。若微波频率v2=(μe-μp)H/h,则能级2上的质子通过能级3转到能级1上,得到正极化度。在1K低温下,加25000Gs的磁场,可得到极化度P=93%。

② 光学抽运。原子吸收极化的共振光辐射，经过退激发射后可以得到极化的原子。若原子的基态有超精细劈裂，则伴随着产生核的极化。设某种原子的基态为2S┩，激发态为2P┩。当用完全圆偏振的光束(σ+)照射时,由于选择定则的限制,只有M=-1/2 的子态可以吸收光子跃迁到2P┩的+1/2子态。这个子态会很快退激到2S┩的两个子态。但只要+1/2的子态没有其他的弛豫过程，经过一段时间抽运，原子最后都会到+1/2态。极化的原子又通过超精细作用使核极化。随着大功率可调激光器的出现，这个方法得到较快的发展。

核子极化产生极化靶的方法**（1）低温法**

低温使原子极化 , 然后利用原子的超精细场作用使核子极化。这是 目前在核物理和固体物理中使用最多的方法。

（2）光学泵浦法

利用光学泵浦圆偏振共振辐射使原子极化 , 再通过超精细场相互作用使核子极化。

（3）核反应法

用核反应使核子定向 , 把反冲核限制在一给定角内 , 就产生了矢量极化在使用极化束的核反应中有明显的极化转移到剩余核中 , 故可用 极化束产生极化核。

目前主要是用极化离子源产生极化束流 , 再把极化束注入加速器高压倍加器 、 回旋加速器 、串列静电加速器和 同步加速器中加速 , 提高能量后（目前有的已高达6GeV 以上）, 与普通靶子或极化靶产生核反应1。

应用在高能物理中，通过基本粒子在极化靶（主要是质子靶）上的散射实验可以研究它们的相互作用性质，目前已形成了一个新的高能物理分支──高能自旋物理。
在核物理中,极化靶应用于研究核子-核子、核子-核相互作用同自旋的关系，测量极化中子对极化靶的透射率可以明确地测定共振能级的自旋。基态变形核（如稀土和锕系元素核）的形状对称轴同自旋是关联着的，因此极化靶也用于研究这些核的形状以及各种核过程同形状的关系，取得不少有意义的资料。