Brevet FR2056922A1 — publié le 19710507

La présente invention concerne un procédé pour produire des faisceaux d'atomes polarisés. Les atomes polarisés sont en général utilisés dans des accélérateurs de particules pour l'étude des réactions nucléaires. Les 5 atomes polarisés sont actuellement produits par formation de faisceaux d'atomes en utilisant des aimants de séparation et des transitions haute fréquence, de la façon décrite par W. Haeberli, dans "Sources of Polarized Ions", Annual Review of Nuclear Science, Vol. 17, 1967. Ce procédé pour obtenir des atomes polarisés est coûteux et nécessite un équipement relati-10 vement complexe. L'invention a pour objet un procédé pour produire des atomes polarisés, et en particulier un procédé relativement peu coûteux et simple pour la production de ces atomes polarisés. D'une façon générale, un faisceau d'atomes est polarisé conformément à l'invention en saturant magnétiquement 15 une matière monocristalline, en établissant un vide partiel et en transmettant le faisceau d'atomes à travers-cette matière dans une direction parallèle à un canal du' réseau de la matière, la matière monocristalline polarisant le faisceau d'atomes pour établir un faisceau d'atomes polarisés. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus 20 particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente schématiquement un appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.- Par le procédé selon l'invention, un faisceau d'atomes 25 (ions positifs, ions négatifs ou atomes neutres) est engendré et il est hautement collimaté de façon.qu'il frappe à travers un vide partiel une surface d'une matière monocristalline saturée magnétiquement dans une direction parallèle à un canal du réseau de cette matière. Le faisceau d'atomes traversant la matière monocristalline saturée magnétiquement 30 suivant un canal du réseau de cette matière subit une réaction de transfert des charges pour acquérir les électrons polarisés, de sorte que le faisceau émergeant de la matière monocristalline est un faisceau d'atomes polarisés. Après avoir traversé la matière monocristalline, le faisceau traverse un champ magnétique faible ayant le même sens directionnel que la direction du 35 champ de magnétisation dans la matière monocristalline. Ce champ magnétique faible s'étend dans la direction de transmission du faisceau d'atomes sur une distance suffisante pour permettre au faisceau d'atomes un temps de 70 27833 2 2056922 transit supérieur au temps de précession de Lamor du moment magnétique nucléaire des noyaux du faisceau d'atomes pour établir la polarisation nucléaire du faisceau par interaction hyperfine. ta polarisation nucléaire du champ magnétique faible ëst ainsi effectuée par interaction hyperfine 5 entre le moment magnétique d'un électron polarisé capturé, et le moment magnétique nucléaire du-noyau de l'atome associé. L'expression "canal de réseau" est utilisée selon l'invention pour désigner les canaux plans et les canaux axiaux de la matière dont les exemples sont les canaux axiaux ]_ 110_7", j_ 100_/, j_ 111_/ et j_ 112_/ et 10 les canaux plans (110), (100), (111) et (112) d'un monocristal cubique à faces centrées. Il sera cependant remarqué que des- canaux similaires existent dans d'autres matières monocristallines ayant des structures cristallographi-ques différentes, telles que des matières centrées ou hexagonales compactes et que le procédé selon l'invention s'applique aussi à ces matières. . 15 Le procédé selon l'invention peut être mieux compris en considérant l'appareil représenté sur. la figure unique. Un -générateur 10 de faisceau engendre un faisceau d'atomes (ions positifs) 12 qui traverse une paire d'aimants quadripdles 14 et 16. Après ces aimants, le faisceau 12 traverse des ouvertures de diamètres décroissant progressivement des collima-20 teurs 18 pouf frapper une surface d'une matière cristalline ferromagnétique 20 parallèlement à un canal du xéseau de cette matière. La matière monocristalline 20 est montée sur un goniomètre 21 permettant de déplacer la matière pour aligner la direction de canal du réseau par rapport au faisceau 12 engendré. Un aimant 22 établit un champ magnétique continu à travers la 25 matière monocristalline perpendiculairement à la direction du faisceau d'atomes', ce champ ayant-une intensité suffisante pour provoquer la saturation magnétique de la mâtière. Un second aimant 24 est monté après la matière monocristalline pour établir un champ dipolaire magnétique homogène dans "le même sens directionnel que le sens du champ de magnétisation établi 30. dans la matière monocristalline .20. La structure décrite ci-dessus est logée dans une enceinte, de façon que la génération du faisceau^ et sa transmission à travers le collimateur et la matière monocristalline 20 et du,.champ magnétique de —8 l'aimant 24 aient lieu sous un vide partiel d'environ 2.x. 10 torr établi 35 par une pompe 26. ;V--. _v. • - . . .. t Pendant le fonctionnement, les champs quadrip&les -des aimants-14 et 16 agissent sur le faisceau 12 émergeant du générateur 10 pour 70 27833 3 2056922 réduire le diamètre du faisceau. Les ouvertures des collimateurs 18 sont alignées avec des diamètres décroissants pour établir un faisceau hautement collimaté 12 d'un diamètre d'environ 1 mm à la surface de la matière monocristalline 20. Comme il a été indiqué, la matière monocristalline 20 est 5 montée pour que le faisceau hautement collimaté 12 frappe une surface de la matière parallèle à un canal du réseau de la matière. La matière monocristalline 20 étant à l'état de saturation magnétique, le faisceau collimaté 12 traversant la matière le long d'un canal du réseau capture des électrons polarisés de la matière 20 suivant une réaction d'échange de charges pour 10 établir un faisceau d'atomes polarisés émergeant du monocristal. Le champ dipolaire magnétique homogène faible engendré par l'aimant 24 dans le même sens directionnel que celui du champ de magnétisation produit par l'aimant 22 permet la polarisation nucléaire par interaction hyperfine entre le moment magnétique de l'électron polarisé capturé de la'matière 20 et le moment 15 magnétique nucléaire de l'atome du faisceau 12 sans perturbation de l'axe de polarisation. Il sera remarqué que pour cette polarisation nucléaire pour interaction hyperfine, le temps de transit du faisceau d'atomes dans le champ dipolaire magnétique faible est supérieur au temps de précession de Lamor du moment magnétique nucléaire des noyaux du faisceau d'atomes. Un faisceau 20 d'atomes à polarisation nucléaire est ainsi produit à la sortie du champ dipolaire magnétique faible engendré par l'aimant 24. Avec un accélérateur de Van de Graff de 2 MeV fonctionnant pour engendrer un faisceau de deutons émergeant.de la matière monocristalline 20 avec des énergies moyennes particulières comprises entre 110.000 et 150J3C0eV, 25 le faisceau de deutons étant collimaté pour avoir un diamètre de 1 mm et un demi-ângle maximal de divergence inférieur à 0,01° dans un plan d'indice faible de la matière, un faisceau à polarisation nucléaire d'atomes d'hydrogène est établi avec une polarisation de tenseurs = -0,32. Cette polarisation de tenseurs est obtenue en utilisant une matière ferromagnétique 30 monocristalline, telle que du nickel d'une épaisseur de 2 microns dans la direction de propagation du faisceau. Suivant cet essai, le faisceau d'atomes est propagé pour être incident parallèlement à moins de 0,10ô du canal axial j_ 110_7 de la matière ferromagnétique. La saturation magnétique de la matière ferromagnétique est obtenue dans un champ magnétique de 12 kilogauss réduit 35 à une valeur de 160 gauss pour maintenir l'aimantation, et le champ faible engendré par l'aimant 24 est d'environ 10 gauss. Il sera noté que le procédé selon l'invention peut être utilisé avec des faisceaux d'atomes autres que 70 27833 4 2056922 des deutons. Par exemple, il peut être utilisé avec des atomes ayant des numéros atomiques faibles, tels que des protons, des tritons, l'hélium et le lithium et il peut être utilisé pour obtenir des atomes polarisés de ces matières. Il sera noté aussi que le procédé selon l'invention permet 5 d'obtenir des atomes à polarisation nucléaire neutres, négatifs ou positifs. Par exemple, quand des atomes d'hydrogène positifs sont engendrés pour frapper la surface à indice faible de matière monocristalline, des atomes d'hydrogène neutres polarisés sont produits à la sortie du.champ magnétique de l'aimant 24. Une conversion des atomes d'hydrogène neutres polarisés en atomes d'hydrogène 10 polarisés, positifs ou négatifs peut ensuite être effectuée en faisant passer le faisceau à travers le canal"de' réseau d'une feuille monocristalline de transfert des charges. Le procédé selon l'invention ne convient qu'avec des matières monocristallines et le faisceau d'atomes doit frapper la matière monocristal-15 line parallèlement à un canal du réseau de. la façon décrite ci-dessus. Bien que connue il ait été indiqué ci-dessus, le procédé selon l'invention donne des résultats satisfaisants avec n'importe quelle matière monocristalline ferromagnétique, il donne des résultats satisfaisants avec des matières monocristallines paramagnétiques ayant une susceptibilité magnétique élevée, 20 c'est-à-dire les matières monocristallines paramagnétiques ayant un rapport global d'échange d1Heisenberg du pas moyen du rëseau au diamètre des atomes du réseau supérieur à 1,5. Parmi ces matières peuvent être citées les matières paramagnétiques monocristallines, telles que le gadolinium, le dysprosium, l'holmium et le terbium. 25 Pour obtenir la polarisation maximale par le procédé, selon l'invention, le faisceau atomique doit être collimaté pour qu'il ait un demi-angle maximal de divergence de 0,01° dans un plan d'indice de réfraction faible de la matière. Le rendement tombe quand l'angle de divergence augmente. Il sera noté' que pour la mise en oeuvre de l'invention, l'énergie à laquelle 30 le faisceau est engendré et transmis à travers la matière et l'épaisseur de la matière relativement à la direction de propagation du faisceau atomique sont telles qu'elles provoquent la réaction de transfert de charges par capture par le faisceau atomique des électrons polarisés de la matière monocristalline et que l'invention n'est pas limitée à l'épaisseur et à 35 l'énergie du faisceau considéré ci-dessus. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 2056922 REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire un faisceau d'atomes polarisés, caractérisé par la saturation magnétique d'une matière monocristalline, l'établissement d'un vide partiel et la transmission dans ce vide partiel du faisceau atomique à travers la matière monocristalline dans une direction 5 parallèle à un canal du réseau de la matière, la matière monocristalline polarisant le faisceau atomique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que-le faisceau atomique est collimaté pour obtenir un demi-angle maximal de divergence par rapport à l'axe de transmission à la surface de la matière • 10 monocristalline de 0,01°. 3. Procédé selon la revendication.1, caractérisé en ce que la matière monocristalline est ferromagnétique et a des dimensions en section dans la direction de transmission du faisceau atomique pour provoquer une réaction de transfert des charges avec le faisceau. 15 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière monocristalline est saturée magnétiquement dans une direction perpendiculaire à la direction de transmission du faisceau atomique. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par la production d'un champ magnétique et le passage du faisceau atomique à travers 20 ce champ magnétique après sa transmission à travers la matière monocristalline sur une distance dans la direction de transmission du faisceau atomique suffisante pour établir un temps de transit supérieur au temps de précession de Lamor du moment magnétique nucléaire des noyaux du faisceau d'atomes pour provoquer la polarisation nucléaire du faisceau par interaction hyperfine. 25 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le champ magnétique est engendré dans le même sens directionnel que la saturation magnétique de la matière monocristalline. 7. Procédé pour engendrer un faisceau polarisé d'atomes, caractérisé par la saturation magnétique d'une matière monocristalline, 30 l'établissement d'un vide partiel, la production d'un faisceau d'atomes, la collimation du faisceau d'atomes, la transmission du faisceau collimaté d'atomes dans le vide partiel à travers la matière parallèlement à un canal du réseau de cette matière, la matière monocristalline effectuant"une réaction de transfert de charges avec le faisceau d'atomes pour produire un faisceau 35 d'atomes polarisés, et le passage du faisceau d'atomes'polarisés à travers un champ magnétique pour polariser les noyaux du faisceau par interaction hyperfine.