~3He的超流新相

通常的液体氦(～4He)冷到2.17K时转变为超流态.超流的～4He(通常称为HeⅡ)有许多奇特的性质,例如能够无阻地通过很窄的毛细管,特别高的热导率,爬行膜现象等等,这些都早已为人们所熟知. ～4He的同位素～3He。在天然的氦气中是极少的,约占百万分之一.五十年代初,原子核工业的发展才使人们能够得到稍多一点的～3He,开始了对它的研究. ～3He的临界温度是3.34K,临界压力是1.15个大气压,常压下沸点是3.2K.和～4He一样,零点能很高.常压下一直到绝对零度还是液体,只有在34个大气压下才固化.～3He会不会像～4He那样.当温度下降时也转变成超流态…     

一种新型低温固定点器件--4Heλ转变密封瓶

本文介绍一种高复现性的新型低温固定点器件--带毛细管结构的4Heλ转变密封瓶的制作和使用方法.使用一般的绝热恒温器,只需简单控制平台和密封瓶下池的温度,即可方便地观测到不平度小于0.05mK长达数小时的4Heλ转变温坪.实验数据表明,通过毛细管的热流对λ转变温度测量值有一定的下压作用,其数值为100μW下压量为0.38mK.改变通过毛细管的热流,测出多个不同热流下的温坪值,外推到零热流,就可得到真实的Tλ温度(2.1768K).     

稀玻色气体的超流动性

1925年爱因斯坦发表了著名的关于玻色凝聚的文章以来,人们一直期望能在实验上得到证实.为解释超流波体氦(4He)不寻常的性质,1938年他敦(F·London)提出液体氦从正常相到超流相的相变是一种坡色凝聚现象,其主要根据是计算出的凝聚温度3.1K和超流相变温度2.17K很接近,这种看法大体正确.但是严格地说,液体氦是强相互作用的多体系统,并不是理论所讨论的可以忽略相互作用的理想的玻色系统,这反映在某些性质和理论结果有定性上的不同.在压强增高,单位体积的4He原子数n增加时,按照理论,凝聚温度Tc正比于n2/s,Tc应上升,实际上却是下降的.此外,在…     

超流~3He涡旋线中的新发现

超导体中磁通线及超流He中涡旋线的存在,早已为人们所熟知.它们的结构是简单的,都是在直径约为相干长度的正常态的芯子外面环以超流,具有轴对称性.磁通线的磁通量和涡旋线的环量都是量子化的,分别为一个磁通量子和环量量子,这是在超导体及超流4He中特有的宏观量子现象.1972年发现的液体3He的超流相,虽然是一种新型的超流相,但由于它的宏观量子性,人们自然地认为会有涡旋线存在,这已为后来的实验所证实. 近两年利用赫尔辛基低温实验室中能达到mK温度的旋转恒温器,芬兰和苏联的科学家发现了两个完全出乎人们意料的结果.这是在旋转的超流液体…     

锶原子多普勒冷却温度的测量

在实现基于碱土金属锶原子(5s2)1S0→(5s5p)1P1的多普勒冷却实验基础上,分别采用短程飞行时间法和原子吸收膨胀法,测量了锶原子同位素88Sr(玻色子)冷原子团温度约为9 mK,87Sr(费米子)冷原子团的温度在2 mK左右,并结合多普勒冷却极限温度理论对实验结果进行了分析.为下一步1S0→3P1的窄线宽冷却提供了良好的基础.     

制冷机冷却型超导磁体杜瓦的研制

介绍了带制冷机冷却的超导磁体系统杜瓦的设计、制作及实验结果分析。杜瓦采用 4 0 K、10 K双制冷屏结构 ,其室温磁场孔径为 75 mm,长 4 15 m m。试验结果为 :液氦蒸发率为 0 .6 9升 /天 (在 2 0天连续试验期内 ) ,优于合同规定的指标 (2 .4升 /天 )。双制冷屏由一台双级 G- M制冷机冷却 ,工作时一级冷屏温度为 35 K,二级冷屏温度为 7.0 K。磁体系统的磁场强度为 3T,满足了用户的使用要求     

极低温度的获得方法──波墨朗丘克制冷和核绝热去磁

很接近于绝对零度的1K以下的温区,一直受到物理学家的重视,很多领域的多种研究工作已被扩展到该温区[1].自1908年获得液He以来,已经有好几种方法被发展来获得 1K以下的温度.降低液 He4表面的蒸汽压可以方便地获得1K左右的温度,经过特别设计的He4恒温器甚至可以得到0.5-0.6K的温度[2],但这并不非常方便而很少被人采用. 获得1K以下温度的方法主要有顺磁盐的绝热去磁、He3恒温器、稀释制冷机、波墨朗丘克(Pomeranch-uk)制冷和核绝热去磁.顺磁盐绝热去磁制冷的方法发展最早,三十年代起就有成功的实验.关于它的原理和实例在相当多的教科书或…     

连续循环的^3He致冷机

本文介绍了一台实验室自制的连续循环~3He 致冷机.最低温度0.32K.在0.5K 时的制冷功率约1mw.所用~3He 气体5升(NTP).~3He 系统由机械泵和增压泵循环.机械泵由2XZ-4型改装.使用一年多未发现明显漏气.1K 减压池采用可调流阻的连续流式1K 板.     

用于亚开温区的极低温绝热去磁制冷机

随着空间观测、量子技术等前沿科研领域的发展,亚开温区的极低温制冷需求日益增加.本文设计并研制了一台极低温单级绝热去磁制冷机.该制冷机由GM型制冷机提供约3 K热沉,以钆镓石榴石为磁热工质,由超导线圈提供最大为4 T的磁场,通过绝热去磁,实验最低温度可达470 mK.在恒温控制模式下,可在1 K下提供2.7 J冷量,温度波动小于0.5 mK,绝热去磁制冷的第二热力学效率为57%;在0.8 K下,制冷量为1.2 J.该制冷机将作为50 mK温区三级绝热去磁制冷系统中的第一级,在1 K下提供0.7 mW制冷功率.本研究为进一步开展极低温多级连续绝热去磁制冷奠定了基础.     

亚声速NH3分子束静电Stark减速的理论研究

本文基于自行研制的第二代(180级)静电Stark减速器, 展开了对NH₃的有效减速与冷却的理论研究. 首先, 计算了NH₃分子在|J=1, K=1>量子态的Stark分裂, 研究了不同的同步相位角下, 减速器中NH₃分子的纵向相空间稳定区域; 接着, 采用Monte-Carlo方法研究了该分子在传统工作模式下的减速效果, 并讨论了该减速模式下多个参数(包括每级损失动能、分子波包末速度和相对减速效率)与同步相位角的依赖关系, 以及减速波包末速度与减速电压的关系, 研究发现: 采用传统的Stark减速模式, 当减速电压为±13 kV、同步相位角φ₀=26.08°时, 即可实现NH₃从280 m/s到6.7 m/s的有效减速, 对应平动动能减少了99.9%, 其波包温度由1.34 K降至80 mK; 最后, 研究了先聚束后减速模式下NH₃分子的减速效果, 以及该减速模式下减速波包末速度与同步相位角的依赖关系, 结果表明: 当减速电压为± 6.5 kV, 采用前15级电极作为聚束电极, 后165级作为减速电极时, 可将NH₃分子波包的中心速度由280 m/s减至20.7 m/s, 平动动能减少了99.4%, 温度由1.34 K降至1.6 mK, 与传统减速模式相比, 冷分子波包温度降低至1/50. 由此可见, 采用180级的传统Stark减速器完全可以实现具有较低Stark势能的NH₃分子的有效减速与冷却, 并获得温度约为1 mK的冷分子波包, 为进一步的实验研究提供了可靠的理论依据.     

锶原子二级Doppler冷却及温度的测量

为了减小锶原子跃迁谱线的多普勒增宽及频移,需要对锶原子进行激光冷却以降低它的速度,而一级冷却只能将原子温度降低至mK量级,这样的原子其速度过大而无法有效地装载至光晶格中,因此必须进行二级冷却.锶原子存在单重态与三重态(5s2)1S0-(5s5p)3P1间互组跃迁,利用与其跃迁波长在689 nm的窄线宽激光对锶原子进一步冷却,可将锶原子团温度降低至μK量级.利用时序有效、准确地控制磁场和光场与原子相互作用时间,通过飞行时间法对锶冷原子温度进行了测算.实验中应用计算机精确控制磁光阱区域中冷原子团下落时间,EMCCD记录冷原子团初始时刻和下落20 ms后的状态.经过分析计算二级冷却温度为4.39 μK,不确定度仅为0.19 μK,二级冷原子团数目约为1.2×10 7.低温二级冷却锶原子温度及原子数目的获得为锶光钟跃迁信号的信噪比估计提供实验参考,也是实现高精度时间频率标准的前提.     

K(4P_J)-N_2,He碰撞转移及猝灭截面的测量

利用770nm脉冲激光激发基态K原子到K(4P1/2)态,在样品池中,利用原子荧光光谱方法,测量了K(4PJ)和N2、He碰撞的精细结构转移截面和碰撞猝灭截面。在不同N2、He气体密度下,通过对4P1/2→4S1/2共振荧光与4P3/2→4S1/2转移荧光的时间积分荧光强度进行测量,得到其荧光强度比与N2、He密度成线性关系。从荧光强度比R与(Nv)-1线性关系图中的直线斜率可以得到4P1/2→4P3/2转移截面为(2.77±0.69)×10-15cm2和4P3/2→4P1/2的碰撞转移截面为(1.62±0.41)×10-15cm2,从直线的截距计算出K(4P3/2)与N2、He的碰撞猝灭截面为(0.40±0.12)×10-15cm2和(0.60±0.18)×10-16cm2。     

钛乙烯储氢材料的热力学和动力学性质研究

之前的工作中已经预测了钛乙烯(C_2H_4Ti)储氢的几何结构,本文将继续利用密度泛函理论(DFT)和B_3LYP杂化密度泛函方法来计算之前预测出的C_2H_4Ti(H_2)_n结构中的C_2H_4Ti和H_2反应的焓变和自由能变.通过焓变和自由能变的计算结果,可以看出:钛乙烯在298 K、250 K、200 K下可以稳定的吸附5个氢分子,同时放出大量的热量,生成的C_2H_4Ti(H_2)_n化合物在常温下也具有热力学稳定性.此外,本文通过Gaussian03中的伯恩近似分子动力学(BOMD)方法计算了C_2H_4Ti(H_2)_5化合物在298 K、250 K、200 K三个温度下的动力学性质.通过动力学研究的结果,可以发现钛乙烯分子在常温298 K下储氢时间不长;同时得到钛乙烯分子在200 K下能长时间稳定吸附五个氢分子,这进一步表明降低温度对钛乙烯分子稳定储氢是有利的.     

温度对bcc铁中He行为影响的模拟研究

温度对bcc铁中的He行为有重要的影响,基于bcc晶格的晶格动力学蒙特卡罗（Lattice Kinetic Monte Carlo,LKMC）方法,模拟研究了298—1298 K范围内温度对bcc铁中He行为的影响.结果表明：温度对bcc铁中He行为的影响可以分为4个阶段：（1）298—598 K,（2）598—798 K,（3）798—998 K,（4）998—1298 K.第一阶段随着温度的增加,晶粒内He原子浓度略有降低,但He泡中平均He原子个数迅速增加;第二阶段随着温度的增加,晶粒内的He原子浓度迅速降低,但He泡中平均He原子个数几乎不变;第三阶段随着温度的增加,晶粒内的He原子浓度和He泡中平均He原子个数均迅速减少;第四阶段随着温度的增加,晶粒内He原子浓度以及He泡中平均He原子个数均有所增加,到1298 K时,晶粒内He原子浓度与室温时相近,几乎没有He原子从铁晶粒内逃逸出.模拟结果与文献正电子湮灭实验结果有很好的吻合. 关键词： bcc铁 He 晶格动力学蒙特卡罗 温度     

液态~4He系统对关联函数的路径积分蒙特卡罗模拟

利用路径积分蒙特卡罗(PIMC)模拟方法研究了由256个4He原子组成的系统在不同条件下的对关联函数g(r).在标准大气压下(SVP),分别在1.38K,1.67K,2.50K和4.24K等四个温度时对系统不同势能的情况的对关联函数进行了计算;另外还讨论了系统的温度和密度对对关联函数的影响.结果发现,系统的势能变化及密度变化都或大或小影响对关联函数,而温度对其影响不是很大.虽然PIMC方法存在有限尺度效应,但是由128和256个4He原子组成系统的对关联函数存在极小的差异,因此可以得到:随着模拟系统尺度的增大,所模拟的有限尺度的系统已逐渐接近于真实系统.所以所得的256原子系统的性质可近似说明液态系统性质.     

存在缓冲气体的Cs蒸气中的三体碰撞

本文研究了Cs(6P3/2) Cs(6P3/2) He→Cs(4FJ) Cs(6S1/2) He的碰撞能量转移过程.在温度为337～357 K,利用单模半导体激光器共振激发Cs原子至6P3/2态,利用另一与泵浦激光束反向平行激光束作为吸收线探测6P3/2态原子密度及其空间分布.缓冲气体增大了两个6P3/2原子间的能量转移,这可从测量由两个Cs(6P3/2)原子碰撞而被布居的4FJ态所发射的荧光得到证实.得到三体碰撞速率系数为(1.35±0.18)×10-27 cm6s-1,(2.22±0.21)×10-27 cm6s-1.     

二维费密液体理论(Ⅱ) ~3He朗道参数的计算

本文采用相关基波函数(CBF)方法研究了二维~3He液体的性质。基于集团展开利用配分函数的变分原理,将这一方法推广到有限温度情形。从Lennard-Jones势出发,在二级微扰近似下数值计算了二维~3He液体的基态能、准粒子谱和朗道参数。     

分子动力学方法研究金属Ti中He小团簇的迁移

采用分子动力学方法模拟了不同温度下He原子及He团簇在金属Ti中的迁移特性,并计算了扩散前系数和激活能. 研究发现这种扩散的各向异性非常显著,具体表现在He原子及He团簇在不同方向上扩散系数的前系数完全不同,但它们的激活能却相同. 研究表明:在预测金属中He的扩散行为时,必须采用动态模拟方法才能得到准确的前系数,仅仅考虑势垒的静态模拟方法是不行的. 另外,还发现一个不同于直觉的现象,即较低温度下He二聚物的扩散系数比单个He原子的扩散系数大;此外,在所模拟的温度范围内Arrhenius方程能够很好地描述它们的扩散. 这说明动力学模拟对预测金属中He的扩散行为具有重要的意义. 关键词： 分子动力学 扩散系数 各向异性 氦     

Tm3+掺杂玻璃激光致冷新方案的理论分析

提出了一种用于块状Tm3 掺杂玻璃ZBLANP(ZrF4-BaF2-LaF3-NaF-PbF2)激光致冷的新方案,即通过两组相互垂直的高反射率平面镜的多次反射,增加对抽运光的吸收,为了减少抽运光在样品表面入射时的反射损失,抽运光以布儒斯特角入射。重点就该方案的样品致冷温度和时间常量进行了详细的理论计算与分析,从理论上分析了入射激光功率为1 W时致冷功率和反射次数的关系,研究了不同入射激光功率下致冷温度和反射次数的关系。结果表明,入射激光功率分别为3 W、4 W5、W时,样品可以分别从室温(300 K)被冷却到275.7 K、267.4 K、259.1 K。特别是在入射激光功率为4.5 W时,样品从室温开始被冷却到263.2 K,即致冷后样品的温度下降了36.8K,比传统致冷方法提高了约53.3%,相应的致冷时间常量为22.7 min。     

HeⅡ中元激发和色散关系的计算机模拟研究

液体HeⅡ的色散关系涉及到元激发的类型以及它们之间的相互作用,对液体4He物理性质的解释和实际应用都是至关重要的,因此从理论和实验两个方面展开对它的研究一直是液体4He研究的热点之一.本文采用计算机模拟的方法对液体HeⅡ的元激发和色散关系进行了比较深入的研究,给出了在一定温度范围内色散关系的统一解析表达,并在此基础上计算出自由能以及熵随温度的变化关系,模拟结果与实验数据吻合得很好.