مطيافية دوران الميون

يتم تصنيف حزم الميون إلى ثلاثة أنواع بناءً على طاقة الميونات المنتجة: عالية الطاقة، سطحية أو "أريزونا"، وحزم الميون فائقة البطء.

تُشكّل حزم الميونات عالية الطاقة من خلال هروب البيونات من هدف الإنتاج عند طاقات عالية. تُجمع هذه الحزم على زاوية مجسمة محددة بواسطة مغانط رباعية الأقطاب ، ثم تُوجّه إلى قسم التحلل الذي يتكون من ملف لولبي فائق التوصيل طويل ذي مجال مغناطيسي يبلغ عدة تسلا. إذا لم يكن زخم البيونات مرتفعًا جدًا، فإن جزءًا كبيرًا منها سيتحلل قبل وصوله إلى نهاية الملف اللولبي. في المختبر، يقتصر استقطاب حزمة الميونات عالية الطاقة على حوالي 80%، وتتراوح طاقتها بين 40 و50 ميغا إلكترون فولت. على الرغم من أن هذه الحزمة عالية الطاقة تتطلب استخدام مُعدِّلات مناسبة وعينات ذات سُمك كافٍ، إلا أنها تضمن زرعًا متجانسًا للميونات في حجم العينة. تُستخدم هذه الحزم أيضًا لدراسة العينات داخل الأوعية، مثل العينات داخل خلايا الضغط. تتوفر هذه الحزم في معهد بول شيرر (PSI) ، ومركز تريومف (TRIUMF) ، ومركز جيه بارك (J-PARC) ، ومركز ريكين-رال (RIKEN-RAL) .

يُطلق على النوع الثاني من حزم الميونات غالبًا اسم حزمة السطح أو حزمة أريزونا (نسبةً إلى العمل الرائد الذي قام به بايفر وآخرون ^{[ 1 ] [ 2 ]} من جامعة أريزونا ). في هذه الحزم، تنشأ الميونات من تحلل البيونات الساكنة داخل الهدف الإنتاجي ولكن بالقرب من سطحه. تتميز هذه الميونات باستقطابها الكامل، وهي أحادية اللون في الحالة المثالية، ولها زخم منخفض جدًا يبلغ 29.8 ميغا إلكترون فولت/ثانية (ما يعادل طاقة حركية قدرها 4.1 ميغا إلكترون فولت). ويبلغ عرض مداها في المادة حوالي 180  ملغم/سم² ^. وتتمثل الميزة الأساسية لهذا النوع من الحزم في إمكانية استخدام عينات رقيقة نسبيًا. تتوفر حزم من هذا النوع في معهد بول شيرر (مصدر الميونات السويسري SμS)، ومركز تريومف، ومركز جيه-بارك، ومصدر النيوترونات والميونات ISIS ، ومركز ريكين-رال.

يمكن الحصول على حزم ميونات موجبة ذات طاقة أقل ( ميونات فائقة البطء بطاقة تصل إلى نطاق الإلكترون فولت - كيلو إلكترون فولت) عن طريق خفض طاقة حزمة أريزونا بشكل أكبر، وذلك بالاستفادة من خصائص فقد الطاقة للمواد الصلبة ذات فجوة النطاق الواسعة . وقد طوّر هذه التقنية باحثون في مرفق السيكلوترون TRIUMF في فانكوفر، كولومبيا البريطانية ، كندا . وأُطلق عليها اختصار μSOL (فاصل الميونات المتصل بالإنترنت)، واستُخدم فيها في البداية فلوريد الليثيوم (LiF) كمادة صلبة مُعدِّلة. ^{[ 3 ]}  كما أشارت الورقة البحثية نفسها، المنشورة عام 1986، إلى رصد أيونات الميونيوم السالبة (أي Mu− ^أو μ ⁺ e ⁻ e− ) في الفراغ. وفي عام 1987، زاد معدل إنتاج μ ^{+ البطيء بمقدار 100 ضعف باستخدام مواد صلبة رقيقة من الغازات النادرة كمُعدِّلات، مما} أدى إلى إنتاج تدفق قابل للاستخدام من الميونات الموجبة منخفضة الطاقة. ^{[ 4 ]} اعتمدت مؤسسة PSI لاحقًا تقنية الإنتاج هذه لمرفقها الخاص بحزم الميونات الموجبة منخفضة الطاقة. ويتوافق نطاق الطاقة القابل للضبط لهذه الحزم مع أعماق زرع في المواد الصلبة تتراوح من أقل من نانومتر إلى عدة مئات من النانومترات. ولذلك، يُمكن دراسة الخصائص المغناطيسية كدالة للمسافة من سطح العينة. في الوقت الحالي، تُعد PSI المرفق الوحيد الذي يُوفر حزمة الميونات منخفضة الطاقة بشكل منتظم. كما أُجريت تطويرات تقنية في RIKEN-RAL، ولكن بمعدل منخفض جدًا لحزم الميونات منخفضة الطاقة. ويخطط مركز J-PARC لتطوير حزمة ميونات منخفضة الطاقة عالية الكثافة.

بالإضافة إلى التصنيف المذكور أعلاه بناءً على الطاقة، يتم تقسيم حزم الميون أيضًا وفقًا للبنية الزمنية لمسرع الجسيمات، أي المستمرة أو النبضية.

في مصادر الميونات المستمرة ، لا توجد بنية زمنية مهيمنة. باختيار معدل مناسب لدخول الميونات، تُزرع الميونات في العينة واحدة تلو الأخرى. الميزة الرئيسية هي أن الدقة الزمنية تُحدد فقط من خلال تصميم الكاشف والإلكترونيات المستخدمة في القراءة. مع ذلك، هناك قيدان رئيسيان لهذا النوع من المصادر: (أ) الجسيمات المشحونة غير المرفوضة التي تصطدم بالكواشف عن طريق الخطأ تُنتج عدّات خلفية عشوائية لا يُستهان بها؛ وهذا يُؤثر سلبًا على القياسات بعد بضعة أعمار للميونات، عندما تتجاوز الخلفية العشوائية أحداث الاضمحلال الحقيقية؛ و(ب) يُحدد شرط الكشف عن الميونات واحدًا تلو الآخر معدلًا أقصى للأحداث. يُمكن تقليل مشكلة الخلفية باستخدام مُشتتات كهروستاتيكية لضمان عدم دخول أي ميونات إلى العينة قبل اضمحلال الميون السابق. يستضيف معهد بول شيرر (PSI) ومركز TRIUMF مصدري الميونات المستمرين المتاحين لتجارب μSR.

في مصادر الميونات النبضية، تتجمع البروتونات التي تصطدم بهدف الإنتاج في نبضات قصيرة وكثيفة ومتباعدة على نطاق واسع، مما يوفر بنية زمنية مماثلة في حزمة الميونات الثانوية. من مزايا مصادر الميونات النبضية أن معدل الأحداث لا يحده سوى تصميم الكاشف. علاوة على ذلك، لا تعمل الكواشف إلا بعد وصول نبضة الميون، مما يقلل بشكل كبير من عدد النبضات الخلفية العرضية. يسمح الغياب شبه التام للخلفية بتمديد النافذة الزمنية للقياسات حتى عشرة أضعاف متوسط ​​عمر الميون تقريبًا. أما العيب الرئيسي فهو أن عرض نبضة الميون يحد من الدقة الزمنية. يُعد كل من مصدر النيوترونات والميونات ISIS ومصدر J-PARC المصدرين النبضيين المتاحين لتجارب μSR.

تُزرع الميونات في العينة المراد دراستها، حيث تفقد طاقتها بسرعة كبيرة. ولحسن الحظ، تحدث عملية التباطؤ هذه بطريقة لا تُؤثر على قياسات μSR. فمن جهة، هي سريعة جدًا (أسرع بكثير من 100 بيكو ثانية)، وهي أقصر بكثير من نافذة قياس μSR النموذجية (حتى 20 ميكرو ثانية)، ومن جهة أخرى، فإن جميع العمليات التي تحدث أثناء التباطؤ هي عمليات كولومبية ( تأين الذرات، وتشتت الإلكترونات ، والتقاط الإلكترونات ) ولا تتفاعل مع دوران الميون، مما يؤدي إلى توازن حراري للميون دون أي فقدان ملحوظ للاستقطاب.

تتخذ الميونات الموجبة عادةً مواقع بينية في الشبكة البلورية ، وتتميز بوضوح بحالتها الإلكترونية (الشحنة). يختلف طيف الميون المرتبط كيميائيًا بإلكترون منفرد اختلافًا كبيرًا عن طيف جميع حالات الميون الأخرى، مما يبرر التمييز التاريخي بين الحالات البارامغناطيسية والديامغناطيسية . تجدر الإشارة إلى أن العديد من حالات الميون الديامغناطيسية تتصرف بالفعل كمراكز بارامغناطيسية ، وفقًا للتعريف القياسي للبارامغناطيسية . على سبيل المثال، في معظم العينات المعدنية، وهي بارامغناطيسات باولي ، تُحجب الشحنة الموجبة للميون بشكل جماعي بواسطة سحابة من إلكترونات التوصيل . وبالتالي، في المعادن، لا يرتبط الميون بإلكترون واحد، ومن ثم يكون في ما يسمى بالحالة الديامغناطيسية ويتصرف كميون حر. في المواد العازلة أو أشباه الموصلات، لا يمكن أن يحدث حجب جماعي، وعادةً ما يلتقط الميون إلكترونًا واحدًا ويُشكّل ما يُسمى بالميونيوم (Mu=μ⁺ ⁺ e⁻ ⁾ ، والذي له حجم ( نصف قطر بور ) وكتلة مُختزلة وطاقة تأين مُشابهة لذرة الهيدروجين . وهذا هو النموذج الأولي لما يُسمى بالحالة البارامغناطيسية .

يحدث تحلل الميون الموجب إلى بوزيترون ونيوترينوين عبر عملية التفاعل الضعيف بعد متوسط ​​عمر يبلغ τ _μ ​​= 2.197034(21) ميكروثانية:

${\displaystyle \mu ^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e}+{\bar {\nu }}_{\mu }~.}$

يؤدي انتهاك التكافؤ في التفاعل الضعيف، في هذه الحالة الأكثر تعقيدًا ( التحلل الثلاثي )، إلى توزيع غير متناحٍ لانبعاث البوزيترون بالنسبة لاتجاه دوران μ ⁺ عند زمن التحلل. ويُعطى احتمال انبعاث البوزيترون بالعلاقة التالية:

${\displaystyle W(\theta )d\theta \propto (1+a\cos \theta )d\theta ~,}$

أين${\displaystyle \theta }$هي الزاوية بين مسار البوزيترون ودوران μ ⁺ ، و${\displaystyle a}$هو معامل عدم تناظر جوهري تحدده آلية الاضمحلال الضعيف. ويشكل هذا الانبعاث غير المتناحي في الواقع أساس تقنية μSR.

متوسط ​​عدم التماثل${\displaystyle A}$يتم قياسها على مجموعة إحصائية من الميونات المزروعة وتعتمد على معايير تجريبية أخرى، مثل استقطاب دوران الحزمة${\displaystyle P_{\mu }}$، قريبة من الواحد، كما ذكرنا سابقاً . نظرياً${\displaystyle A}$تُحسب قيمة 1/3 إذا تم الكشف عن جميع البوزيترونات المنبعثة بنفس الكفاءة، بغض النظر عن طاقتها. عمليًا، تكون قيم${\displaystyle A}$يتم الحصول على قيمة ≈ 0.25 بشكل روتيني.

يمكن قياس حركة دوران الميون على مدى زمني تحدده عملية اضمحلال الميون ، أي بضع مرات τμ _، أي ما يقارب 10 ميكروثانية. يرتبط عدم التناظر في اضمحلال الميون بانبعاث البوزيترونات واتجاهات دوران الميون. أبسط مثال على ذلك هو عندما يظل اتجاه دوران جميع الميونات ثابتًا بمرور الوقت بعد الزرع (بدون حركة). في هذه الحالة، يظهر عدم التناظر على شكل اختلال في عدد البوزيترونات في كاشفين متكافئين موضوعين أمام العينة وخلفها، على طول محور الشعاع. يسجل كل منهما معدل اضمحلال أُسّي كدالة للوقت t المنقضي منذ الزرع، وفقًا لـ

${\displaystyle N_{\alpha }(t)=N_{0}\exp(-t/\tau _{\mu })(1+\alpha A)}$

مع${\displaystyle \alpha =\pm 1}$بالنسبة للكاشف الموجه نحو سهم الدوران والموجه بعيدًا عنه، على التوالي. ونظرًا لأن استقطاب دوران الميون الهائل يقع خارج نطاق التوازن الحراري تمامًا، فإن استرخاءً ديناميكيًا نحو حالة التوازن غير المستقطبة يظهر عادةً في معدل العد، كعامل اضمحلال إضافي أمام معامل التناظر التجريبي، A. ويقوم مجال مغناطيسي موازٍ لاتجاه دوران الميون الأولي بفحص معدل الاسترخاء الديناميكي كدالة لطاقة زيمان الإضافية للميون ، دون إدخال ديناميكيات دوران متماسكة إضافية. يُطلق على هذا الترتيب التجريبي اسم μSR في المجال الطولي (LF).

تُعدّ حالة انعدام المجال المغناطيسي الخارجي (ZF) حالةً خاصةً من حالات قياس المجال المغناطيسي الميكروي منخفض التردد (LF μSR). وتكتسب هذه الحالة التجريبية أهميةً بالغةً لأنها تُمكّن من دراسة أي مجال مغناطيسي داخلي شبه ساكن (أي ساكن على المقياس الزمني للميون) ذي توزيع مجالي عند موقع الميون. وقد تظهر المجالات شبه الساكنة الداخلية تلقائيًا، دون أن تكون ناتجةً عن الاستجابة المغناطيسية للعينة لمجال خارجي. وتنتج هذه المجالات عن عزوم مغناطيسية نووية غير منتظمة، أو الأهم من ذلك، عن عزوم مغناطيسية إلكترونية منتظمة وتيارات مدارية.

نوع آخر بسيط من تجارب μSR هو عندما يتم زرع جميع لفات الميونات بشكل متماسك حول المجال المغناطيسي الخارجي ذي المعامل${\displaystyle B}$، عموديًا على محور الشعاع، مما يتسبب في تذبذب عدم توازن العد عند تردد لارمور المقابل${\displaystyle \omega }$بين نفس الكاشفين، وفقًا لـ

${\displaystyle N_{\alpha }(t)=N_{0}\exp(-t/\tau _{\mu })(1+\alpha A\cos \omega t)}$

بما أن تردد لارمور هو${\displaystyle \omega =\gamma _{\mu }B}$، بنسبة مغناطيسية دورانية${\displaystyle \gamma _{\mu }=851.616}$يوفر طيف التردد الناتج عن هذا الترتيب التجريبي، والذي يُقاس بوحدة مراد/ثانية (Mrad(sT) ⁻¹ )، قياسًا مباشرًا لتوزيع شدة المجال المغناطيسي الداخلي. وينتج عن هذا التوزيع عامل اضمحلال إضافي لعدم التناظر التجريبي A. تُعرف هذه الطريقة عادةً باسم قياس المجال المستعرض (TF) μSR.

أما الحالة الأكثر عمومية فهي عندما يشكل اتجاه دوران الميون الأولي (المتطابق مع محور الكاشف) زاوية${\displaystyle \theta }$مع اتجاه المجال. في هذه الحالة، يصف دوران الميون مخروطًا ينتج عنه مكون طولي،${\displaystyle A\cos ^{2}\theta }$ومكون مستعرض متقدم، ${\displaystyle A\sin ^{2}\theta \cos \omega t}$، من عدم التناظر الكلي. تندرج تجارب ZF μSR في وجود مجال داخلي تلقائي ضمن هذه الفئة أيضًا.