Erzeugung höchster 3 He-Kernspinpolarisation durch metastabiles optisches Pumpen
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Abstract
In dieser Arbeit wird zum Erreichen hoher
Kernspinpolarisationen die Methode des metastabilen optischen
Pumpens benutzt. Das Verfahren beruht auf
dem "Ubertrag des
Drehimpulses absorbierter Photonen auf das hierbei angeregte
Valenzelektron, welches durch Hyperfeinkopplung den Drehimpuls
weiter auf den $^3$He-Kern transferiert. Da der
Polarisationsprozess nur bei Dr"ucken von ca. 1~mbar effizient
funktioniert, f"ur die meisten Anwendungen aber polarisiertes
$^3$He bei einem Druck von $\geq 1$~bar ben"otigt wird, muss das
Gas nach der Aufpolarisation komprimiert werden. In unserer
Arbeitsgruppe steht eine Maschine ("`Polarisator"') zur
Verf"ugung, die das Gas polarisiert und anschlie"send komprimiert. Ziel dieser Dissertation ist, einerseits die Leistungsf"ahigkeit des Polarisators bez"uglich Maximalpolarisation und Gasfluss zu verbessern und andererseits den metastabilen Pumpprozess selbst genauer zu untersuchen.\\
\noindent Durch die Verwendung neuer Laser auf Basis der
Fasertechnologie sowie einer systematischen Optimierung der
optischen Komponenten konnten in abgeschlossenen Pumpzellen
Rekord-
Polarisationsgrade von $91\pm 2$\% erzielt werden.\\
\noindent Mit der Implementierung neuartiger Optiken und Laser am
Mainzer Polarisator konnte die Leistungscharakteristik
entscheidend verbessert werden. So wurde die erreichbare
Polarisation bei identischer Produktionsrate um 20 Prozentpunkte
gesteigert. Zurzeit sind maximale Polarisationsgrade von mehr als
75\% im optischen Pumpvolumen erreichbar. Eine am Mainzer
Triga-Reaktor durchgef"uhrte Polarisationsbestimmung ergab einen
Wert von $72.7\pm 0.7$\%. Dies veranschaulicht die geringen
Polarisationsverluste infolge der Gaskompression, des Transports
und einer Lagerung "uber mehrere Stunden.\\
\noindent Zur Dynamik der geschwindigkeitsver"andernden St"o"se
sowie zur Bestimmung der mittleren Photonen-Absorptionsrate wurde
ein Modell entwickelt, welches auch experimentell best"atigt
wurde. Damit konnte erstmalig das gemessene Absorptionsverhalten
einer spektral schmalbandigen Laserdiode
korrekt beschrieben werden.\\
\noindent Zudem stimmen die an so genannten abgeschlossenen
Pumpzellen gemessenen extrem hohen Polarisationswerte mit
theoretischen Vorhersagen "uberein, sofern der Druck im optischen
Pumpvolumen geringer als 1~mbar ist und das $^3$He nicht durch
Fremdgase verunreinigt ist. Bei derartigen Pumpzellen ist die
gemessene Abh"angigkeit der Polarisation von Laserleistung,
Metastabilendichte und falscher Zirkularkomponente mit der Theorie kompatibel.\\