Expérience de double résonance dans un jet atomique

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Submitted on 1 Jan 1958

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Expérience de double résonance dans un jet atomique

G.O. Brink, W.A. Nierenberg

To cite this version:

G.O. Brink, W.A. Nierenberg. Expérience de double résonance dans un jet atomique. J. Phys.

Radium, 1958, 19 (11), pp.816-818. �10.1051/jphysrad:019580019011081600�. �jpa-00235938�

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EXPÉRIENCE DE DOUBLE RÉSONANCE DANS UN JET ATOMIQUE

Par G. O. BRINK,

Département ^de Physique, Université de Californie, Berkeley, ^Cal.

et W. A. NIERENBERG,

Inst. for Basic in Science, ^{Un. de} Californie, Berkeley.

Résumé. 2014 Des transitions qui ^ne sont pas observables _par la méthode de résonance ordinaire des jets atomiques deviennent observables grâce ^{à une} technique ^de double résonance. La méthode

a été utilisée pour observer les transitions ^0394F

⁰ dans 39K. Elle emploie trois circuits RF successifs

sous forme d’

épingle à cheveux » qui ^{sont traversés} successivement par les ^atomes du jet. ^La fréquence ^{RF commune du} premier ^et du troisième circuit est ajustée ^de façon ^à provoquer la transition (2, 2014 1) ^~~ (1, 2014 1). ^{Si un} atome entre dans la région de transition à l’état (2, 2014 1) il subira dans le premier circuit la transition vers (1, 2014 1) ^et dans le troisième circuit la transition inverse qui le ramènera vers (2, 2014 1). Le détecteur utilisant la méthode ^« flop-in ^{» ne donnera} qu’un signal faible. Si dans le deuxième circuit on excite la transition (1,20141) ^~~ (1, 0) quelques-

uns des atomes qui avaient subi la transition (2, 2014 1) ^~ (1, 2014 1) ^{dans le} premier circuit, ^vont transiter maintenant vers (1, 0) ^{et ne} pourront pas ^retourner à l’état (2, 2014 1) dans le troisième circuit. On observera ainsi un accroissement du signal du détecteur en excitant la transition

(1, -1) ^~~ (1, 0). ^{De cette manière on a} pu détecter ^toutes les transitions possibles ^{0394F =} 0, 0394M = ± 1 dans le cas du 39K en y associant la transition 0394F ^{= ± 1} convenable. Mais il faut observer certaines précautions pour quelques-unes d’entre elles. Les transitions (2, 0) ^~~ (1, 2014 1)

et (2, 2014 1) ^~~ (1, 0) ^{forment un doublet non} résolu. Si ces transitions sont excitées dans les

régions ^{I et} III, les transitions (2, 0) ^~~ (2, 2014 1) ^ou (1, 2014 1) ^~~ (1, 0) ^ne peuvent ^{pas être}

observées par excitation dans la région ^{II. Ceci est} général : dans tous les cas où la transition 0394F = ± 1 intéresse les deux niveaux bordant une transition 0394F = 0, ^{cette dernière ne} peut pas être observée. Pour pouvoir ^{observer ces} transitions 0394F = 0, ^{il est} nécessaire d’exciter la tran- sition (2, 0) ~ ^~ (1, 0) ^{dans les} régions ^{I et III.}

Certaines des transitions 0394F = 0 forment des doublets d’intervalle 2gI 03BC0 H. On espère ^utiliser

cette technique pour ^mesurer ainsi les moments nucléaires de noyaux radioactifs.

Abstract. 20142014 Transitions that are not otherwise observable in an atomic beam flop-in ^apparatus

have been observed by ^{means of a double resonance} technique. The method has been used to observe the 0394F

0 transitions in 39K, ^and involves the use of three rf hairpins through ^which

the beam passes in succession. The frequency of the rf in the first and third hairpins ^is adjusted

to produce the transition (2, 2014 1) ^~~ (1, 2014 1). ^{If an} atom enters the transition region ^{in the}

state (2, 2014 1), ^{it will} go to (1, 2014 1) in the first hairpin and then back to (2, 2014 1) in the third.

Thus a small signal ^{will be seen at} the detector. If the transition (1, 2014 1) ^~~ (1, 0) is excited in the second hairpin, ^{some of the atoms that have gone from} (2, 2014 1) ^to (1, 2014 1) ^will go ^to (1,0)

and will not go back ^to (2, 2014 1) in the third hairpin. ^An increase in detector reading ^{will thus}

be seen when the transition (1, 2014 1) ^~~ (1, 0) is excited. All of the possible 0394F = 0, 0394M = ±1 transitions have been observed in the case of 39K by choosing ^the proper ^{0394F = ± 1} transition.

Certain precautions ^are necessary, however, ^to observe some of them. The transition

(2, 0) ^~~ (1, 2014 1) ^and (2, 2014 1) ^~~ (1, 0) ^{are an} unresolved doublet. If these transitions ^are excited in the first and third hairpin, the transitions (2, 0) ^~~ (2, 2014 1) ^or (1, 2014 1) ^~~ (1, 0)

cannot be observed when they ^are excited in the second hairpin. ^{This is found to be} generally true ; that whenever the 0394F = ± 1 transition involves both of the levels of the 0394F = 0 tran- sitions, ^{the latter cannot} be observed. In order to observe these 0394F

0 transitions, the 0394F = ± 1 transition (2, 0) ^~~ (1, 0) ^must be excited in the first and third hairpins.

Certain of the 0394F

0 transitions form doublets, ^the components ^{of which are} separated by 2gI03BC0H. ^{It is} hoped ^{to use this} technique ^{to measure nuclear} magnetic ^moments of radioactive nuclei.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^{ET LE RADIUM TOME} 19, ^NOVEMBRE 1958,

Introduction.

^La plupart ^{des travaux ’sur les}

éléments radioactifs utilisent la technique ^du « flop

in ^» dans le but d’obtenir un signal important par

rapport ^{au bruit de fond de} l’appareillage. ^Dans

une expérience ^{de «} flop ^{in »} cependant, ^la plupart

des transitions dF

0, ^AM = ::i: ^{1 sont inob-} servables parce que les ^états initial et final n’ont pas leur ^moment magnétique égal ^et opposé. ^On

souhaite observer ces transitions pour effectuer un

certain nombre de mesures : la technique ^{de la}

double résonance rend cela possible.

Principe ^{de la méthode.}

Puisque les transi- tions AF

0 ne proviennent pas ^du changement

de moment magnétique, ^on doit voir leur effet sur une transition observable ^comme les transitions ,A F === ± 1, celles que ^nous utilisons. La technique

consiste à faire traverser successivement _par le jet,

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019580019011081600

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3 boucles de radiofréquence ^en épingle ^{à cheveux.}

,.Les 2 boucles extrêmes servant à induire les tran- sitions AF

-1 1, ^{la boucle} centrale, la transi- t,ion AF -- 0.

considérons, par exemple, ^{le cas du} potas-

sium 39. Son spin nucléaire, égal ^à 3/2 ^{donne à F}

les valeurs 2 et 1. Soit un atome pénétrant ^{dans la}

1re boucle à l’état (2,! - 1). La HF dans les boucles 1 et 3 a une fréquence capable d’induire les transitions (2, - 1) ^-- (1, - 1). ^Il y ^{aura une} certaine probabilité que l’atome sorte de la 1re boucle à l’état (1, - 1). ^{Si rien ne} lui arrive au cours de la traversée de la 2e boucle, ^{c’est à}

l’état (1, - 1) qu’il pénètrera ^{dans la} 3e. Comme la

fréquence de celle-ci est la même que celle de la lre,

il _y aura une probabilité que l’atome revienne à l’état (2, - 1). ^{On n’observe donc aucune transi-}

, tion ; ^il y ^a néanmoins un faible signal ^{au détec-}

teur dû à l’inégalité ^des probabilités de transition pour ^tous les atomes du jet.

Supposons maintenant la transition

induite dans la 2e boucle ; ^il y ^aura maintenant une

certaine probabilité que l’atome sorte de cette boucle et pénètre ^{dans la 3e à l’état} (1, 0) ; puisque

cet atome ne peut ^{revenir à l’état} (2, --1), ^un signal ^{sera détecté.}

La méthode de double résonance consiste à fixer la fréquence ^{et la} puissance ^de radiofréquence ^dans

les boucles extrêmes, ^{et à} balayer ^la fréquence ^{de la}

boucle centrale jusqu’à l’observation, ^{à résonance,}

d’un accroissement de signal.

Appareillage expérimental.

^Une question ^se

pose, quand ^{on considère une} expérience ^{de cette}

sorte : Quelle ^{est la} puissance ^{r. f.} optimum à ,

fournir dans les boucles extrêmes ? Il est presque évident que celle-ci doit correspondre ^{à la} puis-

sance optimum ^{d’une boucle} simple, ^ce qui ^est

confirmé par l’expérience. ^La figure ^{1 montre}

l’intensité du ^« flop ^{in » en} fonction de la puis-

sance r. f ., ^{avec une boucle} simple ^{et avec une}

double. On voit _que l’intensité obtenue avec

les deux boucles est minimum quand l’intensité obtenue avec la boucle seule est maximum. La courbe expérimentale ^ne passe pas par l’origine ^à

cause d’un couplage ^de radiofréquence, ^{dans l’am-} plificateur ^de puissance, ^même quand ^l’inten-

sité r. f. est nominalement au zéro de l’échelle.

On peut ^{observer les doubles} résonances sans que la puissance ^de radiofréquence ^soit optimum, ^mais

elles sont généralement peu intenses. Toutes les

expériences décrites ici furent effectuées ^avec la

puissance optimum ^{dans les boucles extrêmes.}

La figure ^{2 montre la} séparation des niveaux

d’énergie ^du potassium ^{39 dans un fort} champ magnétique. ^{On a} induit la transition _v, dans les boucles extrêmes et l’on a pu observer _vz, v;3, V4

et vj ^en réglant l’oscillateur basse fréquence ^à

chacune des fréquences correspondantes. Le rap- port signal /bruit était excellent dans tous les cas et à peu près le même que pour ^une résonance avec une seule boucle, c’est-à-dire 50 /1. ^On pouvait

FIG. L

Intensité du ^« flop ^{in »}

en fonction de la puissance ^r. f. pour 39K et 8MHz.

Fic. 2.

Doubles résonances observables.

d’ailleurs obtenir un rapport signal /bruit supérieur

à celui-ci en faisant croître l’intensité du jet ;

remarque : v 1 est une transition AF == ± 1,

AM = o.

La figure ^{3 montre la} séparation des niveaux de 39K dans un champ magnétique fort mais pour

un groupe différent de transitions. Ici, vl est induite également dans les boucles extrêmes, ^mais

dans ce cas, c’est ^un doublet ^non séparé. V2 et V3 ont été visibles mais très peu intenses, ^tandis qu’on

a observé V4 et V’Õ avec un ^bon rapport signal /bruit

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On a vérifié _que généralement, quand la transi- tion AF

:1: ^{1 est un doublent,} comportant ^{2 des}

FIG. 3.

Doubles résonances observables et inobservables.

niveaux participant ^aux transitions A.F

0, ^la

double résonance était inobservable. Cela était

prévu ^{car les} populations ^{de tous} les niveaux sont essentiellement égales. ^{Dans ce} cas, vx est ^une transition AF = :1: 1, AM ^{== ± 1.}

En choisissant et fixant une transition AF = :f: 1, ^toutes les transitions possibles ^{A.F = 0}

de 39K ont été observées avec un bon rapport signal jbruit.

Applications.

^{A l’heure} actuelle, ^nous pen-

sons appliquer essentiellement cette méthode à la

mesure directe des moments magnétiques

nucléaires des noyaux radioactifs. Certaines ^tran- sitions AF

0 sont des doublets très proches ^dont

la séparation ^est directement proportionnelle ^au

moment magnétique nucléaire. ^En mesurant les moments magnétiques nucléaires et les structures

hyperfines ^d’un groupe d’isotopes du coesium et du

rubidium, ^nous espérons étudier les anomalies de cette structure hyperfine.

Ce travail ^a été partiellement pris ^en charge par

le U. S. Office of Naval Research.