Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках первого года выполнения проекта был проведен масштабный объем работы, необходимый для изучения возможностей безлазерной поляризации ядерных спинов гелия-3 методом PAMP, что может быть использовано для исследований пористых структур методом ЯМР в газе при комнатной температуре. Были подготовлены поляризационные ячейки из пирекса с переходом медь-стекло для присоединения к газовым коммуникациям. Была собрана газовая система (пульт), позволяющая хранить и использовать гелий-3 для чистки ячеек, последующего использования газа в ЯМР экспериментах. Помимо этого, были собраны системы очистки изотопов гелия от примесей на основе криотрубки, работающей при температуре жидкого гелия и азотной "ловушки". Данные системы необходимы для очистки газа от примесей, что необходимо для проведения экспериментов по безлазерной поляризации гелия-3 методом PAMP. Было определено, что система очистки гелия на основе криотрубки позволяет получать уровень примесей в гелии-3 на уровне 1 ppm. Также была собрана и использована система обогащения гелия-3, которая позволила получить гелий-3 с концентрацией гелия-4 0,01% для использования к эспериментах по полриязации гелия-3. Был разработан и создан радиочастотный тракт, необходимый для создания плазмы гелия в поляризационных ячейках и дальнейшего изучения влияния частоты и мощности РЧ облучения для создания плазмы на поляризацию гелия-3. Были определены оптимальные условия создания плазмы гелия в используемых поляризацонных ячейках. Была определена эффективная методика чистки поляризационных ячеек, систем очистки гелия и газовых коммуникаций. Все газовые коммуникации, системы очистки и поляризационные ячейки прошли длительную рутинную процедуру очистки до необходимых уровней. Эффективность очистки контролировалась наличием примесных линий в оптических эмиссионных спектрах плазмы гелия. Была разработана и создана ЯМР вставка в "теплую дыру" сверхпроводящего магнита (0-8,5 Тл), позволяющая создавать плазму гелия в поляризационной ячейке и наблюдать ЯМР гелия-3. Эта вставка является легкоперестраиваемой и позволяет наблюдать ЯМР ядер водорода, что необходимо для калибровки сигналов и определения абсолютных значений поляризации 3Не. При помощи ЯМР-вставки на основе экспериментов с ЯМР протонов воды были получены характеристики сигнала ядер 1H, позволяющие упростить поиск сигнала ядер 3He в дальнейшем. Также при помощи ЯМР протонов воды была измерена карта магнитного поля в "теплой дыре" сверхпроводящего магнита и определены связанные с этим ограничения для безлазерной поляризации гелия-3 в данном магните. На основании полученных данных были проведены оценки характеристик сигнала ЯМР 3He и расчеты оптимальных условий для наблюдения поляризованного ЯМР 3He в данной установке. Как итог, создана установка, полностью готовая для поляризации 3He безлазерным методом PAMP и наблюдения ЯМР поляризованного 3He в сильных магнитных полях. Также были проведены расчеты и оптимизация магнитных полей, создаваемых постоянными магнитами для дальнейшего применения метода поляризации PAMP в однородных умеренных магнитных полях. Был создан прототип компактного постоянного магнита с достаточной однородностью магнитного поля, как для процесса поляризации гелия-3, так и для ЯМР исследований. В дальнейшем наработанные методики позволят создать магнит большего размера, что увеличит возможности метода PAMP.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Для проведения экспериментов по поляризации гелия-3 методом PAMP были приготовлены запаянные поляризационный ячейки шарообразной формы с диаметрами около 9 мм. В одной из таких ячеек была успешно проведена поляризация гелия-3 (впервые в РФ) при комнатной температуре в поле 3,66 Тл и давлении 10 мбар. Полученная величина поляризации ~1% и высокое отношение сигнал-шум ЯМР сигналов позволит проводить ЯМР исследование пористых сред с помощью 3Не при комнатной температуре без длительного накопления сигнала. Калибровка величины поляризации в этих экспериментах проводилась с помощью реперного образца, содержащего смесь 3Не с кислородом под высоким давлением. Были получены зависимости величины поляризации от мощности плазмы и времени накачки ядерных спинов в плазме. Из этих экспериментов были найдены некоторые оптимальные параметры для получения наибольшей поляризации в методе PAMP в ячейках диаметром 8-10 мм. Было определено, что наличие даже небольшого количества примесей в плазме гелия-3 существенно снижает величину получаемой поляризации. Выполнена работа по определению корреляции между релаксационными параметрами гелия-3 и пористостью на основе ЯМР экспериментов с гелием-3 больцмановской поляризации в пористых образцах. В качестве модельных систем для изучения были выбраны ориентированный аэрогель пористостью 97,9% и геологические образцы нефтесодержащих пород. В аэрогеле были измерены времена релаксации и диффузия газа 3Не при температуре 77К. Из измерений диффузии 3Не была определена кнудсеновская длина свободного пробега 3Не в аэрогеле, которая хорошо согласуется с теоретически оцененной. Времена релаксации 3Не также несут полезную информацию о магнитных свойствах аэрогеля и могут зависеть от длины свободного пробега атомов 3Не в аэрогелях. ЯМР измерения сигналов и времен релаксации 3Не в образцах глины были проведены при температуре 1,5 К. Была предложена модель, в рамках которой получены пористость и размеры пор на основе полученных экспериментальных данных. Сравнение полученных параметров пористых сред с результатами традиционных методов порометрии показали хорошее согласие. Показано, что при изучении пористых сред использование 3Не имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами порометрии. Также была проведена характеризация микропористого образца цеолита типа 4А методом ЭПР. Полученные концентрации парамагнитных примесей в них позволяют надеяться на получение медленной релаксации 3Не, что необходимо при работе с поляризованными газами. Проведенные предварительные эксперименты с пористыми средами позволили оценить возможности и ограничения использования поляризованного 3Не в качестве зонда для исследования подобных пористых сред как при высоких, так и при низких температурах. Для дальнейшего развития метода PAMP было решено разработать компактную магнитную систему на основе постоянных магнитов. Были проведены расчеты и моделирование параметров магнита на основе структур Хальбаха, подходящего для поляризации гелия-3 в умеренных магнитных полях (до 0,5 Тл) и проведения ЯМР измерений в ячейке общей длиной 10 см и диаметром 2 см.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На данном этапе проекта был проведен широкий спектр экспериментальных исследований, существенно расширяющий понимание процессов, задействованных в процессе PAMP, получена рекордно высокая поляризация 3Не (7,7% при давлении газа 10 мбар и температуре ячейки выше 250 0С) данным методом в относительно большой ячейке с гелием-3. Данные исследования были проведены с использованием двойной ячейки, содержащей объем для поляризации, в которой поддерживалась плазма и второго объема, в котором измерялась поляризация с помощью ЯМР. Данная конструкция ячейки позволяет производить накопление сигнала и тем самым повышать отношение сигнал-шум при ЯМР измерениях. Существенным шагом в сторону увеличения получаемой поляризации до уровней, сопоставимых с получаемыми оптическими методами накачки MEOP и SEOP, является наблюденная сильная зависимость получаемой поляризации от температуры ячеек и подаваемой мощности в РЧ плазменный контур. В данных исследованиях РЧ мощность варьировалась в диапазоне 10-60 Вт, а температура в пределах 20-185 oС. Температура ячейки стабилизировалась с помощью воздушного охлаждения, а повышалась за счет естественного нагрева плазмой в ячейке. Как показывали эксперименты и характер наблюденных зависимостей поляризации от различных параметров, ее увеличение возможно за счет увеличения температуры поляризационной ячейки и подаваемой РЧ мощности для создания плазмы гелия-3. Рост уровня поляризации не прекращается в исследуемом диапазоне мощностей, поэтому стоит ожидать что при дальнейшем увеличении мощности ВЧ разряда можно добиться еще больших значений поляризации. Из полученных данных также сделан вывод от том, что при увеличении температуры ячейки растет и устоявшаяся поляризации 3He при этом не наблюдается тенденции к замедлению роста устоявшейся поляризации с ростом температуры. Это говорит о том, что при дальнейшем увеличении температуры также вероятнее всего можно добиться ещё больших величин поляризации. Было зафиксировано, что в плазме при приложении большой РЧ мощности помимо 3He присутствует атомарный кислород. Его относительная концентрация была определена по интенсивности линий в спектре и в ходе экспериментов. По полученным данным сделан вывод о том, что атомарный кислород в существующем количестве не снижает полученную величину поляризации 3He. Кроме того, интенсивность линий кислорода по всей видимости, является более релевантным параметром для описания эффекта PAMP, чем температура ячейки, измеренная на её внешней стенке. Обнаруженная корреляция установившейся поляризации 3He и концентрации атомарного кислорода в плазме 3He получена впервые и в дальнейшем может уточнить понимание физических процессов, стоящих за методом PAMP. Очень важным и новым с практической точки зрения результатом является полученный вывод о том, что процесс поляризации происходит за очень короткие промежутки времени длительностью в несколько секунд. Это указывает на достаточно высокую эффективность процесса PAMP. Проведены оценки эффективности электронов в плазме, возбуждающих определенные переходы в атомах гелия-3, участвующие в процессе поляризации. Для демонстрации метода исследований магнитных свойств наноструктур с помощью гелия-3 были проведены исследования наночастиц DyF3 с о средним размером 300 нм. Данные наночастицы претерпевают магнитный фазовый переход в дипольное ферромагнитное состояние при температурах ниже 2,55 К, при этом при уменьшении размеров нанокристаллов температура перехода понижается. Характер температурных зависимостей времен релаксации жидкого гелия-3 ярко продемонстрировал, что гелий-3 является чувствительным зондом, в том числе, для исследования магнитных фазовых переходов в твердых субстратах.