KEK Report: 95-16

Abstract

To investigate the spatial structure of the lattice defects of solid He-3 and He-4, a diffractometer was elaborately constructed to take forward (transmission) X-ray diffraction in mk region and X-ray cross sectional topographs from downward X-ray diffraction. In the topographs of the forward X-ray diffraction, no dislocation line of solid helium could be observed with satisfactory contrast. Considering two orders of high- or low- magnitude X-ray optical quantities, for example, the extinction distance, the mass absorption coefficients and the small atomic- scattering factors, the dynamical theory of X-ray diffraction seems to be unavailable for the crystallographic study of solid helium. In topographs of the downward X-ray diffraction, no Laue spots could be observed using a horizontally thin line-focused beam. The disappearance of the Laue spots by the downward X-ray diffraction could be explained by two main factors besides a synergistic effect of the smallness of the atomic scattering-factors, the absorption coefficients, densities etc. One is that the downward X-ray diffraction is completely inelastic scattering, and as a result, diffracted X-ray beams may become entirely diffuse scattering. The other is that the great difference in the linear scatterer density between the forward and downward directions resulted from the fact that the irradiation of a line-focused X-ray beam to take section topographs weakens the downward X-ray diffraction. The main reason is not due to the zero-point vibration.

固体He-3とHe-4の格子欠陥の空間的構造を研究するために、mK領域における前方(透過)X線回折および下方X線回折からのX線断面トポグラフを撮るための回折装置が精密に作られた。前方X線回折のトポグラフにおいては、固体ヘリウムの転移線は充分なコントラストをもっては観察されなかった。2桁高いあるいは低いX線の光学特性、例えば消衰距離や質量吸収係数、小原子散乱因子を考えてみると、X線回折の動力学的理論は固体ヘリウムの結晶学的研究には役に立たないように思われる。下方X線回折トポグラフにおいては、水平に薄く線状にフォーカスされたビームを用いるとラウエ斑点は観察できなかった。N=0によって反跳のないX線回折の一部として定義された(これは反跳によるフォノン励起がないことを意味している)新たに変形されたデバイ-ワラー因子は、固体ヘリウムの量子結晶に対して充分に調べられた。θB=90度のとき、λ=1オングストロームでの巨大な反跳エネルギー(ER)の非常に小さいフォノンエネルギー(kΘD)に対する大きな比のために、f(n=0)は圧倒的に弱められ、He-4に対しては f(n=0)=4.9x10{-14}となり、He-3に対してはf(n=0)=5.0x10{-25}となる。それは、原子番号が3よりも大きなほとんどどんな材料にも当てはまるER<<kΘDの関係とは対照的である。従ってf(n=0)の値は、He-3に対しては0度<=θB<90度の範囲で1から5.0x10{-25}へと変化する。これは、完全に反跳のないブラッグ反射から完全に反跳したそれへの変化と対応する。これらのことは固体ヘリウムにおいてのみ実現可能であるかもしれない。反跳 散乱に基づく新たに変形したブラッグの法則は、光の粒子性に基づく同様の観点により導入された。固体ヘリウムに加えてその他全ての結晶におけるX線回折は、無反跳と反跳散乱とを明らかに含む複合的なX線回折である。反跳トムソン散乱は、多重散乱を欠くことのできないX線回折の動力学的理論において様々な種類の新しい問題を呼び起こす。新しい法則によるペンデルソン・ビートにおける波長シフトの推定値は、以前の実験値と良い一致を示す。下方X線回折によるラウエ斑点の消失は、原子散乱因子や吸収係数、密度などの相乗効果以外に2つの大きな要因によって説明できた。一つは、下方X線回折は完全 な非弾性散乱であり、その結果として回折されたX線ビームは完全な拡散散乱となったことである。もう一つはA前方と下方との間の線形散乱密度の大きな違いが、断面トポグラフを撮るための線状にフォーカスされたX線ビームが下方X線回折を弱めるという事実か ら生じたことである。主な理由はゼロ点振動によるものではない。