實(shí)驗(yàn)光磁共振

實(shí)驗(yàn)光磁共振部門(mén)：xxx時(shí)間：xxx整理范文，僅供參考，可下載自行編輯實(shí)驗(yàn)9.3光磁共振物理系楊元飛061120189引言光磁共振技術(shù)是20世紀(jì)50年代法國(guó)物理學(xué)家卡斯特勒＜A.Kastler）提出的。他于1996年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。該技術(shù)是將光抽運(yùn)與射頻磁共振相結(jié)合的一種雙共振過(guò)程。氣體原子塞曼子能級(jí)能量差極小，磁共振信號(hào)極弱，難于探測(cè)，采用光探測(cè)原子對(duì)入射光的吸收，獲得了磁共振信號(hào)。因此光磁共振技術(shù)既保持了磁共振的高分辨率，又將探測(cè)靈敏度提高了約十個(gè)量級(jí)，因而特別適用于研究原子、分子的細(xì)微結(jié)構(gòu)及其有關(guān)參量的精密測(cè)量，以及對(duì)原子、分子間各種相互作用進(jìn)行研究。近年來(lái)出現(xiàn)的激光射頻雙共振技術(shù)為原子、分子高激發(fā)態(tài)的精密測(cè)量開(kāi)辟了廣闊的前景。利用光磁共振原理在量子頻標(biāo)和精密測(cè)定磁場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)了精密儀器，即原子頻率標(biāo)準(zhǔn)〈原子鐘）和原子磁強(qiáng)計(jì)，更重要的是光磁共振原理為激光的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。b5E2RGbCAP實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握光抽一運(yùn)磁共振一光檢測(cè)的思想方法和實(shí)驗(yàn)技巧，研究原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)間的磁共振。測(cè)定銣同位素Rb87和Rb85的gF因子，測(cè)定地磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)原理光磁共振是根據(jù)角動(dòng)量守恒原理，用光學(xué)抽運(yùn)來(lái)研究原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術(shù)。由于應(yīng)用了光探測(cè)方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又將測(cè)量靈敏度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。它對(duì)原子、分子等內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的研究，在量子頻標(biāo)、弱磁場(chǎng)的精確測(cè)量等方面都有很大的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)原理光磁共振是根據(jù)角動(dòng)量守恒原理，用光學(xué)抽運(yùn)來(lái)研究原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)塞曼子能級(jí)間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術(shù)。由于應(yīng)用了光探測(cè)方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又將測(cè)量靈敏度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。它對(duì)原子、分子等內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的研究，在量子頻標(biāo)、弱磁場(chǎng)的精確測(cè)量等方面都有很大的應(yīng)用價(jià)值。plEanqFDPw精細(xì)I超精細(xì)I結(jié)構(gòu)I結(jié)構(gòu)I(a)麗mP3210—232+++■一一一32—O—2321+++一二一一;鬻;塞曼分裂銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)及其塞曼分裂銣?zhǔn)且粌r(jià)堿金屬原子，天然銣中含有兩種同位素：Rb87和Rb85。根據(jù)LS耦合產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)，它們的基態(tài)是52S1/2，最低激發(fā)態(tài)是52P1/2和52P3/2的雙重態(tài)。對(duì)Rb87，52P1/2—52S1/2躍遷為D1線〈入1=7948A)；52P3/2—52S1/2為D2線〈入2=7200A)。DXDiTa9E3d銣原子具有核自旋【，相應(yīng)的核自旋角動(dòng)量為PI，核磁矩為口I。在弱磁場(chǎng)中要考慮核自旋角動(dòng)量的耦合，即PI和PJ耦合成總角動(dòng)量PF，F(xiàn)為總量子數(shù)：F=I+J，???，|I—J|。對(duì)Rb87，I=3/2，因此Rb87的基態(tài)有兩個(gè)值：F=2和F=1。對(duì)Rb85，I=5/2，因此RB85的基態(tài)有F=3和F=2。由量子數(shù)F標(biāo)定的能級(jí)稱(chēng)為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)。原子總角動(dòng)量PF與總磁矩口F之間的關(guān)系為：RTCrpUDGiT<9.3-1)(9.3-2)。對(duì)某一F值，口F=-gFM^PFg+l)++探+1)<9.3-1)(9.3-2)。對(duì)某一F值，在磁場(chǎng)H中，原子的超精細(xì)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂磁量子數(shù)MF=F,…，—F,即分裂為2F+1個(gè)能量間距相等<△E=gFpBH,口B為玻爾磁子)的塞曼子能級(jí)〈見(jiàn)圖9.3-1)。5PCzVD7HxA圖3.2-21?成光泵過(guò)程(a)吸收宙+光的躍遷，基態(tài)Mf=2的粒子不能躍遷(b)自發(fā)輻射回到基態(tài)所有支能級(jí)Mf=2能級(jí)匕粒子數(shù)增加在熱平衡條件下，原子在各能級(jí)的布居數(shù)遵循玻爾茲曼分布<N=N0e—E/kT)，由于基態(tài)各塞曼子能級(jí)的能量差極小，故可認(rèn)為原子均衡地布居在基態(tài)各子能級(jí)上。jLBHrnAILg2.圓偏振光對(duì)銣原子的激發(fā)與光抽運(yùn)效應(yīng)對(duì)塞曼效應(yīng)原子能級(jí)躍遷圖3.2-21?成光泵過(guò)程(a)吸收宙+光的躍遷，基態(tài)Mf=2的粒子不能躍遷(b)自發(fā)輻射回到基態(tài)所有支能級(jí)Mf=2能級(jí)匕粒子數(shù)增加遷。xHAQX74J0XRb87的52S1/2和52P1/2態(tài)的MF最大值都是+2,當(dāng)入射光為。+時(shí)，由于只能產(chǎn)生△MF=+1的躍遷，基態(tài)52S1/2中MF=+2子能級(jí)的粒子躍遷概率為0,而粒子從52P1/2返回52S1/2的過(guò)程，由于是自發(fā)躍遷，按選擇定則△MF=0,±1布居，從而使得MF=+2粒子數(shù)增加〈見(jiàn)圖9.32）。這樣經(jīng)過(guò)若干循環(huán)后，基態(tài)MF=+2子能級(jí)上粒子布居數(shù)大大增加，即MFN+2的較低子能級(jí)上的大量粒子被“抽運(yùn)”到MF=+2上，造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這就是光抽運(yùn)效應(yīng)〈亦稱(chēng)光泵）。光抽運(yùn)造成粒子非平衡分布，RB原子對(duì)光的吸收減弱，直至飽和不吸收。同時(shí)，每一MF表示粒子在磁場(chǎng)中的一種取向，光抽運(yùn)的結(jié)果使得所有原子由各個(gè)方向的均勻取向變成只有MF=+2的取向，即樣品獲得凈磁化，這叫做“偏極化”。外加恒磁場(chǎng)下的光抽運(yùn)就是要造成偏極化。。一光有同樣作用，不過(guò)它是將大量粒子抽運(yùn)到MF=—2子能級(jí)上。當(dāng)為n光時(shí)，由于△MF=0，則無(wú)光抽運(yùn)效應(yīng)，此時(shí)Rb原子對(duì)光有強(qiáng)的吸收。LDAYtRyKfE弛豫過(guò)程原子系統(tǒng)由非熱平衡的偏極化狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為弛豫過(guò)程。它主要是由于銣原子與容器壁碰撞，以及原子之間的碰撞使系統(tǒng)返回到熱平衡的玻爾茲曼分布。Zzz6ZB2Ltk系統(tǒng)的偏極化程度取決于光抽運(yùn)和弛豫過(guò)程相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。為使偏極化程度高，可采用加大光強(qiáng)以提高光抽運(yùn)效率，選擇合適的溫度以合理控制原子密度，充適量的惰性氣體〈抗磁氣體）以減少弛豫過(guò)程的影響。dvzfvkwMI1射頻誘導(dǎo)躍遷一一光磁共振光抽運(yùn)造成偏極化，光吸收停止。這時(shí)若加一頻率為^1的右旋圓偏振射頻場(chǎng)H1，并使hv1等于相鄰塞曼子能級(jí)差：rqyn14ZNXIhv1=AE=gFpBH<9.3-3）則塞曼子能級(jí)之間將產(chǎn)生磁共振，使得被抽運(yùn)到MF=+2能級(jí)的粒子產(chǎn)生感應(yīng)誘導(dǎo)躍遷，從MF=+2依次跳到MF=+1，0，—1，—2等子能級(jí)，結(jié)果使粒子趨于原來(lái)的均衡分布而破壞了偏極化。但是由于抽運(yùn)光的存在，光抽運(yùn)過(guò)程也隨之出現(xiàn)。這樣，感應(yīng)躍遷與光抽運(yùn)這兩個(gè)相反的過(guò)程將達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡。EmxvxOtOco產(chǎn)生磁共振時(shí)除能量守恒外還需角動(dòng)量守恒。頻率為^1的射頻場(chǎng)H1是加在垂直于恒定水平磁場(chǎng)方向的線偏振場(chǎng)，此線偏振場(chǎng)可分解為一右旋和一左旋圓偏振場(chǎng)，為滿(mǎn)足角動(dòng)量守恒，只是與原子磁矩作拉摩爾旋進(jìn)同向的那個(gè)圓偏振場(chǎng)起作用。例如當(dāng)用。+光照射時(shí)，起作用的是角動(dòng)量為一五的右旋圓偏振射頻場(chǎng)。SixE2yXPq5

5.光探測(cè)射到樣品上的D1。+光一方面起光抽運(yùn)的作用，另一方面透過(guò)樣品的光兼作探測(cè)光，即一束光起了抽運(yùn)與探測(cè)兩個(gè)作用。6ewMyirQFL由于磁共振使Rb對(duì)D1o+光吸收發(fā)生變化，吸收強(qiáng)時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光弱，因此通過(guò)測(cè)D1o+透射光強(qiáng)的變化即可得到磁共振信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)磁共振的光探測(cè)。kavU42VRUs磁共振的躍遷信號(hào)是很微弱的，特別是對(duì)于密度非常低的氣體樣品的信號(hào)就更加微弱，由于探測(cè)功率正比于頻率，直接觀測(cè)是很困難的。利用磁共振觸發(fā)光抽運(yùn)，導(dǎo)致了探測(cè)光強(qiáng)的變化，便是巧妙地將一個(gè)低頻〈射頻，約1MHz）量子的變化轉(zhuǎn)換成一個(gè)高頻＜光頻，約108MHz）量子的變化，這就使觀測(cè)信號(hào)的功率及靈敏度提高了約8個(gè)數(shù)量級(jí)。y6v3ALoS89實(shí)驗(yàn)儀器光泵磁共振實(shí)驗(yàn)儀、射頻信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字頻率計(jì)、雙蹤示波器、直流數(shù)字電壓表。全部實(shí)驗(yàn)儀器與裝置如圖9.3-3所示。具體說(shuō)明如下：M2ub6vSTnP光泵磁共振實(shí)驗(yàn)儀由主體單元和輔助源兩部分組成。主體單元是該實(shí)驗(yàn)的核心部分，它由三部分組成：D1O+抽運(yùn)光源、吸收室區(qū)和光電探測(cè)器。0YujCfmUCwi頻率計(jì)信號(hào)建生器'水平磁場(chǎng)域圈及掃場(chǎng)線圈圖i頻率計(jì)信號(hào)建生器'水平磁場(chǎng)域圈及掃場(chǎng)線圈圖333主體眼無(wú)示意圖\恒D1o+抽運(yùn)光源包括銣光譜燈、干涉濾色片、偏振片、a波片和透鏡組成。銣光譜燈是一種高頻無(wú)極氣體放電泡，處于高頻振蕩回路的電感線圈中，受高頻電磁場(chǎng)的激勵(lì)而發(fā)光。干涉濾色片能很好地濾去D2光〈它不利于D1光的光抽運(yùn)）而只讓D1光通過(guò)，偏

1振片和I波片將該光輸出左旋圓偏振的D1O+光〈或右旋圓偏振的D1。一光)。eUts8ZQVRd吸收室區(qū)的中心是充以天然銣和惰性緩沖氣體的玻璃吸收泡。該泡兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置一對(duì)與水平場(chǎng)正交的射頻線圈，為銣原子系統(tǒng)的磁共振提供射頻場(chǎng)，射頻場(chǎng)源由射頻信號(hào)發(fā)生器提供，其信號(hào)頻率由數(shù)字頻率計(jì)顯示。吸收泡和射頻線圈都置于恒溫槽內(nèi)〈稱(chēng)它們?yōu)槲粘?，槽內(nèi)溫度從40P到70P連續(xù)可調(diào)。吸收池放在兩對(duì)相互垂直的亥姆霍茲線圈的中心。較小的一對(duì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)用于抵消地磁場(chǎng)的垂直分量；較大的一對(duì)線圈有兩個(gè)繞組，一組為水平直流磁場(chǎng)線圈，為銣原子提供使超精細(xì)能級(jí)產(chǎn)生塞曼分裂的直流磁場(chǎng)H0，另一組為掃場(chǎng)線圈，它在水平直流磁場(chǎng)上疊加一個(gè)調(diào)制磁場(chǎng)，其掃場(chǎng)波形由雙蹤示波器的一蹤顯示。sQsAEJkW5T光電探測(cè)器是硅光電池，它接收透過(guò)吸收泡的D1O+光，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大濾波后送到雙蹤示波器另一蹤顯示。GMsIasNXkA銣光譜燈、恒溫槽、各線圈繞組以及光電探測(cè)器的電源均由輔助源提供，其中水平線圈和垂直線圈的電壓由直流數(shù)字電壓表讀出。TIrRGchYzg實(shí)驗(yàn)內(nèi)容儀器調(diào)整<1)撳進(jìn)預(yù)熱鍵，加熱樣品吸收泡約50°C并控溫，同時(shí)也加熱銣燈約90C并控溫，約需30分鐘溫度穩(wěn)定，撳進(jìn)工作鍵，此時(shí)銣燈應(yīng)發(fā)出玫瑰紫色光。7EqZcWLZNX<2)將光源、透鏡、吸收池、光電探測(cè)器等的位置調(diào)到準(zhǔn)直，調(diào)節(jié)前后透鏡的位置使到達(dá)光電池的光量最大。<3)調(diào)整雙蹤示波器，使一通道觀察掃場(chǎng)電壓波形，另一通道觀察光電探測(cè)器的信號(hào)。觀測(cè)光抽運(yùn)信號(hào)<1)先用指南針判斷掃場(chǎng)、水平場(chǎng)、垂直場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向。當(dāng)判斷某一場(chǎng)時(shí)應(yīng)將另兩個(gè)場(chǎng)置于零，判斷水平場(chǎng)和垂直場(chǎng)時(shí)，應(yīng)記下數(shù)字電壓表對(duì)應(yīng)電壓的符號(hào)。lzq7IGf02E<2)不開(kāi)射頻振蕩器，掃場(chǎng)選擇“方波”，調(diào)節(jié)掃場(chǎng)的大小和方向，使掃場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)的水平分量方向相反，特別是地磁場(chǎng)的垂直分量$————對(duì)光抽運(yùn)信號(hào)有很大影響，因此要使垂蕓掃場(chǎng)方波直恒定磁場(chǎng)的方向與其相反并抵消。同一1」一，圖9.3-4)。掃場(chǎng)是一交流調(diào)制場(chǎng)。當(dāng)它過(guò)零并反向時(shí)，分裂的塞曼子能級(jí)將發(fā)生簡(jiǎn)并及再分裂；當(dāng)能級(jí)簡(jiǎn)并時(shí)，銣原子的碰撞使之失去偏極化；當(dāng)能級(jí)再分裂后，各塞曼子能級(jí)上的粒子布居數(shù)又近于相等，因此光抽運(yùn)信號(hào)將再次出現(xiàn)。掃場(chǎng)的作用就是要反復(fù)出現(xiàn)光抽運(yùn)信號(hào)。當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)的垂直分量被垂直場(chǎng)抵消時(shí)將出現(xiàn)最佳光抽運(yùn)信號(hào)，故此時(shí)也就測(cè)出地磁場(chǎng)垂直分量的大小。zvpgeqJlhk1時(shí)旋轉(zhuǎn)3波片，可獲得最佳光抽運(yùn)信號(hào)<1時(shí)旋轉(zhuǎn)3波片，可獲得最佳光抽運(yùn)信號(hào)<信號(hào)幅度3.測(cè)量基態(tài)的gF值由磁共振表達(dá)式得gF=M(9.3-4)u可由頻率計(jì)給出，因此如知H便可求出gF。此處H是使原子塞曼分裂的總磁場(chǎng)，它包括除了可以測(cè)知的水平場(chǎng)外還包括地磁水平分量和掃場(chǎng)直流分量。實(shí)驗(yàn)采用將水平場(chǎng)換向的方法來(lái)消除地磁水平分量和掃場(chǎng)直流分量。先將水平場(chǎng)和掃場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平方向相同，掃場(chǎng)為三角波，水平場(chǎng)電壓調(diào)到一定值。調(diào)節(jié)射頻信號(hào)頻率，發(fā)生磁共振時(shí)將觀察到圖9.3-5a波形，此時(shí)頻率為^1〈對(duì)應(yīng)于總場(chǎng)為H1)，再改變水平場(chǎng)方向，仍用上述方法得到頻率^2〈對(duì)應(yīng)于總場(chǎng)為H2)，如圖9.3-5b所示。這樣就排除了地磁場(chǎng)水平分量和掃場(chǎng)直流分量的影響。而水平場(chǎng)對(duì)應(yīng)的頻率為u=<v1+v2)/2，水平磁場(chǎng)的數(shù)值可由水平電壓和水平亥姆霍茲線圈的參數(shù)來(lái)確定。NrpoJac3v1RS3.2^5演妹門(mén)『用子原理圖由于Rb87與Rb85的gF值不同，根據(jù)對(duì)Rb87的v/H=7000MHz/T，對(duì)Rb85的v/H=4700MHz/T可知，當(dāng)水平場(chǎng)不變時(shí)，頻率高的為Rb87共振信號(hào)，頻率低的為Rb85共振信號(hào)；當(dāng)射頻不變時(shí)，水平磁場(chǎng)大的為Rb85共振信號(hào)，水平磁場(chǎng)小的為Rb87共振信號(hào)。還要注意的是，因?yàn)槿遣⊕邎?chǎng)的波峰和波谷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，故對(duì)每一同位素將分別在波峰和波谷處觀察到不同頻率的磁共振信號(hào)。上述實(shí)驗(yàn)是固定水平磁場(chǎng)調(diào)

節(jié)射頻頻率的方法〈調(diào)頻法），還可以采用固定射頻頻率調(diào)節(jié)水平磁場(chǎng)的方法〈調(diào)場(chǎng)法）進(jìn)行。1nowfTG4KI4.測(cè)量地磁場(chǎng)同測(cè)gF方法類(lèi)似，先使掃場(chǎng)、水平場(chǎng)與地磁場(chǎng)水平分量方向相同測(cè)得ul,然后同時(shí)改變掃場(chǎng)和水平場(chǎng)的方向測(cè)得v2,這樣得到地磁場(chǎng)水平分量對(duì)應(yīng)的頻率為fjnFLDa5Zov=<用一t2）/2,即排除了掃場(chǎng)和水平場(chǎng)的影響，從而得到H地水平二處玨，而H地垂直已在實(shí)現(xiàn)最佳光抽運(yùn)信號(hào)時(shí)測(cè)知，由此可得地磁場(chǎng)的大小和方向：tfnNhnE6e5<3.2-5)<3.2-6)地—J上f地水平+H~地審言哄二丑地垂直<3.2-5)<3.2-6)本實(shí)驗(yàn)是在弱磁場(chǎng)中進(jìn)行的，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，主體單元一定要遠(yuǎn)離其他帶有電磁性物體、強(qiáng)電磁場(chǎng)及大功率電源線。磁場(chǎng)方向判斷過(guò)后，務(wù)必取出指南針。HbmVN777sL為避免外界雜散光進(jìn)入探測(cè)器，主體單元應(yīng)罩上黑布。在精測(cè)量時(shí)，為避免吸收池加熱絲所產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)影響，可短時(shí)間關(guān)掉吸收池加溫電流。亥姆霍茲線圈軸中心處磁場(chǎng)的運(yùn)算公式為1血NUH二剪?京X10-7T式中：N——線圈每邊匝數(shù)；R——線圈線繞電阻<0）；r——線圈有效半徑<m）；U——場(chǎng)直流電壓〈V）。其中各線圈的N、r、R等參數(shù)實(shí)驗(yàn)室已給出，U由數(shù)字電壓表讀出。數(shù)據(jù)處理線圈參數(shù)水平線圈垂直線圈掃描線圈匝數(shù)N250100250線圈半徑r（m>0.2410.15300.2360線圈電阻R（0>24.7525.4224.30測(cè)量垂直分量時(shí)，.水平磁場(chǎng)掃描磁場(chǎng)++968.0KHz1