自旋回波原理

實(shí)驗(yàn)7-2 自旋回波自旋回波(SpinEcho)是射頻脈沖與靜磁場(chǎng)中核磁矩體系相互作用的結(jié)果。兩個(gè)具有適當(dāng)寬度的射頻脈沖以一定的間隔相繼作用在靜磁場(chǎng)中的核磁矩體系上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在接收系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)感應(yīng)信號(hào)，信號(hào)與第二脈沖的間隔恰好等于脈沖之間的間隔，就象脈沖信號(hào)的回波一樣，故稱為“自旋回波”。圖7-2-1是自旋回波的示意圖。自旋回波不僅是一種有趣的物理現(xiàn)象，而且也0t1τ+2t1τt0是一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。利用自旋回波技術(shù)可以測(cè)2量弛豫時(shí)間T1和T2，特別是可剔除磁場(chǎng)不均勻?qū)D7-2-1自旋回波T2的影響。還可以研究所謂“自擴(kuò)散效應(yīng)”。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠脤?shí)驗(yàn)手段研究射頻脈沖與靜磁場(chǎng)中核磁矩體系的相互作用，學(xué)會(huì)用矢量模型介釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。用自旋回波方法測(cè)量T2。用射頻脈沖法測(cè)量T1。二、實(shí)驗(yàn)原理自由感應(yīng)衰減(FID)zM0M0M0t=00t=y0y0M1t''yMMH1x(ax(b)x(c')')圖7-2-2自由感應(yīng)衰減（FID）173KK磁共振的宏觀理論告訴我們，滿足共振條件時(shí)，磁化強(qiáng)度矢量M在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中將繞H1以=γH1K1=π2ω1=π2rHω1的角頻率進(jìn)動(dòng)。假設(shè)H1在t=0的時(shí)刻加上，在t=t1時(shí)撤去，KKK那么在0～t1這段時(shí)間里M繞H1恰好轉(zhuǎn)過(guò)90°(圖7-2-2)。這個(gè)脈沖的作用是使M轉(zhuǎn)過(guò)90°，故稱為90°脈沖。顯然t1的大小與H1有關(guān)，當(dāng)H1很強(qiáng)時(shí)，t1可能比系統(tǒng)的弛豫時(shí)間T1、T2小得多，這正是用射頻脈沖激發(fā)磁矩系統(tǒng)的基本要求。 (為什么?)K根據(jù)Bloch的假設(shè)，射頻脈沖撤去以后M的縱向分量Mz和橫向分量Mxy將各自按指數(shù)規(guī)律回到原先的平衡位置：?dMz??dt??dMxy??dt

M0-Mz??-t?=M0?-t?=?Mz(t)=M2(0)?1-eT1??1-eT1?T1???????????Mxy?t=-T2T2??Mxy(t)=Mxy(0)e弛豫過(guò)程在x'y'z'系中觀察如圖7-2-1b所示。在xyz系中觀察則如圖7-2-2c所示。弛豫時(shí)間過(guò)程中Mxy≠0，所以在接受線圈（在自差法中這個(gè)線圈也是發(fā)射線圈）中將感應(yīng)出一個(gè)信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)的頻率與進(jìn)動(dòng)頻率ω相同，其包絡(luò)與Mxy的大小成比例。這樣一個(gè)頻率為0ω0的指數(shù)衰減信號(hào)稱為自由感應(yīng)衰減信號(hào)，即FID信號(hào)。理論分析表明(圖7-2-3a)，F(xiàn)IDe-Tt2FID信號(hào)ttt1載波0ω0t1(b)檢波(介調(diào))后得到的FID信號(hào)(a)調(diào)制在載波上的FID信號(hào)圖7-2-3FID信號(hào)信號(hào)(時(shí)域信號(hào))與波譜(頻域信號(hào))互為付里葉變換。在 PFT-NMR系統(tǒng)中就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)FTtωω0FID信號(hào)FID信號(hào)圖7-2-4時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)之間的變換FID信號(hào)進(jìn)行快速付里葉變換以后得到波譜的(圖7-2-4)。t-(圖7-2-3a)表示FID信號(hào)的幅度正比于eT2，實(shí)際上由于外磁場(chǎng)H0的不均勻，樣品中174不同核磁矩所處場(chǎng)大小不同，衰減時(shí)進(jìn)動(dòng)頻率不相同，不同進(jìn)動(dòng)頻率的指數(shù)衰減信號(hào)疊加的結(jié)果使總和的FID信號(hào)以T2"衰減，T2"滿足111"=+'T2T2T2其中T2是Bloch定義的橫向弛豫時(shí)間，而T2'，則反映了外場(chǎng)H01)。T2'的不均勻(T2'=γH0的作用相當(dāng)于使上能級(jí)的壽命縮短，從而使譜線展寬，用NMR方法通過(guò)測(cè)量線寬來(lái)計(jì)算T2時(shí)實(shí)際上將T2'的影響也包含進(jìn)去了。對(duì)液體樣品來(lái)說(shuō)，T2'常比T2要小得多，所以用線寬來(lái)衡量T2是不合適的，以下我們將看到自旋回波技術(shù)就可以避免T2'的影響。2.自旋回波(SpinEcho)和自由感應(yīng)衰減一樣，自旋回波也可以用矢量模型來(lái)解釋。z'z'z'M00y'0t=t1y'M2y'B1MMMt=0t=t11x'x'x't=τ(a)(b)(c)z'z'M'2M'1y'M0y'x't=τt1x't=2τ+2(e)(d)oτo自旋回波矢量圖解圖7-2-590--180設(shè)磁場(chǎng)不太均勻，T2"<T2，觀察自旋回波時(shí)用兩個(gè)射頻脈沖，第一個(gè)從t=0到t=t1的是“90°脈沖”，在τ時(shí)刻(T2"<τ<<T1，T2)加上第二個(gè)“180°脈沖”(脈沖持續(xù)時(shí)間比第一個(gè)長(zhǎng)一倍)，我們來(lái)分析這時(shí)KM的運(yùn)動(dòng)。在圖7-2-5中，(a)是t=0的情況，(b)是t=t1時(shí)的情況。KK它以時(shí)間常數(shù)T2"M繞H1進(jìn)動(dòng)90，到達(dá)x'-y'面上的y'軸，隨后可接收到自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)，K在x'-y'平面上分衰減至零(圖7-2-6)。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于不同磁場(chǎng)處的局部磁化強(qiáng)度矢量Mi散成均勻分布。這分散主要不是由于自旋?自旋弛豫作用，而是由于外磁場(chǎng)的不均勻。我175們挑出樣品中兩個(gè)微小部分，它們各處于稍K微不同的磁場(chǎng)中，它們的磁化強(qiáng)度矢量M1Kz'軸e-t/T"2和M2在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中各自沿相反方向繞進(jìn)動(dòng)，前者所處的磁場(chǎng)比平均磁場(chǎng)大，后者e-2τ2所處的磁場(chǎng)比平均磁場(chǎng)小，在t=τ時(shí)刻到達(dá)/T圖7-2-5c的位置。在這時(shí)加上第二個(gè)脈沖(“180°脈沖”寬度為2t1)，使它們分別轉(zhuǎn)到t1τ+2t1t0KK0τ圖7-2-5d的M1'和M2'位置。從這位置起，KKM1'和M2'繼續(xù)轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)又一個(gè)τ間隔，二圖7-2-690°-180°脈沖系列測(cè)量T2者又重合在-y'方向上(圖7-2-5e)。顯然，其K它各個(gè)Mi此刻均相遇于-y'方向上。因此，在線圈上又獲得一個(gè)信號(hào)。這就是“回波”信號(hào)(圖7-2-6)。但是，由于存在自旋?自旋弛豫作用，回波信號(hào)的強(qiáng)度有所減弱。與90°脈沖后的自由感應(yīng)衰減信號(hào)相比，幅度下降到e-2τT2。從實(shí)驗(yàn)上測(cè)定對(duì)應(yīng)于不同τ的回波信號(hào)的相對(duì)幅度就可以準(zhǔn)確地測(cè)定T2，而與磁場(chǎng)的均勻性無(wú)關(guān)。3.用90°－τ－90°脈沖序列測(cè)量 T1K90°－τ－90°脈沖系列可用于測(cè)量縱向弛豫時(shí)間T1(圖H1進(jìn)動(dòng)了90°，到達(dá)x'-y'z'平面的y'軸上(圖7-2-7b)。隨后由于外磁場(chǎng)的不均勻，各磁化強(qiáng)度矢量在x'-y'平M0面上的分量經(jīng)過(guò)T2"時(shí)間以后，將成為均勻分布。同時(shí)由于存在弛豫時(shí)間T1，系統(tǒng)0y'K磁矩M在z方向的分量MKB1t=0Mz，將按(7-2-1)式指數(shù)增x'加，在t=τ時(shí)刻，如圖7-2-7c(a)所示。這時(shí)加上第二個(gè)90°z'脈沖。第二個(gè)90°脈沖過(guò)后，MZ(τ)又倒至y'軸的位Mz()置，見圖7-2-7d。這時(shí)緊接τ著接收到的自由感應(yīng)衰減信號(hào)的起始振幅正比于y'MZ(τ)(圖7-2-8)。對(duì)于不同M1的τ，用90°－τ－90°脈沖x't=τ(c)系列測(cè)量MZ(τ)與τ之間90o的關(guān)系，即可根據(jù)(7-2-1)式圖7-2-7τ測(cè)定縱向弛豫時(shí)間T1。--K7-2-7)。第一個(gè)90°脈沖使M繞z'0t=t1y'Mx't=t1(b)z'Mz(τ)y't=τ+t1x'(d)90o脈沖系列波矢量圖解176二、 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖7-2-9所示。e-t/T"2脈沖程序器用于產(chǎn)生90°－τ－180°或90°－τ－90°脈沖序列，兩個(gè)脈沖的寬度、間隔及脈沖序列的重復(fù)頻率均可調(diào)。射頻發(fā)正比于射機(jī)在脈沖序列的控制下發(fā)送頻率為ω00t1ττt1圖7-2-890o的射頻脈沖序列去激勵(lì)樣品。儀器使用單線τ90o脈沖系列測(cè)量T1圈探頭，發(fā)射和接收由同一個(gè)線圈完成，探--頭還包括調(diào)配電路和由二極管構(gòu)成的自動(dòng)開關(guān)，使發(fā)射和接收都能工作在良好的狀態(tài)下。接收放大器包括射頻放大、檢波和低頻放大，輸出信號(hào)送到示波器觀察，同時(shí)送到一個(gè)單點(diǎn)取樣積分器，積分后用表頭指示回波幅度。取樣位置由來(lái)自脈沖程序器的取樣脈沖控制。脈沖程序器還輸出一個(gè)同步脈沖作為示波器 x軸的觸發(fā)信號(hào)。單點(diǎn)取樣積分表頭回波信號(hào)接收探頭脈 沖 射 頻 接 收程序器 發(fā)射機(jī) 放大器

z(τ)tS NY X同步脈沖圖7-2-9自旋回波實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求熟悉儀器，觀察脈沖序列波形和射頻沖序列波形，了解脈沖寬度、間隔及重復(fù)周期的調(diào)節(jié)方法及調(diào)節(jié)范圍。觀察甘油樣品的FID信號(hào)提示：①測(cè)量射頻脈沖頻率ω，利用共振條件及H的旋磁比數(shù)值γH=26753rad/S·G0計(jì)算H0，并設(shè)定H0（以后還需細(xì)調(diào)）。②適當(dāng)選取脈沖間隔τ及周期T。觀察甘油樣品的自旋回波信號(hào)注意:不滿足90°－τ－180°脈沖序列時(shí)也會(huì)看到回波信號(hào)，但90°－τ－180°脈沖序列作用下回波信號(hào)最強(qiáng)。1774.測(cè)量一組不同濃度的硫酸銅水溶液樣品的弛豫時(shí)間 T1，在雙對(duì)數(shù)紙上作 T1~nCu++圖。Cu++是一種順磁離子，水中含有 Cu++將劇烈改變質(zhì)子磁矩的弛豫時(shí)間 T1，這組測(cè)量可以得到順磁離子影響弛豫過(guò)程的規(guī)律。雖然可以用 90°－τ－90°脈沖序列直接測(cè)量 T1，但是具體操作有不便之處。由于常溫水溶液 T1=T2，所以我們可以用 90°－τ－180°脈沖序列，即用自旋回波方法測(cè)量T2，從而間接得到T1。至于直接測(cè)量T1的方法你當(dāng)然可以嘗試并體會(huì)一下何處不便。原則上T2可由回波峰值和τ的曲線求得，但那樣需要對(duì)每一個(gè)τ單獨(dú)作一次測(cè)量，工作量太大。實(shí)際上按下面的方法只要作兩次測(cè)量就可以求得 T2，設(shè)回波峰值為A，已經(jīng)知道2τ-A∝eT2如果令兩次測(cè)量得到的回波峰值 A1/A2=2，即A1 =eA2e

2τ1T22τ2=2T2兩邊取對(duì)數(shù)，整理即得T=2(τ2-τ1)≈2.89τ-τln2對(duì)于粘滯樣品(如甘油)，上述結(jié)論是正確的，但是非粘液體(例如水溶液)，則因分子擴(kuò)散的影響，要進(jìn)行修正。K由前面的討論我們知道，在180°脈沖過(guò)后經(jīng)過(guò)時(shí)間τ，Mi又重新會(huì)聚形式自旋回波。K但是，是否所有的Mi都能準(zhǔn)確會(huì)聚，則取決于2τ時(shí)間內(nèi)，每個(gè)核是否保持在不變的磁場(chǎng)內(nèi)。對(duì)于非粘滯液體，擴(kuò)散會(huì)使核從不均勻磁場(chǎng)的一個(gè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)區(qū)域，回波的幅度將減小。在自旋回波實(shí)驗(yàn)中，擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)回波幅度的影響取決于空間磁場(chǎng)梯度(G)擴(kuò)散系數(shù)(D)和擴(kuò)散發(fā)生的時(shí)間，已證明：-2τ2223-γGDτA∝eT23其中γ是旋磁比。令222DK=γG3-2τ3-Kτ則A∝eT2同樣令A(yù)1/A2=2，則1782τ-τT2=(21)ln2-33ττK(2-1)常數(shù)K可以從標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量得到。已知25℃的水T2=2.3S，所以對(duì)于水樣品K=?ln2-2(τ2-τ1)??313?2.3?τ-τ??21思考題試用矢量模型分析 M在180°-τ-90°脈沖作用下的運(yùn)動(dòng)情況。179實(shí)驗(yàn)7-3 光磁共振光磁共振，亦稱光泵（ OpticalPumping）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)方法是由法國(guó)物理學(xué)家 Kastler在1950年首創(chuàng)的。它的基本思想是利用光的抽運(yùn)效應(yīng)造成原子基態(tài) Zeeman能級(jí)上粒子布居的偏極化，即偏離熱平衡時(shí)所遵循的 Boltzmann分布。然后利用磁共振效應(yīng)對(duì)這種偏極化布居進(jìn)行擾動(dòng)，使光的抽運(yùn)速率變化。 通過(guò)對(duì)抽運(yùn)速率變化的探測(cè)來(lái)研究原子 Zeeman能級(jí)的結(jié)構(gòu)（超精細(xì)結(jié)構(gòu) --hyperfine）。光磁共振實(shí)驗(yàn)巧妙地利用了光探測(cè)的高靈敏度和磁共振的高分辨率，在實(shí)驗(yàn)構(gòu)思上堪稱典范。光磁共振實(shí)際上是一種雙共振現(xiàn)象，因?yàn)槌檫\(yùn)也是在共振下進(jìn)行的。六十年代以后在磁共振領(lǐng)域里雙共振的實(shí)驗(yàn)方法得到了充分的開發(fā)，而這些雙共振技術(shù)在原理上與光磁共振則是相似的。由于光磁共振在基礎(chǔ)物理研究、量子頻標(biāo)技術(shù)和弱磁場(chǎng)測(cè)定等方面都有著重要的應(yīng)用價(jià)值，因此Kastler獲得了1966年的諾貝爾獎(jiǎng)。光磁共振是一個(gè)物理內(nèi)容很豐富的實(shí)驗(yàn)。它涉及磁共振、核自旋、核磁矩等一些物理概念；又用到光學(xué)，電磁學(xué)和電子學(xué)方面的許多實(shí)驗(yàn)技術(shù)。一、 實(shí)驗(yàn)原理（1）光的抽運(yùn)效應(yīng)1．原子的能級(jí)和Zeeman分裂本實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象是堿金屬銣的兩個(gè)同位素85Rb和87Rb。它們的豐度分別為72.15％和27.85％。銣的基態(tài)是52S1/2，第一激發(fā)態(tài)是52P1/2和52P3/2·從52P1/2到52S1/2的躍遷稱為線，λ=7948o；從52P3/2到52S1/2躍遷稱為D2線，λ=7800oD1AA。D1D2K在原子物理中我們已經(jīng)知道核自旋I=0的原子LS耦合后的總角動(dòng)量PJ和原子總磁矩之間的關(guān)系為KeK（7-3-1）μJ=-gJ2mcPJgJ=1+J(J+1)-L(L+1)+S(S+1)（7-3-2）2J(J+1)I≠0時(shí)還要進(jìn)一步考慮電子的總角動(dòng)量與核的總角動(dòng)量之間的耦合，一般地有：KKKPF=PI+PJ（7-3-3）KeK（7-3-4）μF=-gFPF2mc180在弱場(chǎng)下：F(F+1)-I(I+1)+J(J+1)gF=1+2F(F+1)（7-3-5）KK式中F是總量子數(shù)。F的取值為：J+I，J+I-1，???，ㄧ、gF的意J-Iㄧ·PF、μFK義無(wú)須再加說(shuō)明。將原子系統(tǒng)置于磁場(chǎng)中，根據(jù)空間量子化原理，PF在外場(chǎng)方向的投影為MF=，其中MF是磁量子數(shù)，可能的取值是：F，F(xiàn)-1，??，（-F+1），-F，共2F+1個(gè)。即每一個(gè)能級(jí)在磁場(chǎng)中又分裂成2F+1個(gè)Zeeman能級(jí)，銣原子系統(tǒng)的能級(jí)圖如圖7-3-1所示。87RbI=3/285RbI=5/2F=3F=3J=3/2F=2J=3/2F=252P3/2F=152P3/2F=1F=0F=023F=2F=321100J=1/2-1J=1/2-1818.6MHzh-2-252P1/252P1/23035.7MHzh-3-1-2F=1F=2-100112D1D2D1D23F=22F=321100J=1/2-1J=1/2-1-2-252S1/252S1/23035.7MHzh-36834.7MHzh-2F=1-1F=2-100112精細(xì)結(jié)構(gòu)超精細(xì)塞曼精細(xì)結(jié)構(gòu)超精細(xì)塞曼結(jié)構(gòu)分裂結(jié)構(gòu)分裂K圖7-3-1銣原子能級(jí)圖（未按比例）KμF與外場(chǎng)B相互作用的附加能量是：GKe=E=-μF?B=gFMF2mcB=gFMFμBB（7-3-6）181式中μe=為玻爾磁子。相鄰兩Zeeman能級(jí)的能量差為：=2mcE=gFμBB（7-3-7）因此基態(tài)Zeeman能級(jí)之間發(fā)生磁共振的條件應(yīng)該是=ω=gFμBB（7-3-8）2．抽運(yùn)效應(yīng)52P1/2MF21F=20-1-2-1F=10152S1/2210 F=2-1-2-10 F=11圖7-3-2 躍遷循環(huán)我們知道偏振光對(duì)原子的激發(fā)必須符合一定的選擇定則。例如原子吸收一個(gè)σ+（左旋）光子則磁量子數(shù)加一：MF→MF+1；而原子吸收一個(gè)σ－（右旋）光子則磁量子數(shù)減一：MF→MF－1。本實(shí)驗(yàn)中我們把銣蒸汽放在一個(gè)密封的透明玻璃泡中（稱為樣品泡），用銣燈選出D1線（52P1/2→52S1/2）照射樣品泡。如果取左旋偏振光σ+，那么躍遷的選律為：?F=0，±1?（7-3-9）?MF=+1182基態(tài)原子將按這個(gè)選律而躍遷到 52P1/2的有關(guān)Zeeman能級(jí)上去。而原子從 52P1/2通過(guò)無(wú)輻射躍遷的途徑回到52S1/2的各個(gè)能級(jí)上來(lái)的幾率卻幾乎是相等的，這個(gè)過(guò)程滿足的選擇定則是：，±1（7-3-10?，±1）?MF=0躍遷循環(huán)示意圖見圖7-3-2。容易看出基態(tài)MF）禁戒=+2的向上躍遷是被選擇定則（7-3-9的，而向下躍遷卻是選擇定則（7-3-10）所允許的。于是經(jīng)過(guò)多次循環(huán)以后基態(tài)絕大部分原子都被抽運(yùn)到MF的能級(jí)上去了。這種情況就稱為布居的偏極化。抽運(yùn)過(guò)程將一直進(jìn)行=+2到達(dá)到飽和。（2）Zeeman能級(jí)之間的磁共振K（7-3-8）式是Zeeman能級(jí)之間磁共振的條件。如果在垂直于B的方向上加一個(gè)射頻場(chǎng)B1，并且使射頻場(chǎng)的頻率滿足共振條件，那么Zeeman能級(jí)之間將產(chǎn)生感應(yīng)躍遷。對(duì)于不同能級(jí)的原子，感應(yīng)躍遷的幾率幾乎相等。在偏極化狀態(tài)MF=+2的原子占基態(tài)原子的大多數(shù)，因此感應(yīng)躍遷的結(jié)果必然使MF=+2能級(jí)上的原子減少，從而原來(lái)已經(jīng)達(dá)到飽和的抽運(yùn)又重新開始，直至抽運(yùn)作用和磁共振作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。（3）磁共振信號(hào)的光探測(cè)如上分析，當(dāng)磁共振作用發(fā)生時(shí)抽運(yùn)退出飽和，這實(shí)際上意味著樣品對(duì)泵浦光有吸收，于是透過(guò)樣品泡的光強(qiáng)就要減弱，只要探測(cè)透射光強(qiáng)的變化就可以發(fā)現(xiàn)磁共振信號(hào)。磁共振信號(hào)本身是非常微弱的，直接探測(cè)非常困難。而轉(zhuǎn)換成光信號(hào)以后就容易探測(cè)了。這里泵浦光就是探測(cè)光，這正是實(shí)驗(yàn)構(gòu)思的巧妙之處。從能量角度看，直接探測(cè)磁共振器信號(hào)相當(dāng)于探測(cè)射頻光子（ν～106Hz），而光探測(cè)相當(dāng)于探測(cè)可見光區(qū)域的光子（ν～1014Hz），其量子增益達(dá)108。（4）弛豫過(guò)程弛豫過(guò)程和抽運(yùn)過(guò)程是一對(duì)矛盾。抽運(yùn)過(guò)程取決于泵浦光的強(qiáng)弱，而弛豫過(guò)程則與原子系統(tǒng)的碰撞有關(guān)。兩個(gè)物理過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果使原子系統(tǒng)只能達(dá)到一定的偏級(jí)化程度（在磁共振發(fā)生以前）。當(dāng)然偏極化強(qiáng)度越高，磁共振信號(hào)越強(qiáng)。因此提高偏極化強(qiáng)度是選擇實(shí)驗(yàn)條件的一個(gè)重要依據(jù)。弛豫的微觀過(guò)程是很復(fù)雜的，在光抽運(yùn)實(shí)驗(yàn)中的有 :1．銣原子與容器壁的碰撞，這種碰撞導(dǎo)致能級(jí)躍遷，使原子基態(tài)恢復(fù)到熱平衡分布，失去光抽運(yùn)所產(chǎn)生的偏極化。2．銣原子之間的碰撞。這種碰撞導(dǎo)致自旋——自旋交換弛豫，縮短了能級(jí)壽命，使原子回到熱平衡分布，失去偏極化。3．銣原子與緩沖氣體分子之間的碰撞，由于選作緩沖氣體（如N2）的分子磁性很小，碰撞對(duì)銣原子磁能態(tài)擾極小，這種碰撞對(duì)原了偏極化基本沒(méi)有影響。在光抽運(yùn)最佳溫度時(shí)，銣蒸氣的原子密度為1011/cm3。當(dāng)樣品泡直徑為5cm時(shí)，器壁的原子總數(shù)要比銣蒸氣原子大2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此銣原子與器壁碰撞是失去偏極化的主要原183因。為了避免這種碰撞，人們?cè)跇悠放葜谐溥M(jìn)了大約 10τ的緩沖氣體，在此壓強(qiáng)下緩沖氣體的密度約為1017個(gè)/cm3，比銣蒸氣原子密度高6個(gè)數(shù)量級(jí)，這就大大減少了銣原子與器壁碰撞的機(jī)會(huì)，保持了銣原子高度的偏極化。溫度升高時(shí)，銣蒸氣原子密度升高，銣原子與器壁及原子相互之間的碰撞都增加，使原子的偏極化減小。而溫度過(guò)低時(shí)，銣節(jié)氣原子數(shù)目太少，信號(hào)幅度也很小。因此有個(gè)最佳溫度范圍，一般在40℃至60℃之間。二、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖 7-3-3所示。有兩個(gè)正交的亥姻霍茲圈，分別產(chǎn)生水平磁場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)。水平亥姻霍茲圈的軸向應(yīng)放在與地磁場(chǎng)水平分量一致的方向上（南北向）。兩個(gè)線圈中流過(guò)的電流可分別調(diào)整，電流方向可通過(guò)換向開關(guān)改變。水平場(chǎng)可從0～2GS連續(xù)可調(diào)。垂直場(chǎng)從0～1GS連續(xù)可調(diào)。水平磁場(chǎng)線圈射頻線圈濾垂直磁場(chǎng)線圈濾樣品泡濾波1/4光波片波波光源片L1片片加熱池檢L2測(cè)器1偏振片光具座 直流電源 示波器掃場(chǎng)信號(hào)圖7-3-3光泵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置為了能探測(cè)到光強(qiáng)的變化，必須產(chǎn)生一個(gè)交變的水平磁場(chǎng)（掃場(chǎng)）。在水平亥姻霍茲線圈的骨架上還繞有一組掃場(chǎng)線圈。加在的掃場(chǎng)線圈的信號(hào)有方波和三角波兩種，方波頻率為10Hz，三角波頻率為20Hz。掃場(chǎng)范圍各為0～1.5GS和0～0.7GS。線圈的電流方向也可通過(guò)換向開關(guān)改變。KG射頻線圈在樣品泡兩側(cè)并使射頻磁場(chǎng)B1與水平磁場(chǎng)B2垂直。射頻源是一個(gè)有一定功率輸出的高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為20KHz～1MHz。樣品泡是一個(gè)充有天然銣的直徑為 5cm的透明玻