光泵磁共振试验改进与研究学号0530107姓名刘宝营1水平方向.DOC

光泵磁共振实验改进与研究 学号：0530107 姓名：刘宝营 1　水平方向磁场的讨论 在光泵磁共振实验中, 水平方向上存在3种磁场,水平直流线圈产生的磁场BDC / / 、水平扫场B S ( t) 、以及地磁场的水平方向分量Be / / 。当观察光抽运信号时, 让BDC / / 、B S ( t) 与B e / /同向, 并调BDC / /至最小, 当改变扫场B S ( t) 幅度时, 光抽运信号正负半周对称发生变化。这是因为在水平方向有BDC / /和B e / / , 使得扫场B S ( t)在正负半周对时间t轴不对称。但是, 当保持正负半周光抽运信号不对称时的BS ( t)幅度不变, 使B S ( t)反向, 这时光抽运信号变得接近对称了。这一现象说明, 扫场B S ( t)并非是一纯正的方波信号, 否则, BS ( t)的换向不应改变光抽运信号的对称性。所以说实验中所加的方波扫场实际为一纯方波B S ( t)和一恒直流分量B SD的合成信号, 如图1所示。 图1　实际方波扫场信号 　　　 实验中, 当BS ( t) 换向后, 其中的直流分量BSD正好可以和BDC/ /及Be / /部分抵消, 使得水平方向稳恒磁场强度趋向于零, 光抽运信号也趋于对称。因此可将扫场大小表示为 BS ( t) = BSP ( t) +BSD. (1) 因此, 水平方向总稳恒磁场(不是水平方向总磁场) 的大小可表示为 B / / = BDC / / +BSD +Be / / . (2) 2　光抽运信号的讨论 由于BDC/ / 、BSD及Be / /均不为零, 使得光抽运信号会出现如下图的情况，（上为光抽运信 号下为方波扫场信号）这种现象可以解释为： 光抽运信号在扫场为高电平时，Bsd,即扫场中的直流电平与其反向，而在扫场为低电平时正好相反;扫场高电平时总磁场小于低电平时的总磁场的绝对值，因此在高电平时氩原子的光抽运程度不如低电平时，导致抽运信号高度不一。 那么如果把扫场信号取反，则会出现类似情况（右图）： 原因与上述情况类似， 因此当BS ( t)的低电平恰好小于零时，它所对应的光信号也为零（右图），若BS ( t)的低电平大于零，那么磁场不会发生反向，达到Mf=+2的氩原子不会发生能级简并和再分裂，扫场相当于不存在，光抽运信号也消失。这就解释了教材中第7页abcd四图的由来，是因为场信号中的直流电平在作怪 所以说只有在水平方向的总稳恒磁场B / / = 0时, 光抽运信号在每个半周期中才会以对称分布的形式出现, 如右图所示。 3　光泵磁共振信号的讨论 当射频场频率ν与水平方向总磁场B满足hν= gFμgB 时, 即产生共振信号。在实验中调节射频频率或磁场强度都可以让铷原子满足磁共振条件并观察到Rb85与Rb87的共振图像，但实际上看到的并不仅仅有两个共振图像。改变射频场幅度，会发现随着幅度的增加，越来越多的小共振峰出现，原因是多量子跃迁规律中，，如果第一个磁共振信号频率对应单能子跃迁，那么频率是他二分之一的磁共振信号对应能量小一倍的双能子跃迁，也就是说这些大小共振峰之间的频率应该满足整数倍的关系。 射频幅度/V 共振峰数 共振峰对应的射频频率/kHz U＜＜＜＜4　gF 因子的测量 　书中介绍的是换向法，即 水平方向总磁场B =BDC/ / +BS ( t) +Be / / , 其中水平直流线圈产生的磁场BDC可以通过线圈的电流I由（T）计算 。共振条件是hν = gFμB B , 改变BDC / /方向, 把Be / /和BS ( t)抵消后即可求gF 值。 另外还有一种方法是线性拟合法。由共振条件: hν = gFμB (BDC/ / +BS +Be / / ) 得: BDC/ / = - BS - Be / / +hgFμBν. 再根据Bdc与I的关系可推出 I和V呈线性关系,列出 I和ν的关系表，线性拟合后，根据拟合出的直线方程求出斜率，通过斜率即可求出Gf因子。 5　地磁场的测量 首先说说书中方法的缺点。书中说先使扫场，水平场，与地磁场水平分量方向相同，待调节共振后再使扫场和水平场反向，又共振后根据公式 hν3= gFμB ( - BDC - BS +Be / / ) 消去前两个磁场，最后的到此种方法麻烦，还涉及到gf的计算。 　其实可以利用光抽运信号测量地磁场。由于实验中所用方波并不是一个纯方波, 而是含有一直流成分。这本来是仪器的弊病，但正是由于这一直流成分的存在, 当改 变方波方向进行扫场时, 对光抽运信号的对称性会构成影响。利用这一现象, 亦可测定地 磁场。 首先使BDC/ /与Be / /同向, 而BS ( t)反向, 这时 BSD与水平磁场线圈产生的磁场BDC / /及地磁场水平 分量Be / /方向相反。调节BS