光泵磁共振实验中扫场信号研究和测量

光泵磁共振实验中扫场信号研究和测量
高浩哲;池水莲;陈昕;张玉霞
【摘要】提出了两种扫场信号的测量方法,给出了公式推导和分析;进行了测量,给出了误差分析,并且对实验中读取共振信号时,共振吸收峰应该对着三角波的波峰还是波谷的问题给出了判断和解决方法,提高了实验的准确度和可操作性.该文的研究扩展了实验内容,有利于提高学生的创新能力.%Two measurement methods for the scanning field signal are proposed, and the deduction and analysis of the formula are provided.Then, the experimental measurement is carried out, and the error analysis is presented.When reading the resonance signal in the experiment, the judgment and the solution method for the problem about whether the resonance absorption peak should face to the crest or trough of the triangle wave are given, enhancing the experimental accuracy and operability.This research extends the content of the experiment, and it is beneficial to improve the students' innovative ability.【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2017(034)002
【总页数】4页(P66-69)
【关键词】光泵磁共振;扫场信号;共振信号
【作者】高浩哲;池水莲;陈昕;张玉霞
【作者单位】华南理工大学物理与光电学院, 广东广州 510641;华南理工大学物理与光电学院, 广东广州 510641;华南理工大学物理与光电学院, 广东广州510641;华南理工大学物理与光电学院, 广东广州 510641
【正文语种】中文
【中图分类】O562.32
光泵磁共振是把光抽运效应和磁共振相结合的一种实验技术,是原子物理学的重要成果,同时也是重要的实验手段[1-2]。

光泵磁共振实验对于研究和理解原子物理学中的诸多重要概念,如塞曼效应,精细结构,超精细结构都有着重要的作用[3]。

在光泵磁共振实验中,水平场电流的大小可以直接从仪器中读取,而扫场的电流大小却不能直接得到[4],扫场电流含有直流与交流分量,理解扫场对于理解整个实验至关重要[1],扫场的大小决定了共振吸收信号发生的位置(对应扫描场三角波的波峰还是波
谷)[5-6]。

本文设计了测量扫场的直流分量和交流分量实验方法,有利于学生加深对光泵磁共振实验的理解,有利于提高学生的创新科研能力。

在正常状态下,原子体系处于热平衡状态，原子满足玻尔兹曼分布,各塞曼子能级的能量差很小,各能级的粒子数基本处于均匀分布状态[3]。

在外磁场的作用下,87Rb 原子的总磁距μJ与外磁场B0相互作用,使超精细结构中的各能级进一步分裂,形成塞曼子能级,相邻能级的能量差ΔEmF相等[7],且有
其中gF为朗德因子,μB为玻尔磁子。

实验中样品为87Rb和85Rb的混合蒸气。

由于实验仪器中恒温槽的温度为55 ℃左右,样品87Rb的信号有最大值。

本文主要讨论扫场对观测的影响,因此只讨论
87Rb的信号。

在实验样品的周围加一射频线圈,当频率υ满足共振条件:
时,将发生射频受激辐射,即光泵磁共振[8]。

式(2)中h为普朗克常数,B为所有磁场的合磁场,包括水平分量和垂直分量。

在实验中,为了研究方便,通常使用垂直线圈抵消地磁场[9]和其他可能存在的环境磁场的垂直分量[10-11]。

这样,式(2)中的B为总磁场的水平分量B水平:
其中BE//为地磁场的水平分量,B//为水平场,BD为扫场的直流分量,BA为扫场的交流分量。

水平场和扫场的大小可以调节,方向可以改变。

由式(3)和式(2)可以得到:
地磁场BE//的大小和方向始终恒定,因此选取地磁场的方向为正向参考方向。

当水平场与地磁场方向相同时,B//符号为正,相反时为负；当扫场与地磁场方向相同时,扫场的直流分量BD符号为正,相反时为负；共振发生在波峰时扫场的交流分量BA 符号为正,共振发生在波谷时扫场的交流分量BA符号为负。

实验使用由北京大华无线电仪器厂生产的DH807光磁共振实验仪。

其他设备还包括泰克TDS1002B数字示波器和盛普F06A型数字合成函数信号发生器(频率在0～2 MHz范围内连续可调)。

图1是厂家提供的DH807光磁共振实验仪扫场电路。

可以发现,当拨动开关K6改变扫场方向时,示波器上显示的三角波方向并不会改变,因此在实验中读取共振信号时应当注意实际扫场的波峰、波谷与示波器显示三角波的波峰、波谷是否一致[12]。

当实验中磁场满足共振条件式(4)时,87Rb将发生共振吸收,可以在示波器显示明显的吸收峰[13]。

利用这一性质,可以使用不同的水平场和共振频率组合得到扫场的直流与交流分量。

在实验操作过程中令水平场满足[14]：
通过改变水平场的大小、方向以及扫场的方向,并获得相对应的共振频率,对其共振条件表达式进行适当组合,就可以推导出扫场的直流与交流分量。

在组合时保持共振频率不变,改变水平场大小的方法称为扫场法；在组合时保持水平场不变,改变共振频率大小的方法称为扫频法。

3.1 扫场法
在实验中固定射频场的频率为υ,通过改变水平场线圈电流的大小来改变水平场的大小,得到不同的组合结果,从而计算出扫场的直流与交流分量。

3.1.1 计算扫场中的直流分量
当水平场反向(与地磁场方向相反)、扫场正向(与地磁场方向相同)时,共振发生在波谷,如图2所示,共振条件为[12]:
当水平场反向、扫场反向时,共振发生在波谷,共振条件为
由式(6)—(7)得到BD值为
当水平场正向、扫场正向时,共振发生在波谷,共振条件为
由式(9)和式(7)得到BD值为
3.1.2 计算扫场中的交流分量
类似直流分量,使用不同的组合可以计算出BA的数值。

当水平场正向、扫场正向时,共振发生在波峰,如图3所示,共振条件为
由式(11)和式(9)得到BA值
由式(11)和式(6)得到BA的值为
3.2 扫频法
保持水平磁场的大小恒定为B//,改变射频场的频率,找到不同频率对应的共振条件表达式,进行组合可计算出扫场的直流分量与交流分量。

3.2.1 计算扫场中的直流分量
当水平场反向、扫场正向时,共振发生在波峰,共振条件为
当水平场反向、扫场反向时,共振发生在波峰,共振条件为
由式(14)和式(15)得到BD值为
当水平场正向、扫场反向时,共振发生在波峰,共振条件为
由式(14)和式(17)得到BD值为
3.2.2 计算扫场中的交流分量
当水平场正向、扫场反向时,共振发生在波谷,共振条件为
由式(17)和式(19)得到BA值为
当水平场反向、扫场反向时,共振发生在波峰,共振条件为
由式(21)和式(19)得到BA值为
除了上述的几种组合方式外,还可以使用其他的组合,均可以使用扫场法或扫频法得到BD与BA的值。

在实验中以地磁场的方向作为正向参考方向,对于水平场与扫场,方向与地磁场方向相同时,B//与BD标记为+,与地磁场的方向相反时标记为-[15]。

由于扫场电路的原因,当扫场换向时,示波器的显示并不会随之改变,由此导致了实际共振发生时扫场的波峰、波谷可能与示波器显示的波峰、波谷出现不对应的情况。

因此在实验前有必要对其对应关系做出判断。

可以使用一个简单的方法对其进行判断:取水平场、扫场均为正向,固定水平场的大小,调节射频频率,在示波器上观察,使共振发生在波峰,此时共振条件满足式(11),记录下此时的频率υ′；改变射频频率,同样在示波器观察,使共振发生在波谷,此时共振条件满足式(9),记录下此时的频率υ″。

对比式(9)和式(11),因为B//3=B//4,所以可以比较υ′与υ″的大小。

若υ′>υ″,则表示当扫场方向与地磁场方向相同时,示波器显示三角波的波峰及波谷与扫场实际三角波的波峰及波谷是一致的；当扫场方向与地磁场方向相反时,示波器显示三角波的波峰及波谷与扫场实际三角波的波峰及波谷是相反的,即示波器显示的波峰对应扫场实际的波谷,示波器显示的波谷对应扫场实际的波峰。

若υ′<υ″,对应关系相反,即当扫场方向与地磁场方向相同时,示波器显示三角波的波峰及波谷与扫场实际三角波的波峰及波谷是相反的；当扫场方向与地磁场方向相反时,示波器显示三角波的波峰及波谷与扫场实际三角波的波峰及波谷是一致的。

对于本实验的仪器摆放,满足前一种情况。

在实验中,水平场的大小不能直接读出,需要通过水平场线圈的电流大小计算得到
[16]。

水平场电流大小I(A)和水平场的大小B//(T)满足
其中N和r分别为水平场单个线圈的匝数和有效半径。

对于本实验使用的仪器
N=250,r=0.247 m。

对于扫场法,固定射频场频率υ=1 500 kHz；对于扫频法,固定水平场电流的大小为I=0.5 A,即水平场大小为B//=2.27×10-4T。

实验数据见表1及表2。

本文提出了使用换向法测量光泵磁共振实验中扫场大小的方法,对传统的实验内容进行了延伸。

并通过理论分析和实验测量得到了扫场的直流分量和交流分量。

同时对实验中扫场信号与示波器显示信号的波峰及波谷的对应情况进行分析，并提出判断和解决方法,提高了实验操作的准确度。

本文内容有助于更加深入理解光泵磁共振实验的物理本质,对进一步研究光泵磁共振实验具有指导意义。

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