光泵磁力仪指标对比
2005-海洋磁力仪的原理与技术指标对比分析-《海洋科学》
实验与技术EXPERIM EN T&TECHNOLO GY 海洋磁力仪的原理与技术指标对比分析裴彦良1,2,梁瑞才1,2,刘晨光1,2,韩国忠1,2,李正光1,2(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;2.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室,山东青岛266061)摘要:针对现今世界市场上海洋磁力仪产品型号较多、技术指标复杂、应用范围不尽相同,产品的选用存在一定困难等问题,分别介绍了3种不同类型的磁力仪的工作原理,具体对比分析了各种磁力仪的技术指标,并简单介绍了磁力仪的应用及梯度仪组合方式。
结果表明标准质子旋进式海洋磁力仪灵敏度较低,存在进向误差,但无死区,价格最为低廉,适合于对灵敏度要求不高的工程和科研地球物理调查。
Overhauser海洋磁力仪的灵敏度高,无进向误差,无死区,价格便宜,适合于大多数工程和科研地球物理调查。
光泵式海洋磁力仪灵敏度和采样率最高,梯度容忍度最大,但存在死区和进向误差问题,适用于高精度的海洋磁力梯度调查和航空磁力调查。
分析结果显示:各种类型的磁力仪各有优势,具体选用应以具体情况而定。
关键词:海洋磁力仪;梯度仪;质子旋进;Overhauser海洋磁力仪;光泵;技术指标中图分类号:P318.63 文献标识码:A 文章编号:100023096(2005)1220004205 磁法勘察一直是地球物理调查的重要内容,特别是在海洋地球物理调查中,由于海上地震勘察耗资巨大,大面积地震调查比较困难,所以磁法勘察就更为重要。
世界各国对海洋调查越来越重视,磁法勘察仪器也得以快速发展。
磁力仪按工作原理可以分为质子旋进式、欧弗豪塞(Overhauser)式和光泵式等3种不同类型。
经过几十年的发展,海洋磁力仪在灵敏度、分辨率和精度等方面有了很大提高,并出现了多种类型的海洋磁力梯度仪。
现在生产磁力仪的厂家主要有中国船舶重工集团公司第七研究院第七一五研究所,美国GEOM ETRICS公司,加拿大Marine Magnetics公司,加拿大GEM System公司和法国G eomag SARL公司等,这些公司分别侧重于生产和研发其中一种或两种类型的磁力仪并各具特色。
井下高灵敏度氦光泵磁力仪关键技术
03
井下高灵敏度磁力仪设计
磁力仪优化设计
磁力仪灵敏度优化
通过改进磁力仪的机械结构、使 用高性能的磁性材料和优化磁力 仪的电路设计，提高磁力仪的灵 敏度。
抗干扰能力增强
采取一系列抗干扰措施，如加装 屏蔽罩、使用抗干扰电路等，以 增强磁力仪的抗干扰能力。
高灵敏度光学系统设计
光学系统优化
对光学系统的光源、光路和探测器进 行优化设计，以提高光学系统的亮度 、稳定性和精度。
重复性测试
重复测量同一磁场强度，观察磁力仪的读数是否一致，以检验其 重复性。
测试结果分析
01
02
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数据处理
对测试数据进行整理、分 析和处理，提取有用的信 息。
结果分析
根据测试数据，分析磁力 仪的性能指标，如灵敏度 、稳定性和重复性等，并 对比不同型号的磁力仪。
性能评估
根据测试结果，对磁力仪 的性能进行评估，确定其 是否满足井下探测的要求 。
研究方法
本研究将采用理论分析、实验验证相结合的方法，首先对氦 光泵磁力仪工作原理及系统组成进行详细分析，然后针对关 键技术进行优化设计，最后通过实验验证优化前后性能变化 情况。
02
氦光泵磁力仪基本原理
磁力仪概述
磁力仪是一种用于测量磁场强度的仪 器，常用于地质勘探、航空航天、医 学诊断等领域。
磁力仪按照工作原理可分为磁通门式 、磁阻式、光泵式等，其中光泵式磁 力仪具有灵敏度高、测量范围广、对 温度和压力变化不敏感等优点。
光学系统温度控制
通过使用温度控制技术，保持光学系 统的温度稳定，以减小温度对光学系 统的影响。
磁力仪数据处理算法设计
数据处理算法优化
采用先进的数据处理算法，如滤波算法、拟合算法等，对磁力仪数据进行处理，以减小误差、提高精 度。
磁力仪简介
磁力仪简介北京地质仪器厂吴天彪磁学测量仪器，从测量的参数、测量的范围和用途来看，均极为广泛和复杂，本文仅限于介绍用于地磁学研究、磁法矿产资源勘探、环境地球物理学等方面的弱磁场（≤1×10-4 特斯拉）磁感应强度的测量仪器，通称为“磁力仪”。
1 磁力仪的分类及应用目前，常用于弱磁场、特别是地球磁场测量的磁力仪，无论是地磁台站的观测或野外地面磁测、航空、航天、海洋和井中磁测，从磁传感器的工作原理上看，大致可分为三大类[1]，即：（1）基于电磁感应原理的磁通门磁力仪。
（2）基于核磁共振（NMR）原理的质子磁力仪、基于电子自旋共振（ESR）的光泵磁力仪和基于NMR与ESR的欧佛豪森（Overhauser）质子磁力仪（OVM）的共振磁力仪。
（3）基于超导量子干涉原理的超导磁力仪。
根据传感器的特点，所有共振磁力仪只能测定地磁场的总场的磁感应强度，称为标量磁力仪，而磁通门磁力仪和超导磁力仪的读数，既反映磁场的强度也反映磁场的方向，称为矢量磁力仪。
从使用广泛性来看，工作量最大的地面磁测，主力仪器是传统的直流激发的质子磁力仪、其次是光泵磁力仪和欧佛豪森质子磁力仪，在一些强磁区，也使用测量垂直分量的磁通门磁力仪。
航空磁测的主力是光泵磁力仪，目前多用4台仪器组成三维梯度系统，用三分量磁通门仪器作姿态改正。
光泵磁力仪也用于装在飞机上探测潜艇。
高温超导磁力仪用于时域电磁法的磁分量观测，低端灵敏度大大优于传统的感应式磁传感器。
在岩石和矿物的磁性测量及古地磁研究中超导磁力仪也得到广发的应用。
磁通门磁梯度仪和光泵梯度仪多用于探测地下未爆物（UXO）、地下管线、考古等。
在航天领域，地面地磁台站中，三分量的磁通门磁力仪和质子磁力仪得到广泛应用。
磁力仪测定的物理量是磁感应强度，其SI制计量单位是“特斯拉”（Tesla）。
1 Tesla = 103 mT =106 µT = 109 nT = 1012 pT= 1015 f T最常用的单位是nT （纳特）CGSM制的计量单位是“高斯”（Gs），1 T= 10,000 Gs从全球地磁图[2]（图1）可以看出：赤道附近地磁场的磁感应强度约为20,000~30,000nT两极附近地磁场的磁感应强度约为600,000~80,000nT图1 全球地磁图2 磁力仪的主要技术指标以观测地磁场为主要目的的磁力仪，各种不同原理的仪器的主要技术指标，不尽相同，但大多数应有测量范围、灵敏度、分辨力、采样率、绝对精度、梯度容限、工作温度范围等。
光泵磁力仪2
光抽运
光抽运是通过特定偏振光激发从而打破原子所在研 究能级间玻尔兹曼热平衡分布,同时由于光子角动量 究能级间玻尔兹曼热平衡分布 同时由于光子角动量 传递使原子系统宏观极化。光抽运技术在磁共振、 传递使原子系统宏观极化。光抽运技术在磁共振、 自旋交换、分离或浓缩同位素、原子频标、 自旋交换、分离或浓缩同位素、原子频标、激光冷 却和俘获等研究领域中扮演着重要角色。 却和俘获等研究领域中扮演着重要角色。光磁共振 是利用光抽运所形成磁共振跃迁所需的布居数差,同 是利用光抽运所形成磁共振跃迁所需的布居数差 同 时也利用抽运光对磁共振吸收信号进行光检测。 时也利用抽运光对磁共振吸收信号进行光检测。本 文借助周期性扫场调制的核磁共振达到实验ห้องสมุดไป่ตู้测目 从而研究选定原子体系对光抽运响应特性。 的,从而研究选定原子体系对光抽运响应特性。 从而研究选定原子体系对光抽运响应特性
因为光子能量比微波或射频波量子能量高几 个数量级， 个数量级，所以检测光的灵敏度要比直接检 测微波或射频的灵敏度高得多。 测微波或射频的灵敏度高得多。选择适当偏 振和特定频率的光照射原子系统，能够在实 振和特定频率的光照射原子系统， 验室温度下使原子磁能级发生倒转（ 验室温度下使原子磁能级发生倒转（光抽运 作用）。同时加一个微波或射频场， ）。同时加一个微波或射频场 作用）。同时加一个微波或射频场，强迫系 统发生磁共振， 统发生磁共振，使磁能级的步居数恢复玻尔 兹蔓分布， 兹蔓分布，
光抽运的原理
在光泵磁力仪中，有些以氦为工作物质。如右图所示， 在光泵磁力仪中，有些以氦为工作物质。如右图所示，4He 原子的基态 利用高频放电使其由基态过渡到亚稳态2 利用波长λ 是1S0，利用高频放电使其由基态过渡到亚稳态 3S1,利用波长λ＝
GSMP-35钾光泵磁力仪
工作原理
标准碱蒸汽磁力仪包括一个含有挥发性碱金属（如碱原子）的玻璃核。
根据量子论，每个碱原子群内均有一组价电子分布。
这些价电子分为2个能量级，以下分别以数字1,2表示。
蒸汽核利用某个特定波段的光来激发来自2-3级间的电子，使之成为活跃电子。
该操作可减少（称为极化效应）拥有2级电子的原子的数量。
如此一来，原子核便停止吸收光从而转回透明状态。
第三级电子极其不稳定且不断衰减，最后回到1级与2级状态。
如此一来，1级空间富含电子而2级空间则处于无电子状态。
此时，射频（RF）去极化效应开始登场。
利用一个特定波段的RF能量以产生1、2级能量差，从而使1级电子返回2级状态。
去极化操作的目的在于使1、2级间的能量差与磁场值可直接成一定比例。
系统可检测到光强度随核由非透明与透明间转换时而发生的变化并可测量出相应变化频率。
该频率值随后可转换成磁场单位值。
两型光泵磁力仪比对试验结果及分析
间连续观测，同步采集记录外磁场变化。按航空磁测技术翘范评价二台仪器的静态噪声并用二台仪器的输
出差值的变化评价二 台仪器 一致性 。从光泵磁力仪工作原理 出发，结合相关 资料介 绍仪器 技术设计特点 ，
对试验结果进行分析 。
关键词
磁力仪 ；氮光泵；铯光泵
光泵磁力仪 是一种 高灵敏度和 高精确度 的磁 测仪器 。它是 以工作物质的原子能级在磁场中产生
３ ６
报器
图 ３ 铯 自激式光泵磁力仪
３ ２氮 （ｅ 跟踪式光泵磁 力仪原理 ． Ｈ４ ）
维普资讯
式 中
：
互２ ± 二 互 ± ± ＝二 堡 ．丛 互２
１ ６
，
＝
喜
算观点． 的测数
、 、 的单
源 。仪器安装及探头位置示意图如图 １ 所示。使用
各 自数据采集系统，连续记录约 １０ ０ 小时地磁 日变 数据 。
ｆ ，－ ｎ为数据序列号 ， ＝１ ～ ２
位为 ｎ 。 Ｔ 计算统计期间二台仪器静态噪声结果如 表 １ 示。 所
３ ５
维普资讯
邹鹛毅 等：两型光泵磁力仪 比对试验结 果及分析
表 １两 台仪器 噪声数 据 比较
０ ３时 ５ 分 １ 秒到 ２０ 年 ８ ２ ４ ９ ０６ 月 ２日Ｏ 时 １ 分 ５ Ｏ ３ 秒。 ３ 图２ 中上 图为 Ｇ －Ａ输出记录 曲线； Ｂ４ 中图为 Ｇ８２ ８ 输出记录 曲线； 下图为两台输 出差值的记录
对 于铯 Ｃ ¨ 为￣４ ８９ ３Ｈ ／ ，即 １ 王 对 应 ｓ ９ ２ ＋１）ｚＯ。 ｝ｚ ０２５ ５ Ｔ。利 用 碱 金属 原 子测量 地磁 场 时 ，其 ．８ ８４ｎ
绝对精度不超过 ２ Ｔ 。 ｎ
钟浩鹏 光泵磁共振实验报告
扬州大学物理科学与技术学院近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量班级：物教1301班姓名：钟浩鹏学号：130801131指导老师：王文秀光泵磁共振实验报告摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。
通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。
同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。
由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。
In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field.关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场一、引言光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。
G858SE
高精度铯光泵磁力仪 - G 858S X仪器系统简介美国Geometrics 公司G858SX 铯光泵高精度磁力仪，是一种超高效的磁成像仪器，与目前常用的质子磁力仪相比，其高达10Hz 的采样率，使常规磁力测量方法由点测发展为密集磁成像，大大提高了磁测分辨率，对探测深部金属矿床引起的低缓磁异常成为可能，是矿产资源调查磁测技术的一次革命。
G858SX 铯光泵高精度磁力仪，是发达国家进行地面磁测最主要的仪器，是目前可在中国销售的最高精度的光泵磁力仪。
G858SX 仪器的高采样率使测量者有可能进行快速测量，实现连续数据采集，可进行油藏或断层的地质结构调查、寻找矿源、确定矿区岩区位置，进行研究和教学。
该系统的中国独家代理是劳雷工业公司。
应用领域◆ 地质填图◆ 矿产调查◆ 环境地质◆ 考古研究◆ 地下水研究◆ 土工技术研究◆ 土木工程优势特点◆ 高采样率：10Hz◆ 高灵敏度： 可探测埋藏15英尺深的油桶◆ 高 效 率：测线距离2m 时，一小时内可探测8000多平方米◆ 直 观：显示测量网格、位置及五个叠加剖面◆ 使用方便：采用标准IBM 兼容机、打印机或绘图仪在基站上几分钟内即可拷贝成图主要技术指标：◆ 工作原理：自振荡离散波束铯蒸气型（无放射性CS-133）◆ 工作范围：17,000~100,000nT(γ)◆ 工作区域：为了取得最高的信噪比，探头的长轴与地磁场的夹角应为45±30°，但一般作业是在 40±30°条件下进行的。
探头在各个半球内工作时自动切换。
◆ 灵 敏 度：（90%读数处于P-P 范围内）◆ 测量精度：0.1s 时0.15nT ，0.2s 时0.11nT0.5s 时0.07nT ，1.0s 时0.01nT （出口到中国限于0.05nT ）◆ 信息宽带：<0.02nT(γ)/√Hz RMS◆ 方位误差：<±1nT(γ) 温漂：0.05nT(γ)/°C◆ 梯度容差：>500 nT(γ)/英寸>20,000 nT(γ)/m◆ 采样间隔：0.1s~1hr（每步0.1s）或外触发◆ 数据存储：固存RAM。
光泵磁共振试验
光泵磁共振一. 实验目的（1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。
（2）测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。
二、实验原理光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。
这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。
1、铷原子基态和最低激发态的能级天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。
由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，|L—S|。
铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。
铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。
已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量P J与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–g J eP J/（2m e）（13-1）J（J+1）—L（L+1）+S（S+1）g J=1+ ───────────────（13-2）2J（J+1）但铷原子的核自旋I≠0。
所以核自旋角动量P I与电子总角动量P J耦合成原子总角动量P F，有P F=P J+P I，耦合后的总量子数是F=I+J，…，|I—J|。
87Rb的基态J=1/2、I=3/2，有F=2和F=1两个状态。
85Rb的基态J=1/2，I=5/2，则有F=3和F=2两个态。
把F量子数表征的能级称为超精细结构能级。
原子总角动量P F与总磁矩μF之间的关系（见本实验附录）为：μF=–g F eP F/（2m e）F（F+1）+J（J+1）—I（I+1）g F=g J───────────────（13-3）2F（F+1）铷原子在磁场中的超精细能级产生塞曼分裂，可用磁量子数m F标定。
光泵磁共振
实验内容
1. 仪器调节
用磁针确定地磁场方向，使主体光轴与地磁场
水平方向平行 调节面板 1）确定水平线圈、竖直线圈和扫场线圈与其换向开关掷向的对应关系； 2）调节主体单元光学元件等高，调整透 镜的位置以得到较好的平行光束 3）按预热键，加温铷样品泡在40-600c间，铷光谱灯在80-900c间，按工 作键，这时除射频线圈的各线圈电源都已接通，开启高频振荡器，发紫 红色光。 调节1/4波片光轴与偏振光偏振方向夹角为π/4
光泵磁共振实验
实验目的 实验原理 数据处理 实验仪器 实验内容 注意事项
思考问题
实验目的
1. 通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子 超精细结构的认识；
2. 掌握光磁磁场。
实验仪器
图1 仪器组成框图
图2 主体单元示意图
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2
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4
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3
图3 DH807型光磁共振实验仪 1.铷光灯 2.偏振片、1/4波片、透镜 3.恒温槽 4.水平场线圈 5. 垂直场线圈 6.光电探测器（接示波器） 7.信号发生器 8. 电源及辅助源
85Rb
gF=h(f1+f2)/2μBB0
87Rb 85Rb
B0=16π NI×10-7/53/2r (式中N为线圈匝数，I为流过的电流，r为有 效半径)
2. 测量地磁场
同向频率f1(kHz) 反向频率f2(kHz)
87Rb 85Rb 87Rb 85Rb
水平场电 流(A)
f=(f1-f2)/2
87Rb 85Rb
如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是 采用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收）， 因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵 敏度。 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精 细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、g因子、 能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。
光泵磁共振实验报告
1、前言和实验目的前言：光泵磁共振实验在实现观测气体中原子超精细构造塞曼子能级跃迁的磁共振信号上有突破，使用探测磁共振信号的光探测方法，大大提高了灵敏度。
这是在1950年，法国物理学家卡斯特勒(A.Kasslte 1902～1984)提出了光抽运方法。
光抽运过程是原子系统吸收某种特定的光而造成能级原子数的分布偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。
光泵磁共振是光抽运过程和射频磁共振相结合的一种双共振过程。
用射频电磁场作用使之发生磁共振，用光探测原子对入射光的吸收，从而获得光泵磁共振信号，此技术应用了光探测方法，既具有了磁共振高分辨率的优点，又将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。
卡斯特勒因此荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。
目前此方法，一方面可用于根底研究，例如原子、分子能级的精细和超精细构造及其它各种参数的精细测量，对原子、分子间各种相互作用进展实验研究，另一方面在量子频标，准确测定磁场等问题上都有实际应用价值，近年来，开展出两种精细仪器，原子频率标准仪(原子钟)和原子磁强计。
本实验是以天然铷(Rb )为样品研究铷原子基态的光泵磁共振。
实验目的：1．加深对超精细构造原子核自旋，原子核磁矩，光跃迁，磁共振的理解。
2．掌握以光抽运为根底的光检测磁共振方法。
3．测定铷(Rb )原子超精细构造塞曼子能级的朗德因子F g 和地磁场强度E B 。
2、实验原理天然铷含量较大的有两种同位素：Rb 85占72.15%,Rb 87占27.85%。
铷原子的基态为125S ，最低激发态为2125P 及2325P 双重态，所以从5P 到5S 的跃迁就能观察到精细构造。
同时，我们又知道原子核也存在自旋，因此也就存在核磁矩与电子自旋及轨道磁矩的相互作用，是能级进一步分裂，也就产生了超精细构造。
设核量子数为I ，那么耦合后的总量子数为F=I+J,…,|I-J|。
又Rb 87的I=3/2，Rb 85的I=5/2，所以Rb 87的基态F 有两个值F=2及F=1；Rb 85的基态F 有两个值F=3及F=2。
光泵磁共振实验报告
学生实验报告内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得一、实验目的：1.观察铷原子光抽运信号，加深对原子超精细结构的理解；2.观察铷原子的磁共振信号，测定铷原子超精细结构塞曼子能级的朗德因子；3.学会利用光磁共振的方法测量地磁场。
二、实验使用仪器与材料：数字示波器、光泵磁共振实验仪、射频信号发生器、频率计、DHg07A型光磁共振实验装置电源。
（核磁共振仪器连线图）三、实验步骤：1．仪器调整（1）揿进预热键，加热样品吸收泡约5０℃并控温，同时也加热铷灯约９０℃并控温，约3０分钟温度稳定，揿进工作键，此时铷灯应发出玫瑰紫色光。
（2）将光源、透镜、吸收池、光电探测器等的位置调到准直，调节前后透镜的位置使到达光电池的光量最大。
（３）调整双踪示波器，使一通道观察扫场电压波形，另一通道观察光电探测器的信号。
2．观测光抽运信号（1）先用指南针判断扫场、水平场、垂直场相对于地磁场的方向。
当判断某一场时应将另两个场置于零，判断水平场和垂直场时，应记下数字电压表对应电压的符号。
（2）不开射频振荡器，扫场选择“方波”，调节扫场的大小和方向，使扫场方向与地磁场的水平分量方向相反，特别是地磁场的垂直分量对光抽运信号有很大影响，因此要使垂直恒定磁场的方向与其相反并抵消。
同时旋转１／４波片，可获得最佳光抽运信号（图３．2-４）。
扫场是一交流调制场。
当它过零并反向时，分裂的塞曼子能级将发生简并及再分裂；当能级简并时，铷原子的碰撞使之失去偏极化；当能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子布居数又近于相等，因此光抽运信号将再次出现。
扫场的作用就是要反复出现光抽运信号。
当地磁场的垂直分量被垂直场抵消时将出现最佳光抽运信号，故此时也就测出地磁场垂直分量的大小。
３．测量基态的值由磁共振表达式得 (4)υ可由频率计给出，因此如知便可求出。
此处是使原子塞曼分裂的总磁场，它包括除了可以测知的水平场外还包括地磁水平分量和扫场直流分量。
光泵磁力仪优点
ω =γB
质子磁力仪测的是总强度B， 质子磁力仪测的是总强度 ，如果用亥姆霍兹线圈抵消地磁场垂直分 如果抵消H，也可测定Z.如在东西方向产 量Z，也可以测水平磁场 如果抵消 ，也可测定 如在东西方向产 ，也可以测水平磁场H;如果抵消 生偏置磁场，可以测出磁偏角的变化量△ 生偏置磁场，可以测出磁偏角的变化量△D. 质子旋进式磁力仪作为绝对测量标准，是别的磁力仪无法比拟的 其不 质子旋进式磁力仪作为绝对测量标准，是别的磁力仪无法比拟的.其不 足的是:(l)只能点测，激发一次，测量一次 只能点测， 外磁场必须很均匀(被 足的是 只能点测 激发一次，测量一次;(2)外磁场必须很均匀 被 外磁场必须很均匀 称为容忍梯度)，梯度太大，根本收不到信号;(3)测分量的仪器必须加 称为容忍梯度 ，梯度太大，根本收不到信号 测分量的仪器必须加 亥姆霍兹线圈 此线圈的磁场对邻近仪器产生干扰. 线圈， 亥姆霍兹线圈，此线圈的磁场对邻近仪器产生干扰
光泵磁力仪
• 光泵磁力仪是一种高灵敏度和高精度的磁测设备 它是以元素的原子能 光泵磁力仪是一种高灵敏度和高精度的磁测设备.它是以元素的原子能 级在磁场中产生塞曼分裂为基础，再加上光泵技术和磁共振技术而成. 级在磁场中产生塞曼分裂为基础，再加上光泵技术和磁共振技术而成 • 现在，地矿部航遥中心(即过去的航空物探总队 研制的 现在，地矿部航遥中心 即过去的航空物探总队 研制的HC一90氦光泵 即过去的航空物探总队)研制的 一 氦光泵 磁力仪，性能更好，其原理和性能为， 磁力仪，性能更好，其原理和性能为，氦光泵磁力仪的氦原子在磁场中 没有超精细结构， 塞曼能级的分裂没有超精细结构 拉莫尔旋进频率与外磁场呈线性关系， 塞曼能级的分裂没有超精细结构，拉莫尔旋进频率与外磁场呈线性关系， 因而可直接得到磁场值;而艳光泵有超精细结构 拉尔频率和磁场呈非 而艳光泵有超精细结构， 因而可直接得到磁场值 而艳光泵有超精细结构，拉尔频率和磁场呈非 线性. 线性 • HC—90氦光泵磁力仪用惰性气体氦作磁共振元素，探头可在-20°— 氦光泵磁力仪用惰性气体氦作磁共振元素，探头可在 氦光泵磁力仪用惰性气体氦作磁共振元素 ° 50°C的范围内工作 而铯 碱金属类 光泵磁力仪的探头必须加温并保 的范围内工作;而铯 碱金属类)光泵磁力仪的探头必须加温并保 ° 的范围内工作 而铯(碱金属类 持恒温，使用时十分不方便.另外 另外， 持恒温，使用时十分不方便 另外，氦光泵的光轴在偏离最佳工作点士 75°时，仍可工作 而艳光泵允许的角度只有士 °. 仍可工作;而艳光泵允许的角度只有士 而艳光泵允许的角度只有士30° ° • 和质子磁力仪相比，氦光泵的功耗低，可以连续读数.氦光泵的灵敏度 和质子磁力仪相比，氦光泵的功耗低，可以连续读数 氦光泵的灵敏度 受磁场梯度的影响极小，即使靠近铁管，也能正常工作.另外 另外， 受磁场梯度的影响极小，即使靠近铁管，也能正常工作 另外，对工业 电力、通讯广播的干扰有很强的抑制能力. 电力、通讯广播的干扰有很强的抑制能力
最新-新型磁力仪发展思索 精品
新型磁力仪发展思索目前，在空间、海洋、勘探、在医院和其它实验室中广泛的应用着各种磁力仪，用于测量地磁场以及生物磁场。
在这些领域，新型的光泵磁力仪、超导磁力仪，；以及处于研究、试验阶段的固体电子自旋共振磁力仪，、原子磁力仪，必将以其超高的精度担负起越来越重的任务。
过去测量磁场强度的单位是奥斯特，，采用和推广国际单位制以后，测量磁感应强度磁通量密度的单位是特斯拉，或高斯，。
它们之间的对应关系为1=10-9=1γ。
特斯拉的换算关系为1特斯拉=109纳特=1012皮特=1015飞特=1018阿特。
磁场强度曾经用过、、等几个符号表示，许多文献中曾采用、。
文章中为了规范、清晰采用国际标准单位。
1光泵磁力仪光泵磁力仪是高灵敏的磁测设备。
它是以某些元素的原子在外磁场中产生的蔡曼分裂为基础，并采用光泵技术与磁共振技术研制成的。
按照量子理论，在外磁场中，具有自旋的亚原子粒子如核子和电子能级简并解除，分裂为一些磁次能级或称为蔡曼能级，在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是蔡曼效应，蔡曼因此获得1902第二届诺贝尔物理学奖。
分裂的能级间的能量差一般与外界磁场成正比。
当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。
光泵磁力仪是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度较高的一种磁测仪器。
它灵敏度高，一般为001量级，理论灵敏度高达10－２-10－４;响应频率高，可在快速变化中进行测量；可测量地磁场的总向量及其分量，并能进行连续测量。
光泵磁力仪的种类甚多。
按共振元素的不同，可分为氦光泵磁力仪和碱金属光泵磁力仪，共振元素有氦4、铷85、87、铯133、钾39、汞等。
对碱金属而言，受温度影响较大，如铯133元素在恒温430左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。
对3、4而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，只需将它激励使其处于亚稳态，就能产生光泵作用。
光泵磁共振实验
实验名称：光泵磁共振 实验目的1、观察光抽运、磁共振信号,加深对原子超精细结构、光跃迁、磁共振的理解；2、掌握光泵磁的原理及实验方法；3、利用光泵磁共振测量Rb 87、Rb 85超精细结构F g 因子及地磁场水平分量地B。
实验原理光泵磁共振是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程。
本实验是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
所研究的对象是铷（Rb）的气态自由原子。
1、铷原子基态及最低激发态能级铷（Z=37）是一价碱金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种，Rb 85占72。
15%，Rb 87占27。
85%。
其原子基态都是2/125S ，即价电子的主量子数n=5,轨道量子数L=0,自旋量子数S=1/2。
由于是LS耦合，J=L+S，…,L-S，所以铷的基态J=1/2。
铷原子的最低光激发态是2/125P 及2/325P 双重态，他们是由LS耦合产生的双重结构，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。
2/125P 态J=1/2；2/325P 态J=3/2。
在5P与5S能级之间产生的跃迁是铷原子光谱主线系的第一条线，为双线，在铷灯的光谱中强度特别大。
2/125P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为1D 线，波长是7948A ；2/325P 到2/125S 的跃迁产生的谱线为D2线，波长是7800A 。
原子总磁矩F 与外磁场B 相互作用能量为B M g B h M m e g B P m e g B E B F F F F F FF 222 （2）式中124102741.94T J m ehB 。
称为玻尔磁子。
相邻塞曼子能级之间（1 F M ）的能量差为Bg E B F M F （3）由此式可以看出塞曼子能级间距与B 成正比。
2、光泵的物理过程热平衡状态下，粒子服从玻尔兹曼分布)exp(12KT EN N12E E E ，当C T 50 时，2/125P 与2/125S 相比较，KT E ，所以21N N ，即铷原子基本处在基态2/125S 上。
光泵磁共振
光泵磁共振物理1501 1509030115 崔汪明摘要：通过本实验利用光泵磁共振的基本原理可以观测铷原子的磁共振信号，并测定85Rb 和87Rb 的塞曼子能级的朗德因子gF ，并与理论值相比较；采用光泵磁共振技术测定地磁场水平分量，然后求出地磁场的大小，与理论值比较后分析误差产生原因。
一、前言观测气体中原子超精细结构塞曼子能级之间跃迁的磁共振信号是很困难的，1950年法国物理学家卡斯特勒（A. Kastler ）提出了光抽运方法，并荣获了1966年度的诺贝尔物理奖。
光抽运是用圆偏振光激发气态原子，造成不同能级原子数偏离热平衡下的玻尔兹曼分布。
将光抽运与射频电磁场相结合产生磁共振的方法称为光泵磁共振方法，通过探测透过样品的抽运光强来获得光泵磁共振信号，从而使信号功率提高了7～8个数量级。
因此，光泵磁共振能在弱磁场（0.1～1mT ）下精确检测气体原子能级的超精细结构。
目前此方法一方面可用于基础研究，例如原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，原子、分子间各种相互作用的研究。
另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上都有实际应用价值。
二、实验原理1. 铷原子基态和最低激发态的能级天然铷的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %；85Rb ，占72.15%；基态轨道量子数L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数J =1/2（LS 耦合），它们的基态都是52S 1/2。
在LS 耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L =1，自旋量子数S =1/2，电子的总角动量J =L +S 和L -S ，即J =3/2和1/2，因而最低激发态形成双重态：52P 1/2和52P 3/2。
从52P 1/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 1线，波长为794.76nm ；从52P 3/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 2线，波长为780.0nm ，这两条谱线在铷灯的光谱中光强特别大。
光泵核磁共振
光泵磁共振光磁共振技术是20世纪50年代法国物理学家卡斯特勒（A ．Kastler ）提出的。
他于1966年获诺贝尔物理学奖。
该技术是将光抽运与射频磁共振相结合的一种双共振过程。
气体原子塞曼子能级能量差极小，磁共振信号极弱，难于探测，采用光探测原子对入射光的吸收，获得了磁共振信号。
因此光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约十个量级，因而特别适用于研究原子、分子的细微结构及其有关参量的精密测量，以及对原子、分子间各种相互作用进行研究。
近年来出现的激光射频双共振技术为原子、分子高激发态的精密测量开辟了广阔的前景。
利用光磁共振原理在量子频标和精密测定磁场上已经开发了精密仪器，即原子频率标准（原子钟）和原子磁强计，更重要的是光磁共振原理为激光的发现奠定了基础。
一 实验目的１．掌握光抽运、磁共振、光检测的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。
２．测定铷同位素87b R 和85b R 的F g 因子，测定地磁场。
二 实验原理光磁共振是根据角动量守恒原理，用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的双共振技术。
由于应用了光探测方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的优点，同时，又将测量灵敏度提高了几个数量级。
它对原子、分子等内部的微观结构的研究，在量子频标、弱磁场的精确测量等方面都有很高的应用价值。
1．铷原子的超精细结构及其塞曼分裂铷是一价碱金属原子，天然铷中含有两种同位素：87b R 和85b R 。
根据LS 耦合产生精细结构，它们的基态是2125S ，最低激发态是2125P 和2325S 的双重态。
对87b R ，2325S －2125S 跃迁为1D 线（1λ＝79480A ）；2325P －2125P 为Ｄ2线（λ2＝78000A ）。
铷原子具有核自旋I,相应的核自旋角动量为I P ,核磁矩为I μ。
在弱磁场中要考虑核自旋角动量的耦合，即I P 和电子总角动量J P 耦合成总角动量F P ，F 为总量子数：J I F +=，J I -, 。