质子磁力仪测定地磁场强度实验

质子磁力仪测定地磁强度实验

实验目的：

1. 了解质子进动现象

2. 掌握质子磁力仪测磁原理

3. 观察不同溶液对共振信号的影响

实验重点：原子核在地磁场中的塞曼分裂

实验难点：精确计算共振频率，提高测量精度

实验原理：

a ， 质子的自旋与自由状态

质子带正电，其自旋量子数为1/2，具有自旋磁矩，在没有外场的状态下，单个质子自旋的磁矩方向不确定，整个物体不显磁性，只有当物体的质子按照统一的方向排列是才显出磁性。质子的转动模型比较复杂，可以简单的认为是带点小球的转动。

b ， 外场作用下的质子运动

在外场作用下，质子的运动会发生明显的变化，关于在外场作用下物质质子的运动有两种解释：第一是经典的解释：如下：

如上图，质子的磁矩M 在有外场的作用下，绕外场旋转，构成质子的进动，这样物质的总磁矩就会在外场方向体现，这样就表现为一个总磁矩，物质就有了磁性，但是有沿着外场方向的磁矩，也有逆着外场方向的磁矩，而且这两种磁矩方向相反，大小几乎相等，所以整个物质对外还是不显磁性。

第二种解释是量子力学的解释：如上面说的，质子的自旋量子数为1/2，在外场的作用下发生能级分裂，质子的自旋磁矩分裂为两个能级，高能级和低能级，高能级质子的磁矩方向与外场方向相反，低能级质子的磁矩方向与外场方向相同，高低能及的粒子数满足波尔兹曼分布，低能级的粒子数要稍高于高能级的粒子数，整体上物质不显磁性。 c ， 质子进动的自由衰减——弛豫过程

质子磁矩

在外磁场消失后，质子的自旋状态会发生改变，由原来的双能级状态逐渐恢复到原来的平衡状态，这一过程为弛豫过程，这个过程遵循指数衰减，这样过程中又有两个子过程，一个是纵向弛豫时间T1，一个是横向弛豫时间T2，T1又称晶格——自旋弛豫时间，T2是自旋——自旋弛豫时间，这两个弛豫过程都会使物质的总磁矩衰减，最终归于平衡状态。如果在没有外场的质子中突然加上外场，质子就会以相同的过程由原来的平衡状态变到双能级的分裂状态。

弛豫过程实际上是质子与外界交换能量的过程，在撤去外场的时候，质子通过自旋与外界交换能量，最终回到平衡状态。

d ， 极化

极化就是利用一种激励方式，使质子的取向趋于一致，通常有以下三种方式：直流极化，NMR 极化，Overhauser 效应极化，本实验属于第一种极化。

首先在有地磁场的情况下，按照量子力学的原理，质子已经在沿着地磁场的方向上发生了能级分裂，质子的磁矩方向都平行或者反平行地磁场的方向，如下图：

当外加一个的磁场，方向垂直于地磁场，强度远远大于地磁场(100倍以上)，以至于合场强的方向也近似垂直于地磁场的方向，经过一段时间，质子将在新的场中获得平衡，如下图所示：

e ， 质子的进动

此时如果以极快的速度将外加的极化场撤走，此时质子的极化状态还没有来得及改变，而外场又只有地磁场，且地磁场的方向又与磁矩的方向垂直，此时就会发生一种奇特的现象——拉莫尔进动（角动量+磁力距=进动），进动的角频率与外加的地磁场成正比：

p B ωγ= （1）

因为质子旋磁比8

2.6751210p SI γ=⨯，9110nT T -=，4110Gs T -=。所以（1）式还可表示为：

()23.4875(()4257.6()

B n T f H z

f H z B G s == （2） 故通过精确测定拉莫尔旋进的频率，即可换算出地磁场强度B （nT ），长春市区地磁场强度大约为54uT ，即54000nT ，共振频率约为2.3kHz 。

仪器与装置：

质子旋进磁力仪的基本结构相同，包括探头主要有以下几个部分：

Bp B0

探头部分：包含线圈和富含氢质子的溶液，前置放大电路。

极化电路：将线圈通以电流（约1A），使氢质子沿水平方向极化。

极化和信号接收切换电路示意图

极化场分布

信号调理电路：包含宽带滤波、窄带滤波、高阶低通滤波电路。

采集与计算：利用DSP采集信号，并对信号处理，计算出拉莫尔频率。

实验现象：

00.51 1.52 2.5

x 105 1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

实验内容：

1.采集共振信号

Relay_A Relay_B 极化电路采集与计算

信号调理

探头部分

2.计算共振信号频率

3.计算地磁场强度

4.更换溶液，重复上述1-3实验