在光磁共振实验中,光抽运占了非常重要的一部分,它是一种可以获得原子基态超精细结构能级(通过光辐射来获得)或者塞曼子能级间粒子束的非热平衡分布的实验方法[1-3],一般条件下,原子体系服从玻尔兹曼分布,塞曼子能级各能级上的原子数目几乎是相同的,因为此刻整个体系处于热平衡状态下,能级间距很小,由于这样的分布特点,所以称均匀分布。偏极化的原子体系具有的一些特性,所以为使原子体系变成偏极化,就要让更多的原子处于同一个能级上,而光抽运过程恰好可以实现这一需求,它可以打破原子的平衡,实现偏极化,由于这一功能,所以光抽运技术在在分离或浓缩同位素、自旋交换、磁共振、激光冷却和俘获、原子频标等研究领域中扮演着重要角色[4]。20895
20世纪50年代,卡斯特勒等人[5]提出了光抽运技术,从那一刻开始,延续了几十年来,光抽运技术在很多领域都有着重要的应用,比如激光、惰性气体超极化[6] 、电子频率标准和精测弱磁场、激发态碱金属原子精细与超精细能级结构等方面,特别是对最后列举的这个方面起着巨大的推动作用,对于其中的弛豫机理的研究有着重要的理论和实用价值[7,8],目前使用激光来直接探测铷蒸气的极化情况[9]来研究光抽运技术的弛豫机理。论文网
近代物理实验中,包括选修实验和必修实验,光磁共振实验包含了光学、电子学、电磁学等多方面的知识,为近代物理实验中的必修实验,它的实验内容丰富[10,11],但实验原理复杂,实验中,对结果的影响因素中,地磁场占的比重很大,为了抵消地磁场的垂直分量,可以通过调节垂直场线圈的电流来抵消,所以,样品所处的总磁场大小[12,13]就等于水平方向上磁场的大小。
清华大学钱庆凯,陈宜保,张晓平等[14]在原子辐射跃迁原理的基础上,研究并给出了跃迁速率方程(光抽运过程中建立了简化模型,以基本实验产生的现象来建立的模型,实验现象中经常会出现两个半周期的弛豫饱和值不同),通过计算可以看出光抽运信号的光强和外场的关系以及当粒子跃迁时弛豫时间和外场的关系,如图1.1所示,各个光抽运信号的波形图为在不同大小的扫描磁场下的图形,用公式 对各个光抽运信号波形分别进行拟合,如图1.1中的实线,通过这样的拟合,可以得出信号的峰值 和弛豫时间 ,在图1.1中,扫描磁场的振幅逐渐增大用向上的箭头来表示,可以看出:光抽运信号随时间的变化与指数函数相类似,可用其来描述;图1.2描述了当扫描磁场不同的情况下时,光抽运信号弛豫时间τ随磁场B的变化情况,其中实线为经公式拟合后的曲线,可以看出,该曲线不是平滑的,但从其中来看,也可以发现 随B有变大的趋势,当磁场达到一定大小时, 变为一恒定不变的值,从物理图像上分析,B大时,原子能级的偏极化大,导致光抽运时间长;当B大到一定值时,原子几乎都被抽运到基态,而基态是不能发生跃迁的,所以抽运时间大体相同
曾昭明、袁科亮[15]等消除竖直地磁场对实验结果的影响。改变水平磁场大小,得到光抽运信号波形如图1.3,图1.3为0.1s周期下的各种光抽运信号。因图1.3中光抽运信号显示波形上升段逐渐变向平行,趋于稳定,所以推测经足够长长时间,上升的波形将达到最大值,并且稳定不再变化。接着,增大扫场信号的周期并观察所得到的波形特定,图1.4和图1.5是在0.25s周期方波扫场下的观察结果,随后他们又通过能级简化的模型从理论上对信号波形做出了解释,对进一步理解光抽运过程,具有一定的帮助。目前对弛豫过程的实验研究手段比较单一,主要是使用光磁共振实验仪器产生激光,然后对铷蒸气的极化情况进行探测。这种复杂昂贵的仪器本身的信号源周期固定,有100ms和50ms两种,并且只能产生两种简单的波形,一种是三角波,一种是方波。周健、俞熹,王煜[16]对DH807型光磁共振实验仪进行了改进,通过对静态磁场下的弛豫饱和值与外磁场的精确测量,推导得出了壁弛豫速率与外磁场的关系,并建立模型对其原理进行探讨;所得结果与现有的相关理论十分一致,为更深入的对各种复杂的光抽运信号进行解释奠定了接触。随后,周健、俞熹,王煜[17]三人利用改装的DH807型光磁共振仪和霍尔传感器对铷泡处的磁场进行了直接观测,发现扫场外源信号曲线(图1.6)与铷泡处磁场的变化曲线(图1.7)存在明显的差异:信号的前沿和后沿都出现了明显的尖角, 且信号的前沿和后沿都不再垂直变化,而是有一定的斜率。然而由于水平扫场线圈电感的影响很大,已经不能忽视,真实的磁场变化和外源扫场波形大不相同;实验定量地测量了光抽运弛豫饱和值与磁场的关系,对抽运波形随磁场变化周期的关系和未完全抵消的垂直磁场对光抽信号运幅度的影响进行了研究和探讨,并分析了方波和三角波扫场时遇到的异常光抽运信号的成因。光磁共振的实验过程中,池水莲,秦晓琼,於黄忠[18]研究发现在地磁场未被抵消的情况下,样品处的总磁场就不单单是水平磁场,而是垂直磁场与水平磁场的叠加,如果单单用水平磁场当做总磁场来进行实验,那么就会有很大的实验误差,通过调节垂直场电流,当光抽运信号的幅度最大时,可以抵消地磁场的垂直分量,每个人在观察光抽运信号幅度时,对于幅度最大时的确定是不同的,所以不同的学者对这个电流的大小确定中,存在着较大的差异,为了避免这样的误差,学者提出了抵消地磁场垂直分量的新方法。
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