磁液爬坡实验报告

1 / 19 磁液爬坡实验报告 重力勘探实验报告 学号： 20161003268 班号： 061123 姓名：李梦谨 指导教师：李永涛 目录 前言 2 实验目的 22222222222222222223 实验原理 22222222222222222223 磁力仪工作原理 2222222222222224 工作内容及步骤 3 实验内容及步骤 2222222222222226 实验数据分析与解释 2222222222227 评述与结论 13 总结 222222222222222222228 建议 22222222222222222229 一实验目的： 1.学习磁法勘探的基本原理，会用磁力仪进行简单的勘探； 2.根据勘探的结果，能够反演出地下物体的基本形态和特征。 二实验原理 磁法勘探是利用地壳内各种岩石间的磁性差异所引2 / 19 起的磁场 变化来寻找有用矿产资源合查明隐伏地质构造的一种物探方法。 自然界的岩石和矿石具有不同磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。利用仪器发现和研究这些磁异常，进而寻找磁性矿体和研究地质构造的方法称为磁 法勘探。磁法勘探是常用的地球物理勘探 图 1 磁异常示意图 方法之井中磁 一，它包括地面、航空、海洋磁法勘探及 测等。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产、进行地质填图、研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。 三磁力仪的工作原理 磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值，可分为：相对测量仪器和绝对测量仪器。从使用磁力仪的领域来看，可分为：地面磁力仪，航空磁力仪，海洋磁力仪及井中磁力仪。下面重点介绍电子式磁力仪中的质子磁力仪。 性能指标 图 3-6 GSM-19T型质子磁力仪 主要技术指标如下： 灵敏度： 3 / 19 分辨率： 绝对精度： 动态范围： 20000到 120000nT 梯度容差： 7000nT/m 采样率： 3 秒至 60 秒可选 温飘： / C； / C 工作温度： -40 +55 存储 4M字节：对流动站可存 209715 个读数 对基点站可存 699050 个读数 对梯度测量可存174762 个读数 对步行磁测可存 299593 个读数 尺寸及重量：主机 2233693240mm,重 传感器 170mm375mm，重 测量原理 应用质子自旋磁矩在地磁场的作用下围绕地磁场方向做旋进运动的现象进行磁场测量。在水、酒精、甘油等样品中，质子受强磁场激发而具有 一定方向性，去掉外磁场，质子在地磁场作用下绕地磁场 T旋进，其旋进频率 f 与地磁场 T 强度成正比，关系式为： 近代物理实验报告 顺磁共振实验 学 院 班 级 姓 名 学 号 时 间 2016 年 5 月 10日 顺磁共振实验 实验报告 4 / 19 【摘要】 电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简 称“ EPR”或“ ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 【关键词】 顺磁共振，自旋 g 因子，检波 【引言】 顺磁共振又称为电子自旋共振，这是因为物质的顺磁性主要来自电子的自旋。电子自旋共振即为处于恒定磁场中的电子自旋在射频场或微波场作用下的磁能级间的共振跃迁现象。顺磁共振技术得到迅速发展后广泛的应用于物理、化学、生物及医学等领域 。电子自旋共振方法具有在高频率的波段上能获得较高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行超低含量分析，但并不破坏样品的结构，对化学反应无干扰等优点，对研究材料的各种反应过程中的结构和演变，以及材料的性能具有重要的意义。研究了解电子自旋共振现象，测量有机自由基 DPPH 的 g 因子值，了解和掌握微5 / 19 波器件在电子自由共振中的应用，从矩形谐振长度的变化，进一步理解谐振腔的驻波。 【正文】 一、实验原理 电子的自旋轨道磁矩与自旋磁矩 ?l? 原子中的电子由于轨道运动，具有轨道 磁矩，其数值为： l号表示方向同 Pl相反。在量子力学 中 PePl2me，负，因 而 ?l?B1)?B?2me 称为玻尔磁子。电子除了轨道运动外，其中 e 还具有自旋运动，因此还具有自旋磁矩，其数值表示为： ?s?ePs? me。 由于原子核的磁矩可以忽略不计，原子中电子的轨道 磁 矩 和 自 旋 磁 矩 合 成 原 子 的 总 磁矩： ?j?gej?l?sPjg?1?2me，其中 g 是朗德因子： 2j。 在外磁场中原子磁矩要受到力的作用，其效果是 磁矩绕磁场的方向作旋进，也 ?g 就是 Pj绕着磁场方向作旋进，引入回磁比 6 / 19 同时原子角动量 Pj和原子总磁矩 Pj?m ,m?j,j?1,j?2,e2me ，总磁矩可表示成 ?j?Pj。 ?j 取向是量子化的。 Pj 在外磁场方向上的投影为：其中 m称为磁量子数，相应磁矩在外磁场方向上 ?j。 的投影为： ?j?m?mg?B ;m?j,j?1,j?2, 电子顺磁共振 ?j。 原子磁矩与外磁场 B 相互作用可表示为：E?j?B?mg?BB?mB。不同的磁量子数 m 所对应的状态表示不同的磁能级，相邻磁能级间的能量差为 ?E?B，它是由原子受磁场作用而旋进产生的附加能量。 如果在原子所在的稳定磁场区又叠加一个与之垂直的交变磁场，且角频率 ?满足条件 ?g?BB，即 ?E?B，刚好满足原子在稳定外磁场中的邻近二能级差时，二邻近能级之间就有共振跃迁，我们称之为电子顺磁共振。 P当原子结合成分子或固体时，由于电子轨道运动的角动量常是猝灭的，即 j 近似为零，所以分子和固体中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。根据泡利原理，一个电子轨道 最多只能容纳两个自旋相反的电子，若电子轨道都被电子成对地填满了，它们的自旋磁矩相互抵消，便没有固有磁矩。通常所见的化合物大多数属于这种情况，因而电子顺磁共振只能研究具有未成对电子的特殊化合物。 弛豫时间 7 / 19 实验样品是含有大量具有不成对电子自旋所组成的系统，虽然各个粒子都具有磁矩，但是在热运动的扰动下，取向是混乱的，对外的合磁矩为零。当自旋系统处在恒定的外磁场 H0 中时，系统内各质点的磁矩便以不同的角度取向磁场 H0 的方向，并绕着外场方向进动，从而形成一个与外磁场方向一致的宏观磁矩 M。当热 平衡时， 分布在各能级上的粒子数服从波耳兹曼定律，即： N2E?E1?E?exp?expN1kTkT 式中 k是波耳兹曼常数， k= 10-16， T是绝对温度。计算表明，低能级上的粒子数略比高能级上的粒子数多几个。这说明要现实出宏观的共振吸收现象所必要的条件，既由低能态向高能级跃迁的粒子数比由高能级向低能级跃迁的粒子数要多是满足的。正是这一微弱的上下能级粒子数之差提供了我们观测电子顺磁共振现象的可能性。 二、实验装置 微波顺磁共振实验系统由三厘米固态信 号发生器，隔离器，可变衰减器，波长计，魔 T，匹配负载，单螺调配器，晶体检波器，矩形样品谐振腔，耦合片，磁共振实验仪，电磁铁等组成，为使联结方便，增加了 H 面弯波导，波导支架等元件。 三厘米固态信号发生器：是一种使用体效应管做振荡源的信号发生器，为顺磁共振实验系统提供微波振荡信8 / 19 号。 隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其哦对微波具有单方向传播的特性。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。 可变衰减器：把一片 能吸收微波能量的吸收片垂直与矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。 波长表：电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入 微波谐振频率。 匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。 微波源：微波源可采用反射式速调管微波源或固态微波源。本实验采用 3cm 固态微波源，它具有寿命长、输出频率较稳定等优点，用其作微波源时， ESR 的实验装置比采用速调管简单。因此固态微波源目前使用比较广泛。通过调9 / 19 节固态微波源谐振腔中心位置的调谐螺钉，可使谐振腔固有频率发生变化。调节二极管的工作电流或谐振腔前法兰盘中心处的调配螺钉可改变微波 输出功率。 魔 T：魔 T 是一个具有与低频电桥相类似特 征的微波元器件，如图所示。它有四个臂，相当于一个 E T 和一个 H T 组成，故又称双 T，是一种互易无损耗四端口网络，具有“双臂隔离，旁臂平分”的特性。利用四端口 S矩阵可证明，只要 1、 4臂同时调到匹配，则 2、 3 臂也自动获得匹配；反之亦然。 E 臂和 H 臂之间固有隔离，反向臂 2、 3 之间彼此隔离，即从任一臂输入信号都不能从相对臂输出，只能从旁臂输出。信号从 H臂输入，同相等分给2、 3臂； E臂输入则反相等分给 2、 3臂。由于互易性原理，若信号从反向臂 2， 3同相输入，则 E 臂得到它们 的差信号，H 臂得到它们的和信号；反之，若 2、 3臂反相输入，则 E臂得到和信号， H 臂得到差信号。当输出的微波信号经隔离器、衰减器进入魔 T 的 H 臂，同相等分给 2、 3 臂，而不能进入E 臂。 3臂接单螺调配器和终端负载； 2臂接可调的反射式矩形样品谐振腔，样品 DPPH在腔内的位置可调整。 E臂接隔离器和晶体检波器； 2、 3 臂的反射信号只能等分给 E、 H 臂，当 3 臂匹配时， E 臂上微波功率仅取自于 2臂的反射。 10 / 19 样品腔：样品腔结构，是一个反射式终端活塞可调的矩型谐振腔。谐振腔的末端是可移动的活塞，调节活塞位置，使腔长度等于半 个波导波长的整数倍 l?p?g/2 时，谐振腔谐振。当谐振腔谐振时，电磁场沿谐振腔长 l方向出现 P?/2个长度为 g的驻立半波，即 TE10P 模式。腔内闭合磁力线平行于波导宽壁，且同一驻立半波磁力线的方向相同、相邻驻立半波磁力线的方向相反。在相邻两驻立半波空间交界处，微波磁场强度最大，微波电场最弱。满足样品磁共振吸收强，非共振的介质损耗小的要求，所以，是放置样品最理想的位置。在实验中应使外加恒定磁场 B 垂直于波导宽边，以满足ESR 共振条件的要求。样品腔的宽边正中开有一条窄槽，通过机械传动装置可使样品处于谐振腔中的任何位置并可以从窄边上的刻度直接读数，调节腔长或移动样品的位置，可测出波导波长 ?。 三、实验步骤 连接系统 ,将可变衰减器顺时针旋至最大 , 开启系统中各仪器的电源 ,预热 20分钟。 按使用说明书调节各仪器至工作状态。 调节微波桥路，用波长表测定微波信号的频率，使谐振腔处于谐振状态，将样品置于交变磁场最强处。 调节晶体检波器输出最灵敏，并由波导波长的计算值大体确定谐振腔长 度及样品所在位置，然后微调谐振腔的11 / 19 长度使谐振腔处于谐振状态。 搜索共振信号，按下扫场按扭，调节扫场旋钮改变扫场电流，当磁场满足共振条件时，在示波器上便可看到共振信号。调节仪器使共振信号幅度最大，波形对称。 使用高斯计测定磁共振仪输出电流与磁场强度的数值关系曲线，确定共振时的磁场强度。 根据实验测得的数据计算出 g 因子。 近 代物理实题目 学院数理与信息工程学院班级 学号 姓名 同组实验者 指导教师 验 光磁共振实验报告 【摘要】本次实验在了解如光抽运原理，弛豫过程、塞曼分裂等基本知识点的基础上，合理进行操作，从而观察到光抽运信号，并顺利测量 g因子。 【关键词】光磁共振 光抽运效应 塞曼能级分裂 超精细结构 【引言】光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时 发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实 现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。光磁共 振方法现已12 / 19 发展成为研究原子物理的一种重 要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能 级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和 g 因子、原子 与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁 场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、基本知识 1、铷原子基态和最低激发态能级结构及塞曼分裂 本实验的研究对象为铷原子，天然铷有两种同位素；85Rb 和 87Rb选用天然铷作样品，既可避免使用昂贵的单一同位素，又可在一个样品上观察到两种原子的超 精细结构塞曼子能级跃迁的磁共振信号铷原子基态和最低激发态的能级结构如图 1所示在磁场中，铷原子的超精细结构能级产生塞曼分裂标定这些分裂能级的磁量子数 mF=F， F 1， ?， F，因而一个超精细能级分裂为 2F 1 个塞曼子能级设原子的总角动量所对应的原子总磁矩为 F， F 与外磁场B0相互作用的能量为 E F B0 gF mF F B0 这正是超精细塞曼子能级的能量式中玻尔磁子 B 9 2741 10 24J T 1 ，朗德因子 gF= gJ F+J I ? 2F 图 1 13 / 19 其中 gJ= 1+J L+S ? 2J 上面两个式子是由量子理论导出的，把相应的量子数代入很容易求得具体数值由式可知，相邻塞曼子能级之间的能量差 E gF B B0 式中 E 与 B0 成正比关系，在弱磁场 B0 0，则塞曼子能级简并为超精细结构能级 2、光抽运效应 在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻耳兹曼分布，其分布规律由式表示由于超精细塞曼子能级间的能量差 E 很小，可近似地认为这些子能级上的粒子数是相等的这就很不利于 观测这些子能级之间的磁共振现象为此，卡斯特勒提出光抽运方法，即用圆偏振光激发原子使原子能级的粒子数分布产生重大改变 由于光波中磁场对电子的作用远小于电场对电子的作用，故光对原子的激发，可看作是光波的电场分布起作用设偏振光的传播方向跟产生塞曼分裂的磁场 B0 的方向相同，则 左旋圆偏振的光的电场 E 绕光传播方向作右手螺旋转动，其角动量为 ?；右旋圆偏振的 光的电场 E 绕光传播方向作左手螺旋转动，其角动量为 ?；线偏振的光可看作两个旋转方向相反的圆14 / 19 偏振光的叠加，其角动 量为零 现在以铷灯作光源由图 1 可见，铷原子由 5 2P1?2 5 2S1?2的跃迁产生 D1线，波长为 m；由 5 2P3?2 5 2S1?2的跃迁产生 D2线，波长为 m这两条谱线在铷灯光谱中特别强，用它们去激发铷原子时，铷原子将会吸收它们的能量而引起相反方向的跃迁过程然而，频率一定而角动量不同的光所引起的塞曼子能级的跃迁是不同的，由理论推导可得跃迁的选择定则为 L 1， F 0， 1， mF 1 图 2 所以，当入射光为 D1光，作用 87Rb 时，由于87Rb的 5 2S1?2 态和 5 2P1?2态的磁量子 数 mF 的最大值均为 2，而光角动量为 ?只能引起 mF 1的跃迁，故 D1光只能 把基态中除 mF 2以外各子能级上的原子激发到 5 2P1?2的相应子能级上，如图 2所示图 2表示跃迁到 5 2P1/2上的原子经过大约 10 8s 后，通过自发辐射以及无辐射跃迁两种过程，以相等概率回到基态 5 2S1?2各个子能级上这样，经过多次循环之后，基态 mF 2子能级上的粒子数就会大大增加，即基态其他能级上大量的粒子被“抽运”到基态 mF 2子能级上这就是光抽运效应 同理，如果用 D1光照射，则大量粒子将被“抽15 / 19 运”到 mF 2子能级上但是， 光照射是不可能发生光抽运效应的 对于铷 85Rb，若用 D1光照射，粒子将会“抽运”到 mF 3子能级上 3、弛豫过程 光抽运使得原子系统能级分布偏极化而处于非平衡状态时，将全通过弛缘过程回复到热平衡分布状态弛豫过程的机制比较复杂，但在光抽运的情况下，铷原子与容器壁碰撞是失去偏极化的主要原因通常在铷样品泡内充入 氮、氖等作为缓冲气体，其密度比样品泡中铷蒸气的原子密度约大 6 个数量级，可大大减少铷原子与容器壁碰撞的机会缓冲气体的分子磁矩非常小，可认为它们与铷原子碰撞时不影响这些原子在磁能级上的分布，从而能保持铷原子系统有较高的偏极化程度但缓冲气体不可能使铷原子能级之间的跃迁完全被抑制，故光抽运也就不可能把基态上的原子全部“抽运”到特定的子能级上由实验得知样品泡中充入缓冲气体后，弛豫时间为 10 2s 数量级在一般情况下，光抽运造成塞曼子能级之间的粒子差数，比玻耳兹曼分布造成的差数大几个数量级 4、磁 共振与光检测 式给出了铷原子在弱磁场 B0作用下相邻塞曼子能级的能量差要实现这些子能级的共振跃迁，还必须在垂直于16 / 19 恒定磁场 B0的方向上施加一射频场 B1作用于样品当射频场的频率满足共振条件 h E gF B B0 时，便发生基态超精细塞曼子能级之间的共振跃迁现象若作用在样品上的是 D1光，对 于 87Rb 来说是由 mF 2 跃迁到 mF 1 子能级接着也相继有 mF 1 的原子跃迁到 mF 0， ?与此同时，光抽运又把基态中非 mF 2 的 原子抽运引 mF 2子能级上因此，兴振跃迁与光抽运将会达到一个新的动态平衡发生磁共振时，处于基态 mF 2子能级上的原子数小于未发生磁共振时的原子数也就是说，发生磁共振时能级分布 布的偏极化程度降低了，从而必然会增大对 D1光的吸收。作用在样品上的 D1光，一 方面起抽运作用另一方面可用透过样品的光作为检测光，即一束光起了抽运和检测两重作用。 对磁共振信号进行光检测可大大提高检测的灵敏度本来塞曼子能级的磁共振信号非常微弱，特别是密度很低的气体样品的信号就更 加微弱，直接观察射频共振信号是很困难 的光检测充分利用磁共振时伴随着 D1光强的变化，可巧妙地将一个频率较低的射频量 17 / 19 子转换成一个频率很高的光频量子的变化，使观察信号的功率提高了 7 8 个数量级这样，气体样品的微弱磁共振信号的观测，便可用很简便的光检测方法来实现。 二、实验仪器 由主体单元、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。 三、实验设计步骤 1仪器的调节 在装置加电之前