光泵磁共振测地磁场

1、光泵磁共振测地磁场华南师范大学物理与电信工程学院黄伟伦 20110003013摘要：简述了地磁场测量的历史，简单的总结了利用光泵磁共振测地磁场的原理 和具体的操作方法。介绍了如何观测光抽运信号，说明了如何测量朗德因子gf、 如何测量地磁场的水平和垂直分量，随后运用勾股定理计算出地磁场的大小。同 时对在两个时间段测得的数据进行误差分析并得出结论。关键词：光泵磁共振、光抽运、地磁场、朗德因子OPTICAL PUMPING MAGNETIC RESONANCEMEASUREMENTS OF THE GEOMAGNETIC FIELDSouth China Normal University, Sch

2、ool of Physics and Telecommunication EngineeringHuang Wei Lun 20110003013Summary： Outlines the history of the geomagnetic field measurements, a brief summary of the use of optical pumping magnetic resonance geodesic principles and specific methods of operation. Describes how the observed optical pum

3、ping signal, explains how to measure Lande facto, f, how to measure the horizontal and vertical components of the geomagnetic field, then use the Pythagorean theorem to calculate the size of the geomagnetic field. While the two time periods measured data error analysis and conclusions.Keyword: Optic

4、al pumping magnetic resonance, optical pumping, the geomagnetic field, Lande factor一、地磁场的测量的发展简史地磁场作为一种天然磁源,在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研 中有着重要的用途地磁场的数值比较小，约为10-5T量级，其准确测量比较困难, 但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，却往往需要知道其准确数值,并设法消 除其它因素对测量结果的影响。传统的亥姆霍兹线圈磁场测量实验，一般用探测 线圈配以指针式交流电压表测量磁感应强度，由于线圈体积大、指针式交流电压 表等级低等原因，测量的误差较大。近年来，在研

5、究地磁场方面，科研工作者做了 不少研究。光泵磁强计就是根据光泵磁共振的原理制造而成的，本实验所用的光泵次和 公正实验装置是以光抽运为基础的光检测技术。我们之前曾用过本装置测量Rb85 和Rb87的朗德因子gf,对本实验仪器也是比较熟悉的。通过改变操作步骤便可达 到测量地磁场的目的。永光泵磁共振测地磁场时，基本思路就是分别测出地磁场的水平分量和垂直 分量，再利用矢量合成求出地磁场。二、实验原理本实验的研究对象是钏原子。天然钏有两种同位素：85Rb（占72.15%）和87Rb （占27.85%）。选用天然钏做样品，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

6、跃迁的磁共振信号。在弱磁场 的作用下，钏原子的超精细结构能级会发生塞曼效应，相邻塞曼能级之间的能量 差满足： E=gf*B(1)(gf为朗德因子；ub=9.2741*10-24*Tt为波尔磁子；B为样品处磁感应强度)。要实现这些子能级的共振跃迁，还需要在垂直于恒定磁场B0的方向上施加 一射频场作用于样品。当射频场的频率v满足共振条件hv= gfuBB在塞曼子能级间将发生共振跃迁。可在示波器上观测到共振信号。在热平衡状态下，各能级的粒子数遵从玻尔兹曼分布。由于超精细塞满能级 间的能量差A.E很小，可近似认为这些子能级上的粒子数是相等的，这就很不 利于观测到这些子能级之间的磁共振现象。为此，卡斯特

7、勒提出了光抽运的办法 实现能级间的粒子数布局反转。如图所示，将钏光灯谱产生的初设光调制成圆偏振光并照射到Rb蒸汽泡上。光入射之 前，各能级上几乎都均匀分布着原子；光照射后，处于磁场中的Rb原子吸收圆 偏振光，使得较低能级上的原子被抽运到叫高能级上出现粒子数反转现象。用信 号发生器输出频率为v的射频信号施加到Rb蒸汽泡周围的射频线上产生射频震 荡的磁场，当v满足共振条件时就会发生磁共振现象。实验中同时要注意弛豫过 程的影响。三、测量方案（一）光抽运法测地磁场的垂直分量把方波和三角波加到扫场线圈均可观测到光抽运信号，但方波能较快地通过 零点建立正向或反响磁场，故观察光抽运信号时常采用方波扫场。实验

8、装置通电 进入工作状态后，用方波扫场，调大扫场幅度再将指南针至于吸收池上面，改变 扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后拿开指南针。固定 一个频率，缓慢从0开始天界垂直次磁场线圈的电流，可看到光抽运信号会随电 流的变化而改变，当信号幅度达到最大时，记录下此时的垂直场电流11。现在有 表示亥姆霍兹线圈产生的磁场刚好与地磁场的垂直分量相抵消。此时地磁场的垂 直分量的计算公式为：B =4.496(NV/rR)*10-7=4.496(NI/r)*10-7磁共振信号观察用扫场法测地磁场水平分量测定gF因子扫场方式选用“三角波”扫场。保持扫场、水平磁场和地磁场水平分量的方 向和光抽运时一样

9、，当固定某一频率v1时，测得共振时其水平方向电流为I, 保证水平方向电流大小不变，改变电流方向，测的此时共振频率v2,则共振频率 为v=(v1+v2)/2。改变共振频率，测多组数据。把此时垂直场的磁场大小认为和水平场的磁场大小相等，可由下式求得：B =4.496(NV/rR)*10-7=4.496(NI/r)*10-7 0则有gf=hv/UBB0可求得朗德因子。扫场方式选择“三角波”。当固定某一射频频率v1时，先设置使扫场、 水平磁场、地磁场水平分量方向相同，从小到大开始改变水平场电流，观察与三 角波波峰对应的共振信号(如图a)，并记录对应水平方向电流为I2。将扫场、 水平磁场同时换向，保持水

10、平线圈电流为I2，直至出现与三角波波谷对应的共振 信号(如图b)，记录此时的共振频率v2。分别测出两种钏原子对应的信号。改变射频频率，重复以上步骤，可得到不同水平电流值的实验数据。此时地磁场水平分量对应的共振频率为：v=(v1-v2)/2，进而求得地磁场水平分量为 B =hv/gfuB求总磁场：总磁场由水平分量和垂直分量合成，由勾股定理得b地寸 +与。四、实验数据处理：实验仪器线圈基本信息利用光磁共振测朗德因子:原子种类水平分量I1/MHZV1/MHZV2/MHZV 均/MHZB0/10-7Tg /10-6 fRb870.1980.630140.650980.64056928.848080.4

11、93011Rb850.1980.398200.445190.42169928.848080.324556Rb850.3060.644850.669240.6570451435.492490.327217Rb870.3061.064540.975771.0201551435.492490.508050从上表课进一步求87Rb和85Rb的朗德因子的平均值。以10-6为数量级，计算结果如下：Rb85： gf=(0.493011+0.324556)/2=0.4087835其理论值为 0.3339.由此可以得其误差 =|0.4087835-0.3339|/0.3339*100%=22.4%Rb87： g

12、f=(0.327217+0.508050)/2=0.4176335其理论值为 0.5008由此可以得其误差 =|0.5008-0.4176335|/0.5008*100%=16.6%通过数据分析发现实验所的数据还是在可以接受范围内的。利用光磁共振测地磁场水平分量测量时间原子电流I/A2V同/皿V 反/MHzV/MHzB/10-4TRb870.0640.886540.111840.387350.6630557Rb850.3580.965080.385620.289730.5066895Rb850.3350.952680.296420.328130.5738446Rb870.0370.876312

13、0.352130.262090.44863882014.6.12 Rb850.3741.121780.436520.342630.5992027Rb850.3330.973280.369750.301770.5277454利用光抽运信号测地磁场垂直方向分量测量时间、项目I/A*AB/0-4T0.0420.1030.1292967322014.6.120.0440.1250.14105098I T R A最后算得的地磁场，有公式B- 一可得数据如下表测量时间原子B 地/10-4TB 地均/10-4TRb 870.675544Rb 850.5229260.595567Rb 850.588231Rb 870.448860Rb850.6155800.536903Rb 850.546270测得的地磁场在数量级上符合地磁场大小。误差原因分析：实验仪器不稳定，频率一直不停的跳动，很难读出准确的共振频率；在判断抽运信号和共振信号时有可能出错，导致读错共振频率；可能由于调频器上的电压不够高，导致频率都偏低，从而导致产生误差；五、结论由于队员没有做过这个实验，导致前两次誓言都是我一个人在操作，但我 发现2次饰演的出来的数据差距有点大，于是，就跟队友合作在做第三次，但结 果确实发现3次实验的数据差距都很大。