光泵磁共振试验电子科学与技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2009-12-30,陈曦 近代物理实验口头报告,*,光泵磁共振实验,电子科学与技术A14：陈曦07300300077,2009-12-30,1,陈曦 近代物理实验口头报告,光泵磁共振实验电子科学与技术A14：陈曦073003000,实验目的,了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量汽态铷（Rb）原子的g因子。,2009-12-30,2,陈曦 近代物理实验口头报告,实验目的了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量汽态,铷原子能级的超精细结构和塞曼分裂,原子能级的超精细结构是由原子的核磁矩与电子磁矩互作用产生的，当原子处于弱磁场,B,中时，原子的总磁矩与磁场相互作用使能级进一步分裂形成等间距的塞曼子能级。各能级能量差为,到 的跃迁产生波长为7948的D,1,线，,到 的跃迁产生7800的D,2,线。,实验原理,2009-12-30,3,陈曦 近代物理实验口头报告,铷原子能级的超精细结构和塞曼分裂 原子能级,铷原子的两种同位素,87,Rb的,85,Rb的塞曼分裂如图,2009-12-30,4,陈曦 近代物理实验口头报告,铷原子的两种同位素87Rb的85Rb的塞曼分裂如图 2009,在磁场中，原子在各子能级上的数目按玻耳兹曼分布，当用左旋圆偏振光 照射气态铷原子时，根据光跃迁选择定则,光抽运效应及偏极化的保持,87,Rb的5,2,S,1/2,态塞曼子能级上经过多次激发和自发辐射后，大量原子被抽运到基态F=2,m,F,=+2,的子能级上，形成原子在各能级间的非平衡分布称为偏极化。,2009-12-30,5,陈曦 近代物理实验口头报告,在磁场中，原子在各子能级上的数目按玻耳兹曼分布，当用左旋圆偏,类似情形可用右旋偏振光 照射，最后原子都集居在,F=2,子能级上，对,85,Rb，则抽运到,m,F,=+3,的子能级上。,有了偏极化就可以得到较强的磁共振信号。,2009-12-30,6,陈曦 近代物理实验口头报告,类似情形可用右旋偏振光 照射，最后原子都集居,对于,87,Rb,，因光抽运，大量原子都聚积到基态,F=2,，,m,F,=+2,能级上，偏极化达到饱和。这时在垂直于,B,的平面内施加一个频率为,的射频场,B,1,，当满足磁共振条件,塞曼子能级间的磁共振和光探测,时,在塞曼子能级间产生感应跃迁，称为磁共振。,磁共振消除了原子分布的偏极化，由于 光连续照射，存在光抽运，原子又被抽运到,m,F,=+2,子能级上，因而跃迁与抽运达到一个新平衡。,2009-12-30,7,陈曦 近代物理实验口头报告,对于87Rb，因光抽运，大量原子都聚积到基态F=2，,光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，故光抽运与磁共振跃的过程就可以连续地进行下去。通过测量 光强的变化，即可得到磁共振信号。仪器的巧妙之处就是将一个低频射频光子（110MHZ）转换成高频光频光子（10,8,MHZ），从而使信号功率提高了78个数量级。,2009-12-30,8,陈曦 近代物理实验口头报告,光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，故光抽运与磁,实验装置,2009-12-30,9,陈曦 近代物理实验口头报告,实验装置2009-12-309陈曦 近代物理实验口头报告,Tektronix TDS1002 双踪数字示波器,爱使 AS3343 频率计数器,新建 XJ1630 信号发生器,DH807型 光磁共振实验装置,2009-12-30,10,陈曦 近代物理实验口头报告,Tektronix TDS1002 双踪数字示波器20,实验过程,1.磁场测量,亥姆霍兹线圈中,电流,I,(A) 电阻,R,(),半径,r,(m) 匝数,N,2009-12-30,11,陈曦 近代物理实验口头报告,实验过程1.磁场测量2009-12-3011陈曦 近代物理实,2.光抽运信号的观察,扫场选择为方波，选择扫场方向与地磁场水平分量方向相反。,2009-12-30,12,陈曦 近代物理实验口头报告,2.光抽运信号的观察2009-12-3012陈曦 近代物理实,3.磁共振信号的观察,利用三角波扫场，本实验用扫场法即固定,v,改变,B,，来观察和测量磁共振信号，通过改变三角波方向，找出并区分对应于,87,Rb,和,85,Rb,的共振信号。注意区分共振信号与光抽运信号，这里注意,B,由三部分组成，即水平线圈产生的磁场,B,0,、扫场线圈产生的磁场,B,扫,和地磁场水平方向的磁场,B,/,组成。,每当磁场,B,值与射频频率,满足共振条件,时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的抽运。,2009-12-30,13,陈曦 近代物理实验口头报告,3.磁共振信号的观察 利用三角波扫场，本实验用扫场法即,2009-12-30,14,陈曦 近代物理实验口头报告,2009-12-3014陈曦 近代物理实验口头报告,4.测量,g,F,因子,用三角波扫场。固定磁场，调节,，测出共振时所对应的频率,1,，改变水平磁场方向，重复上述步骤，测出,2,则,注意：同一,B,下，存在两个,v,产生共振信号，频率高的对应于,87,Rb，低的对应于,85,Rb。,2009-12-30,15,陈曦 近代物理实验口头报告,4.测量gF因子 用三角波扫场。固定磁场，调节，测出,g,F,I,/ A,85,Rb,87,Rb,0.25,0.338,0.339,0.507,0.507,0.35,0.338,0.341,0.509,0.510,0.45,0.339,0.339,0.509,0.509,85,Rb 平均g,F,=0.339 相对误差1.7%,87,Rb 平均g,F,=0.509 相对误差1.8%,2009-12-30,16,陈曦 近代物理实验口头报告,gF85Rb 平均gF=0.339,5.测量共振线宽,固定磁场，改变射频频率,v,，使共振信号平移,x,。 如果对应的频率改变量为,，半宽高为,d,，则线宽为：,2009-12-30,17,陈曦 近代物理实验口头报告,5.测量共振线宽 固定磁场，改变射频频率v，使共振信号平,v,=0.540 MHz-0.416 MHz= 0.124 MHz,x,=24.0 ms h =70 mV d =6.8 ms,=35.13 KHz,2009-12-30,18,陈曦 近代物理实验口头报告,v=0.540 MHz-0.416 MHz= 0.124,6.测量地磁场的水平分量,先使扫场、水平场与地磁场水平分量方向相同，调节射频场频率，待共振后，读得,1,，再同时使扫场、水平场反向，待共振后读得,2,，则,地磁场大小,地磁场方向,tan,=B,垂直,/,B,/,2009-12-30,19,陈曦 近代物理实验口头报告,6.测量地磁场的水平分量 先使扫场、水平场与地磁场,=2.47910,-5,T,B,垂直,=,=,1.99810,-5,T,B,地,= 3.18410,-5,T,tan,=0.806 =38.87,2009-12-30,20,陈曦 近代物理实验口头报告,=2.47910-5TB垂直=1.99810-5TB地,在中国的大部分地区，地磁偏角在-10+2之间。 ,Wikipedia,各地的磁偏角： 上海 426, 百度百科,Latitude 31.33 N Longitude 121.48 E,Declination = 5 34 W changing by 0 4 W/year,NOAA Satellites and Information, National Geophysical Data Center (NGDC).,2009-12-30,21,陈曦 近代物理实验口头报告,在中国的大部分地区，地磁偏角在-10+2之间。,2009-12-30,22,陈曦 近代物理实验口头报告,2009-12-3022陈曦 近代物理实验口头报告,可能的原因,计算错误 反复计算 同学的数据参考,地磁场水平分量小了10倍 地磁场强度大约10,-5,T,地磁场垂直分量大了10倍,N,=100,r,=0.1530m,I,=0.068A,2009-12-30,23,陈曦 近代物理实验口头报告,可能的原因计算错误 反复计算 同学,实验数据,可能数据,B,/,/ 10,-5,T,2.479,2.479,B,垂直,/ 10,-5,T,1.998,0.1998,B,地,/ 10,-5,T,3.184,2.487,tan ,0.806,0.0806, / ,38.87,4.61,2009-12-30,24,陈曦 近代物理实验口头报告,B/ / 10-5T2.4792.479B垂直/ 10-5,我的结论,地磁场的垂直分量数量级不正确，使结果扩大了十倍,B N r中可能有一个量不正确,2009-12-30,25,陈曦 近代物理实验口头报告,我的结论 地磁场的垂直分量数量级不正确，使结果扩大,参考资料,1.戴道宣 戴乐山.近代物理实验.高等教育出版社，,2006,2.吴思诚等.近代物理实验.北京大学出版社，1995,3.吴泳华等.大学物理实验.中国科学技术出版社，1992,4. 杨福家.原子物理学.高等教育出版社，2004,2009-12-30,26,陈曦 近代物理实验口头报告,参考资料1.戴道宣 戴乐山.近代物理实验.高等教育出版社，2,谢谢！,2009-12-30,27,陈曦 近代物理实验口头报告,谢谢！2009-12-3027陈曦 近代物理实验口头报告,