光泵磁共振测地磁场.docx

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光泵磁共振测地磁场

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

OPTICALPUMPINGMAGNETICRESONANCE

MEASUREMENTSOFTHEGEOMAGNETICFIELD

SouthChinaNormalUniversity.SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineering

HuangWeiLun20110003013

SummaryOutlinesthehistoryofthegeomagneticfieldmeasurements,abriefsummaryoftheuseofopticalpumpingmagneticresonancegeodesicprinciplesandspecificmethodsofoperation.Describeshowtheobservedopticalpumpingsignal,explainshowtomeasureLandefactorgf,howto

measurethehorizontalandverticalcomponentsofthegeomagneticfield,

thenusethePythagoreantheoremtocalculatethesizeofthegeomagneticfield.Whilethetwotimeperiodsmeasureddataerroranalysisandconclusions.

Keyword:

Opticalpumpingmagneticresonance,opticalpumping,thegeomagneticfield,Landefactor

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

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

QCQ~7

本实验的研究对象是铷原子。

天然铷有两种同位素：

Rb（占72.15%）和Rb

占27.85%）。

选用天然铷做样品，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跃迁的磁共振信号。

在弱磁场的作用下，铷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=gfUBB⑴

24i

（gf为朗德因子；Ub=9.2741*10*T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Bo的方向上施加

一射频场Bi作用于样品。

当射频场的频率v满足共振条件

hv=gfubB

（2）

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,

将铷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I1。

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丄=4.496（NV/rR）*10-7=4.496（NI/r）*10-7

（2）磁共振信号观察——用扫场法测地磁场水平分量

（1）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，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：

B0=4.496（NV/rR）*10-7=4.496（NI/r）*10-7

则有gf=hv/UBB0可求得朗德因子。

（2）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12。

将扫场、水平磁场同时换向，保持水平线圈电流为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。

分别测出两种铷原子对应的信号。

⑶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。

（4）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

（3）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=

四、实验数据处理:

（1）实验仪器线圈基本信息

（2）利用光磁共振测朗德因子:

原子种

类

水平分量

11/MHZ

V1/MHZ

V2/MHZ

V均/MHZ

B0/10-7T

gf/10-6

Rb87

0.198

0.63014

0.65098

0.64056

928.84808

0.493011

RbB5

0.198

0.39820

0.44519

0.42169

928.84808

0.324556

RbB5

0.306

0.64485

0.66924

0.657045

1435.49249

0.327217

Rb87

0.306

1.06454

0.97577

1.020155

1435.49249

0.508050

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:

其理论值为0.3339.

Rtxgf=（0.493011+0.324556）/2=0.4087835

由此可以得其误差&=|0.4087835-0.3339|/0.3339*100%=22.4%

Rt87：

gf=（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。

（3）利用光磁共振测地磁场水平分量

测量时间

原子

电流12/A

V同/MHz

V反/MHz

V/MHz

B//10-4T

Rb87

0.064

0.88654

0.11184

0.38735

0.6630557

2014.5.21

Rb85

0.358

0.96508

0.38562

0.28973

0.5066895

Rb85

0.335

0.95268

0.29642

0.32813

0.5738446

Rb87

0.037

0.876312

0.35213

0.26209

0.4486388

2014.6.12

Rb85

0.374

1.12178

0.43652

0.34263

0.5992027

Rb85

0.333

0.97328

0.36975

0.30177

0.5277454

⑷利用光抽运信号

'测地磁场垂直方向分量

测量时间、

项目

I丄/A

I///A

B丄/10

-4t

2014.5.21

0.042

0.103

0.129296732

2014.6.12

0.044

0.125

0.14105098

（5）最后算得的地磁场，有公式

D2

B地=S

可得数据如下表

测量时间

原子

B地/10-4T

B地均/104T

Rb87

0.675544

2013.5.21

Rb85

0.522926

0.595567

Rb85

0.588231

Rb87

0.448860

2014.6.12

Rb85

0.615580

0.536903

Rb85

0.546270

测得的地磁场在数量级上符合地磁场大小。

（6）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。

回宿舍查了一下资料，发现天气不同，会对地磁场产生影响，也有可能是操作的问题，但总的来说还是做出点成果，但

误差有点大的问题是一个接下来下一步的探究了。

六、参考文献

[1]吴先球.熊予莹.近代物理实验教程[M].科学出版社,2009.

[2]谢丽慧.光泵磁共振测地磁场[J].华南师范大学物理与电信工程学院.2013

[3]肖海霞，连晋平.光泵磁共振法测地磁场水平分量的方法