光磁共振实验装置的改装及对于异常光抽运信号的深入探讨.docx
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光磁共振实验装置的改装及对于异常光抽运信号的深入探讨
光磁共振实验装置的改装及对于异常光抽运信号的深入探讨
光磁共振实验装置的改装
及对于异常光抽运信号的深入探讨
摘要
DH807针对目前广泛使用的型光磁共振实验装置的不足，作者对其进行了改装，增强其功能。
利用改进后的实验装置，成功的解释了目前实验中观察到的所有的“异常”光抽运信号。
关键词光磁共振实验装置的改装异常光抽运信号弛豫饱和值
引言
DH807目前国内广泛使用的光磁共振实验装置是北京大华无线电仪器厂的型光磁共振实验仪，其操作简单，性能可靠。
但由于其功能的局限，实验过程中发现除正常的光抽运信号外，各种异常的光抽运信号无法很好的解释，就目前的文献来看，尚未有对这些异常的
DH807信号作出合理的解释和说明。
在深入研究了型光磁共振实验仪结构后，针对其不足不足，我们对其进行了改装。
利用改进后的实验装置，我们发现其仪器本身的放大电路对抽运信号产生了一定扭曲，其扫场波形信号也不能真实的反应铷泡处磁场的变化，并对真实的光抽运信号进行了深入的探讨和解释。
11DH807（光磁共振实验仪的不足及问题
1（）实验过程中发现，光电池输出的信号只有交流成分，直流成分完全被光电池后面的
放大电路中的电容截去，导致我们无法得到光电池输出的直流成分的信息（该直流
成分对于研究抽运信号的弛豫饱和值与外磁场的大小之间的关系及对异常光抽运信
号的解释至关重要）。
同时由于该电容很大，对真实的光抽运信号产生了扭曲，不
利于深入的分析和研究。
2（）实验过程中用于对比的水平扫场信号是从信号发生器中直接取出的，并非水平场线
圈中真实的电流信号，更不能代表铷泡处的磁场的变化的信号。
考虑到水平场线圈
//实际电感很大，加入的方波三角波信号难以产生精确的方波三角波磁场，许多观
察到的难以解释的异常的光抽运信号可能由此产生。
3（）一些难以解释的异常光抽运信号:
a（）两个抽运峰对应的磁场值
AA*应该相同但是和点显然相
差很大。
（b）CD和两点完全不在
同一水平线上，按一般理
论磁场过零后一瞬间抽运
信号都应该一样大。
c（）两个抽运峰的弛豫饱和值
相差很大。
三角波扫场时也存在
着抽运峰过零处磁场
值不等，抽运峰一高
一矮的情况，同时我
们还注意到三角波扫
场抽运信号变得很平
缓，同时峰顶呈圆弧
状，目前尚未有文献
对此现象做出讨论和
解释。
在某些水平场下，我们
在一个周期只能看到一
个抽运峰。
1.2光磁共振实验仪的改装
DH807针对型光磁共振实验仪上述不足，我们对其进行了改装:
重新设计了直流光电信号放大电路，使用超低频信号发生器作水平扫场信号并使用霍尔传感器直接观察铷泡处的磁场值，改装的细节和结果参见《光磁共振实验装置的改装及不同磁场值下弛豫饱和值的测量》一文。
2.1
利用改装后的光磁共振实验装置观察三角波扫场的抽运信号
改装前仪器观察到的三角
波扫场的抽运信号对比改装前后的三角波扫场抽运信号我们可以发现:
1（）改装前三角波扫场时，由于放大器后面大电容充放电的影响，抽运信号的形状畸变，
呈圆顶，而改装后的装置观察到的抽运信号弛豫过程波形完全正常，抽运峰尖锐。
2（）改装前抽运信号对应的扫场值零点相差很远，从显示的波形难以解释其原因，而改
装后的装置其抽运信号对应的磁场零点严格的在一条水平线上，与理论预测完全相
符。
3（）改装前扫场波形给出的是信号源的波形，呈理想的三角波，但不能代表铷泡出磁场
真实的变化;改装后发现三角波信号产生的磁场和信号源的波形有一定差距，由于
电感的作用，三角波的顶角变成圆弧状的。
2.2
利用现在信号源周期可调的优势，我们可以细致研究抽运波形随磁场变化周期的关系。
半周期T=100ms的磁场变化对应的光抽运信号半周期T=200ms的磁场变化对应的光抽运信号
对比上面的两幅图我们可以发现，在这种条件下，光抽运信号真实的弛豫时间约为130msT=200ms，在半周期时，我们可以看到非常完整的抽运信号和弛豫过程，而在实验
100ms仪器普遍采用的半周期下，我们看到的其实是不完整的抽运信号，其弛豫过程尚未完成便开始了下一半周期的抽运。
130ms更概括的来讲，当磁场变化半周期在以下时，相当于截取不同比例的完整的抽运信号该结论对于任何扫场波形都成立。
30ms60当半周期取，则抽运信号应该是框内的部分，其抽运幅度为完整信号的,左右。
（该波形与半周期30ms的实际光抽运信号完全吻合～）
2.3
在《光磁共振实验装置的改装及不同磁场值下弛豫饱和值的测量》一文中，我们细致讨论了光抽运信号弛豫饱和值与磁场的关系及其原理，利用该关系，我们已经解释了为何会出现一高一矮的异常抽运信号，利用其数据，我们还可以大致估计未完全抵销的垂直磁场对光抽运幅度的影响。
弛豫饱和光电信号强度/V
目前一般的资料中认为只有总磁场
Zeeman过零时，子能级简并再分裂时的
一瞬间才出现才会出现抽运信号。
但实验
中清楚的发现，即使垂直场没有完全抵
销（总磁场永不过零），也有可能看到抽
运信号，只是幅度较小。
我们从光抽运信
号弛豫饱和值与磁场的关系可以看到即
水平场电流/A
使磁场不过零，只要当它接近零时，也可以观察到抽运信号。
即抽运信号底的位置大致等于总磁场绝对值的最低点的值（等于地磁场垂直分量尚未抵销的部分）所对应的弛豫饱和值。
利用该关系，还可以估算出地磁场的垂直分量到底控制在多少以内仍可以看到抽运信号:
0.046A0.076A读图可知如果水平场电流小于或大于时，其弛豫饱和值与大磁场相比已相
0.061A差不大。
注意到磁场过零时水平场电流为
=,.,,5A?
I（）水平MAX
N由于BI,R
代入水平和垂直线圈的匝数和半径数据，得到
=,.,,,A?
I（）垂直MAX
0.047A在实验室位置，地磁场垂直分量在垂直场电流为时抵销，所以垂直场电流在0.024A0.070A0.047A到之间时，都可以看到一定的抽运信号，只是偏离越远，抽运信号幅度越小，该关系在实际观察中得到了很好的验证。
24（
利用前面的结论，现在解释所有实验中观察到的异常光抽运信号:
对于方波，其由于扫场线圈的电感作用，其产生的真实磁场波形变为前后沿带突起的
XFD-8B梯形波，而且由于信号源不稳定，其磁场波形不光滑（其波形质量不及超低频信号发生器）
简化的方波扫场的磁场变化波形图
方波扫场的磁场变化波形（下）
1（）当磁场零点接近方波前沿的突起时
C
BAAB
AB此时由于点离磁场零值较近，产生较大的抽运峰，点离磁场零值较远，产生较小
BB~C的抽运峰，过点后，磁场陡然增大，出现一段弛豫过程。
2A（）当磁场零点穿过前沿突起时（局部放大）
CC
AA+BA+
AB
AA+磁场现在点过零，产生一个抽运峰，由于磁场斜率很缓，故只产生一个不明显
BB的下降，在点，磁场再次过零产生第二个抽运峰，过点后，磁场陡然增大，出现
B~C一段弛豫过程。
3（）当磁场零点位于梯形的上半部分时
C
AB
ACB
A,B,CABBC磁场在点过零，产生三个抽运峰，但是由于间磁场小于间磁场，由前面
ABBC的到的弛豫饱和值与磁场的关系可知，间的抽运信号的顶低于间的抽运信号的
ABBC顶，并且由于比段，所以两个周期的抽运信号宽度不同。
4（）当磁场零点位于梯形的中部时
CABCAAB此时得到的便是正常的抽运信号。
当磁场零点扫过梯形的下半部分时，抽运信号与上述讨论完全对称，此处略去。
对于三角波其由于扫场线圈的电感作用，其产生的真实磁场波形变为圆角的三角波:
三角波扫场的磁场变化波形（下）
简化的方波扫场的磁场变化波形图注意:
三角波顶部附近并不是完全对称的，左侧斜率稍大，右侧斜率稍小。
1（）当磁场零值接近三角波顶部时
A
AA
A磁场在点处相切，但由于三角形顶部右侧较平缓，故我们可以观察到抽运信号的底较长时间处于较低位置，然后才因为磁场很大出现典型的弛豫曲线。
当磁场零值穿过三角波上部时
ABCAB注意到三角波左右并不完全对称，右侧斜率较缓，
BACAAB所以抽运信号比略高一点。
从图中可以清楚的看到间磁场比间磁场大，所以其抽运峰的饱和值更高。
当磁场零值穿过三角波中央时
BA
AB
此时得到正常的光抽运信号，当磁场零值穿过三角波下半部分时，抽运信号与上述讨论完全对称，此处略去。
结语:
DH807通过对光磁共振实验仪的改装，我们可以直接观察铷泡处磁场的变化，发A
现由于电感的作用，真实的磁场变化与外源扫场波形有很大区别，加上定量的测量了光抽运弛豫饱和值与磁场的关系，从而很好的解释了实验中观察到的异常的光抽运信号。
本文还细致研究抽运波形随磁场变化周期的关系，并探讨了未完全抵销的垂直磁场对光抽运幅度的影响，最后完整的解释了方波和三角波扫场时遇到的所有异常的光抽运信号及其成因。
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