一種適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明旨在提出一種適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法，屬于光學(xué) 檢測(cè)、光譜分析、密度探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁場(chǎng)作為基礎(chǔ)部分廣泛存在于自然界中，磁場(chǎng)探測(cè)裝置作為一種了解自然基礎(chǔ)的 工具具有極高的研究?jī)r(jià)值。對(duì)高靈敏磁場(chǎng)探測(cè)裝置的迫切需求促使超高靈敏原子磁強(qiáng)計(jì)的 產(chǎn)生和發(fā)展。根據(jù)最新的研究進(jìn)展，光抽運(yùn)原子磁強(qiáng)計(jì)，開(kāi)始展現(xiàn)出對(duì)極弱磁場(chǎng)探測(cè)的靈敏 性。
[0003] 原子磁強(qiáng)計(jì)主要由四大系統(tǒng)組成：光源系統(tǒng)、磁屏蔽與磁發(fā)生系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、以 及敏感表頭(堿金屬氣室）。由于原子磁強(qiáng)計(jì)具有極其廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值，因此，其儼然成 為廣大學(xué)者爭(zhēng)相研究的熱門課題。在這些研究中，針對(duì)堿金屬氣室內(nèi)原子密度測(cè)定的研究 涉及甚少。鄒升等人提出了適用于堿金屬氣室加工過(guò)程中堿金屬混合物比例控制的實(shí)時(shí)在 線監(jiān)測(cè)方法與裝置。此方法和裝置僅適用于加工過(guò)程粗略監(jiān)測(cè)堿金屬混合物的比例，無(wú)法 進(jìn)行精確的密度測(cè)量。
[0004] 目前，有關(guān)直接利用原子磁強(qiáng)計(jì)裝置本身完成精確快速地實(shí)時(shí)在線測(cè)量堿金屬氣 室內(nèi)部的原子密度的方法，未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對(duì)原子密度直接影響原子自旋磁強(qiáng)計(jì)靈敏度這一問(wèn)題，本發(fā)明立足 于原子磁強(qiáng)計(jì)本身，提出一種基于磁共振線寬理論的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法；以填補(bǔ) 現(xiàn)有技術(shù)無(wú)快速有效的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法的空白，并可為原子磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提升 提供理論指導(dǎo)與參考。
[0006] 技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] 以原子磁強(qiáng)計(jì)的磁共振線寬作為磁場(chǎng)函數(shù)，通過(guò)洛倫茲曲線的半高全寬來(lái)描述磁 共振線寬，公式如下：
[0008]
[0009] 式中：Δυ為磁共振線寬，I為核子角動(dòng)量(對(duì)于鉀原子來(lái)說(shuō)，1 = 3/2)，RSE為自旋交 互碰撞弛豫，力為普朗克常量，gs為電子的朗德因子，μΒ為玻爾磁子，B為磁場(chǎng)，γ e為電子旋 磁比，q為核減速因子(在高磁場(chǎng)環(huán)境下，q = 4)，i表示虛部。
[0010] 通過(guò)式（1)可知磁共振線寬與磁場(chǎng)關(guān)系；如圖1所示，在某一溫度條件下，磁共振線 寬隨磁場(chǎng)的增大而增大，而當(dāng)磁場(chǎng)增大到某一值后，磁共振線寬將趨于穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生變 化。如圖1中，當(dāng)溫度低于195°c時(shí)，若要獲得精確的磁共振線寬，磁場(chǎng)需要在3000nT以上；當(dāng) 溫度高于195 °C時(shí)，若要獲得精確的磁共振線寬，磁場(chǎng)需要在5000ηΤ以上。
[0011] 基于上述分析，我們可以采用磁強(qiáng)計(jì)參數(shù)來(lái)描述磁共振線寬，如式(2)和式(3):
[0012]
[0013]
[0014] 式中：Τ2為橫向弛豫時(shí)間，R〇P為抽運(yùn)率，Rsd為自旋破壞弛豫率，ω 〇為塞曼躍迀頻 率，Re表示實(shí)部，uHF為基態(tài)超精細(xì)分裂。
[0015]我們知道，在大磁場(chǎng)環(huán)境下磁共振線寬受限于自旋交互碰撞弛豫率；當(dāng)抽運(yùn)光極 弱時(shí)，自旋極化率P<<1，結(jié)合式(2)和式(3)，可以將磁共振線寬表示為：
[0016；
[0017；
[0018]式中：η為原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬原子密度，〇SE為自旋交互碰撞截面積(對(duì)于鉀原子 來(lái)說(shuō)，〇從=1.8\10_14〇112)，1^為玻爾茲曼常數(shù)，1'為溫度，1為堿金屬原子的約化質(zhì)量， Λ?二！，m為堿金屬原子的質(zhì)量。當(dāng)溫度由140°C上升到190°C時(shí)，^變化很小。 m
[0019] 對(duì)式（4)和式（5)講行整合，可以得到式(6):
[0020]
[0021] 基于上述分析，本發(fā)明提供的適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法， 具體包括如下步驟：
[0022] (1)將原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬氣室加熱至溫度T;
[0023] (2)降低抽運(yùn)光功率，并向原子磁強(qiáng)計(jì)的z方向線圈施加一個(gè)直流磁場(chǎng)；
[0024] (3)將原子磁強(qiáng)計(jì)的y方向線圈與ZI(Zurich Instruments)鎖相放大器的輸出端 口相連，通過(guò)ZI鎖相放大器完成原子磁強(qiáng)計(jì)y方向的正弦波掃場(chǎng)和數(shù)據(jù)采集，ZI鎖相放大器 的輸出信號(hào)記為f(x)，x為正弦波掃場(chǎng)頻率；
[0025] (4)用洛倫茲曲線擬合ZI鎖相放大器的輸出信號(hào)和原子磁強(qiáng)計(jì)的磁共振線寬，擬 合公式如下：
[0026]
[0027] 其中:a為擬合系數(shù)，b為堿金屬原子的共振頻率，△ υ為原子磁強(qiáng)計(jì)的磁共振線寬；
[0028] (5)采用如下公式計(jì)算原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬原子密度：
[0029]
[0030] 式中：η為原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬原子密度，〇SE為自旋交互碰撞截面積，Kb為玻爾茲 曼常數(shù)，Μ為堿金屬原子的約化質(zhì)量，M = i，m為堿金屬原子的質(zhì)量。 m
[0031] 具體的，所述步驟(1)中，降低抽運(yùn)光功率至30~100μΙ
[0032] 具體的，所述步驟（1)中，向原子磁強(qiáng)計(jì)的Ζ方向線圈施加3000~5000ηΤ的直流磁 場(chǎng)。
[0033]有益效果:本發(fā)明提供的適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法，具有 如下優(yōu)點(diǎn)：1、填補(bǔ)缺乏快速有效的原子密度實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量方法的空白；2、為原子磁強(qiáng)計(jì)評(píng) 估原子密度提供有效參考;3、為提升原子磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提供保障。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為磁共振線寬與磁場(chǎng)關(guān)系；
[0035]圖2為原子磁強(qiáng)計(jì)內(nèi)原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量裝置，其中：1為反射鏡一;2為擴(kuò)束鏡； 3為起偏器;4為$波片;5為三維磁線圈;6為起偏器;7為擴(kuò)束鏡;8為反射鏡二;9為檢測(cè)激光 器；10為磁屏蔽桶；11為函數(shù)發(fā)生器；12為計(jì)算機(jī)；13為ΖΙ鎖相放大器；14為堿金屬氣室；15 為PBS; 16為平衡探測(cè)器;17為反射鏡三;18為烤箱；19為抽運(yùn)激光器；
[0036]圖3為140°C下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 以鉀原子磁強(qiáng)計(jì)為例具體說(shuō)明利用本發(fā)來(lái)測(cè)量堿金屬氣室內(nèi)原子密度數(shù)。
[0038] 如圖2所示為一種適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量裝置，與現(xiàn)有技術(shù) 采用相同的結(jié)構(gòu);測(cè)量方法包括如下步驟：
[0039] (1)光路調(diào)節(jié)與連線:按照【附圖說(shuō)明】書2所示光路進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)與接線；
[0040] (2)系統(tǒng)準(zhǔn)備:開(kāi)啟電加熱系統(tǒng)，將堿金屬氣室內(nèi)部加熱至140°C;
[00411 (3)開(kāi)始測(cè)試:將抽運(yùn)光功率降低至30yW，在ζ方向線圈施加3000nT直流磁場(chǎng)；由ZI 鎖相放大器給y方向輸出一幅值為5ηΤ的正弦波掃場(chǎng)，且掃場(chǎng)頻率范圍為ΙΙΚΗζ至26ΚΗζ;同 時(shí)，由ZI鎖相放大器完成數(shù)據(jù)采集。
[0042] (4)數(shù)據(jù)處理:用洛倫茲曲線擬合鎖相放大器的輸出信號(hào)和頻率：
[0043]
[0044] 0;卯結(jié)米ion兄明卞?Τ ? 3/7Γ不，在140 °C時(shí)，使用本發(fā)明方進(jìn)行實(shí)時(shí)在線密度測(cè) 量，所獲得密度結(jié)果為0.49 X 1013cm-3。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法，其特征在于:包括如下步驟： (1) 將原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬氣室加熱至溫度T; (2) 降低抽運(yùn)光功率，并向原子磁強(qiáng)計(jì)的Z方向線圈施加一個(gè)直流磁場(chǎng)； (3) 將原子磁強(qiáng)計(jì)的y方向線圈與ZI鎖相放大器的輸出端口相連，通過(guò)ZI鎖相放大器完 成原子磁強(qiáng)計(jì)y方向的正弦波掃場(chǎng)和數(shù)據(jù)采集，ZI鎖相放大器的輸出信號(hào)記為f (X)，x為正 弦波掃場(chǎng)頻率； (4) 用洛倫茲曲線擬合ZI鎖相放大器的輸出信號(hào)和原子磁強(qiáng)計(jì)的磁共振線寬，擬合公 式如下：其中:a為擬合系數(shù)，b為堿金屬原子的共振頻率，Au為原子磁強(qiáng)計(jì)的磁共振線寬； (5) 采用如下公式計(jì)算原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬原子密度：式中：n為原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬原子密度，OSE為自旋交互碰撞截面積，Kb為玻爾茲曼常 數(shù)，M為堿金屬原子的約化質(zhì)量im為堿金屬原子的質(zhì)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法，其特征在 于:所述步驟(1)中，降低抽運(yùn)光功率至30~lOOiiW。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法，其特征在 于:所述步驟(1)中，向原子磁強(qiáng)計(jì)的Z方向線圈施加3000~SOOOnT的直流磁場(chǎng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于原子磁強(qiáng)計(jì)的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法，具體為：首先加熱原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬氣室；然后降低抽運(yùn)光功率，并向原子磁強(qiáng)計(jì)的z方向線圈施加一個(gè)直流磁場(chǎng)；然后通過(guò)ZI鎖相放大器完成原子磁強(qiáng)計(jì)y方向的正弦波掃場(chǎng)和數(shù)據(jù)采集；然后用洛倫茲曲線擬合ZI鎖相放大器的輸出信號(hào)和原子磁強(qiáng)計(jì)的磁共振線寬；最后計(jì)算原子磁強(qiáng)計(jì)的堿金屬原子密度。本發(fā)明方法填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)快速有效的原子密度實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法的空白，并可為原子磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提升提供理論指導(dǎo)與參考。
【IPC分類】G01N9/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105651649
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】陳熙源, 張紅, 鄒升
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2016年1月27日