光磁共振测量地磁场水平分量方法评述与改进

张圆圆,严 雯

(浙江大学物理学系,浙江杭州310027)

光磁共振测量地磁场水平分量方法评述与改进

张圆圆,严 雯

(浙江大学物理学系,浙江杭州310027)

比较了在光磁共振实验中不加射频场、固定射频场、改变射频场3类测量地磁场水平分量的实验方法.提出利用反向测量、线性拟合等方法进行改进,一定程度上克服了原来实验方法的缺点.

光抽运;磁共振;地磁场

1 引 言

光磁共振是近代物理实验中的重要实验.该实验将光抽运过程与射频磁共振结合起来,可测量原子、分子能级的精细和超精细结构,并可应用于弱磁场的测定,如地磁场等.目前广泛应用于近代物理实验的光磁共振仪器为DH807光磁共振实验装置(北京大华无线电仪器厂).关于利用该仪器测量地磁场的方法已有诸多论述.本文总结并比较了几种测量地磁场水平分量的测量方法的优缺点,并提出了相应改进方案.

2 不加射频信号测量地磁场

2.1 利用方波扫场信号和光抽运信号的对称性测量

文献[1]中提出了在不加射频信号的情况下利用方波扫场信号和光抽运信号对称性测量地磁场的实验方法.

1)调节好垂直磁场线圈电流大小,保持垂直磁场线圈电流大小不变.

2)使用扫场方波信号,使扫场磁场Bn与地磁场水平分量Be反向,水平磁场B0与地磁场水平分量Be同向,保持水平磁场线圈电流大小不变,调节扫场电流大小,使产生光抽运信号,并上下半周对称,如图1(b)所示.设扫场信号直流磁场分量大小为Bnd,记录此时水平磁场线圈电流大小,此时:

3)保持扫场电流不变,将扫场磁场与水平磁场都反向.调节水平磁场线圈电流大小至光抽运信号对称,记录水平磁场线圈电流大小,此时:

因而

图1 扫场信号与光抽运信号

利用该方法获得的数据见表1,其中I01为B0-Be时测得,I02为B0+Be时测得,测得Be=(2. 38±0.08)×10-5T.用方波扫场信号和光抽运信号测量地磁场水平分量的方法比其他方法相比新颖,但测量结果不够准确.主要原因是该方法利用肉眼判断抽运信号是否对称,而在调节过程中,抽运信号由不对称向对称变化不够明显.事实上,在较大的调节范围内都可以观察到抽运信号呈基本对称.例如,实验过程中当测量I02时, I02在0.099～0.107 A范围内变化时,抽运信号基本不变,都呈现对称.另外利用该方法测量时I01取值越小,对应I02的变化范围越小.

表1 方波扫场信号和光抽运信号测量磁场数据

2.2 利用三角波扫场信号和光抽运信号测量

文献[2]中提出了在不加射频信号时利用三角波扫场信号和光抽运信号测量地磁场的方法.

扫场方式选择为三角波,方向与地磁场水平分量方向相同.将水平磁场方向置为与地磁场水平分量方向相反,由小到大调节至光抽运信号出现在三角波的底部,记录此时水平磁场线圈的大小.此时水平方向合磁场大小为0,即:

利用该方法获得的实验数据见表2,测得Be=(3.19±0.05)×10-5T.该实验方法由于仅利用了抽运信号,不需要使用磁共振信号,测量时不存在使用射频信号时需要判断共振峰是由哪种同位素产生的问题.但是该方法忽略了扫场信号直流磁场分量的影响,而正如文献[1]中论述,该分量可能会对地磁场的测量造成较大影响.为抵消该分量的影响,可以将该方法改进如下:

表2 利用三角波扫场信号和光抽运信号测量地磁场数据

1)扫场方式选择为三角波,方向与地磁场水平分量方向相同.将水平磁场方向置为与地磁场水平分量方向相反,由小到大调节至光抽运信号出现在三角波的底部等较容易辨认的部位,记录此时水平磁场线圈电流大小I01.此时水平方向合磁场大小为0,即

2)将扫场磁场方向置为与地磁场水平分量方向相反,大小保持不变,水平磁场方向置为与地磁场水平分量方向相同.调节水平磁场线圈电流大小至光抽运信号出现在三角波的相同位置,记录此时水平磁场线圈电流大小I02.此时

则

3)若在2)中无论如何调节水平磁场线圈电流大小,都不能使光抽运信号出现在三角波相同位置,可将水平磁场反向后再调节,记录此时水平场线圈电流大小I03.此时

则

如表2所示,按此方法实验得Be=(2.59± 0.05)×10-5T.参考其他实验方法的测量结果,可以看出该方法测得的实验数据较改进前准确.

3 固定射频场频率测量地磁场

文献[3]中提出的测量地磁场的方法是在固定射频场频率下进行测量,是应用较为广泛的一种方法,在许多文献中均有提及.实验方法如下:

1)选择扫场方式为三角波,扫场、水平磁场方向与地磁场方向相同,固定射频场频率,调节水平磁场线圈电流大小至核磁共振信号出现在对应三角波的某个位置,如底部,记录此时水平磁场线圈电流I01,记水平磁场线圈产生磁场大小为B01.

2)选择扫场,水平磁场方向与地磁场水平分量方向相反.调节水平磁场线圈电流大小至核磁共振信号出现在对应三角波的相同位置,记录此时水平磁场线圈电流大小I02,记水平磁场线圈产生磁场大小为B02.则地磁场为

利用该方法获得的实验数据见表3,得到Be=(2.45±0.05)×10-5T.该方法与其他方法相比测量结果较精确,且操作简单,同时又不需判断合磁场的方向.因而得到了较广泛的应用.

值得注意的是该方法在步骤2)中将扫场方向与水平磁场方向同时反向是为抵消扫场信号直流磁场分量的影响,若该步骤中不将扫场同时反向(文献[2]中的测量方法),则会有较大误差.实验中采用此方法得Be=(3.64±0.05)×10-5T,与其他方法的测量结果有较大差异.

表3 固定射频场频率测地磁场数据

4 改变射频场频率测量地磁场

改变射频场频率测量地磁场的方法较常见[7-8].实验方法为:

1)选择扫场方式为三角波,使水平磁场、扫场磁场方向与地磁场水平分量方向相同.调节射频场频率至磁共振信号出现于三角波对应的某位置,如谷点.记下此时射频场频率ν1.此时

2)置水平磁场、扫场磁场方向与地磁场方向相反.调节射频场频率至磁共振信号出现于对应三角波的相同位置.记录此时射频场频率ν2.判断合磁场的方向是与地磁场水平分量方向相同还是相反[4-6],使用公式(12)～(14)

利用该方法获得的实验数据见表4,计算得Be=(2.481±0.014)×10-5T.该方法与其他方法相比,比较精确,且操作简单,因此应用较多.缺点是需要判断合磁场的方向;另外还需要知道实验所用元素的gF;在有多种元素发生磁共振时,还需要区分各种元素的共振峰.

事实上可以对该实验方法作一定的改进,即采用线性拟合法,就可以在不知道发生共振元素的gF和不需要判断合磁场方向的情况下测量地磁场.方法为改变水平磁场线圈电流大小,重复实验步骤1)和2),对所得的实验结果以射频场频率为自变量,水平磁场线圈电流大小为因变量进行线性拟合.设步骤1)测得的数据拟合所得的直线与y轴相交的截距为b1,并设水平磁场线圈电流大小为b1时水平磁场大小为B01.设步骤2)测得的数据拟合所得的直线与y轴相交的截距为b2,并设水平磁场线圈电流大小为b2时水平磁场大小为B02.则地磁场大小为

表4 改变射频场频率测地磁场数据

利用该实验方法实验获得的实验数据见表4所示.利用该实验方法实验获得Be=(2.31± 0.03)×10-5T.

事实上使用上述2种方法不论是改进前和改进后,都不必局限于先使水平磁场、扫场磁场方向与地磁场水平分量方向相同再将水平磁场和扫场同时反向进行实验.实验中,可以在保证前后2次测量中扫场和地磁场分别是一次同向,一次反向的基础上设计实验.例如:可以先使水平磁场与地磁场反向,扫场与地磁场同向测量共振时的射频频率;再将扫场反向,测量共振射频频率.最后数据处理需根据实验原理稍微修改公式.

5 结 论

综合比较上述几种方法,可以得到以下结论: a.利用方波扫场信号和光轴运信号测量地磁场和利用三角波扫场信号和光轴运信号测量地磁场方法较新颖;b.固定射频场频率测地磁场和改变射频场频率测地磁场方法及利用三角波扫场信号和光轴运信号测量地磁场,方法改进后测量结果比较精确.c.改变射频场测地磁场方法改进后测量结果与其他方法的测量结果非常接近,说明用线性拟合改进改变射频场测地磁场方法可行.

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[7] 王魁香.新编近代物理实验[M].北京:科学出版社,2007:189-197.

[8] 张天喆,董有尔.近代物理实验[M].北京:科学出版社,2004:268-275.

Reviewand improvement on measuring terrestrial magnetic field by optical pumping magnetic resonance

ZHANG Yuan-yuan,YAN Wen
(Department of Physics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

The methods to measure terrestrial magnetic field without the use of FR field,fixed RF field and changed RF field in optical pumping magnetic resonance experiment are elaborated.The methods of reverse measurement and linear fitting are put forward to overcome the shortcomings of traditional method.

optical pumping;magnetic resonance;terrestrial magnetic field

O441.4

A

1005-4642(2010)10-0043-04

[责任编辑:郭 伟]

2009-11-22;修改日期:2010-04-22

张圆圆(1989-),女,山东枣庄人,浙江大学物理学系2006级本科生.

指导教师:严 雯(1965-),女,广东广州人,浙江大学物理学系工程师,硕士,从事光学教学工作.