光泵核磁共振

光泵磁共振光磁共振技術(shù)是20世紀(jì)50年代法國物理學(xué)家卡斯特勒(A.Kastler)提出的。他于1966年獲諾貝爾物理學(xué)獎。該技術(shù)是將光抽運與射頻磁共振相結(jié)合的一種雙共振過程。氣體原子塞曼子能級能量差極小，磁共振信號極弱，難于探測，采用光探測原子對入射光的吸收，獲得了磁共振信號。因此光磁共振技術(shù)既保持了磁共振的高分辨率，又將探測靈敏度提高了約十個量級，因而特別適用于研究原子、分子的細微結(jié)構(gòu)及其有關(guān)參量的精密測量，以及對原子、分子間各種相互作用進行研究。近年來出現(xiàn)的激光射頻雙共振技術(shù)為原子、分子高激發(fā)態(tài)的精密測量開辟了廣闊的前景。利用光磁共振原理在量子頻標(biāo)和精密測定磁場上已經(jīng)開發(fā)了精密儀器，即原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(原子鐘)和原子磁強計，更重要的是光磁共振原理為激光的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。實驗?zāi)康?掌握光抽運、磁共振、光檢測的思想方法和實驗技巧，研究原子超精細結(jié)構(gòu)塞曼子能級間的磁共振。?測定銣同位素Rb和Rb的gF因子，測定地磁場。實驗原理光磁共振是根據(jù)角動量守恒原理，用光抽運來研究原子超精細結(jié)構(gòu)塞曼子能級間磁共振現(xiàn)象的雙共振技術(shù)。由于應(yīng)用了光探測方法，使得它既保存了磁共振高分辨率的優(yōu)點，同時，又將測量靈敏度提高了幾個數(shù)量級。它對原子、分子等內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的研究，在量子頻標(biāo)、弱磁場的精確測量等方面都有很高的應(yīng)用價值。1?銣原子的超精細結(jié)構(gòu)及其塞曼分裂銣?zhǔn)且粌r堿金屬原子，天然銣中含有兩種同位素：R和R。根據(jù)LS耦合產(chǎn)生精細結(jié)構(gòu)，它們的52Sy 52P 52S/ R8752S/ 52? D九 0基態(tài)是 12，最低激發(fā)態(tài)是 12和 32的雙重態(tài)。對b， 32 — 12躍遷為D1線(1=7948A)；52P 52P o32— 12為D2線(A2=7800A)。銣原子具有核自旋I,相應(yīng)的核自旋角動量為Pi,核磁矩為卩i。在弱磁場中要考慮核自旋角動量的耦合,即PI和電子總角動量PJ耦合成總角動量PF，F(xiàn)為總量子數(shù)：F=I+J，…J。對Rb，1=32,因此Rb的基態(tài)有兩個值：F=2和F=1。對Rb5，1=52，因此R的基態(tài)有F=3和F=2。由量子數(shù)F標(biāo)定的能級稱為超精細結(jié)構(gòu)能級。原子總角動量PF與總磁矩F之間的關(guān)系為：eh卩一gP(1)(2)F F4冗mF(1)(2)F(F+1)+J(J+1)—I(I+1)g-j 2F(F+)B 口 ^m=F?…一F在磁場B0中，原子的超精細能級產(chǎn)生塞曼分裂。對某一F值，磁量子數(shù)MfFF，即分裂為2F+1個能量間距相等(AE=gF卩BB0，卩B為玻爾磁子)的塞曼子能級，見圖(1)。

：3[^5.7：3寶血?：3[^5.7：3寶血?hF=2圖1 til原子能級喬意精細結(jié)構(gòu)[超精細； ；）斯瓦3 ：結(jié)構(gòu):塞曼分裂在熱平衡條件下，原子在各能級的布居數(shù)遵循玻爾茲曼分布（"=Noe-B/KT），由于基態(tài)各塞曼子能級的能量差極小，故可認為原子均衡地布居在基態(tài)各子能級上。2．圓偏振光對銣原子的激發(fā)與光抽運效應(yīng)對塞曼效應(yīng)原子能級躍遷，Mf通常的選擇定則是Mf=0，±1，但如用具有角動量的偏振光與原子相互作用，根據(jù)角動量守恒原理，原子吸收光子能量的同時，也吸收了它的角動量。對于左旋圓偏振的7+光子與原子相互作用，因它具有一個角動量+力，原子吸收了它就增加了一個角動量+力值，則只有Mf=+1的躍遷。Rb的SS12和'匚2態(tài)的MF最大值都是+2，當(dāng)入射光為7+時，由于只能產(chǎn)生Mf=+1的躍遷，52SyM—+2 5P/ 52S/基態(tài)!2中MF—+2子能級的粒子躍遷概率為0,而粒子從】2返回】2的過程，由于是自發(fā)躍遷，按選擇定則Mf—0，±1布居，從而使得Mf—+2粒子數(shù)增加（見圖2）。這樣經(jīng)過若干循環(huán)后，基態(tài)Mf—+2AMH+2 AM—+2子能級上粒子數(shù)大大增加，即F 2的較低子能級上的大量粒子被“抽運”到MF+2上，造成粒子R87數(shù)反轉(zhuǎn)，這就是光抽運效應(yīng)（亦稱光泵）。光抽運造成粒子非平衡分布，Rb87原子對光的吸收減弱，直至飽和不吸收。同時，每一Mf表示粒子在磁場中的一種取向，光抽運的結(jié)果使得所有原子由各個方向的均勻取向變成只有Mf—+2的取向，即樣品獲得凈磁化，這叫做“偏極化”。外加恒磁場下的光抽運就是要造成偏極化。7-光有同樣作用，不過它是將大量粒子抽運到Mf—一2子能級上。當(dāng)為兀光時，由于AMf—0，則無光抽運效應(yīng)，此時Rb原子對光有強的吸收。

狀態(tài)的過程稱為弛豫過程。它主要是由于銣原子的玻爾茲曼分布。原子系統(tǒng)由非熱平衡的偏極化狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)狀態(tài)的過程稱為弛豫過程。它主要是由于銣原子的玻爾茲曼分布。與容器壁碰撞，以及原子之間的碰撞使系統(tǒng)返回到熱平衡的玻爾茲曼分布。系統(tǒng)的偏極化程度取決于：提咼光抽運g 適的溫的影響。結(jié)果。為適量的惰大光強以1弛豫過程4結(jié)果。為適量的惰大光強以1弛豫過程光抽運造成偏極化，光吸收停止。這時若加一頻率為V的右旋圓偏振射頻場B，并使hV1等于相鄰塞曼子能級差：(3)hv=AE=g卩B(3)1 FB0則塞曼子能級之間將產(chǎn)生磁共振，使得被抽運到Mf=+2能級的粒子產(chǎn)生感應(yīng)誘導(dǎo)躍遷，從Mf=+2依次跳到Mf=+h°廠1廠2等子能級，結(jié)果使粒子趨于原來的均衡分布而破壞了偏極化。但是由于抽運光的存在，光抽運過程也隨之出現(xiàn)。這樣，感應(yīng)躍遷與光抽運這兩個相反的過程將達到一個新的動態(tài)平衡。產(chǎn)生磁共振時除能量守恒外角動量也守恒。頻率為》的射頻場B1是加在垂直于恒定水平磁場方向的線偏振場，此線偏振場可分解為一右旋和一左旋圓偏振場，為滿足角動量守恒，只是與原子磁矩作拉摩爾進動同向的那個圓偏振場起作用。例如當(dāng)用b+光照射時，起作用的是角動量為-的右旋圓偏振射頻場。5.光探測射到樣品上的D1°+光一方面起光抽運的作用，另一方面透過樣品的光兼作探測光，即一束光起了抽運與探測兩個作用。由于磁共振使Rb對D1°+光吸收發(fā)生變化，吸收強時到達探測器的光弱，因此通過測D1C+透射光強的變化即可得到磁共振信號，從而實現(xiàn)磁共振的光探測。

磁共振的躍遷信號是很微弱的，特別是對于密度非常低的氣體樣品的信號就更加微弱，由于探測功率正比于頻率，直接觀測是很困難的。利用磁共振觸發(fā)光抽運，導(dǎo)致了探測光強的變化，就巧妙地將一個低頻（射頻，約1MHZ）量子的變化轉(zhuǎn)換成一個高頻（光頻，約為108MHZ）量子的變化，這就使觀測信號的功率及靈敏度得到提高。實驗裝置光泵磁共振實驗儀、射頻信號發(fā)生器、數(shù)字頻率計、雙蹤示波器、直流數(shù)字電壓表。全部實驗儀器與裝置如圖3所示。具體說明如下：光泵磁共振實驗儀由主體單元和輔助源兩部分組成。主體單元是該實驗的核心部分，它由三部分組成D1°+抽運光源、吸收室區(qū)和光電探測器。1旳波片頻睪計倍號發(fā)生器-高頻1旳波片頻睪計倍號發(fā)生器-高頻I

振蕩嶽ID1°+抽運光源包括銣光譜燈、干涉濾色片、偏振片、14波片和透鏡組成。銣光譜燈是一種高頻無極氣體放電泡，處于高頻振蕩回路的電感線圈中，受高頻電磁場的激勵而發(fā)光。干涉濾色片能很好地濾去°2光（它不利于D光的光抽運）而只讓D光通過，偏振片和14波片將該光輸出左旋圓偏振的D1°+光（或右旋圓偏振的D1°_光）。吸收室區(qū)的中心是充以天然銣和惰性緩沖氣體的玻璃吸收泡。該泡兩側(cè)對稱放置一對與水平場正交的射頻線圈，為銣原子系統(tǒng)的磁共振提供射頻場，射頻場源由射頻信號發(fā)生器提供，其信號頻率由數(shù)字頻率計顯示。吸收泡和射頻線圈都置于恒溫槽內(nèi)（稱它們?yōu)槲粘兀?，槽?nèi)溫度從40°C到70°C連續(xù)可調(diào)。吸收池放在兩對相互垂直的亥姆霍茲線圈的中心。較小的一對線圈產(chǎn)生的磁場用于抵消地磁場的垂直分量；較大的一對線圈有兩個繞組，一組為水平直流磁場線圈，為銣原子提供使超精細能級產(chǎn)生塞曼分裂的直流磁B場B0，另一組為掃場線圈，它在水平直流磁場上疊加一個調(diào)制磁場，其掃場波形由雙蹤示波器的一蹤顯示。光電探測器是硅光電池，它接收透過吸收泡的Di°+光，轉(zhuǎn)換成電信號，放大濾波后送到雙蹤示波器另一蹤顯示。銣光譜燈、恒溫槽、各線圈繞組以及光電探測器的電源均由輔助源提供，其中水平線圈和垂直線圈的電壓由直流數(shù)字電壓表讀出。實驗內(nèi)容1．儀器調(diào)整（1）撳進預(yù)熱鍵，加熱樣品吸收泡約50C并控溫，同時也加熱銣燈約90C并控溫，約需30分鐘溫度穩(wěn)定，撳進工作鍵，此時銣燈應(yīng)發(fā)出玫瑰紫色光。

將光源、透鏡、吸收池、光電探測器等的位置調(diào)到準(zhǔn)直，調(diào)節(jié)前后透鏡的位置使到達光電池的光量最大。調(diào)整雙蹤示波器，使一通道觀察掃場電壓波形，另一通道觀察光電探測器的信號。2．觀測光抽運信號先用指南針判斷掃場、水平場、垂直場相對于地磁場的方向。當(dāng)判斷某一場時應(yīng)將另兩個場置于零，判斷水平場和垂直場時，應(yīng)記下數(shù)字電壓表對應(yīng)電壓的符號。不開射頻振蕩器，掃場選擇“方波”，調(diào)節(jié)掃場的大小和方向，使掃場方向與地磁場的水平分量方向相反，特別是地磁場的垂直分量對光抽運信號有很大影響，因此要使垂直恒定磁場的方向與其相反并抵消。14同時旋轉(zhuǎn)14波片，可獲得最佳光抽運信號(圖4)。掃場是一交流調(diào)制場。當(dāng)它過零并反向時，分裂的塞曼子能級將發(fā)生簡并及再分裂；當(dāng)能級簡并時，銣原子的碰撞使之失去偏極化；當(dāng)能級再分裂后，各塞曼子能級上的粒子布居數(shù)又近于相等，因此光抽運信號將再次出現(xiàn)。掃場的作用就是要反復(fù)出現(xiàn)光抽運信號。當(dāng)?shù)卮艌龅拇怪狈至勘淮怪眻龅窒麜r將出現(xiàn)最佳光抽運信號，故此時也就測出地磁場垂直分量的大小。3．測量基態(tài)的gF值由磁共振表達式得hvg=(4)F卩H(4)BV可由頻率計給出，因此如知B便可求出gF。此處B是使原子塞曼分裂的總磁場，它包括除了可以測知的水平場外還包括地磁水平分量和掃場直流分量。實驗采用將水平場換向的方法來消除地磁水平分量和掃場直流分量。先將水平場和掃場與地磁場水平方向相同，掃場為三角波，水平場電壓調(diào)到一定值。調(diào)節(jié)射頻信號頻VB率，發(fā)生磁共振時將觀察到圖5a波形，此時頻率為1(對應(yīng)于總場為)，再改變水平場方向，仍用上述方法得到頻率V2(對應(yīng)于總場為B2)，如圖5b所示。這樣就排除了地磁場水平分量和掃場直流分量的影響。而水平場對應(yīng)的頻率為V=(V1+V2)/2，水平磁場的數(shù)值可由水平電壓和水平亥姆霍茲線圈的參數(shù)來確定。

由于七與Rb5的g由于七與Rb5的gF值不同，根據(jù)對R廠，對R的 =4700MHJT可知，當(dāng)水平場不變時，頻率高的為Rr共振信號，頻率低的為Rb共振信號；當(dāng)射頻不變時，水平磁場大的為Rr共振信號，水平磁場小的為Rr共振信號。還要注意的是，因為三角波掃場的波峰和波谷處的磁場強度不同，故對每一同位素將分別在波峰和波谷處觀察到不同頻率的磁共振信號。上述實驗是固定水平磁場調(diào)節(jié)射頻頻率的方法（調(diào)頻法），還可以采用固定射頻頻率調(diào)節(jié)水平磁場的方法（調(diào)場法）進行。4?測量地磁場g V同測'F方法類似，先使掃場、水平場與地磁場水平分量方向相同測得1，然后同時改變掃場和水平v V=（V+V）/2場的方向測得2，這樣得到地磁場水平分量對應(yīng)的頻率為—（i+2）/2，即排除了掃場和水平場的影hVB=響，從而得到地水平igF，而B地垂直已在實現(xiàn)最佳光抽運信號時測知，由此可得地磁場的大小和方向：B=,B2 +B2地 地水平地垂直 （5）地水平6）地水平＊選做實驗改變?nèi)肷涔獾膹姸取⑸漕l場的強度、吸收泡的溫度，測量信號幅度及線寬的變化，并給予解釋\I■■ \ 『—r-*-.rf注意事項1.本實驗是在弱磁場中進行的，為保證測量的準(zhǔn)確性，主體單元一定要遠離其他帶有電磁性物體、強電磁場及大功率電源線。磁場方向判斷過后，務(wù)必取出指南針。2?為避免外界雜散光進入探測器，主體單元應(yīng)罩上黑布。3?在精測量時，為避免吸收池加熱絲所產(chǎn)生的剩余磁場影響，可短時間關(guān)掉吸收池加溫電流。4.亥姆霍茲線圈軸中心處磁場的運算公式為16兀516兀532N