一種快速判斷光泵磁共振實驗中掃場和水平磁場方向的方法

馮饒慧

(中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510275)

0 引 言

光泵磁共振能在弱磁場下精確檢測氣體原子能級的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，該弱磁場的大小與地磁場大小數(shù)量級相當(dāng)，所以外加磁場中不能忽略地磁場的影響［1-4］。加載在樣品上的總磁場包括了外加穩(wěn)恒磁場(包括水平方向和垂直方向)，水平掃場和不可忽略的地磁場。利用光泵磁共振實驗儀進(jìn)行測量和研究一般都是調(diào)節(jié)垂直磁場的線圈電流，使垂直磁場抵消地磁場的垂直分量，這樣水平方向的磁場就是樣品處的總磁場。在垂直方向上，則需判斷垂直磁場的方向及調(diào)節(jié)其方向及大小來消除地磁場的垂直分量對實驗的影響［1，5-6］。水平方向的總磁場有水平穩(wěn)恒磁場，地磁場的水平分量和掃場，必須判斷出水平穩(wěn)恒磁場和掃場的大小，才能知道其線性加減的結(jié)果。

如何判斷水平方向上的穩(wěn)恒磁場和掃場的方向［7］。先將掃場置零，把小磁針放在吸收池上邊，加大水平磁場的大小，若指針方向改變，說明水平磁場與地磁場方向反向;否則同向。判斷掃場方向也是先將水平磁場置零，加大掃場的大小看指針是否偏轉(zhuǎn)。這種判斷方法的缺點是，需要打開遮光布把小磁針放在吸收池的上面，讓學(xué)生操作的話，很容易破壞原來已經(jīng)調(diào)好的線圈軸線與光軸的重合，還有光學(xué)系統(tǒng)共軸性，因此該方法在目前高校并不普遍流行。另外，用小磁針不能做到同時判定兩個場是否與地磁場同向，必先排除掉另一場的干擾才能準(zhǔn)確判斷。文獻(xiàn)［8］介紹了用光抽運信號判定掃場方向及由光泵磁共振信號判斷線圈產(chǎn)生的水平場方向的依據(jù)和方法。但它需要用光抽運信號和磁共振信號兩種信號才能判斷兩個場的方向，也不能做到同時判定。本文介紹一種只需要根據(jù)光抽運信號是否產(chǎn)生就能快速判斷水平磁場和掃場方向是否同時和地磁場的水平方向同向的方法。

1 判斷方法的理論依據(jù)及實施條件

該實驗中光抽運過程是始終存在的，即沒有光抽運信號也有光抽運，而要產(chǎn)生光抽運信號，則需要滿足特定的條件［9-13］。

光抽運信號產(chǎn)生的條件是水平方向的總磁場必須過零，如圖1 所示。水平方向的總磁場包括地磁場的水平方向、掃場和水平磁場。換而言之，只要這三個場在同一方向上，無論怎么調(diào)節(jié)水平磁場的大小，都不會出現(xiàn)光抽運信號，如圖2 所示。假設(shè)這三個場有一個場不同向，都能夠通過調(diào)節(jié)水平磁場的大小使水平方向的總磁場過零，從而觀察到光抽運信號。

圖1 水平方向的總磁場過零而且正反方向幅度相同時，產(chǎn)生的光抽運信號

圖2 水平方向的總磁場不過零，不能產(chǎn)生光抽運信號

實驗中所加的掃場實際為一純方波BSS(t)或純?nèi)遣˙ST(t)和一恒直流分量BSD的合成信號BS(t)［14］。圖3 是方波掃場隨時間變化的示意圖，負(fù)半軸表示換向后的掃場隨時間的變化。線圈輸出的掃場信號是純交流信號在直流量上下波動，增大掃場的振幅，該直流分量不能小于峰-峰值的1/2。如果小于峰-峰值的1/2，會出現(xiàn)圖4(a)所示的情況，再加上與直流分量BSD同向的另外兩個磁場，總磁場也有可能過零。另外，還必須滿足|BD－BSS(BST)|≤B地//。若|BD－BSS(BST)|＞B地//，如圖4(b)所示，掃場與地磁場水平分量的矢量和不過零，若加上與掃場同向的水平磁場，會出現(xiàn)三場不同向也不會出現(xiàn)光抽運信號的情況。綜合以上推導(dǎo)得出判定方法實施的必要條件是:當(dāng)改變掃場幅度時，直流分量隨掃場幅度增加而增加，直流分量總是不小于三角/方波峰-峰值的1/2;且|BD－BSS(BST)|≤B地//。只有在這個兩個前提下，當(dāng)?shù)卮艌龅乃椒较?、水平磁場、掃場的直流分量三個磁場同向時，無論怎么改變水平磁場的大小，總磁場都不會過零。

圖3 加載在線圈上的方波信號

圖4 判定方法不能實施的兩種情況

2 判斷方法

本實驗采用的是DH807A 型光泵磁共振實驗裝置，其技術(shù)指標(biāo)中，水平調(diào)制磁場方波和三角波的場強(qiáng)(峰-峰)的變化范圍為0 ～1.5 GS，掃場不過零也就滿足了判斷方法實施的必要條件中前面一條［15］。

掃場、水平磁場和垂直磁場的方向是由線圈中電流的方向決定的。輔助源前面板上某一方向按鈕由“按下”/“彈起”狀態(tài)變?yōu)橄喾吹摹皬椘稹?“按下”狀態(tài)時，流過線圈的電流方向相反，產(chǎn)生的磁場方向也變反方向。掃場方向按鈕與水平磁場方向按鈕共有四種組合，即“按下-按下”、“按下-彈起”、“彈起-彈起”、“彈起-按下”，如圖4 所示。這四種組合中必有一種組合是這兩個場的方向同時跟地磁場的水平方向同向。我們可以先選取第一種組合，再調(diào)節(jié)線圈產(chǎn)生的水平磁場的大小，若出現(xiàn)光抽運信號，無論是否是相同的周期性信號，都可以排除掉這種組合。同樣的方向檢驗第二種、第三種和第四種組合，直到有一種組合是怎么也調(diào)節(jié)不出信號的，就可以判斷出掃場方向按鈕是“按下”還是“彈出”跟地磁場的水平方向同向，水平場方向按鈕是“按下”還是“彈出”跟地磁場的水平方向同向，反之則反。

圖5 掃場和水平磁場方向取向的4 種組合

從實驗結(jié)果看，掃場方向按鈕“按下”，水平方向按鈕“彈起”，無論怎么調(diào)節(jié)水平磁場的大小，都不會出現(xiàn)光抽運信號。說明掃場和水平磁場方向按鈕處于“按下-彈起”時，跟地磁場的水平方向同向。將調(diào)節(jié)水平磁場大小的按鈕旋至最小，掃場和水平磁場方向按鈕分別處于“彈起-彈起”和“彈起-按下”時，示波器上有光抽運信號，調(diào)大水平磁場，光抽運信號消失。以上現(xiàn)象說明了，水平磁場為零，掃場方向和地磁場水平方向反向，出現(xiàn)光抽運信號，證明兩磁場的總磁場過零，滿足判斷方法實施的必要條件中后面一條。

3 結(jié) 語

本文介紹了一種利用光抽運信號是否產(chǎn)生來判斷水平磁場和掃場是否同時和地磁場的水平方向同向的方法。目前高校普遍采用DH807A 型光泵磁共振實驗裝置滿足該判斷方法實施的兩個必要條件。本實驗中學(xué)生比較難理解光抽運與光抽運信號、磁共振與光抽運之間的關(guān)系。若在實驗開始階段學(xué)生能充分理解光抽運信號產(chǎn)生的必要條件，懂得利用該條件判斷磁場方向，會更加深入地思考兩種信號產(chǎn)生的物理過程。

光抽運信號與磁共振信號一樣，都是粒子布局?jǐn)?shù)經(jīng)歷極化-退極化-極化的周期性過程。導(dǎo)致兩信號粒子布局?jǐn)?shù)極化的原因是一樣的，就是光抽運。光抽運信號與磁共振信號最大的區(qū)別是退極化的物理機(jī)理不一樣。光抽運是當(dāng)加在樣品上的磁場穿越零點并反向時，塞曼能級跟隨著發(fā)生簡并并隨即再分裂，重新分裂后各能級上的粒子數(shù)又近乎相等。磁共振信號是當(dāng)分布極化粒子受到射頻場的作用，產(chǎn)生受激躍遷，粒子又趨于均勻分布。

最值得提醒的一點是，無論有沒有光抽運信號或磁共振信號，光抽運是始終存在的。沒有發(fā)生共振時，光抽運與弛豫過程達(dá)到動態(tài)平衡，光強(qiáng)不發(fā)生變化，此時示波器上看不到信號?？梢哉f有磁共振就有磁共振信號，但不能說有光抽運就有光抽運信號，只有外加周期性磁場過零時才有光抽運信號。

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