[发明专利]一种原子核磁共振陀螺碱金属原子极化率实时测量方法

摘要

本发明提出一种原子核磁共振陀螺碱金属原子极化率实时测量方法，属于原子物理领域。本发明通过测量原子池在不同温度下的碱金属原子密度，再测量由于碱金属原子极化导致的惰性气体原子核磁共振频移，就能够在不改变原子核磁共振陀螺光路结构及磁场环境的前提下得到原子池内碱金属原子的极化率；然后建立原子池内气体惰性原子核磁共振频移随温度和碱金属原子极化率变化的三维模型，在原子核磁共振陀螺正常工作时，测量任一温度点下的惰性气体原子核磁共振(NMR)频移，就可以实时计算得到原子池内碱金属原子的极化率。本发明提出的测量方法简单，不影响核磁共振陀螺光路结构，对提高原子核磁共振陀螺的性能具有重要意义。

主权项

一种原子核磁共振陀螺碱金属原子极化率实时测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：S1：测量原子核磁共振陀螺原子池中碱金属原子的密度N(T)：采用与碱金属原子跃迁频率对应的激光器照射原子池时，根据朗伯‑比尔吸收定律，透射光强Iout与探测光强Iin的关系为：Iout＝Iine‑N(T)σ(v)L    (1)式中N(T)为原子池内碱金属原子的密度，随原子池温度升高逐渐增加；σ(v)为碱金属原子的吸收截面，可以通过原子池内充入的缓冲气体计算出来，L为原子池内的光程，由原子池的形状和大小确定；通过(1)式先计算出碱金属原子密度N(T)在不同温度下的透射光谱曲线，再与实际测量的不同温度下的透射光谱曲线对比，采用最小二乘法拟合，就可以得到不同温度下原子池内碱金属原子数密度值N(T)；S2：测量原子核磁共振陀螺原子池内惰性气体原子核磁共振频移：原子池内自旋极化的碱金属原子会导致惰性气体原子的核磁共振频率发生移动，该频移是由于费米能级相互作用导致的：αK→·S→---(2)]]>式中是惰性气体原子的核子自旋，是碱金属原子的电子自旋，“→”表示该物理量为矢量，没有“→”表示该物理量对应的标量值，耦合常数α可以写为：α=8π3gsμBμKK|ψ(R)|2---(3)]]>式中|ψ(R)|2是惰性气体原子核附近的碱金属价电子波函数平方，gs是朗德因子，μB是波尔磁子，是惰性气体原子的核磁矩，在原子核磁共振陀螺工作的低磁场环境下，由碱金属原子极化导致的惰性气体原子的核磁共振频移可以写为：Δω=-1h|μK|K8π3μBgsk0N(T)<Sz>---(4)]]>式中h是普朗克常数，k0是增强因子，N(T)是碱金属原子的密度，<Sz>是碱金属价电子的极化；公式(4)可以进一步写为：式中为惰性气体原子的旋磁比，P为原子核磁共振陀螺原子池中碱金属原子的极化率，gI为惰性气体原子对应的g因子，为约化普朗克常数，因此由费米能级相互作用导致的惰性气体原子的共振频移，可以描述成由原子池内碱金属原子极化产生的磁场导致的共振频率移动，该磁场大小为：B→=43k0gsμ→BN(T)P---(6)]]>碱金属原子极化产生磁场的方向与碱金属电子自旋取向相关，因此改变泵浦圆偏振光的偏振态，可以改变碱金属电子自旋的取向，从而改变碱金属原子极化产生磁场的方向；当分别采用左旋和右旋圆偏振光泵浦原子池时，观测到的惰性气体原子核磁共振频率分别为：ω1=γ(B→0+B→)---(7)]]>ω2=γ(B→0-B→)---(8)]]>对比分别采用左旋和右旋圆偏振光泵浦原子池时惰性气体原子核磁共振频率ω1和ω2，就可以得到由原子池内碱金属原子极化导致的惰性气体原子核磁共振频移Δω：Δω=γB→=12(ω1-ω2)---(9)]]>S3：计算核磁共振陀螺原子池中碱金属原子的极化率：此过程分两步：S3.1：根据公式(9)得到由原子池内碱金属原子极化导致的惰性气体原子核磁共振频移Δω，计算由原子池内碱金属原子极化产生的磁场：B→=Δωγ---(10)]]>公式(6)可以进一步写为：B→=43k0gsμ→BN(T)P=k→·N(T)·P---(11)]]>式中是是比例系数，是由原子池内惰性气体原子和碱金属原子的物理特性决定的，当确定了原子池内碱金属原子和惰性气体原子种类时，为一确定的值；S3.2：根据步骤S1中计算得到的原子池内碱金属原子的密度N(T)和步骤S3.1中计算得到的比例系数计算得到原子核磁共振陀螺原子池中碱金属原子的极化率P：P=B→k→·N(T)---(12)]]>因此，通过改变泵浦圆偏振光的左旋或右旋偏振态，就可以根据测量的惰性气体原子核磁共振频移Δω，计算得到原子池内碱金属原子的极化率P；S4：建立原子核磁共振陀螺原子池内惰性气体原子核磁共振频率随温度T和碱金属原子极化率P变化的三维模型：原子核磁共振陀螺原子池内碱金属原子密度N(T)随温度T变化的经验公式为：log10(N(T)RT/V)=15.88253-4529.635T+0.00058663T-2.99138log10T---(13)]]>式中V为原子池体积，R为气体常数，根据步骤S1中测量得到不同温度下原子池内碱金属原子的密度N(T)，对经验公式(13)进行最小二乘法拟合，得到原子池内碱金属原子密度随温度的变化关系；再根据公式(11)可以得到原子池内碱金属原子极化产生磁场随碱金属原子极化率P和原子池温度T的变化：B→=43k0gsμ→BN(T)P=B→(T,P)---(14)]]>因此，在光泵浦状态下，静态稳恒磁场为时，原子核磁共振陀螺实际探测到的在左旋圆偏振光泵浦条件下惰性气体原子核磁共振频率为：ω1=γ(B→0+B→)=A+γB→(T,P)---(15)]]>以原子池温度T以及碱金属原子极化率P为坐标轴，根据(15)式建立一个原子核磁共振陀螺惰性气体原子核磁共振频移随原子池温度以及碱金属原子极化率变化的三维模型，在原子核磁陀螺工作时，根据探测得到的惰性气体原子核磁共振频率ω1，就可以根据该三维模型得到对应温度T下的碱金属原子极化率P。