本發(fā)明涉及磁場(chǎng)調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種利用核磁共振實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的裝置及方法。
背景技術(shù)：
帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的影響。因此在現(xiàn)代量子檢測(cè)和操控技術(shù)中，磁場(chǎng)是重要的控制手段，并能夠?yàn)橐恍y(cè)量應(yīng)用提供基準(zhǔn)。因此對(duì)磁場(chǎng)幅度進(jìn)行高精度控制和穩(wěn)定是十分必要的。
惰性氣體核磁矩的磁場(chǎng)性質(zhì)類(lèi)似于磁偶極子，將其置于磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)受到一個(gè)扭矩的作用。該扭矩會(huì)使原子核磁矩趨向于沿磁場(chǎng)線(xiàn)分布，并以特定頻率繞磁場(chǎng)線(xiàn)進(jìn)動(dòng),這種現(xiàn)象稱(chēng)為核磁共振。進(jìn)動(dòng)頻率稱(chēng)為L(zhǎng)armor頻率，ωL＝γB0。其中,γ是原子核的旋磁比，僅由惰性氣體原子種類(lèi)決定。因此通過(guò)檢測(cè)惰性氣體核自旋的進(jìn)動(dòng)頻率，可以直接反映其所處的環(huán)境中磁場(chǎng)的大小。換句話(huà)說(shuō)，如果實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)中惰性氣體核自旋的進(jìn)動(dòng)頻率的穩(wěn)定，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了對(duì)該磁場(chǎng)幅度的穩(wěn)定。
自旋交換光泵浦技術(shù)以堿金屬原子為媒介，將激光光子的角動(dòng)量傳遞給惰性氣體原子，能夠產(chǎn)生大量自旋狀態(tài)相同的惰性氣體原子。因此利用自旋交換光泵浦技術(shù)可以獲得較強(qiáng)的惰性氣體核自旋信號(hào)，提高探測(cè)的信噪比。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種利用核磁共振實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的裝置及相應(yīng)的調(diào)整方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)幅度的高精度控制和穩(wěn)定。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種利用核磁共振實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的裝置，包含由泵浦激光器101、擴(kuò)束鏡102、一號(hào)起偏器103、四分之一波片104、一號(hào)透鏡105、一號(hào)探測(cè)器106組成的泵浦光路；由探測(cè)激光器201、二號(hào)起偏器202、檢偏器203、二號(hào)透鏡204、二號(hào)探測(cè)器205組成的探測(cè)光路；由一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301、二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302、磁屏蔽桶303、一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304、二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305組成的磁場(chǎng)產(chǎn)生及控制系統(tǒng)；原子氣室4；由數(shù)據(jù)采集卡501和計(jì)算機(jī)502組成的信號(hào)采集及處理系統(tǒng)。
所述泵浦激光器101出射的線(xiàn)偏振激光由擴(kuò)束鏡102擴(kuò)束，經(jīng)過(guò)一號(hào)起偏器103和四分之一波片104轉(zhuǎn)化為圓偏振態(tài)后入射銣原子氣室4，經(jīng)由銣原子氣室4透射出的光通過(guò)一號(hào)透鏡105聚焦后被一號(hào)探測(cè)器106探測(cè)，所述一號(hào)探測(cè)器106將探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，被數(shù)據(jù)采集卡501采集后，傳遞給計(jì)算機(jī)502；
所述的探測(cè)激光器201出射的線(xiàn)偏振激光經(jīng)過(guò)二號(hào)起偏器202后透過(guò)銣原子氣室4，檢偏器203檢測(cè)線(xiàn)偏振激光偏振軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，光信號(hào)通過(guò)二號(hào)透鏡204聚焦后被二號(hào)探測(cè)器205轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，被數(shù)據(jù)采集卡501采集后，傳遞給計(jì)算機(jī)502；
所述的一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301的軸線(xiàn)與泵浦光路重合；所述的二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302的軸線(xiàn)與探測(cè)光路重合；所述的磁屏蔽桶303在泵浦光路和探測(cè)光路傳播方向開(kāi)有通孔，允許泵浦激光器101和探測(cè)激光器201出射的激光通過(guò)，一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301、二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302和原子氣室4置于磁屏蔽桶303內(nèi)部；所述的一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304為一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301提供驅(qū)動(dòng)電流；所述的二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305為二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302提供驅(qū)動(dòng)電流；
所述的原子氣室4為充有堿金屬、惰性氣體和緩沖氣體的密封石英玻璃氣室；
所述的數(shù)據(jù)采集卡501用于采集一號(hào)探測(cè)器106和二號(hào)探測(cè)器205的信號(hào)輸送給計(jì)算機(jī)502，計(jì)算機(jī)502對(duì)一號(hào)探測(cè)器106和二號(hào)探測(cè)器205的信號(hào)分析處理后產(chǎn)生磁場(chǎng)控制信號(hào)，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡501傳遞給一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304和二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305。
本發(fā)明還提供一種利用上述裝置實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的方法，該方法具體包含以下步驟：
步驟一、搭建如上所述利用核磁共振實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的裝置，利用所述原子氣室4中的堿金屬吸收泵浦光中光子的角動(dòng)量，并通過(guò)與惰性氣體原子的碰撞，將該角動(dòng)量傳遞給惰性氣體原子，從而獲得大量自旋狀態(tài)相同的惰性氣體原子；
步驟二、通過(guò)一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301的結(jié)構(gòu)尺寸確定產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度Ba所需的電流I0，由計(jì)算機(jī)502控制一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304輸出電流I0給一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301。在該磁場(chǎng)的作用下，惰性氣體核自旋以L(fǎng)armor頻率繞磁場(chǎng)線(xiàn)進(jìn)動(dòng)；
步驟三、根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度Ba確定核磁共振頻率ωa＝γBa，由計(jì)算機(jī)502控制二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305產(chǎn)生正弦交變電流，控制二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302產(chǎn)生幅度為20nT的交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的頻率從0.9ωa到1.1ωa線(xiàn)性變化，變化的周期為10s；
步驟四、惰性氣體原子自旋的周期性進(jìn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，影響堿金屬對(duì)探測(cè)光的吸收強(qiáng)度，二號(hào)探測(cè)器205中探測(cè)光強(qiáng)的變化頻率對(duì)應(yīng)于惰性氣體原子自旋進(jìn)動(dòng)的Larmor頻率。當(dāng)二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)頻率等于惰性氣體原子自旋進(jìn)動(dòng)的Larmor頻率時(shí)，惰性氣體原子自旋與二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)發(fā)生共振，此時(shí)惰性氣體原子自旋進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)信號(hào)最強(qiáng)。利用計(jì)算機(jī)502對(duì)二號(hào)探測(cè)器205的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到信號(hào)的頻譜圖，并根據(jù)頻譜圖得到頻譜圖中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率ωb，即為此時(shí)惰性氣體核自旋實(shí)際的進(jìn)動(dòng)頻率，也就是說(shuō)當(dāng)前輸出電流I0使一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301產(chǎn)生的實(shí)際磁場(chǎng)大小為ωb/γ；
步驟五、利用計(jì)算機(jī)502調(diào)整一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304輸出電流重復(fù)步驟一至步驟四，最終使磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定在Ba＝ωa/γ。
本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
通過(guò)測(cè)量惰性氣體的核磁共振頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度的高精度測(cè)量和穩(wěn)定。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方法方便，可移植性強(qiáng)。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明利用核磁共振實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解本實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等同形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
參考附圖，本發(fā)明的利用核磁共振實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的裝置，包含由泵浦激光器101、擴(kuò)束鏡102、一號(hào)起偏器103、四分之一波片104、一號(hào)透鏡105、一號(hào)探測(cè)器106組成的泵浦光路；由探測(cè)激光器201、二號(hào)起偏器202、檢偏器203、二號(hào)透鏡204、二號(hào)探測(cè)器205組成的探測(cè)光路；由一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301、二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302、磁屏蔽桶303、一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304、二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305組成的磁場(chǎng)產(chǎn)生及控制系統(tǒng)；原子氣室4；由數(shù)據(jù)采集卡501和計(jì)算機(jī)502組成的信號(hào)采集及處理系統(tǒng)。
所述的泵浦光路中的泵浦激光器101出射的線(xiàn)偏振激光由擴(kuò)束鏡102擴(kuò)束，經(jīng)過(guò)一號(hào)起偏器103和四分之一波片104轉(zhuǎn)化為圓偏振態(tài)后入射銣原子氣室4；經(jīng)由銣原子氣室4透射出的光通過(guò)一號(hào)透鏡105聚焦后被一號(hào)探測(cè)器106探測(cè)，所述一號(hào)探測(cè)器106將探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，被數(shù)據(jù)采集卡501采集后，傳遞給計(jì)算機(jī)502；
所述的探測(cè)光路中的探測(cè)激光器201出射的線(xiàn)偏振激光經(jīng)過(guò)二號(hào)起偏器202后透過(guò)銣原子氣室4，檢偏器203檢測(cè)線(xiàn)偏振激光偏振軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，光信號(hào)通過(guò)二號(hào)透鏡204聚焦后被二號(hào)探測(cè)器205轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所述二號(hào)探測(cè)器205輸出信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡501采集后，傳遞給計(jì)算機(jī)502；
所述的一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301的軸線(xiàn)與泵浦光路重合；所述的二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302的軸線(xiàn)與探測(cè)光路重合；所述的磁屏蔽桶303在泵浦光路和探測(cè)光路傳播方向開(kāi)有通孔，允許泵浦激光器101和探測(cè)激光器201出射的激光通過(guò)，一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301、二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302和原子氣室4置于磁屏蔽桶303內(nèi)部；所述的一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304為一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301提供驅(qū)動(dòng)電流；所述的二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305為二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302提供驅(qū)動(dòng)電流；
所述的原子氣室4為充有堿金屬、惰性氣體和緩沖氣體的密封石英玻璃氣室。
所述的數(shù)據(jù)采集卡501用于采集一號(hào)探測(cè)器106和二號(hào)探測(cè)器205的信號(hào)輸送給計(jì)算機(jī)502，計(jì)算機(jī)502對(duì)一號(hào)探測(cè)器106和二號(hào)探測(cè)器205的信號(hào)分析處理后產(chǎn)生磁場(chǎng)控制信號(hào)，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡501傳遞給一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304和二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305。
本發(fā)明還提供一種利用上述裝置實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的方法，該方法具體包含以下步驟：
步驟一、搭建如上所述利用核磁共振實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度穩(wěn)定的裝置。在泵浦光路中，所述原子氣室4中的堿金屬吸收泵浦光中光子的角動(dòng)量，并通過(guò)與惰性氣體原子的碰撞，將該角動(dòng)量傳遞給惰性氣體原子，從而獲得大量自旋狀態(tài)相同的惰性氣體原子。
步驟二、通過(guò)一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301的結(jié)構(gòu)尺寸確定產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度Ba所需的電流I0，由計(jì)算機(jī)502控制一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304輸出電流I0給一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301。在該磁場(chǎng)的作用下，惰性氣體核自旋以L(fǎng)armor頻率繞磁場(chǎng)線(xiàn)進(jìn)動(dòng)；
步驟三、根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度Ba確定核磁共振頻率ωa＝γBa，由計(jì)算機(jī)502控制二號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源305產(chǎn)生正弦交變電流，控制二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302產(chǎn)生幅度為20nT的交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的頻率從0.9ωa到1.1ωa線(xiàn)性變化，變化的周期為10s；
步驟四、惰性氣體原子自旋的周期性進(jìn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，影響堿金屬對(duì)探測(cè)光的吸收強(qiáng)度，二號(hào)探測(cè)器205中探測(cè)光強(qiáng)的變化頻率對(duì)應(yīng)于惰性氣體原子自旋進(jìn)動(dòng)的Larmor頻率。當(dāng)二號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈302產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)頻率等于惰性氣體原子自旋進(jìn)動(dòng)的Larmor頻率時(shí)，惰性氣體原子自旋與交變磁場(chǎng)發(fā)生共振，此時(shí)惰性氣體原子自旋進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)信號(hào)最強(qiáng)。利用計(jì)算機(jī)502對(duì)二號(hào)探測(cè)器205的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到信號(hào)的頻譜圖，并根據(jù)頻譜圖得到頻譜圖中峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率ωb，即為此時(shí)惰性氣體核自旋實(shí)際的進(jìn)動(dòng)頻率，也就是說(shuō)當(dāng)前輸出電流I0使一號(hào)亥姆霍茲線(xiàn)圈301產(chǎn)生的實(shí)際磁場(chǎng)大小為ωb/γ；
步驟五、根據(jù)探測(cè)到的惰性氣體核自旋進(jìn)動(dòng)頻率反映的實(shí)際磁場(chǎng)大小，調(diào)整磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電流：利用計(jì)算機(jī)502調(diào)整一號(hào)磁場(chǎng)信號(hào)源304輸出電流重復(fù)步驟一至步驟四，最終使磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定在Ba＝ωa/γ。