[發明專利]一種適用于原子磁強計的原子密度實時在線測量方法

有效

• 申請號: 201610055101.8
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105651649B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 陳熙源;張紅;鄒升
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N9/24
• 分類號: G01N9/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 黃成萍

技術領域

本發明旨在提出一種適用于原子磁強計的原子密度實時在線測量方法，屬于光學檢測、光譜分析、密度探測技術領域。

背景技術

磁場作為基礎部分廣泛存在于自然界中，磁場探測裝置作為一種了解自然基礎的工具具有極高的研究價值。對高靈敏磁場探測裝置的迫切需求促使超高靈敏原子磁強計的產生和發展。根據最新的研究進展，光抽運原子磁強計，開始展現出對極弱磁場探測的靈敏性。

原子磁強計主要由四大系統組成：光源系統、磁屏蔽與磁發生系統、加熱系統、以及敏感表頭(堿金屬氣室)。由于原子磁強計具有極其廣泛的潛在應用價值，因此，其儼然成為廣大學者爭相研究的熱門課題。在這些研究中，針對堿金屬氣室內原子密度測定的研究涉及甚少。鄒升等人提出了適用于堿金屬氣室加工過程中堿金屬混合物比例控制的實時在線監測方法與裝置。此方法和裝置僅適用于加工過程粗略監測堿金屬混合物的比例，無法進行精確的密度測量。

目前，有關直接利用原子磁強計裝置本身完成精確快速地實時在線測量堿金屬氣室內部的原子密度的方法，未見公開報道。

發明內容

發明目的：針對原子密度直接影響原子自旋磁強計靈敏度這一問題，本發明立足于原子磁強計本身，提出一種基于磁共振線寬理論的原子密度實時在線測量方法；以填補現有技術無快速有效的原子密度實時在線測量方法的空白，并可為原子磁強計靈敏度提升提供理論指導與參考。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

以原子磁強計的磁共振線寬作為磁場函數，通過洛倫茲曲線的半高全寬來描述磁共振線寬，公式如下：

式中：Δυ為磁共振線寬，I為核子角動量(對于鉀原子來說，I＝3/2)，R_SE為自旋交互碰撞弛豫，為普朗克常量，g_S為電子的朗德因子，μ_B為玻爾磁子，B為磁場，γ^e為電子旋磁比，q為核減速因子(在高磁場環境下，q＝4)，i表示虛部。

通過式(1)可知磁共振線寬與磁場關系；如圖1所示，在某一溫度條件下，磁共振線寬隨磁場的增大而增大，而當磁場增大到某一值后，磁共振線寬將趨于穩定，幾乎不發生變化。如圖1中，當溫度低于195℃時，若要獲得精確的磁共振線寬，磁場需要在3000nT以上；當溫度高于195℃時，若要獲得精確的磁共振線寬，磁場需要在5000nT以上。

基于上述分析，我們可以采用磁強計參數來描述磁共振線寬，如式(2)和式(3)：

式中：T₂為橫向弛豫時間，R_OP為抽運率，R_SD為自旋破壞弛豫率，ω₀為塞曼躍遷頻率，Re表示實部，υ_HF為基態超精細分裂。

我們知道，在大磁場環境下磁共振線寬受限于自旋交互碰撞弛豫率；當抽運光極弱時，自旋極化率P＜＜1，結合式(2)和式(3)，可以將磁共振線寬表示為：

式中：n為原子磁強計的堿金屬原子密度，σ_SE為自旋交互碰撞截面積(對于鉀原子來說，σ_SE＝1.8×10^-14cm²)，K_B為玻爾茲曼常數，T為溫度，M為堿金屬原子的約化質量，m為堿金屬原子的質量。當溫度由140℃上升到190℃時，變化很小。

對式(4)和式(5)進行整合，可以得到式(6)：

基于上述分析，本發明提供的適用于原子磁強計的原子密度實時在線測量方法，具體包括如下步驟：

(1)將原子磁強計的堿金屬氣室加熱至溫度T；

(2)降低抽運光功率，并向原子磁強計的z方向線圈施加一個直流磁場；

(3)將原子磁強計的y方向線圈與ZI(Zurich Instruments)鎖相放大器的輸出端口相連，通過ZI鎖相放大器完成原子磁強計y方向的正弦波掃場和數據采集，ZI鎖相放大器的輸出信號記為f(x)，x為正弦波掃場頻率；

(4)用洛倫茲曲線擬合ZI鎖相放大器的輸出信號和原子磁強計的磁共振線寬，擬合公式如下：

其中：a為擬合系數，b為堿金屬原子的共振頻率，c為常數項，Δυ為原子磁強計的磁共振線寬；

(5)采用如下公式計算原子磁強計的堿金屬原子密度：