CN108534770A - 一种129Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种¹²⁹Xe‑Rb自旋交换速率快速测量方法，适用于核磁共振陀螺仪，该方法首先加热碱金属气室，z轴施加一个直流磁场，x轴施加一个非共振磁场，得到ZI锁相放大器的输出电压信号与x轴磁场幅值的比例系数；接着关闭非共振磁场，x轴施加一个共振磁场，通过ZI锁相放大器完成信号的输出；最后计算¹²⁹Xe‑Rb自旋交换速率。本发明方法填补现有技术无快速有效的¹²⁹Xe‑Rb自旋交换速率测量方法的空白，并为核子极化率的提升提供保障。

Description

一种129Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法

技术领域

本发明属于光学检测、光谱分析技术领域，具体涉及一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法。

背景技术

核磁共振陀螺仪具有小体积、低功耗、高性能、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。核磁共振陀螺的性能受原子核自旋宏观磁矩的影响，且直接与原子核的极化率和弛豫时间相关。为提高陀螺的信噪比和弛豫时间，需要精确测量¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率，进而提高陀螺性能。

核磁共振陀螺仪主要由四大系统组成：光源系统、磁屏蔽系统、加热系统及碱金属气室。由于核磁共振陀螺仪具有极其广泛的潜在应用价值，因此成为广大学者争相研究的热门课题。在这些研究中，针对原子核自旋交换速率快速精确的测量方法的研究涉及甚少。美国普林斯顿大学Cates小组，采用测量原子核横向弛豫时间T₁的方法，推算出原子自旋交换速率，但测量T₁需要几十分钟，且测量方法复杂。

发明内容

本发明的目的：为了填补核磁共振陀螺仪的原子核自旋交换速率快速有效测量方法的空白，本发明立足于核磁共振陀螺仪动力学方程，提出一种适用于核磁共振陀螺仪的原子核自旋交换速率快速测量方法，本发明将为提升核磁共振陀螺仪的信噪比和核子弛豫时间提供理论指导与参考。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法，具体包括如下步骤：

(1)将核磁共振陀螺仪的碱金属气室加热至温度T；

(2)z轴施加一个直流磁场；

(3)首先，x轴施加一个非共振磁场，幅值为B₁，将核磁共振陀螺仪的光电探测器输出信号与ZI锁相放大器的输入端口相连接，ZI锁放项大器的输出信号记为V₀,得到输出电压信号与x轴磁场信号的标定系数K，

(4)关闭非共振磁场，x轴施加一个共振磁场，通过ZI锁相放大器完成信号的输出，得到ZI锁相放大器的最大输出电压V_R和对应的拉比频率ω₁；

(5)采用如下公式计算¹²⁹Xe原子核产生的最大横向磁场：

(6)采用如下公式计算¹²⁹Xe原子核最大横向极化率：

式中:k₀为费米接触常数，μ₀为磁导率，μ为原子核磁矩，N为原子核密度。

(7)采用如下公式计算¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率：

R_se＝2P_R·ω₁

具体的，所述步骤(2)中，z轴施加一个直流磁场5μT。

具体的，所述步骤(3)中，x轴施加一个幅值100nT、频率为80Hz的非共振磁场。

具体的，所述步骤(4)中，x轴施加一个频率为118.6Hz，幅值55nT的共振磁场。

本发明的原理在于：核磁共振陀螺仪的Bloch方程表达式如下：

其中，ω₂为¹²⁹Xe核子的Larmor进动频率与驱动磁场B₁频率之差，ω₁为拉比振荡频率，Γ₁为¹²⁹Xe核子的纵向弛豫率，Γ₂为¹²⁹Xe核子的横向弛豫率。

上述公式左边等于零，则公式(2)(3)和(4)的稳态解为：

当驱动磁场B₁的频率为核子Larmor进动频率，¹²⁹Xe核子横向自旋极化率表示：

通过公式(7)，得到¹²⁹Xe核子最大横向极化率和对应的拉比振荡频率表达式：

结合公式(8)和(9)，采用如下公式计算¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率：

R_se＝2P_R·ω₁ (10)

本发明的技术效果：本发明提供的一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法，具有如下优点：1、填补缺乏快速有效的原子核自旋交换速率测量方法的空白；2、为提高核子纵向弛豫时间和极化率提供理论支撑；3、为提升核磁共振陀螺仪信噪比提供理论指导与参考。

附图说明

图1为核磁共振陀螺仪原子核自旋交换速率测量装置。

图2为本发明一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法的流程图。

图中：1为波片；2为噪声衰减器；3为起偏器一；4为抽运激光器；5为光纤耦合器；6为碱金属气室；7为烤箱；8为三维磁线圈；9为噪声衰减器；10为起偏器二；11为光纤耦合器；12为检测激光器；13为磁屏蔽桶；14为函数发生器；15为计算机；16为ZI锁相放大器；17为DAQ板卡；18为平衡探测器；19为PBS和反射镜组合；20为波片。

具体实施方式

以¹²⁹Xe核磁共振陀螺仪为例具体说明利用本发明来测量碱金属气室内原子核自旋交换速率。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1所示为本发明所述方法所采用的核磁共振陀螺仪¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率测量装置的示意图。碱金属气室6位于核磁共振陀螺仪的中心位置，其内部封装有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；其外部从内而外依次包围着烤箱7、三维磁线圈8与磁屏蔽桶13；抽运激光器4发出的抽运光依次经过噪声衰减器2、起偏器一3与将抽运激光变为圆偏振光的波片1后进入碱金属气室6；检测激光器12发出的抽运光依次经过噪声衰减器9、起偏器二10后进入碱金属气室6与抽运激光正交，再依次经过波片20、PBS和反射镜组合19、平衡探测器18、解调信号用的ZI锁相放大器16、采集数据用的DAQ板卡，最后由计算机15输出检测结果。

与现有技术采用相同的结构；如图2所示，测量方法包括如下步骤：

(1)光路调节与连线。按照图1所示光路进行精细调节与接线；

(2)系统准备。开启所述无磁电加热装置将所述碱金属气室进行加热至100℃左右，并利用所述三维磁线圈将所述磁屏蔽桶内的x、y、z三方向剩余磁场补偿至近零值，使剩磁不影响后续的测量；

(3)开始测试。在z轴施加一个直流磁场5μT；

(4)首先x轴施加非共振磁场时，幅值100nT、频率为80Hz，记录锁相放大器的输出电压V₀＝3.2625V，得到电压信号和磁场信号的标定系数：

利用上述公式，得到K＝0.6202V/nT。

(5)然后关闭x轴非共振交流磁场，x轴施加一个共振磁场，幅值为55nT，频率为118.6Hz，得到ZI锁相放大器的最大输出电压V_R＝1.527V和对应的拉比频率ω₁＝0.144Hz。

(6)根据计算公式，¹²⁹Xe原子核产生的最大横向磁场为：

利用上述公式，得到B_R＝2.462nT。

(7)根据计算公式，得到¹²⁹Xe核子的最大横向极化率为：

利用上述公式，得到P_R＝0.86％。

(8)根据计算公式，得到¹²⁹Xe核子的自旋交换速率为：

R_se＝2·P_R·ω₁

利用上述公式，得到R_se＝0.00248s^-1。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)将原子磁强计的碱金属气室加热至温度T；

步骤(2)z轴施加一个直流磁场；

步骤(3)首先，x轴施加一个非共振磁场，幅值为B₁，将核磁共振陀螺仪的光电探测器输出信号与ZI锁相放大器的输入端口相连接，ZI锁放项大器的输出信号记为V₀，得到输出电压信号与x轴磁场信号的标定系数K，

步骤(4)关闭x轴非共振磁场，x轴施加一个共振磁场，通过ZI锁相放大器完成信号的输出，得到ZI锁相放大器的最大输出电压V_R和对应的拉比频率ω₁；

步骤(5)采用如下公式计算¹²⁹Xe原子核产生的最大横向磁场：

步骤(6)采用如下公式计算¹²⁹Xe原子核最大横向极化率：

式中，k₀为费米接触常数，μ₀为磁导率，μ为原子核磁矩，N为原子核密度；

步骤(7)采用如下公式计算¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率：

R_se＝2·P_R·ω₁。

2.根据权利要求1所述的一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中，z轴施加一个直流磁场5μT。

3.根据权利要求1所述的一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中，x轴施加一个幅值100nT、频率为80Hz的非共振磁场。

4.根据权利要求1所述的一种适用于核磁共振陀螺仪的¹²⁹Xe-Rb自旋交换速率快速测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，x轴施加一个频率为118.6Hz，幅值55nT的共振磁场。