[发明专利]一种适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法

说明书

技术领域

本发明旨在提出一种适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法，属于光学检测、光谱分析、密度探测技术领域。

背景技术

磁场作为基础部分广泛存在于自然界中，磁场探测装置作为一种了解自然基础的工具具有极高的研究价值。对高灵敏磁场探测装置的迫切需求促使超高灵敏原子磁强计的产生和发展。根据最新的研究进展，光抽运原子磁强计，开始展现出对极弱磁场探测的灵敏性。

原子磁强计主要由四大系统组成：光源系统、磁屏蔽与磁发生系统、加热系统、以及敏感表头(碱金属气室)。由于原子磁强计具有极其广泛的潜在应用价值，因此，其俨然成为广大学者争相研究的热门课题。在这些研究中，针对碱金属气室内原子密度测定的研究涉及甚少。邹升等人提出了适用于碱金属气室加工过程中碱金属混合物比例控制的实时在线监测方法与装置。此方法和装置仅适用于加工过程粗略监测碱金属混合物的比例，无法进行精确的密度测量。

目前，有关直接利用原子磁强计装置本身完成精确快速地实时在线测量碱金属气室内部的原子密度的方法，未见公开报道。

发明内容

发明目的：针对原子密度直接影响原子自旋磁强计灵敏度这一问题，本发明立足于原子磁强计本身，提出一种基于磁共振线宽理论的原子密度实时在线测量方法；以填补现有技术无快速有效的原子密度实时在线测量方法的空白，并可为原子磁强计灵敏度提升提供理论指导与参考。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

以原子磁强计的磁共振线宽作为磁场函数，通过洛伦兹曲线的半高全宽来描述磁共振线宽，公式如下：

式中：Δυ为磁共振线宽，I为核子角动量(对于钾原子来说，I＝3/2)，R_SE为自旋交互碰撞弛豫，为普朗克常量，g_S为电子的朗德因子，μ_B为玻尔磁子，B为磁场，γ^e为电子旋磁比，q为核减速因子(在高磁场环境下，q＝4)，i表示虚部。

通过式(1)可知磁共振线宽与磁场关系；如图1所示，在某一温度条件下，磁共振线宽随磁场的增大而增大，而当磁场增大到某一值后，磁共振线宽将趋于稳定，几乎不发生变化。如图1中，当温度低于195℃时，若要获得精确的磁共振线宽，磁场需要在3000nT以上；当温度高于195℃时，若要获得精确的磁共振线宽，磁场需要在5000nT以上。

基于上述分析，我们可以采用磁强计参数来描述磁共振线宽，如式(2)和式(3)：

式中：T₂为横向弛豫时间，R_OP为抽运率，R_SD为自旋破坏弛豫率，ω₀为塞曼跃迁频率，Re表示实部，υ_HF为基态超精细分裂。

我们知道，在大磁场环境下磁共振线宽受限于自旋交互碰撞弛豫率；当抽运光极弱时，自旋极化率P＜＜1，结合式(2)和式(3)，可以将磁共振线宽表示为：

式中：n为原子磁强计的碱金属原子密度，σ_SE为自旋交互碰撞截面积(对于钾原子来说，σ_SE＝1.8×10^-14cm²)，K_B为玻尔兹曼常数，T为温度，M为碱金属原子的约化质量，m为碱金属原子的质量。当温度由140℃上升到190℃时，变化很小。

对式(4)和式(5)进行整合，可以得到式(6)：

基于上述分析，本发明提供的适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法，具体包括如下步骤：

(1)将原子磁强计的碱金属气室加热至温度T；

(2)降低抽运光功率，并向原子磁强计的z方向线圈施加一个直流磁场；

(3)将原子磁强计的y方向线圈与ZI(Zurich Instruments)锁相放大器的输出端口相连，通过ZI锁相放大器完成原子磁强计y方向的正弦波扫场和数据采集，ZI锁相放大器的输出信号记为f(x)，x为正弦波扫场频率；

(4)用洛伦兹曲线拟合ZI锁相放大器的输出信号和原子磁强计的磁共振线宽，拟合公式如下：

其中：a为拟合系数，b为碱金属原子的共振频率，c为常数项，Δυ为原子磁强计的磁共振线宽；

(5)采用如下公式计算原子磁强计的碱金属原子密度：