彭軍

(廣州大學(xué),廣州 510006)

光磁共振設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)思路和教學(xué)效果

彭軍

(廣州大學(xué),廣州 510006)

結(jié)合光磁共振實(shí)驗(yàn)的物理圖像,提出測量朗德因子gF和地磁場的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路,并總結(jié)該實(shí)驗(yàn)近年教學(xué)的效果。

光磁共振;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);思路;教學(xué)效果

作為設(shè)計(jì)性的近代物理實(shí)驗(yàn),光磁共振實(shí)驗(yàn)在核磁共振的基礎(chǔ)上,運(yùn)用了光放大和光探測的手段,還結(jié)合了塞曼效應(yīng)、磁共振等復(fù)雜的知識內(nèi)容。

利用光磁共振測量朗德因子 gF和地磁場及其他弱磁場,測量過程中要充分考慮多種條件,并分析復(fù)雜的波形和信號規(guī)律,學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)往往感覺有一定難度。

設(shè)計(jì)測量方案應(yīng)有相應(yīng)思路,應(yīng)在理解物理過程的基礎(chǔ)上抓住本質(zhì)的規(guī)律來提出測量方案,并提出具體問題的解決方法。

1 理解光抽運(yùn)條件和磁共振條件

1.1 從塞曼效應(yīng)圖像出發(fā)理解光抽運(yùn)

1.1.1 塞曼能級上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

天然銣原子有85Rb和87Rb。磁場中銣原子能級產(chǎn)生塞曼分裂。一般的教材與文獻(xiàn)都以左旋光σ+照射下87Rb的粒子抽運(yùn)為例作解釋。σ+的選擇定則是ΔmF=+1,因激發(fā)態(tài)上沒有 mF=+3的塞曼能級,所以基態(tài)mF=+2的塞曼能級不會有受激躍遷;而在由激發(fā)態(tài)向基態(tài)的自發(fā)輻射中包括mF=+2在內(nèi)的所有基態(tài)塞曼能級都會獲得粒子,經(jīng)過往復(fù)過程,粒子被抽運(yùn)到 mF=+2的基態(tài)能級上,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?？梢該?jù)此舉一反三確定其他三種情況:σ+照射下85Rb和σ-照射下的85Rb、87Rb光抽運(yùn)。

1.1.2 光抽運(yùn)條件及輸出信號

銣原子樣品泡處于地磁場和實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)線圈磁場中。以B0P和B0⊥分別表示水平方向和垂直方向的總磁場:

若要獲得幅度最大的方波掃場光抽運(yùn)信號圖像,則總磁場必為中心過零的方波:

圖1 兩種掃場的光抽運(yùn)信號

圖1中,掃場過零時(shí)由于光能量被 Rb氣體吸收用于光抽運(yùn),出現(xiàn)透射光強(qiáng)削弱過程,經(jīng)過弛豫過程(輸出光信號曲線中彎曲部分)透射光強(qiáng)恢復(fù)原來的水平。

因?yàn)闈M足(4)、(5)式時(shí)光抽運(yùn)信號幅度的大小取決于掃場交流信號的大小,所以觀察光抽運(yùn)信號時(shí)掃場幅度宜大。

1.1.3 磁共振條件

磁共振發(fā)生在光抽運(yùn)能級與相鄰塞曼子能級間,當(dāng)射頻信號滿足

時(shí),可觀察到共振信號。

由于光抽運(yùn)是產(chǎn)生磁共振的必要條件,所以應(yīng)當(dāng)用光抽運(yùn)能級量子特征求出朗德因子 gF的理論值,作為實(shí)驗(yàn)參考的理論值。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 測量地磁場的思路

2.1.1 測量地磁場垂直分量

在進(jìn)行測量前,應(yīng)當(dāng)用指南針判斷并設(shè)置實(shí)驗(yàn)裝置與地磁場水平方向平行;在測量過程中必須移開指南針以免帶來誤差[1]。

當(dāng)如圖1的光抽運(yùn)信號幅度最大時(shí),如(5)式,垂直方向上兩個(gè)磁場分量剛好等值反向,由垂直場電流可計(jì)算地磁場垂直分量B0⊥。

2.1.2 用光抽運(yùn)信號測量地磁場水平分量

用光抽運(yùn)信號可以判斷地磁場垂直分量B0⊥的大小,還可以測量地磁場水平分量的BOP大小。

當(dāng)掃場、水平場與地磁場反向并觀察到均勻的光抽運(yùn)信號時(shí),三個(gè)磁場互相抵消,

共振頻率 v與總磁場B合成線性關(guān)系,但是BeP、BP、BS中能根據(jù)電流準(zhǔn)確計(jì)算出磁場大小的只有BP?？梢酝ㄟ^換向的方法,在聯(lián)立式子中找到v與BP的線性關(guān)系,并計(jì)算朗德因子 gF。

當(dāng)掃場、水平場均與地磁場反向時(shí),有兩種情況

保持掃場幅度不變,水平場與地磁場、掃場反向并出現(xiàn)均勻的光抽運(yùn)信號時(shí),另一大小的水平場與地磁場、掃場抵消,

將兩次觀察到均勻光抽運(yùn)信號時(shí)的表達(dá)式(7)、(8)相加,可得到

2.1.3 用磁共振信號測量地磁場水平分量

在DH807型光磁共振實(shí)驗(yàn)裝置的說明書中,介紹了用磁共振信號測量地磁場水平分量BeP的方法[2]。值得注意的是,說明書中僅介紹了水平磁場較大時(shí)的情況,而沒有說明水平磁場較小的情況。

當(dāng)掃場、水平場與地磁場同向時(shí),由(1)式和

(6)式可得

當(dāng)掃場、水平場均與地磁場反向時(shí),有兩種情況

將(10)式和(11)式聯(lián)立有

在DH807實(shí)驗(yàn)裝置的輔助源調(diào)節(jié)范圍中,以上兩種情況均可得到。需要注意的是,在觀察磁共振信號時(shí)掃場幅度不宜大[3],否則會增大誤差或造成信號誤判。

在文獻(xiàn)[4]中,提出利用各磁場間方向和數(shù)值關(guān)系的變化來測量地磁場的更多方法,其設(shè)計(jì)的測量方案靈活而豐富。

2.2 測量朗德因子的思路

2.2.1 轉(zhuǎn)換方向測量朗德因子 gF

在DH807實(shí)驗(yàn)裝置中,水平線圈與垂直線圈的磁場大小可以由磁場電流計(jì)算得到。當(dāng)滿足(5)式垂直方向合磁場為零時(shí),總磁場為水平方向上的BeP、BP、BS疊加。

由以上分析可知,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不但要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法,還要預(yù)定好測量時(shí)水平線圈的電流取值范圍。

2.2.2 利用v BP的線性關(guān)系測量gF

v BP具有線性關(guān)系,通過線性擬合的方法可以求得朗德因子 gF。

當(dāng)然,用這種方法也需要注意磁場的方向。如果水平磁場與其他磁場反向,在小電流條件下擬合曲線有可能是負(fù)斜率的。

除以上兩種主要的測量方法外,許多文獻(xiàn)還介紹了其他方法[5,6]。

2.3 設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)方案

2.3.1 搜集資料并比較各種方法的優(yōu)劣

在論文檢索資源中,討論光磁共振的文獻(xiàn)有很多。設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案前,需要充分理解實(shí)驗(yàn)原理,比較文獻(xiàn)的方法,設(shè)計(jì)出自己的測量方法,根據(jù)使用設(shè)備情況確定測量的數(shù)據(jù)范圍。

不同的測量方法,有不同的條件和效果。例如對本文1.1.2和1.1.3中介紹的兩種方法進(jìn)行比較,由于(7)式要求水平線圈和掃場線圈的磁場加起來要跟地磁場水平分量抵消,這兩個(gè)磁場就不可能在大范圍變化,不利于多次測量;但是,從(9)式來看,這種方法跳過了計(jì)算朗德因子這一步,不會引入gF值的誤差,從這一方面來說有其獨(dú)到的好處。

2.3.2 估計(jì)測量中會出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

(1)由于σ+和σ-兩種圓偏振光作用的物理對稱性,它們的光抽運(yùn)信號和共振信號是相同的;

(2)在自然界中存在兩種銣的同位素85Rb和87Rb,它們的豐度、朗德因子 gF是不一樣的,因此,對應(yīng)同一磁場值,共振頻率應(yīng)該有兩個(gè),在這兩個(gè)頻率上的共振吸收深度也不相同[6,7];

(4)由于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)緯度有差異,垂直場線圈的電流會與說明書上的電流預(yù)設(shè)值不同;

除以上問題外,還有具體到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的估計(jì),例如在哪個(gè)范圍內(nèi)改變電流或信號發(fā)生器的頻率比較合適、多次測量時(shí)各測量點(diǎn)的間距多大、實(shí)驗(yàn)場所存在的干擾磁場信號等。

2.3.3 提高評價(jià)實(shí)驗(yàn)方法的能力

在做實(shí)驗(yàn)和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí),不少學(xué)生覺得棘手的不一定是測量過程或數(shù)據(jù)處理,而是對實(shí)驗(yàn)方法的把握。當(dāng)參考文獻(xiàn)有一定數(shù)量時(shí),學(xué)生往往不知道自己應(yīng)該采取哪種方案。哪些文獻(xiàn)提出的方法是可靠的?哪些方法可行性更高?只有全面了解實(shí)驗(yàn)理論,才能夠具備評價(jià)實(shí)驗(yàn)方法的能力,找出適合自己的實(shí)驗(yàn)方向,并得到自己的實(shí)驗(yàn)方案。

對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的了解也十分重要。例如:水平方向上各磁場的交直流情況、對總磁場的影響和對光吸收的影響,是確定實(shí)驗(yàn)方案的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)除了訓(xùn)練學(xué)生的理論水平和應(yīng)用能力外,還重在訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力。能夠針對具體的文獻(xiàn)選擇實(shí)驗(yàn)方向,明確實(shí)驗(yàn)條件并自主完成實(shí)驗(yàn)并不是特別困難的事,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對自己有信心。需要明白的是:經(jīng)過詳細(xì)的學(xué)習(xí)和分析,真正明白實(shí)驗(yàn)的原理和找到實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵,可以做得和那些在期刊中發(fā)表相關(guān)文獻(xiàn)的作者一樣好。

3 光磁共振設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

在近年物理學(xué)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中,嚴(yán)格要求每個(gè)學(xué)生都要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,對一些靈活鉆研的學(xué)生來說,他們能輕松地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù);對一些習(xí)慣于依賴?yán)蠋熓职咽纸虒?shí)驗(yàn)的學(xué)生來說,困難很大。完成一個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)數(shù)是六課時(shí),大概有30%～80%的學(xué)生能夠在課內(nèi)完成,這個(gè)比例在不同年級不一樣,原因可能是各班級的總體學(xué)習(xí)水平有差異,他們的普通物理實(shí)驗(yàn)修養(yǎng)也有差異。效果比較好的班級中,大部分學(xué)生能順利按時(shí)完成實(shí)驗(yàn),沒有完全相同的實(shí)驗(yàn)方案,即使是安排在同一小組做實(shí)驗(yàn)的同學(xué),也各有千秋。

那些不能及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生,可以在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)來重做實(shí)驗(yàn);同樣地,不少學(xué)生對設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大興趣,也來多做幾次,每次都會有能力和信心的提高。

欣喜地發(fā)現(xiàn),除了教材和文獻(xiàn)中給出的實(shí)驗(yàn)方案以外,不少學(xué)生還自行設(shè)計(jì)了多種測量方法,說明設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有鍛煉能力的實(shí)際意義,為學(xué)生提供了創(chuàng)新發(fā)展的機(jī)會。

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[3] 王洪濤,王振國,金清理.光磁共振實(shí)驗(yàn)最佳掃場參數(shù)的確定和抽運(yùn)信號圖分析[J].物理測試,2005, 23(2):45-48.

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Thoughtsand Teaching Effects on the Devised Experiment of Optical Pumping Magnetic Resonance

PENG Jun

(Guangzhou University,Guangzhou 510006)

By the physical imagesof the op tical pumping magnetic resonance,the paper bringsabout the devising thoughts on the experiment scheme in measuring Landg-facto r gFand local geomagnetic.It also summarizes the teaching effects of this experiment in recent years.

op tical pumping magnetic resonance;devised experiment;devising thoughts;teaching effects

O 472+.6

A

1007-2934(2010)01-0022-04

2009-10-15