高準(zhǔn)確度銫—氦光泵磁強(qiáng)計(jì)的粒子數(shù)密度配比研究

伏吉慶　張偉

摘要：為研發(fā)高準(zhǔn)確度銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)探頭的制備工藝，該文通過(guò)分析銫、氦兩種混合物質(zhì)的氣室內(nèi)各組分間的潘寧電離和自旋交換碰撞過(guò)程，從理論上給出銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的最佳粒子數(shù)配比關(guān)系NCs：NHe≈1.9：1。為驗(yàn)證該理論，搭建一套銫-氦磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)，分別通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和激勵(lì)微波來(lái)控制銫原子和氦原子的數(shù)密度，當(dāng)磁共振信號(hào)達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)時(shí)，測(cè)量銫氦粒子數(shù)比值為NCs：NHe≈1.6：1?？紤]到理論計(jì)算時(shí)對(duì)亞穩(wěn)態(tài)氦原子退極化率的保守估算和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)氣室內(nèi)部溫度的測(cè)量誤差，該理論值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較為一致。研究結(jié)果表明：在制作銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)探頭氣室時(shí)，銫原子與亞穩(wěn)態(tài)氦原子的原子數(shù)密度比值應(yīng)該介于1.6～1.9之間。

關(guān)鍵詞：銫-氦磁強(qiáng)計(jì)；自旋交換碰撞；化學(xué)電離；激光泵浦

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0001-05

0引言

在計(jì)量學(xué)中，任何一個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量值皆需溯源回基準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置。為保證基準(zhǔn)磁場(chǎng)量值的準(zhǔn)確度，除了需要產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)，還需將產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)測(cè)量得足夠準(zhǔn)確。因此高準(zhǔn)確度的基準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)是磁計(jì)量學(xué)的一個(gè)核心技術(shù)。我國(guó)的磁基準(zhǔn)裝置歷經(jīng)幾次改良，目前使用的是歐弗豪澤質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)，其復(fù)現(xiàn)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確度受限于本身的噪聲，可以達(dá)到0.1nT。但是由于質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)需要外加激勵(lì)磁場(chǎng)，難以工作在低于20μT的弱場(chǎng)環(huán)境中，同時(shí)其準(zhǔn)確度也難以滿足幾年來(lái)突飛猛進(jìn)的高靈敏度磁強(qiáng)計(jì)的量值溯源需求，因此改進(jìn)基準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)的需求迫切。

光泵磁強(qiáng)計(jì)不需要外加激勵(lì)磁場(chǎng)，可以工作在更微弱的磁場(chǎng)（1～20μT）中，同時(shí)信噪比遠(yuǎn)高于質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)，但是由于泵浦光場(chǎng)的ACstark效應(yīng)往往會(huì)帶來(lái)1-10nT的轉(zhuǎn)向誤差，導(dǎo)致光泵磁強(qiáng)計(jì)準(zhǔn)確度不高。為了消除光頻移誤差，Blinov等在1979年成功研制了一種利用堿金屬銫和氦氣混合氣室作為工作物質(zhì)的銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)。這種磁強(qiáng)計(jì)采用了間接光泵浦技術(shù)，可以有效消除轉(zhuǎn)向誤差，使光泵磁強(qiáng)計(jì)的準(zhǔn)確度大幅提升，成為目前地磁范圍內(nèi)使用準(zhǔn)確度最高的磁強(qiáng)計(jì)之一，在計(jì)量學(xué)上意義重大。

俄羅斯計(jì)量院在2000年利用銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)搭建了新一代國(guó)家恒定弱磁基準(zhǔn)裝置，將準(zhǔn)確度提升到0.003～0.03nT的量級(jí)，該裝置是目前公開報(bào)道的準(zhǔn)確度水平最高的基準(zhǔn)磁場(chǎng)裝置。研究擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的銫氦光泵磁強(qiáng)計(jì)，提升我國(guó)磁場(chǎng)基準(zhǔn)水平無(wú)疑擁有重要的戰(zhàn)略意義。

本文就銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的核心部件，銫-氦混合氣室的制備工藝開展研究。銫-氦混合氣室制備過(guò)程中中將銫原子與亞穩(wěn)態(tài)氦原子的粒子數(shù)密度精確控制在合適的比例是一個(gè)關(guān)鍵操作，只有在最佳比例時(shí)磁強(qiáng)計(jì)信號(hào)才能達(dá)到最佳信噪比。

Blinov等給出了銫-氦氣室中氦氣的最佳充氣壓強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)值以及激勵(lì)亞穩(wěn)態(tài)⁴He的優(yōu)化參數(shù)，但是不同時(shí)期的文獻(xiàn)中給出了不同的優(yōu)化結(jié)果，并缺少理論分析。為了解決該問(wèn)題，本文在理論上通過(guò)對(duì)銫-氦混合氣體各種粒子之間相互作用過(guò)程的分析，得到銫-氦粒子數(shù)密度的最佳估值，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該理論的準(zhǔn)確性。

1理論

銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)是通過(guò)氦原子的極化自旋磁矩來(lái)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的，而氦原子自旋磁矩的極化是通過(guò)與已經(jīng)被光學(xué)泵浦銫原子發(fā)生潘寧磁撞和自旋交換磁撞來(lái)完成的。

由于亞穩(wěn)態(tài)氦原子含有19.82eV的能量，遠(yuǎn)高于銫原子的電離能3.89eV，當(dāng)二者發(fā)生碰撞時(shí)，有很大的概率會(huì)發(fā)生潘寧電離。

需要說(shuō)明的是，該理論值利用了實(shí)測(cè)線寬作為估算y的數(shù)據(jù)，必定包含了一些如周圍磁場(chǎng)波動(dòng)、光背景擾動(dòng)等在更精密的實(shí)驗(yàn)條件下可以規(guī)避的退極化率，因此該γ值的估算是偏大的，也就是說(shuō)此處得到的銫氦粒子數(shù)比值NCs≈1.9NHe可以作為最佳比值的一個(gè)上限值。

2實(shí)驗(yàn)

2.1銫-氦磁強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究銫-氦磁強(qiáng)計(jì)探頭中銫氦粒子數(shù)的最佳比值，需要搭建一套銫-氦磁強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量在磁共振信號(hào)幅度最優(yōu)化時(shí)的信號(hào)線寬△f，和通過(guò)反向拓延得到的最小線寬△f1，得到亞穩(wěn)態(tài)氦原子的退極化率γ，并獨(dú)立測(cè)量銫原子和亞穩(wěn)態(tài)氦原子的粒子數(shù)密度值NCs和NHe，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

本文利用895nmdBR激光泵浦搭建了一套銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。激光經(jīng)隔離、矯形、純化為圓偏振光后，作為泵浦光源射入銫-氦氣室探頭內(nèi)。銫-氦氣室被放置在一個(gè)5層坡莫合金磁屏蔽筒中，筒內(nèi)剩磁小于1nT。在探頭上放置有激勵(lì)亞穩(wěn)態(tài)氦原子的激勵(lì)電極，通過(guò)施加載波為50mHz，重復(fù)頻率1kHz的脈沖微波對(duì)氣室進(jìn)行激勵(lì)，脈沖寬度可以在1-100μs調(diào)節(jié)。探頭上沿垂直于泵浦光傳播的方向放置了用于掃描磁共振信號(hào)的交變磁場(chǎng)線圈。磁屏蔽筒縱向放置了一個(gè)可以產(chǎn)生0.1mT以內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)的加勒特線圈。

銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)的工作過(guò)程為：首先通過(guò)圓偏振激光激勵(lì)cs（6²S1/2→6²P_1/2）躍遷，將光子的角動(dòng)量傳遞給銫原子，使其最終基態(tài)最外層電子自旋分布極化。同時(shí)施加脈沖激勵(lì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)氦He（2³S1），通過(guò)銫-氦原子之間的潘寧碰撞和自旋交換碰撞過(guò)程，將自旋極化傳遞給氦原子，使其產(chǎn)生宏觀可觀測(cè)磁矩M=NHe

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為經(jīng)鎖相放大器檢波后輸出的90度相位差的磁共振信號(hào)，其中心過(guò)零點(diǎn)即為磁共振點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻率值即為拉莫爾頻率，最大值和最小值間距為磁共振信號(hào)半線寬。

從圖中磁共振信號(hào)可以看出，實(shí)測(cè)線寬為△f=（1560+20）Hz。該線寬是在信號(hào)幅值和線寬比值達(dá)到最大，即靈敏度最高的狀態(tài)下測(cè)得的。

線寬和泵浦光強(qiáng)、交變磁場(chǎng)調(diào)制頻偏和交變磁場(chǎng)振幅都有關(guān)系。通過(guò)反向拓延法不斷減小調(diào)制幅度和調(diào)制頻偏，可以找到不受射頻展寬影響的磁共振信號(hào)的線寬，見圖3。

圖3中，不同顏色的實(shí)線代表了不同交變磁場(chǎng)的幅值Brf，雪花狀的點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，帶顏色的實(shí)線為根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值所做的線性擬合曲線?？招膱A點(diǎn)為交變磁場(chǎng)幅值Brf=0mV時(shí)的線寬值。由于交變磁場(chǎng)為零時(shí)信號(hào)衰減為零，因此空心圓點(diǎn)表示的線寬值由該點(diǎn)所在橫坐標(biāo)上的彩色雪花點(diǎn)（測(cè)量值）反向拓延得到。黑色虛線為依據(jù)空心圓點(diǎn)代表的Brf=0mV時(shí)不同頻偏下的線寬值所做的線性擬合函數(shù)，黑色虛線與y軸的交點(diǎn)，即代表調(diào)制幅度Brf和調(diào)制頻偏都為0時(shí)，磁共振信號(hào)的線寬，為114Hz。

考慮到測(cè)量誤差，該反向拓延的線寬值與理論值104Hz已經(jīng)相當(dāng)吻合。從圖2和圖3的數(shù)據(jù)可以估算出亞穩(wěn)態(tài)氦原子的退極化率γ=15，見式（10）。

為了測(cè)量銫氦粒子數(shù)最佳配比值，實(shí)驗(yàn)上可以通過(guò)改變銫-氦氣室溫度調(diào)節(jié)銫原子的粒子數(shù)密度，通過(guò)改變脈沖激勵(lì)的脈沖寬度調(diào)節(jié)氦粒子數(shù)密度。在某恒定溫度點(diǎn)，通過(guò)改變脈沖寬度找到使磁共振信號(hào)靈敏度最大的點(diǎn)，得到最佳脈沖寬度，然后分別測(cè)量銫氦粒子數(shù)密度。

在圖4中的綠色圓線為溫度27℃（300k）時(shí)信號(hào)幅值與脈沖寬度的關(guān)系，可以看出，在20μs時(shí)，信號(hào)幅值達(dá)到最大。

再利用另一臺(tái)1083nm半導(dǎo)體激光器，通過(guò)測(cè)量不同脈沖寬度下的亞穩(wěn)態(tài)氦粒子對(duì)激光的吸收譜，可以得到亞穩(wěn)態(tài)氦粒子數(shù)密度與脈沖寬度的關(guān)系，見圖4中的藍(lán)色方線。

可以看出在溫度為27℃，脈沖寬度為20μs時(shí)，信號(hào)幅值達(dá)到最大，而該脈沖寬度對(duì)應(yīng)亞穩(wěn)態(tài)氦原子數(shù)密度為3.79×10¹⁰cm^-2。而在27℃，通過(guò)克拉伯龍方程，可知銫原子的粒子數(shù)密度為6.126×101¹⁰cm^-3，于是有NCs：NHe≈1.6：1。

需要說(shuō)明的是，實(shí)際測(cè)量時(shí)氣室內(nèi)由脈沖激勵(lì)激發(fā)的高能粒子對(duì)氣室有一定加熱效應(yīng)，在外壁測(cè)量到的氣室溫度可能比氣室中心氣體溫度低1℃左右，所以實(shí)測(cè)的粒子數(shù)比值中cs原子粒子數(shù)密度可能有所低估，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)得的銫氦粒子數(shù)比值NCs：NHe≈1.6：1可以作為一個(gè)最優(yōu)比值的下限值。

考慮到從線寬估算退極化率的誤差和實(shí)驗(yàn)測(cè)量氣室溫度的誤差，此處得到的銫氦粒子數(shù)最佳比值的理論值和實(shí)驗(yàn)值已經(jīng)較為吻合。由于計(jì)算理論值時(shí)，對(duì)退極化率的估計(jì)偏大，因此理論比值NCs≈1.9NHe是一個(gè)上限值。實(shí)驗(yàn)中，由于對(duì)氣室中心溫度測(cè)量值偏小，導(dǎo)致對(duì)銫的粒子數(shù)密度值估算偏小，所以實(shí)測(cè)最佳比值NCs≈1.6NHe是一個(gè)下限值，因此在銫-氦光泵磁強(qiáng)計(jì)氣室中銫氦的粒子數(shù)密度最佳比值應(yīng)該介于二者之間。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)銫-氦混合氣體潘寧電離和自旋交換碰撞過(guò)程的分析，理論上給出了銫-氦磁強(qiáng)計(jì)的最佳粒子數(shù)比值NCs≈1.9NHe；同時(shí)搭建了一套銫-氦磁強(qiáng)計(jì)系統(tǒng)，在達(dá)到最優(yōu)化的磁共振信號(hào)的條件下，測(cè)量了銫氦粒子數(shù)實(shí)際比值為NCs≈1.6NHe。通過(guò)分析理論值和實(shí)測(cè)值的成立條件，可以得到銫-氦粒子數(shù)最佳比值介于1.6～1.9之間。本工作的結(jié)論可以為銫氦光泵磁強(qiáng)計(jì)工作在不同環(huán)境溫度下時(shí)得到最佳磁測(cè)量信號(hào)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。