一種延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的方法，尤其是延長具有核電四極矩的極化氣體原子自旋弛豫時間的方法，屬于原子光學領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]核磁共振技術(shù)不僅在物理、化學、材料科學等科研研究方面有著廣泛應用，在工程技術(shù)領(lǐng)域里也得到了重要應用，原子磁力儀和原子自旋陀螺就是其中的典型應用。在這兩類原子器件中，原子池是它們的核心元件。一般地，原子池內(nèi)包含堿金屬氣體、惰性氣體和緩沖氣體，通過光抽運堿金屬間接極化惰性氣體原子，惰性氣體原子在磁場下作拉摩爾進動，在不同的載體轉(zhuǎn)動角速度或環(huán)境磁場下，探測光提取到的惰性氣體拉摩爾進動頻率產(chǎn)生頻移，進而得到載體轉(zhuǎn)動角速度或環(huán)境磁場強度。原子池的性能是影響這些器件性能的主要因素。極化氣體自旋弛豫時間是衡量原子池性能的重要指標。
[0003]影響惰性氣體原子的自旋弛豫時間的因素很多，其中最為重要的是原子與原子池薄膜內(nèi)壁的碰撞引起的弛豫機制。已有一些技術(shù)用來延長極化惰性氣體原子自旋弛豫時間，并在不斷地發(fā)展。其中一種是在原子池中充適量的緩沖氣體，如氮氣，來減小惰性氣體原子與原子池內(nèi)壁碰撞次數(shù)。另外一種是在原子池內(nèi)壁鍍抗退極化膜，如石蠟、銣氫膜、OTS等，抗退極化膜避免了原子與氣室壁的直接作用，使得原子與涂層表面多次碰撞仍然保持極化，從而減小每次碰撞引起原子自旋弛豫的概率。這兩種方法都可以延長極化氣體自旋弛豫時間。
[0004]然而這兩種方法都存在不足之處。前一種方法中惰性氣體原子與緩沖氣體原子碰撞將導致原子核共振譜線展寬變大，而原子核共振譜線展寬則影響原子磁力儀和原子自旋陀螺的精度。后一種方法中，由于原子池內(nèi)壁抗退極化膜對于氣態(tài)堿金屬原子、惰性氣體和其它原子均有吸附作用，有部分自由熱運動狀態(tài)的原子將被吸附在抗退極化膜表面，這將導致原子池內(nèi)壁表面附近的原子種類和密度不均勻，增大了電場梯度。具有核電四極矩的原子，如131Xe與電場梯度的相互作用會導致原子核自旋的衰減，使得原子自旋弛豫時間變短。因此抗退極化膜對延長具有核電四極矩的極化原子的自旋弛豫時間是無效的。
[0005]美國加州大學伯克利分校、NIST、俄羅斯圣彼得堡大學等研究機構(gòu)研究了原子池內(nèi)壁抗退極化膜的光致解吸附現(xiàn)象。研究表明，通過激光輻照可以降低抗退極化膜對原子的吸附能，加速原子從抗退極化膜附近逃逸，縮短原子在抗退極化膜上被吸附的時間。
[0006]現(xiàn)有的充緩沖氣體方案，若充緩沖氣體過多，會使惰性氣體原子與緩沖氣體原子碰撞劇烈，進而導致原子核共振譜線展寬變大；現(xiàn)有的抗退極化膜方案對具有核電四極矩的原子無效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對上述不足，特提出一種延長極化氣體自旋弛豫時間的方法和裝置，可延長原子池內(nèi)原子的自旋弛豫時間，更為重要的是可提高具有核電四極矩的極化氣體原子的自旋弛豫時間。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于光致解吸附原理的延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的裝置，包括:激光器7、小角度抖動反射鏡8、光束整形系統(tǒng)9、原子池10、反射鏡11，其中，小角度抖動反射鏡8位于激光器7與光束整形系統(tǒng)9之間，光束整形系統(tǒng)9位于原子池10前方；反射鏡11位于原子池背面。激光器出射光束經(jīng)小角度抖動反射鏡反射，再經(jīng)光束整形系統(tǒng)擴束后覆蓋整個原子池，出射光經(jīng)反射鏡反射再次照射原子池。
[0009]所述小角度抖動反射鏡在一定角度范圍(如-5°?5°)內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)，使得激光束具有更大的輻照角度范圍。
[0010]針對原子池內(nèi)壁不同的抗退極化膜材料，選擇相應出射波長和功率的激光器。
[0011]所述光束整形系統(tǒng)由棱鏡、透鏡等光學元件組成，主要用于對激光束進行擴束，通過調(diào)整光束整形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和光學元件組成，保證擴束后的激光束能輻照整個原子池。
[0012]所述反射鏡放置在原子池背面，使得激光束再次輻照到原子池內(nèi)，提高激光束的利用率，以提高延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的效果。
[0013]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的方法，通過兩種物理機理延長極化原子的自旋弛豫時間；第一種物理機理是，原子池內(nèi)壁抗退極化膜對于氣態(tài)堿金屬原子、惰性氣體和其它原子均有吸附作用，有部分自由熱運動狀態(tài)的原子將被吸附在抗退極化膜表面，通過激光輻照降低抗退極化膜的吸附能，加速原子從抗退極化膜上逃逸，縮短原子在抗退極化膜上被吸附的時間，減少了極化原子自旋弛豫的概率，進而延長了極化原子的自旋弛豫時間。
[0014]第二種物理機理是，激光輻照使得吸附在原子池內(nèi)壁抗退極化膜上的不同種類原子的數(shù)目均減少，從而降低了抗退極化膜表面原子種類和數(shù)目的不均勻性，進而減小了抗退極化膜上的電場梯度，具有核電四極矩的極化原子與抗退極化膜碰撞時核電四極矩與電場梯度的作用將變小，降低了極化原子核自旋弛豫的概率，延長了極化原子的自旋弛豫時間。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:通過縮短原子在抗退極化膜上被吸附的時間延長了原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間，同時通過減少抗退極化膜上的不同種類原子的數(shù)目延長了具有核電四極矩的極化氣體的原子自旋弛豫時間。
【附圖說明】
[0016]圖1為延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的物理機理示意圖一；
圖2為延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的物理機理示意圖二；
圖3為延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖1-圖2中虛線箭頭表示計劃原則的運動軌跡和方向。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明提出了一種基于光致解吸附原理的延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的方法，可通過光致解吸附原理減小惰性氣體原子與內(nèi)壁薄膜的吸附能，使氣體原子與內(nèi)壁薄膜的吸附時間變短，從而延長原子自旋弛豫時間。更為重要的是，這種方法可提高具有核電四極矩的極化氣體原子的自旋弛豫時間。因此該方法對于提高原子磁力儀和原子自旋陀螺的性能有重要意義。
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。但不應因此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0019]為清楚闡述方案的作用原理，主要分兩種情況對物理機理進行分析。第一種情況，如圖1所示，當沒有激光束4輻照時，自由熱運動狀態(tài)的極化原子I I從被吸附在抗退極化膜3上成為被抗退極化膜吸附狀態(tài)的極化原子II 2，到離開抗退極化膜3再次成為自由熱運動狀態(tài)的極化原子I I的吸附時間為Tl ;當有激光束4輻照時，自由熱運動狀態(tài)的極化原子I I從被吸附在抗退極化膜3上成為被抗退極化膜吸附狀態(tài)的極化原子II 2，到離開抗退極化膜3再次成為自由熱運動狀態(tài)的極化原子I I的吸附時間為T2，研究已經(jīng)證明T2〈Tl。激光束4的輻照縮短了極化原子在抗退極化膜上被吸附的時間，降低了極化原子核自旋弛豫的概率，進而延長了極化原子的自旋弛豫時間。
[0020]第二種情況如圖2所示，激光束4的輻照縮短了極化原子在抗退極化膜上被吸附的時間，使得吸附在原子池內(nèi)壁抗退極化膜3的不同種類原子的數(shù)目均減少。抗退極化膜3表面原子數(shù)減少在原子尺度上降低了抗退極化膜3表面的各向異性，減小了抗退極化膜3表面的電場梯度5，使得極化原子I I及極化原子II 2的核電四極矩與電場梯度5的作用變小，降低了極化原子核自旋弛豫的概率，延長了極化原子1、極化原子II的自旋弛豫時間。
[0021]下面對本發(fā)明的一個實施示例作具體說明。
[0022]如圖3所示，裝置包括:激光器7、小角度抖動反射鏡8、光束整形系統(tǒng)9、原子池10、反射鏡11，其中，小角度抖動反射鏡8的鏡面在一定范圍(如-5°?5°)內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)，激光器7出射光束經(jīng)小角度抖動反射鏡8反射，再經(jīng)光束整形系統(tǒng)9擴束后覆蓋整個原子池10，出射光經(jīng)反射鏡11反射再次照射原子池10。針對原子池10內(nèi)壁不同的抗退極化膜材料，選擇具有相應出射波長和功率的激光器7。
【主權(quán)項】
1.一種延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的裝置，包括:激光器(7)、小角度抖動反射鏡(8)、光束整形系統(tǒng)(9)、原子池(10)、反射鏡(11)，其特征在于，小角度抖動反射鏡(8)位于激光器(7)與光束整形系統(tǒng)(9)之間，光束整形系統(tǒng)位于原子池(10)前方；反射鏡(11)位于原子池背面，激光器出射光束經(jīng)小角度抖動反射鏡反射，再經(jīng)光束整形系統(tǒng)擴束后覆蓋整個原子池，出射光經(jīng)反射鏡反射再次照射原子池: 所述小角度抖動反射鏡在一定角度范圍，-5°?5°內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)，使得激光束具有更大的輻照角度范圍。
2.一種延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的方法，其特征在于，通過兩種物理機理延長極化原子的自旋弛豫時間；第一種物理機理是，原子池內(nèi)壁抗退極化膜對于氣態(tài)堿金屬原子、惰性氣體和其它原子均有吸附作用，有部分自由熱運動狀態(tài)的原子將吸附在抗退極化膜表面，通過激光輻照降低抗退極化膜的吸附能，加速原子從抗退極化膜上逃逸，縮短原子在抗退極化膜上被吸附的時間，減少了極化原子自旋弛豫的概率，延長了極化原子的自旋弛豫時間； 第二種物理機理是，激光輻照使得吸附在原子池內(nèi)壁抗退極化膜上的不同種類原子的數(shù)目均減少，從而降低了抗退極化膜表面原子種類和數(shù)目的不均勻性，進而減小了抗退極化膜上的電場梯度，具有核電四極矩的極化原子與抗退極化膜碰撞時核電四極矩與電場梯度的作用將變小，降低了極化原子核自旋弛豫的概率，延長了極化原子的自旋弛豫時間。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種延長原子池內(nèi)極化氣體自旋弛豫時間的方法。采用光致解吸附原理加速極化原子從抗退極化膜逃逸，縮短極化原子被吸附的時間。同時，降低吸附在抗退極化膜表面的原子種類和數(shù)目的不均勻性，減小抗退極化膜上的電場梯度。通過上述兩種物理機理，降低極化原子核自旋弛豫的概率，延長極化原子的自旋弛豫時間。本發(fā)明可延長原子池內(nèi)原子的自旋弛豫時間，尤其可提高具有核電四極矩的極化原子的自旋弛豫時間，對于提高原子磁力儀和原子自旋陀螺的性能有重要意義。
【IPC分類】G01R33-44, G01N24-08
【公開號】CN104698413
【申請?zhí)枴緾N201310650608
【發(fā)明人】肖光宗, 馮偉, 劉小虎, 汪之國, 袁杰, 羅暉
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2013年12月6日