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1、光泵磁共振实验中关于方波与三角波扫场的讨论光泵磁共振实验中关于方波与三角波扫场的讨论黄 飞 光科 0572425摘摘 要要 通过着重对三角波扫场信号产生机理的分析，探讨了三角波扫场对磁共振信号的作用和影响、如何通过消除其影响分别测得因子和地磁场水平分量；总结了实验中Fg方波扫场信号对光抽运信号的影响和作用。 关关 键键 词词 三角波扫场信号 方波扫场信号 光抽运信号 磁共振信号引言：引言： 在光泵磁共振实验中，要分别用到方 波扫场信号和三角波扫场信号，两者在实 验中分别有不同的用处，方波信号对应于 光抽运信号的产生和观察，三角波信号对 应于观察分析磁共振信号并可测得一系列参数如因子和地磁场水平
2、分量；两FgBA地者的产生机理类似，都会夹杂着直流成分 在里面，这个直流成分又会分别产生不同 的影响。1三角波扫场的产生机理三角波扫场的产生机理 首先，实验中输出的三角扫场信号是 由纯三角波与一直流分量叠加而成，纯三 角波是指在0V上下波动的交流值，它严格 关于t轴对称，不含直流量。三角波扫场信号发生器电路在输出端采用射极跟随器以提高负载能力，对于,113BG组成的射极输出器，只有当发射极电10BG阻上的静态工作电压大于交流信号峰-峰值 的一半时，才能保证对交流信号不失真地放大，故在发射极必须维持一个合适的静态电压。该静态电压是由从QVQV输入的三角波信号中一定的直流量控2K1V制。设基极电压
3、为，则可算出113BGAV10(3)t+EQBGBEQVVV10(3)222323223333EQBGCCVRVRVARR2QABEQVVV由算出的可见该直流量一直伴随着三角QV波存在，而且其方向也随着三角波的方向 改变而改变。因此，加在扫场线圈上的总三角波信号在波峰处值为，在波QB +B扫谷处为。QBB扫其次，当调节改变输入三角波扫场振幅3W时，增加，也按一定比例随 10(3)BEQBGVQV之变化。综上所述，输出到扫场线圈的电压不 是单纯的交流，而含有一定的直流分量， 如图2所示，对应输出的三角扫场(磁场)也 是纯交流三角扫场在直流量上下波动，在分析时宜将二者分别写出，进行讨论.正是 这个
4、直流量的存在，使得下面测量时改变 扫场信号方向以消除其影响变得必要。tBBQBQ+B扫BQ+B扫图2 线圈上的三角波信号三角波扫场由于其波形的特征对应于 观察磁共振信号，如果用方波则无法进行 相关参数的测量计算。2三角波直流分量影响的消除三角波直流分量影响的消除2.1 测量测量因子时的三角波扫场信号：因子时的三角波扫场信号：Fg当地磁场的垂直分量抵消后，加上外 磁场 B，调节射频场的频率，用三角波 扫场，在偏极化条件下，当射频场的频率满足发生磁共振，测出、FBhvgBv后代入式中即可得值， 值可以由BFgv频率计测出，为各种外加磁场的合磁场，B 是随时间变化的量，的变化由三角波信B 号调制外加
5、水平直流磁场引起。因此，总磁场应包括地磁场水平分量、BBA地和的影响。B扫QB1) 使水平磁场、三角波扫场和地磁场水平 分量同向，并使共振发生在对应总磁场波 谷位置，此时射频场频率满足1(+-)FBQhvgBBBBA地扫2) 使水平磁场反向，而三角波扫场和地磁场水平分量不变，仍使共振发生在波谷位 置，此时射频场满足2-(-+)FBQhvgBBBBAA地扫BA地QBB扫BAtBtVsBA地QBB扫BAtBtVs图 3 测原理图Fg由两式可解得，12 2F BvvhgBA(KHz)I水平v1v2v1v2v0.300A5.85713.9723.8839.2650.350A7.53315.6134.9
6、9710.3990.400A9.20017.2586.12911.507I水平Fg(Rb87)1Fg(Rb85)2Fg0.300A0.49990.33150.350A0.50020.33280.400A0.50030.3335表格中是通过这样的方法测得的和共I水平振频率并计算得到的因子。Fg通过使水平场反向，使得计算因子Fg的公式中三角波扫场的直流成分被轻松消 除。2.2 测量地磁场水平分量时的三角波测量地磁场水平分量时的三角波 扫场信号扫场信号测量地磁场水平分量时，同样应排除、和的影响。BA地B扫QB1)先使扫场、水平场和地磁场水平分量 方向相同，调节射频场频率，待共振（最 大值对准扫场三角
7、波的波峰处或最小处对准三角波的波谷处）后，读得：1v1()FBQhvgBBBBAA地扫2) 之后拨动扫场及水平场方向开关，使其 与地磁场水平分量方向相反，调节射频场频率，共振后读得：2v2()FBQhvgBBBBAA地扫联立算得 12 2BFvvhBgA同样也是通过改变扫场和水平场的方向即 消除了三角波扫场对测量地磁场水平分量 的影响。3.方波扫场方波扫场要通过示波器观察到光抽运信号,在水 平方向加入的磁场必须不断进行周期性变 化，否则就观察不到光抽运信号。消除垂 直场后，加在水平方向的磁场有水平磁场、地磁场水平分量和水平扫场，BABA地B扫其中水平扫场又夹杂有直流分量。B扫QB其中直流场包括
8、水平扫场直流部分和地磁 场水平分量，交流场包括水平磁场和水平 扫场非直流部分。如果在垂直场已消除的 情况下把所有的水平磁场看作总水平磁场 ，则当直流成分为零即扫场直流部分和B 地磁场水平分量抵消后，会出现如（a）所 示的很漂亮的光抽运信号。而当直流场为 正值时，光抽运信号可出现如（b） 、 （c） 两种信号，其中（b）是由于直流成分大于 方波峰-峰值一半时所致，光抽运信号太弱 致使示波器观察不到， （c）是由于直流成 分的干扰导致不等幅的抽运信号。当直流 场为负值，可出现（d） 、 （e）所示的波形， 可同以上一样思路的分析。图 4 所加水平总磁场和抽运信号图 5 分别加上三角波扫场和方波扫场
9、后获得的较理想抽运信号和不等幅抽运信号。结束语结束语 本文通过分析三角波扫场输出电路的特性，得出扫场信号中会一直存在直流分量的杰 伦；总结了三角波扫场和方波扫场在实验中的作用和影响，加深了对光抽运现象和磁共振 现象的的理解。实验思路总结实验思路总结 不论对什么问题，尤其是在实验过程中，有清晰的思路和框架是最重要的，我想这也 是开设近代物理实验课的最大初衷。我总结的思路是这样的：首先是要明确这个实验究竟 是在做什么，实验仪器有哪些，如果能把实验仪器的每个部分的作用都弄清楚以及实验核 心仪器里的反应和现象都能根据理论原理推导一番则对整个实验的总体把握已经比较清楚 了。对于光磁共振实验，核心在于光抽
10、运信号和磁共振信号是如何产生的，需要什么样的 条件，不同条件下产生不同现象的原因是什么，这就直接涉及到原子能级精细结构的一系 列内容和外加扫场信号对光抽运和磁共振产生的各种不同作用和影响，以此思路一直探索下去，最后实验的原理就会掌握到相当的程度，测量因子和地磁场水平分量等就成了纯Fg粹的技术工作了。当然，这样的技术工作中出现的各种问题和当我们尝试用理论去解释现 象时出现的不符与疑难可以引导我们继续对原理性内容做深入思考和发掘。这一点是最重 要的，因为所谓创新就是从这里开始起步的，而前面是在掌握知识与原理，后面验证过程 中出现的问题的解决往往导致重大的发现，推动已有认识的更新和继续深入。 所以，当下的实验重在培养思维。参考文献：参考文献： 1.仲明礼，张越，夏顺宝 等. 关于光泵磁共振实验中三角波扫场信号的讨论. 物理实验， 2003 2.刘海霞，徐铭 等. 光磁共振试验中扫场的作用和影响. 大学物理，2005 3.吴思诚，王祖铨 近代物理实验. 北京大学物理系近代物理实验室 4.近代物理实验补充讲义 复旦大学物理教学实验中心