一种快速判断光泵磁共振实验中扫场和水平磁场方向的方法

冯饶慧

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州510275)

0 引 言

光泵磁共振能在弱磁场下精确检测气体原子能级的超精细结构，该弱磁场的大小与地磁场大小数量级相当，所以外加磁场中不能忽略地磁场的影响［1-4］。加载在样品上的总磁场包括了外加稳恒磁场(包括水平方向和垂直方向)，水平扫场和不可忽略的地磁场。利用光泵磁共振实验仪进行测量和研究一般都是调节垂直磁场的线圈电流，使垂直磁场抵消地磁场的垂直分量，这样水平方向的磁场就是样品处的总磁场。在垂直方向上，则需判断垂直磁场的方向及调节其方向及大小来消除地磁场的垂直分量对实验的影响［1，5-6］。水平方向的总磁场有水平稳恒磁场，地磁场的水平分量和扫场，必须判断出水平稳恒磁场和扫场的大小，才能知道其线性加减的结果。

如何判断水平方向上的稳恒磁场和扫场的方向［7］。先将扫场置零，把小磁针放在吸收池上边，加大水平磁场的大小，若指针方向改变，说明水平磁场与地磁场方向反向;否则同向。判断扫场方向也是先将水平磁场置零，加大扫场的大小看指针是否偏转。这种判断方法的缺点是，需要打开遮光布把小磁针放在吸收池的上面，让学生操作的话，很容易破坏原来已经调好的线圈轴线与光轴的重合，还有光学系统共轴性，因此该方法在目前高校并不普遍流行。另外，用小磁针不能做到同时判定两个场是否与地磁场同向，必先排除掉另一场的干扰才能准确判断。文献［8］介绍了用光抽运信号判定扫场方向及由光泵磁共振信号判断线圈产生的水平场方向的依据和方法。但它需要用光抽运信号和磁共振信号两种信号才能判断两个场的方向，也不能做到同时判定。本文介绍一种只需要根据光抽运信号是否产生就能快速判断水平磁场和扫场方向是否同时和地磁场的水平方向同向的方法。

1 判断方法的理论依据及实施条件

该实验中光抽运过程是始终存在的，即没有光抽运信号也有光抽运，而要产生光抽运信号，则需要满足特定的条件［9-13］。

光抽运信号产生的条件是水平方向的总磁场必须过零，如图1 所示。水平方向的总磁场包括地磁场的水平方向、扫场和水平磁场。换而言之，只要这三个场在同一方向上，无论怎么调节水平磁场的大小，都不会出现光抽运信号，如图2 所示。假设这三个场有一个场不同向，都能够通过调节水平磁场的大小使水平方向的总磁场过零，从而观察到光抽运信号。

图1 水平方向的总磁场过零而且正反方向幅度相同时，产生的光抽运信号

图2 水平方向的总磁场不过零，不能产生光抽运信号

实验中所加的扫场实际为一纯方波BSS(t)或纯三角波BST(t)和一恒直流分量BSD的合成信号BS(t)［14］。图3 是方波扫场随时间变化的示意图，负半轴表示换向后的扫场随时间的变化。线圈输出的扫场信号是纯交流信号在直流量上下波动，增大扫场的振幅，该直流分量不能小于峰-峰值的1/2。如果小于峰-峰值的1/2，会出现图4(a)所示的情况，再加上与直流分量BSD同向的另外两个磁场，总磁场也有可能过零。另外，还必须满足|BD－BSS(BST)|≤B地//。若|BD－BSS(BST)|＞B地//，如图4(b)所示，扫场与地磁场水平分量的矢量和不过零，若加上与扫场同向的水平磁场，会出现三场不同向也不会出现光抽运信号的情况。综合以上推导得出判定方法实施的必要条件是:当改变扫场幅度时，直流分量随扫场幅度增加而增加，直流分量总是不小于三角/方波峰-峰值的1/2;且|BD－BSS(BST)|≤B地//。只有在这个两个前提下，当地磁场的水平方向、水平磁场、扫场的直流分量三个磁场同向时，无论怎么改变水平磁场的大小，总磁场都不会过零。

图3 加载在线圈上的方波信号

图4 判定方法不能实施的两种情况

2 判断方法

本实验采用的是DH807A 型光泵磁共振实验装置，其技术指标中，水平调制磁场方波和三角波的场强(峰-峰)的变化范围为0 ～1.5 GS，扫场不过零也就满足了判断方法实施的必要条件中前面一条［15］。

扫场、水平磁场和垂直磁场的方向是由线圈中电流的方向决定的。辅助源前面板上某一方向按钮由“按下”/“弹起”状态变为相反的“弹起”/“按下”状态时，流过线圈的电流方向相反，产生的磁场方向也变反方向。扫场方向按钮与水平磁场方向按钮共有四种组合，即“按下-按下”、“按下-弹起”、“弹起-弹起”、“弹起-按下”，如图4 所示。这四种组合中必有一种组合是这两个场的方向同时跟地磁场的水平方向同向。我们可以先选取第一种组合，再调节线圈产生的水平磁场的大小，若出现光抽运信号，无论是否是相同的周期性信号，都可以排除掉这种组合。同样的方向检验第二种、第三种和第四种组合，直到有一种组合是怎么也调节不出信号的，就可以判断出扫场方向按钮是“按下”还是“弹出”跟地磁场的水平方向同向，水平场方向按钮是“按下”还是“弹出”跟地磁场的水平方向同向，反之则反。

图5 扫场和水平磁场方向取向的4 种组合

从实验结果看，扫场方向按钮“按下”，水平方向按钮“弹起”，无论怎么调节水平磁场的大小，都不会出现光抽运信号。说明扫场和水平磁场方向按钮处于“按下-弹起”时，跟地磁场的水平方向同向。将调节水平磁场大小的按钮旋至最小，扫场和水平磁场方向按钮分别处于“弹起-弹起”和“弹起-按下”时，示波器上有光抽运信号，调大水平磁场，光抽运信号消失。以上现象说明了，水平磁场为零，扫场方向和地磁场水平方向反向，出现光抽运信号，证明两磁场的总磁场过零，满足判断方法实施的必要条件中后面一条。

3 结 语

本文介绍了一种利用光抽运信号是否产生来判断水平磁场和扫场是否同时和地磁场的水平方向同向的方法。目前高校普遍采用DH807A 型光泵磁共振实验装置满足该判断方法实施的两个必要条件。本实验中学生比较难理解光抽运与光抽运信号、磁共振与光抽运之间的关系。若在实验开始阶段学生能充分理解光抽运信号产生的必要条件，懂得利用该条件判断磁场方向，会更加深入地思考两种信号产生的物理过程。

光抽运信号与磁共振信号一样，都是粒子布局数经历极化-退极化-极化的周期性过程。导致两信号粒子布局数极化的原因是一样的，就是光抽运。光抽运信号与磁共振信号最大的区别是退极化的物理机理不一样。光抽运是当加在样品上的磁场穿越零点并反向时，塞曼能级跟随着发生简并并随即再分裂，重新分裂后各能级上的粒子数又近乎相等。磁共振信号是当分布极化粒子受到射频场的作用，产生受激跃迁，粒子又趋于均匀分布。

最值得提醒的一点是，无论有没有光抽运信号或磁共振信号，光抽运是始终存在的。没有发生共振时，光抽运与弛豫过程达到动态平衡，光强不发生变化，此时示波器上看不到信号。可以说有磁共振就有磁共振信号，但不能说有光抽运就有光抽运信号，只有外加周期性磁场过零时才有光抽运信号。

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