光磁共振实验装置.doc

DH807A型 光磁共振实验装置 技术说明书 北京大华无线电仪器厂 中国 北京 目 录1. 概述 . 12. 主要技术指标 . 13. 工作原理 . 24. 结构特征 . 4 5. 安装和调整 . 46. 使用操作说明 . 87. 维护和修理 . 118. 成套性 . 119. 储存 . 1210. 质量保证 . 1211. 附录 . 121概 述： 光磁共振实验装置(国外简称：Optical Pumping)用于近代物理实验。该实验所涉及的物理内容丰富，可使学生直观地了解到光学、电磁学及无线电电子学等方面的知识，并能定性或定量地了解到原子内部的很多信息。它是典型的波谱学教学实验之一。光磁共振实验中使用了光泵及光电探测技术，其灵敏度比一般磁共振探测技术高几个数量级。这一方法在基础物理学的研究、磁场的精确测量以及原子频标技术等方面都有广泛的应用。其外形图如下所示： 图 1.2主要技术指标：2.1 实验测得g因子误差：12.2 磁装置：水平直流磁场：场强 02GS，连续可调。 稳定度：优于5 (电源电压变化土10时)。水平调制磁场：方波频率约10Hz，场强(峰一峰)01.5GS。 三角波频率约20Hz，场强(峰一峰)01.5GS。垂直直流磁场：场强：00.7GS，连续可调。 稳定度：优于5 (电源电压变化土10时)。射频磁场(外配射频信号源)： 频率范围：100KHz lMHz 信号源功率输出：50负载上不小于0.5W。2.3 光电探测器：放大器增益大于100。2.4 预热时间： 30分钟 .1.2.5 功率消耗： 150VA(不包括射频信号源)2.6 其它部件指标：2.6.1 铷光谱灯： 铷灯泡寿命：10000小时 高频振荡器工作频率：55MHz一65MHz 控温温度： 约902.6.2 主要光学器件： 干涉滤光镜：中心波长7948A土50A 偏振镜： 工作波长7948A 14波片： 工作波长7948A2.6.3 吸收池： 铷吸收泡直径：约52mm 控温温度：55。2.7 工作条件： 电源电压： 220V土10，50Hz； 环境温度： 040 相对湿度： 85 耐久性： 连续工作不小于8小时。3. 工作原理：本实验系统由主体单元、电源、辅助源、射频信号发生器及示波器五部份组成。见图2。主 体 单 元射频信号 发生器 辅 助 源 电 源 示波器 图 2.光磁共振实验装置方框图3.1 主体单元： 主体单元是该实验装置的核心，如图3所示。由铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈组成。天然铷和惰性缓冲气体被充在一个直径约52mm的玻璃泡内，该铷泡两侧对称放置着一对小射频线圈，它为铷原子跃迁提供射频磁 .2. 图3.主体单元示意图场。这个铷吸收泡和射频线圈都置于园柱形恒温槽内，称它为“吸收池”。糟内温度约在55左右。吸收池放置在两对亥姆霍兹线圈的中心。小的一对线圈产生的磁场用来抵消地磁场的垂直分量。大的一对线圈有两个绕组，一组为水平直流磁场线圈，它使铷原子的超精细能级产生塞曼分裂。另一组为扫场线圈，它使直流磁场上叠加一个调制磁场。铷光谱灯作为抽运光源。光路上有两个透镜，一个为准直透镜，一个为聚光透镜，两透镜的焦距为77mm，它们使铷灯发出的光平行通过吸收泡，然后再汇聚到光电池上。干涉滤光镜(装在铷光谱灯的口上)从铷光谱中选出光(=7948A)。偏振片和14波片(和准直透镜装在一起)使光成为左旋园偏振光。偏振光对基态超精细塞曼能级有不同的跃迁几率，可以在这些能级间造成较大的粒子数差。当加上某一频率的射频磁场时，将产生“光磁共振”。在共振区的光强由于铷原子的吸收而减弱。通过大调场法，可以从终端的光电探测器上得到这个信号。经放大可从示波器上显示出来。 铷光谱灯是一种高频气体放电灯。它由高频振荡器、控温装置和铷灯泡组成。铷灯泡放置在高频振荡回路的电感线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。整个振荡器连同铷灯泡放在同一恒温槽内，温度控制在90左右。高频振荡器频率约为65MHz。 光电探测器接收透射光强度变化，并把光信号转换成电信号。接收部分采用硅光电池。放大器倍数大于100。3.2 电源: 电源为主体单元提供三组直流电源，第路是01A可调稳流电源，为水平磁场提供电流。第路是00.5A可调稳流电源，为垂直 .3.磁场提供电流。第路是24V/2A稳压电源，为铷光谱灯、控温电路、扫场提供工作电压。 3.3 辅助源： 辅助源为主体单元提供三角波、方波扫场信号及温度控制电路等。并设有“外接扫描”插座，可接SBR1型示波器的扫描输出， 将其锯齿扫描经电阻分压及电流放大，作为扫场信号源代替机内扫场信号，辅助源与主体单元由24线电缆连接。3.4 射频信号发生器： 本实验装置中的射频信号发生器为通用仪器，可以选配，频率范围为100KHz1MHz，输出功率在50负载上不小于0.5W。并且输出幅度要可调节。射频信号发生器是为吸收池中的小射频线圈提供射频电流，使其产生射频磁场，激发铷原子产生共振跃迁。4结构特征： 本装置为便于直观教学，采用了开放式结构，分立部件，其主体单元的各部分(铷光谱灯、吸收池、光电探测器及光学器件等)都分别放置在光具座滑轨的5个滑块上，调节方便。主体单元各零部件均为无铁磁性材料制成。为了能在灯光、日光下工作，该实验装置配备一个遮光罩。铷光谱灯的后部留有一个观察孔。正常工作时透过观察孔可看见玫瑰紫色的光线，结构布置见图4。 电源有两个数字表头，分别指示水平场、垂直场的电流大小。其前、后面板如图5.a、图5.b所示。 辅助源上设有水平场、垂直场和扫场的方向控制开关。铷光谱灯和吸收池的控温指示。其前、后面板如图6.a、图6.b所示。5. 安装和调整5.1 主体单元的安装和调整5.1.1 滑轨、线圈及支脚等几部份在运输中是一个整体。安装时首先将滑轨沿南北方向放置(由指南针确定方向)。调整地脚时，先松开上面的螺母，然后旋转下面的大螺母，待调整平稳后，再将上面的小螺母拧紧。5.1.2 将铷光谱灯(GC02)、准直透镜(包括偏振片、1/4波片) ( GC03)、吸收池( GC04)、聚光镜( GC07)、光电探测器( GC08)分别插入相同编号的滑座内，然后将其按图4所示位置放在滑轨上。 .4. (1)滑轨 (2)铷光谱灯 (3)准直透镜(偏振片、14波片)(4)吸收池 (5)垂直线圈 (6)水平线圈 (7)聚光镜 (8)光电探测器 (9)地脚(10)滑块 图4.主体单元5.1.3 将座标板放置在水平场线圈一侧的销钉上，按其刻线先把吸收池调整到线圈中心，通过光具座可以进行XYZ三个方向的调节，再以吸收池为基准把其它四部分调到同一轴线上。5.1.4 将准直透镜上固定偏振镜的大螺母松开，便可旋转偏振镜进行调节，调节好后将螺母旋紧。5.1.5 两个凸透镜的焦距均为77mm。可先大约确定光电探测器和铷灯的位置。5.2 联线： 电源和辅助源用6芯小电缆连接，电源和辅助源的后面板印有接线表，三组电源按表中所示，对应连接。注意要一一对应连接！ 主体单元和辅助源用24芯电缆连接。 辅助源后面板上的“射频输入”及“扫场输出”插座，用Q9电缆分别与射频信号发生器的功率输出及双线示波器的下线联接。 滑轨支架上的接插装置有三个小插座，分别标有“A”、“B”、“C”。将铷光谱灯，吸收池及线圈组上的小插头对号插入。接插装置上的L6接头（电缆外皮是兰色），联接光电探测器标有“电源”的插座。 用L6同轴电缆联接光电探测器“输出”和示波器上线。所用示波器灵敏度比较高时(小于2mVcm)，可将光电探测器后盖拧开，把印制板上的小开关拨向印有S1字符的一边。如所用示波器灵敏度低时(大于2mV/cm)，则将小开关拨向另一边。 如果要用示波器的锯齿扫描作为扫场调制，则可用Q9电缆将示 .5. 图5.a 电源前面板 水平场稳流电源 垂直场稳流电源 稳压电源 稳压电源 A 220V 图5.b 电源后面板 .6. 图6.a 辅助源前面板 水平场稳流电源 垂直场稳流电源 + 稳压电源 - 稳压电源 + 内 - + 外 - + - 射频输入 扫场输出 外接扫场 图6.b 辅助源后面板 .7.波器的“扫描输出”联接至辅助源后面板的“外接扫描”。并把扫描开关置于“外”的位置(该开关在辅助源后面板上)。6. 使用操作说明：6.1 控制器说明：6.1.1 电源: 电源开关：打开电源的开关，辅助源和主体单元进入工作状态。 水平磁场调节：调节“水平场”电位器，可改变水平场电流，电流的大小由其上方数字面板显示。 垂直磁场调节：调节“垂直场”电位器，可改变垂直场电流，电流的大小由其上方数字面板显示。6.1.2 辅助源: 池温开关：吸收池控温电源的通断开关。 扫场方向开关：改变扫场的电流方向(选择扫场的方向)。 水平场方向开关：改变水平场的电流方向(选择水平磁场的方向)。 垂直场方向开关：改变垂直场的电流方向(选择垂直磁场的方向)。 方波、三角波选择开关：用于扫场方式选择。 内、外转换开关(在后面板上)：内部扫场和外部扫场的选择。 灯温、池温指示：分别表示灯温、池温进入工作温度状态。 扫场幅度：调节扫场幅度大小的电位器。6.2 实验步骤及内容：6.2.1 准备： 在装置加电之前，先应进行主体单元光路的机械调整(见本说明书安装和调整部分)。 再借助指南针将光具座与地磁场水平分量平行搁置。检查各联线是否正确。 将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下池温开关。然后接通电源线，按下电源开关。约30分钟后，灯温、池温指示灯点亮，实验装置进入工作状态。6.2.2 观测光抽运信号扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，改变扫场的方向，设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反，然后将指南针拿开。预置垂直场电流为0.07A左右，用来抵消地磁场垂直分量。然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方 .8.向，使光抽运信号(如图7.所示)幅度最大。再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。 光抽运信号 波形 扫场波形 图7. 光抽运信号6.2.3 观测光磁共振谱线6.2.3.1 测量g因子 扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.2A左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针来判断)。垂直场的大小和偏振镜的角度保持6.2.2节的状态。调节射频信号发生器频率，可观察到共振信号，对应图8.a波形，可读出频率及对应的水平场电流I。再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。仍用上述方法(如图8.b所示)，可得到。这样,水平磁场所对应的频率为，即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。水平磁场的数值可从水平场 H 扫场 H t H1 0 0 t H2 IS 共振信号 IS 共振信号 0 t 0 t 图8.a 图8.b .9.电流及水平亥姆霍兹线圈的参数来确定(亥姆霍兹线圈轴线中心处磁场的公式见附录)。 由公式： (1) (2)可计算出因子。式中： 玻尔磁子； 普朗克常数； 水平直流磁场； 共振频率。6.2.3.2 测量地磁场 同测g因子方法类似，先使扫场和水平场与地磁场水平分量方向相同，测得。再按动扫场及水平场方向开关，使扫场和水平场方向与地磁场水平分量方向相反，又得到。这样地磁场水平分量所对应的频率为(即排除了扫场和水平磁场的影响)。从(1)式中得到地磁场水平分量为： (3) 因为垂直磁场正好抵消地磁场的垂直分量，从数字表头指示的垂直场电流及垂直亥姆霍兹线圈参数，可以确定地磁场垂直分量的数值。地磁场水平分量和地磁场垂直分量的矢量和可求得地磁场。6.3 注意事项6.3.1 在实验过程中应注意区分、的共振谱线，当水平磁场不变时，频率高的为共振谱线，频率低的为的共振谱线。当射频频率不变时，水平磁场大的为的共振谱线，水平磁场小的为的共振谱线。6.3.2 在精确测量时，为避免吸收池加热丝所产生的剩余磁场影响测量的准确性，可短时间断掉池温电源。6.3.3 为避免光线(特别是灯光的50Hz)影响信号幅度及线型，必要时主体单元应当罩上遮光罩。6.3.4 在实验过程中，本装置主体单元一定要避开其它带有铁磁性物体，强电磁场及大功率电源线。 .10.6.3.5 “外接扫描”是以SB1型示波器“扫描输出”电压为参考的。7. 维护和修理 维修者应对本装置的工作原理有基本的了解，并在仔细阅读本说明书的有关章节后，方可进行维修。7.1 当按下电源开关后，如数字表不亮，则应检查保险丝及电源插头是否良好。7.2 由接到示被器上的“扫场输出”信号波形是否正常，可判断方波、三角波的工作情况。若无扫场输出(调节扫场幅度后仍无输出)，则应先检查“内、外”选择是否置于“内”，再检查输出口的接触情况及有无断路。7.3 铷光谱灯是该装置的关键部件，如40分钟后灯温指示灯不亮或实验过程中灯温指示灯熄灭，一般为灯温失控。当按下电源开关3分钟后，从铷光谱灯后面小圆窗口观察，如果灯不亮，则说明灯振荡器发生故障，应送回我厂修理，一般人员请勿随意拆修。7.4 当池温指示灯不亮