Mx magnetometri

Mx - magnetometri on yleisin alkalimetallihöyryillä ( cesium , rubidium , kalium ) toimiva optinen kvanttimagnetometri.

Kuinka se toimii

Huoneenlämmössä atomien lämpöenergia on paljon suurempi kuin perustilan energioiden ero - , joten Boltzmann -jakauman mukaan kaikkien tasojen populaatiot ovat samat, katso rubidium Rb87 atomien kaavio. Kun atomit ovat vuorovaikutuksessa ympyräpolarisaation optisen kentän kanssa atomikaasussa, syntyy atomipopulaation epätasapainoinen jakautuminen perustilojen Zeeman-alatasojen yli. Tämän seurauksena atomikaasu polarisoituu ja sillä on magneettinen momentti . $kT$ $\Delta E$ $(kT\ll \Delta E)$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $\mu$

Tiedetään, että vakiomagneettikentässä oleva magneettinen momentti alkaa precessoida taajuudella . Tämä käyttäytyminen kuvataan Blochin yhtälöillä . ${\näyttötyyli B_{o))$ $\omega _{L}=\gamma B_{o}$ $\mu$

Mx-magnetometrissä lasersäde etenee 45 asteen kulmassa mitatun magneettikentän suuntaan nähden . Kentän lisäksi siihen kohdistetaan myös pieni värähtelevä kenttä . Tämä kenttä asettaa atomien vaiheen (spin) , jotka kulkevat kentän Bo ympärillä magneettisen momentin taajuudella . Magneettisen momentin projektio precessoivan polarisaation valon etenemissuuntaan pysyy vakiona, kunnes kenttä kytketään päälle . Tämän kentän sisällyttäminen johtaa muutokseen Zeemanin alitasojen välisessä populaatiossa ja sen seurauksena tämä kenttä aiheuttaa magneettisen momentin projektion absorptiomodulaation , jonka valodetektori tallentaa ja sitten vahvistaa signaalin. vaihe korjataan vaiheensiirtimellä ja syötetään radiotaajuuskelaan. Tämä luo positiivisen palautesilmukan. Otettuaan signaalin vaiheen ne saavuttavat kentän generoinnin Larmor-precession taajuudella . Tämä taajuus mitataan taajuusmittarilla ja magneettikentän arvo määritetään sen arvosta. ${\näyttötyyli B_{o))$ ${\näyttötyyli B_{o))$ $B_{RF}(t)$ $B_{RF}(t)$ $\omega _{L}$ $B_{RF}(t)$ $B_1$ $\omega _{L}$

Magnetometrin herkkyys

$\delta B$ Magnetometrin herkkyys määräytyy suhteella _ _ _ _ _ _ _ _ $\delta B={\frac {\kappa }{\gamma }}{\frac {N\Gamma }{S)),$ $\Gamma$ $S$ $\gamma$ $N$ $\tau$ $\kappa$

$\delta B^{short}=\kappa {\frac {\Gamma }{\gamma }}{\frac {\rho }{S}}{\frac {1}{\sqrt {2\pi \ tau }}}$

$\rho$ on laukauskohinan tiheys , Jos ilmaisimen valovirrassa on vallitseva kvanttikohina , se näyttää tältä:

$\delta B^{quant}={\frac {1}{\gamma }}{\frac {1}{\sqrt {N_{a}{T_{2}}\tau }}}$

$T_{2}$ on atomin polarisaation poikittaisrelaksaatioaika

Laserin (valolähde) resonanssivalo pumppaa atomit perustilan tasoille . Laservalon lineaarinen polarisaatio muunnetaan pyöreäksi polarisaatioksi vaihelevyn avulla . Tästä johtuen Zeeman-alitasojen epätasapainoinen populaatio kerääntyy tasoille, joilla on suuri liikemääräprojektio . Valon etenemisvektoria ja mitatun magneettikentän suuntaa kierretään suhteessa toisiinsa 45 asteen kulmassa (sininen nuoli). Radiotaajuuskenttä kytketään päälle kohtisuoraan kenttää vastaan . Tämä kenttä moduloi kennon läpi kulkevan valon läpäisyä ja tallentaa valodiodin . $5S_{1/2},F=2$ $\lambda/4$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $m_{F}$ ${\näyttötyyli B_{o))$ ${\näyttötyyli B_{o))$ $B_{RF}(t)$

Valon modulaatio kentällä johtuu kahdesta prosessista: absorption muutoksesta, joka johtuu populaation siirtymisestä Zeemanin alitasolta toiselle, ja valon ja atomin vuorovaikutuksen todennäköisyyden modulaatiosta johtuen luomisesta. niiden välisestä kvanttiyhtenäisyydestä. $B_{RF}(t)$

Resonanssin leveys määräytyy erilaisilla relaksaatioprosesseilla [2] :

törmäykset soluseinien kanssa, puskurikaasumolekyylien kanssa ja atomi-atomi törmäykset
sekä optisten että radiotaajuuskenttien aiheuttama kentän laajeneminen;
rajallinen vuorovaikutusaika optisen kentän kanssa, joka määräytyy atomien kulkemisesta optisen kentän poikkileikkauksen läpi

Muistiinpanot

↑ S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker, R. Wynands ja A. Weis, Eur. Phys. J. D 38, 239-247 (2006), DOI: 10.1140/epjd/e2006-00037-y
↑ A. K. Vershovsky, Uudet kvanttiradiooptiset järjestelmät ja menetelmät heikkojen magneettikenttien mittaamiseen, Fysikaalisten ja matemaattisten tieteiden tohtorin tutkinto, Instituutti. A. F. Ioffe, Pietari, 2007

Kirjallisuus

Georg Bison, Optisen kardiomagnetometrin kehittäminen, luku 2. Optisen kardiomagnetometrin optimointi ja suorituskyky, der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen FakultÄat der UniversitÄat Freiburg in der Schweiz, Nummer der Dissertation: 1450 UniversitÄatsdruckerei Freiburg, 2004
D. Budker, W. Gavlik, DF Kimball, SM Rochester, VV Yashuchuk ja A. Weis, Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms, Review of Modern Physics, V. 74 1153–1201 (2002)
Dmitry Budker ja Michael Romalis, Optinen magnetometria, luonnonfysiikka, v.3 227–234 (2007)
S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker. R. Wynands ja A. Weis, korkean herkkyyden laserpumpattu Mx-magnetometri, Eur. Phys. J.D, v. 38, 239-247 (2006)
optinen magnetometria. Toimittajat: Dmitry Budker, Derek F. Jackson Kimball,

Cambridge University Press, JULKAISTU: huhtikuuta 2013, ISBN 9781107010352