高准确度铯-氦光泵磁强计的粒子数密度配比研究.docx

    高准确度铯氦光泵磁强计的粒子数密度配比研究    伏吉庆　张伟Summary：为研发高准确度铯-氦光泵磁强计探头的制备工艺，该文通过分析铯、氦两种混合物质的气室内各组分间的潘宁电离和自旋交换碰撞过程，从理论上给出铯-氦磁强计的最佳粒子数配比关系NCs：NHe≈1.9：1为验证该理论，搭建一套铯-氦磁强计系统，分别通过调节温度和激励微波来控制铯原子和氦原子的数密度，当磁共振信号达到最优化状态时，测量铯氦粒子数比值为NCs：NHe≈1.6：1考虑到理论计算时对亚稳态氦原子退极化率的保守估算和实验过程中对气室内部温度的测量误差，该理论值和实验结果吻合度较为一致研究结果表明：在制作铯-氦光泵磁强计探头气室时，铯原子与亚稳态氦原子的原子数密度比值应该介于1.6～1.9之间Key：铯-氦磁强计；自旋交换碰撞；化学电离；激光泵浦文献标志码：A：1674-5124（2018）02-0001-050引言在计量学中，任何一个磁场测量值皆需溯源回基准磁场装置为保证基准磁场量值的准确度，除了需要产生足够稳定的标准磁场，还需将产生的标准磁场测量得足够准确因此高准确度的基准磁强计是磁计量学的一个核心技术我国的磁基准装置历经几次改良，目前使用的是欧弗豪泽质子磁强计，其复现磁场的准确度受限于本身的噪声，可以达到0.1nT。

但是由于质子磁强计需要外加激励磁场，难以工作在低于20μT的弱场环境中，同时其准确度也难以满足几年来突飞猛进的高灵敏度磁强计的量值溯源需求，因此改进基准磁强计技术的需求迫切光泵磁强计不需要外加激励磁场，可以工作在更微弱的磁场（1～20μT）中，同时信噪比远高于质子磁强计，但是由于泵浦光场的ACstark效应往往会带来1-10nT的转向误差，导致光泵磁强计准确度不高为了消除光频移误差，Blinov等在1979年成功研制了一种利用碱金属铯和氦气混合气室作为工作物质的铯-氦光泵磁强计这种磁强计采用了间接光泵浦技术，可以有效消除转向误差，使光泵磁强计的准确度大幅提升，成为目前地磁范围内使用准确度最高的磁强计之一，在计量学上意义重大俄罗斯计量院在2000年利用铯-氦光泵磁强计搭建了新一代国家恒定弱磁基准装置，将准确度提升到0.003～0.03nT的量级，该装置是目前公开报道的准确度水平最高的基准磁场装置研究拥有自主知识产权的铯氦光泵磁强计，提升我国磁场基准水平无疑拥有重要的战略意义本文就铯-氦磁强计的核心部件，铯-氦混合气室的制备工艺开展研究铯-氦混合气室制备过程中中将铯原子与亚稳态氦原子的粒子数密度精确控制在合适的比例是一个关键操作，只有在最佳比例时磁强计信号才能达到最佳信噪比。

Blinov等给出了铯-氦气室中氦气的最佳充气压强的经验值以及激励亚稳态4He的优化参数，但是不同时期的文献中给出了不同的优化结果，并缺少理论分析为了解决该问题，本文在理论上通过对铯-氦混合气体各种粒子之间相互作用过程的分析，得到铯-氦粒子数密度的最佳估值，并通过实验来验证该理论的准确性1理论铯-氦光泵磁强计是通过氦原子的极化自旋磁矩来进行磁场测量的，而氦原子自旋磁矩的极化是通过与已经被光学泵浦铯原子发生潘宁磁撞和自旋交换磁撞来完成的由于亚稳态氦原子含有19.82eV的能量，远高于铯原子的电离能3.89eV，当二者发生碰撞时，有很大的概率会发生潘宁电离需要说明的是，该理论值利用了实测线宽作为估算y的数据，必定包含了一些如周围磁场波动、光背景扰动等在更精密的实验条件下可以规避的退极化率，因此该γ值的估算是偏大的，也就是说此处得到的铯氦粒子数比值NCs≈1.9NHe可以作为最佳比值的一个上限值2实验2.1铯-氦磁强计实验装置为了研究铯-氦磁强计探头中铯氦粒子数的最佳比值，需要搭建一套铯-氦磁强计实验装置，测量在磁共振信号幅度最优化时的信号线宽△f，和通过反向拓延得到的最小线宽△f1，得到亚稳态氦原子的退极化率γ，并独立测量铯原子和亚稳态氦原子的粒子数密度值NCs和NHe，与理论计算结果进行比较。

本文利用895nmdBR激光泵浦搭建了一套铯-氦光泵磁强计实验装置，如图1所示激光经隔离、矫形、纯化为圆偏振光后，作为泵浦光源射入铯-氦气室探头内铯-氦气室被放置在一个5层坡莫合金磁屏蔽筒中，筒内剩磁小于1nT在探头上放置有激励亚稳态氦原子的激励电极，通过施加载波为50mHz，重复频率1kHz的脉冲微波对气室进行激励，脉冲宽度可以在1-100μs调节探头上沿垂直于泵浦光传播的方向放置了用于扫描磁共振信号的交变磁场线圈磁屏蔽筒纵向放置了一个可以产生0.1mT以内标准磁场的加勒特线圈铯-氦光泵磁强计的工作过程为：首先通过圆偏振激光激励cs（62S1/2→62P1/2）跃迁，将光子的角动量传递给铯原子，使其最终基态最外层电子自旋分布极化同时施加脉冲激励产生亚稳态氦He（23S1），通过铯-氦原子之间的潘宁碰撞和自旋交换碰撞过程，将自旋极化传递给氦原子，使其产生宏观可观测磁矩M=NHe。