~3He极化率测量系统设计、实现与优化

论文摘要

自1960年自旋交换光学泵浦（SEOP）极化惰性气体的理论被提出以来,许多研究机构和科学工作者对这项理论进行了更加深入的研究。例如美国国家标准局（NIST）中子研究中心（NCNR）,美国印第安纳大学,美国杰弗逊（Jefferson）国家实验室等。极化3He技术应用的一个典型领域是中子极化领域,这也是已知的最先进的中子极化技术。国内三个已经建成的大型中子源,中国绵阳研究堆（CMRR）,中国先进研究堆（CARR）,中国散裂中子源（CSNS）,都计划加装极化3He系统用于产生极化中子。极化3He还可以用于电子散射实验,自旋相关的新物理探测,医学核磁共振成像,量子陀螺仪和精密测量等。本文以中国绵阳研究堆为依托,搭建了一套基于Rb-3He自旋交换光学泵浦（SEOP）技术的极化3He系统。系统的光源为100W的大功率二极管阵列激光器,利用啁啾布拉格光栅技术将光谱的半高宽窄化到了 0.2nm,利用Merritt构形线圈提供恒定磁场,中心区域的磁场梯度小于10-4cm-1,加热腔采用耐高温的工程塑料PEEK制成,利用LABVIEW实现了升温控制,精度可达0.1摄氏度。极化率测量系统分以下三个部分:1)自由感应衰减（FID）核磁共振（NMR）系统。此系统基于NMR的原理,可以对3He的FID信号进行检测。用于观测3He的相对极化率随时间的变化关系。通过对线圈信噪比的分析,得到Brooks构形的线圈有利于提高信噪比,当线圈的半径为（a0+d）/（?）时信噪比最大,信噪比与线圈的匝数和导线的线径无关。对系统噪声的测量结果表明,其主要来源于环境噪声（0.27μV/（?））和数据采集卡的噪声（0.40μV/（?））,系统的总噪声功率谱密度约为（?）,G为放大器的增益倍数。2)绝热快速过程（AFP）核磁共振（NMR）系统。此系统同样基于NMR的原理,用于对极化3He的核自旋进行翻转。采用LABVIEW和函数发生器生成震荡电信号,采用40W的功率放大器对信号进行放大,采用方形亥姆霍兹线圈产生射频场,场强可达1.48G。经测试极化3He核自旋翻转后极化率的损失<2%。3)电子顺磁共振（EPR）系统。此系统基于EPR的原理,用于测量3He的绝对极化率。系统由函数发生器,射频线圈,光电探测器和数据采集卡组成。在光泵浦的过程中,通过函数发生器和射频线圈对系统发射一段扫频脉冲,光电探测器探测到的吸收光强在共振处是Lorentz型共振峰,峰值对应的频率就是Rb的ERP频率。为了避免泵浦光对测量造成影响,会在光电探测器前端加一个D2过滤器,利用Rb的D2线判断Rb的EPR频率。通过AFP前后Rb的EPR频移,就可以间接的获得Rb的绝对极化率,本系统的EPR频移为2Δv=10.45kHz,最终得到3He的绝对极化率为72.7%±0.4%。本文对3He极化率测量系统的各个部分的原理和具体实现方法,以及整个光泵浦系统的搭建进行了详细的介绍。据我们的有限了解,这是首次在国内实现应用于极化中子的极化3He系统,对国内极化3He的研究有一定的参考价值。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 闫松

导师: 陈发敏,闫海洋

关键词: 核磁共振,自由感应衰减,绝热快速过程,电子顺磁共振,自旋交换光学泵浦,极化,极化率

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 北京交通大学

基金: 国家重点研发计划(Grant2016YFA0401504),国家自然科学基金(91636103,11675152,11875238).

分类号: O571.5

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.000468

总页数: 90

文件大小: 6289K

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