论文摘要
无自旋交换弛豫（SERF）原子磁力仪因消除了自旋交换碰撞产生的磁共振线宽中自旋交换增宽成分,提升了碱金属原子之间的相干性而具有超高灵敏度,结合原位、梯度、张量测量方法,可应用于矿物勘探、地磁测绘、海洋调查等多个地球物理探测领域。目前,对原子磁力仪无自旋交换弛豫机制的影响因素、其对SERF机制的作用过程、以及其调控手段等并未出现系统有序的分析和论证。因此,本文根据不同领域的探测需求,研究通过改变施加调制磁场的形式进行单轴、双轴、三轴磁场分量解调;通过研究碱金属原子相干自旋状态,即无自旋交换弛豫机制的形成机理及外部限定条件,开发碱金属原子的实验调控和监测手段;通过仿真无自旋交换弛豫机制的外部表现特性由影响因子决定的变化过程,确定实验操作的最优条件。基于无自旋交换弛豫机制的核心重要性,本文深入研究了各种磁场形式的布洛赫方程解析解及无自旋交换弛豫机制,对碱金属原子自旋相干状态的影响因子进行仿真和优化,为构建无自旋交换弛豫原子磁力仪,并实现其超高灵敏度提供理论支撑和仿真验证。首先深入分析对应不同形式磁场的布洛赫方程解析解:简要介绍了原子磁力仪的基本原理,从碱金属原子的能级结构、光泵浦过程、宏观磁矩的拉莫尔进动过程、光探测过程等方面介绍利用原子自旋的量子行为及动力学行为获得磁场有用信息的过程;接着从布洛赫方程的解析解入手,采用建立数学模型的方法对原子磁力仪几种不同的操作模型进行数理介绍和论证;最后引入原子自旋对不同形式磁场的响应,从数理解析、原子行为两方面得到原子系统的响应模型并给出合理解释.研究了无自旋交换弛豫机制的形成机制与表现特性:首先分析了几种导致磁共振线宽的不同弛豫类型包括自旋交换弛豫、自旋破坏弛豫、与气室壁的碰撞弛豫等,及其外部决定因素,利用密度矩阵与微扰论方法分析自旋交换碰撞速率对自旋交换增宽和进动频率的影响,并对无自旋交换弛豫机制的外部表现特性—磁共振线宽和拉莫尔进动频率,及其相互之间的关系进行分析,为提出一种监测原子状态的方法提供有力理论支撑;对无自旋交换弛豫机制影响因子进行仿真与优化:首先介绍了影响无自旋交换弛豫机制的核心变量—温度、磁场、极化率,然后分析了三种作用因子对磁共振线宽或拉莫尔进动频率的影响,采用Matlab数值仿真了:（1）极化率在气室中的衰减过程、极化率与信噪比的关系、极化率与旋磁比的关系等,得到极化率的最优控制状态;（2）温度与自旋交换增宽、自旋破坏增宽、总磁共振线宽之间的关系,得到线宽最窄时的最优温度;（3）温度对旋磁比的影响,为监测碱金属原子状态的新方法提供有效验证;（4）磁场对自旋交换增宽和旋磁比的双重作用,为碱金属原子磁力仪在不同平台的应用提供了有力依据;（5）磁场、极化率、温度的综合作用,追寻碱金属原子工作的最优状态,为优化原子磁力仪性能提供理论支撑.最后进行了影响因子的实验验证与系统灵敏度测试:首先对无自旋交换弛豫机制的影响因子进行实验验证,分别得到磁场、温度对自旋交换增宽和衰减旋磁比的影响曲线以及磁场、极化率对旋磁比的影响曲线,实验结果与理论分析、数值仿真结果均十分吻合。接着,基于无自旋交换弛豫机制的特性分析,提出一种可实时监测碱金属原子状态的方法,采用测量旋磁比的方法代替长时间磁共振曲线线宽测量,可快速确定原子状态,避免产生漂移误差,提高测量精度。利用衰减振荡曲线,得出暂态部分的振荡频率,拟合磁场-振荡频率关系曲线,其斜率便为此温度条件下的旋磁比。与仿真曲线对比,在温度差异允许范围内,结果与理论、仿真均十分吻合。最后,测出184℃时的磁共振曲线,得到磁共振线宽为25 Hz,自旋交换弛豫增宽基本已被消除,并得到了系统的噪声灵敏度为10（?）。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 张雪
导师: 王言章
关键词: 无自旋交换弛豫原子磁力仪,态机制,自旋交换碰撞增宽,磁共振线宽
来源: 吉林大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 地质学,地球物理学
单位: 吉林大学
分类号: P631.23
总页数: 72
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标签：无自旋交换弛豫原子磁力仪论文; 态机制论文; 自旋交换碰撞增宽论文; 磁共振线宽论文;