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核磁共振陀螺仪中Cs-Xe增强因子的测量

发布日期: 2021-08-12   作者:  浏览次数: 10

   光泵浦超极化的惰性气体原子,其极化率的快速测量需要通过测量超极化惰性气体原子产生的等效磁场来实现。光泵浦超极化的过程中,原子磁强计所感受到的等效磁场相比惰性气体原子的极化磁场有显著的增强,这一磁场增强的现象可通过增强因子(Enhancement Factor)进行量化描述。增强因子主要由自旋交换碰撞的原子种类、原子气室温度和磁场环境等决定,其对于Cs-129Xe/131Xe原子核磁共振陀螺仪中Xe原子极化率的快速测量而言非常重要,但目前在弱磁高温环境下的Cs-Xe增强因子仍缺乏较为完整的实验研究。

        徐信业教授团队创新性地使用高灵敏快响应的原子磁强计,对核磁共振陀螺仪中处于弱磁高温下的Cs-Xe自旋交换碰撞弛豫率、Cs原子极化率和Xe原子产生的等效磁场等进行了测量。通过直接测量原子气室在不同温度下的Cs原子极化率、Cs-Xe原子自旋交换碰撞弛豫率、Xe原子退极化弛豫率以及极化后的Xe原子所产生的等效磁场等,进而推算得到极化后Xe原子的横向弛豫率、纵向弛豫率和原子极化率,最终实现了Cs-Xe增强因子的高精度标定测量。由实验结果分析得到的Cs-129Xe增强因子为(1.60±0.06)×104

        实验中通过原子吸收谱对原子气室的温度进行了校准,测得的Cs原子极化率和Cs-Xe自旋交换碰撞弛豫率均与理论模型吻合很好。而根据Xe原子退极化弛豫率的测量结果可以观察到自旋交换碰撞过程和Xe原子退极化弛豫过程在不同气室温度和不同泵浦光功率下对Xe原子总弛豫过程的影响。实验中还观察到了Xe原子的横向弛豫率和纵向弛豫率在不同气室温度下的不同走势,这对于核磁共振陀螺仪选取合适的工作温度具有一定的参考意义。相关的研究成果发表在Phys. Rev. A, 103, 023114 (2021)

1 不同气室温度下129Xe原子的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2。较低的气室温度下,观察到的T2相比T1更大,此时Cs原子数密度较小,无法有效通过自旋交换碰撞过程使得Xe原子获得较高的极化率。较高的气室温度下, T1T2基本相等,此时Cs-Xe的自旋交换碰撞过程占据主导,Xe可以达到较高的极化率,但Cs原子磁强计的灵敏度因Cs的极化率降低而有所下降。核磁共振陀螺仪的工作温度则需要兼顾Cs原子磁强计的灵敏度和Xe原子的极化率。

2 129Xe原子的纵向弛豫率与Cs原子数密度的关系,其中线性拟合的斜率即Cs-129Xe的自旋交换碰撞弛豫率。由于在较低的Cs原子数密度下,两者的关系不再满足线性关系,因此图中拟合得到的截距并不是实际上的129Xe原子退极化弛豫率。 129Xe原子退极化弛豫率需要进行更细致的实验,在更低的气室温度下测量得到,此时才可以观察到两者明显的非线性关系。



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