磁场均匀性对光学磁力仪共振线宽的影响

摘要

微弱磁场的精确测量，作为研究磁体、分析物质形态及性质的一种重要手段，在实际应用中，例如医学中生物体磁场的测量、地质勘查中地形地貌的研究、工艺加工中材料缺陷的检测以及矿产油气勘察、水下磁性目标定位和考古学等领域中起着重要作用。目前已广泛应用的、技术比较成熟的磁力仪种类包括磁通门磁力仪、核子旋进磁力仪，光泵磁力仪和超导磁力仪等，这些磁力仪的灵敏度都比较高。
　　在磁力仪测磁灵敏度方面，我们主要依靠原子磁共振光谱谱线的线宽与磁场的关系进行测量。而磁场本身会受到空间、温度、湿度等因素的影响，即使在稳态环境中，也还是会随时间的变化而发生改变，所以我们考虑采用磁场的均匀程度代替磁场进行测量。本文首先讲述了磁力仪在多个领域的重要应用；阐述了磁共振光谱的线宽与磁场的关系对原子磁力仪的重要影响；给出了原子磁力仪相关光谱线型及线宽的主要特征及其影响因素；随后针对本课题组要求的磁场的均匀性，对不同形状的载流线圈产生的磁场进行仿真计算；按照仿真设计的尺寸制作实物矩形线圈组并进行测量；最后针对弱磁场和强磁场下的磁共振光谱与磁场均匀性分析研究。以下是本文的主要研究内容：
　　1、详细介绍了磁测技术的应用及意义，给出几种磁力仪的设计方案，并针对磁场均匀性对磁力仪及其灵敏度的意义进行分析，引出本文的主要内容。
　　2、说明了选择Cs原子作为工作物质的优势所在，针对本文中涉及的磁共振线宽的基本理论进行详细介绍，给出几种线宽对磁力仪的影响，并在此基础上讨论了传统载流圆形线圈—亥姆霍兹线圈产生磁场的特性及铯原子磁力仪的系统。
　　3、系统地分析研究了常用的圆形线圈及优化的矩形线圈产生的磁场，及相应的在实验部分中的均匀性。通过仿真计算载流圆形、矩形线圈中心部分的磁场，对它们进行对比分析，并得出了矩形线圈更适用于高灵敏度的原子磁力仪的结论。
　　4、根据磁屏蔽装置，设计适合的矩形线圈尺寸并仿真计算，分析产生磁场的均匀区域。针对磁力仪的需求，选择合适的材料制作实物，并对缠制好的矩形线圈进行测量，符合预期对均匀性的要求。
　　5、分析了铯原子磁力仪的灵敏度及共振光谱的谱线宽度会对磁力仪的影响，针对不同磁场情况下，研究了磁场对Cs原子D1线共振光谱的影响以及磁场与共振谱线线宽的关系，研究表明：外磁场的变化能够导致闭合跃迁 Fg=3→Fe=4对应极化谱线宽的展宽以及零点的频移；另外还指出，磁场强度的增大还可以导致极化谱的相对强度的衰减。本章为后续对大磁场的测量打下基础，分析可能出现的谱线特征，并且得到相应结论。
　　本文的主要创新性成果包括：
　　1、考虑到磁力仪灵敏度受磁共振光谱线宽及磁场均匀性的双重影响，针对共振光谱及磁场均匀性分别进行研究；
　　2、打破传统对亥姆霍兹线圈产生磁场均匀性的局限性，尝试使用矩形线圈组，结果显示产生的磁场更加均匀，在铯泡范围内变化不超过1％；
　　3、对于磁屏蔽装置内的强磁环境，考虑非线性塞曼效应的影响，深入研究磁共振光谱线宽与磁场均匀性关系。

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第1章 绪论

1.1 磁测技术的应用及意义

1.2 高灵敏度磁力仪的设计方案

1.3 磁场均匀性的应用及其对磁力仪的意义

1.4 本文的组织结构与研究内容

第2章 原子共振光谱的基本理论

2.1 碱金属原子及谱线特性

2.2 光谱线型及宽度

2.3 亥姆霍兹线圈生成的磁场特性

2.4铯原子磁力仪系统

2.5 本章小结

第3章 不同形状线圈磁场仿真分析及对比

3.1 圆形线圈产生磁场的计算分析

3.2 矩形线圈的磁场分析

3.3 圆形、矩形线圈对产生磁场的仿真及对比

3.4 本章小结

第4章 产生均匀磁场的分析及测试

4.1 关于矩形线圈对的设计

4.2 矩形线圈组的实物制作及测量

4.3 本章小结

第5章 磁力仪共振线宽在磁场下的特性分析

5.1 磁力仪的谱线宽度与灵敏度

5.2 Cs原子共振光谱的研究

5.3 不同磁场下磁力仪共振线宽的研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢