基于SERF原子磁强计的液体零场核磁共振谱仪的研制

摘要

液体的零场核磁共振是近些年来迅速发展的实验方法，因其在无需超导磁体的同时又能实现高分辨率耦合参数测量，已经显示了在化学结构分析等领域存在巨大的应用空间，也有可能成为新的量子模拟平台.
　　本文介绍了本人参与研制的液体零场核磁共振谱仪的基本原理、硬件组成和工作方式，并展示了在装置调试中常用的测试手段.谱仪的一个关键组件是用来探测信号的铷原子SERF磁强计，所以文中着重介绍了该部分.经过测试确认了铷原子的压致展宽、温度和弛豫参数都与理论预期接近，还验证了其工作在SERF状态.磁强计在20 Hz至300 Hz频率范围内灵敏度都在18 fT/Hz1/2以内，足够进行液体零场核磁共振的测量.也通过样品的核磁共振谱的测量证实了可以如预期地通过磁场来控制实验过程中核自旋的状态，并且能够测量到足够高信噪比的谱线.
　　此外本人主导开发了实验中使用的软件程序，基于Python语言实现了常用的仪器控制和数据处理功能，以及一个覆盖目前常用核磁共振实验需求的应用程序和多个用于磁强计参数测量的脚本程序.

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摘要

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第一章 引言

1．1 零场和低场核磁共振

1．2 碱金属原子磁强计

第二章 基本原理

2．1 液体零场核磁共振原理

2．1．1 核自旋系统基础

2．1．2 核自旋受到的作用

2．1．3 哈密顿量作用下系统的演化

2．1．4 实验的初态

2．1．5 实验中的信号观测

2．2 SERF磁强计原理

2．2．1 碱金属原子光谱

2．2．2 光泵浦

2．2．3 光探测

2．2．4 弛豫

2．2．5 SERF磁强计

2．2．6 灵敏度

第三章 谱仪的装置和测试结果

3．1 SERF磁强计装置

3．1．1 原子气室

3．1．2 气室加热

3．1．3 磁场屏蔽和剩磁补偿

3．1．4 光学

3．2 磁强计的测试和调优

3．2．1 原子吸收光谱测量

3．2．2 弛豫动力学测试

3．2．3 带宽和灵敏度

3．3 液体零场核磁共振

3．3．1 输运结构

3．3．2 引导场和脉冲场

3．3．3 实验流程

3．3．4 初步测试结果

3．4 小结

第四章 实验平台的软件开发

4．1．1 TTL脉冲发生器

4．1．2 数据采集卡

4．1．3 任意波发生器

4．1．4 电流源

4．2 数据处理

4．2．1 时域信号的处理

4．2．2 谱线的处理

4．3 核磁共振实验应用程序

4．4 磁强计测试程序

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果