II Pracownia Fizyczna > Ćwiczenia laboratoryjne > Ćwiczenie 3

Pompowanie optyczne

Celem zadania jest zapoznanie się z metodami optycznymi badania zjawiska rezonansu magnetycznego atomów w fazie gazowej oraz pomiar czasów relaksacji podłużnej i poprzecznej  pompowanych optycznie atomów cezu w stanie podstawowym.

Zagadnienia

  1. Ogólny opis zjawiska podwójnego rezonansu.
  2. Metody optycznej orientacji układów atomowych.
    1. Model wektorowy atomu. Struktura subtelna i nadsubtelna.
    2. Atom w polu magnetycznym. Moment magnetyczny atomu. Efekt Zeemana. Oznaczenia spektroskopowe termów. Reguły  przejść.
    3. Orientacja atomów w stanie podstawowym na przykładzie atomu sodu bez spinu jądrowego (I = 0) pompowanego linią D1.  Podać postać równań kinetycznych opisujących ewolucję populacji atomów w podpoziomach zeemanowskich.
    4. Omówić powstawanie orientacji atomów rtęci w stanie wzbudzonym 3P1 (I = 0).
    5. Metody optycznej detekcji orientacji atomów.
  3. Metoda podwójnego rezonansu:
    1. Zachowanie się momentu magnetycznego w stałym i zmiennym, (rezonansowym) polu magnetycznym. Przedstawić opis oddziaływania momentu magnetycznego z polem magnetycznym w ujęciu klasycznym.
    2. Równania Blocha dla magnetyzacji pompowanego optycznie układu atomowego. Interpretacja czasów relaksacji T1 i T2.
    3. Ewolucja magnetyzacji po włączeniu pola o częstości rezonansowej (nutacja magnetyzacji).
    4. Optyczna detekcja ewolucji magnetyzacji pompowanego optycznie układu atomowego.

Literatura

  1. M. Nagel and F.E. Haworth, Am. J. Phys. 34, 553, 559 (1966). [PDF]
  2. R. Benumof, Am. J. Phys. 33, 151 (1965). [PDF]
  3. R.L. Zafra, Am. J. Phys. 28, 646 (1960). [PDF]
  4. Postępy Fizyki, tom IX, 515  (1958); Postępy Fizyki, tom XIII, 27 (1962); Postępy Fizyki, tom XVIII, 131 (1967) (odbitki kserograficzne).
  5. I.I. Agarbiceanu, I.M. Popescu, Optical methods of radio-frequency spectroscopy (rozdział 4.2.1, Fenomenologiczna teoria pompowania optycznego, odbitka kserograficzna)
  6. Ch. P. Schlichter, Principles of  Magnetic Resonance, roz. 1,2.
  7. H. Haken, H. CH. Wolf, Atomy i Kwanty.
  8. R. Bobkowski, Praca magisterska.

Aparatura pomiarowa

[Aparatura pomiarowa]

Wykonanie zadania

1. Uwagi wstępne

Wykonanie zadania obejmuje:

  1. Zapoznanie się z optycznymi metodami badania zjawisk rezonansu magnetycznego i procesów relaksacji jakim podlegają atomy w fazie gazowej.
  2. Obserwację ewolucji pompowanego optycznie układu po włączeniu rezonansowego pola  częstości radiowej (nutacji momentu magnetycznego) oraz obserwację ewolucji bez udziału pola częstości rezonansowej w celu wyznaczenia efektywnych czasów relaksacji T1 i T2. Zakładamy, że ewolucję magnetyzacji można opisać równaniami Blocha. Pomiar przeprowadzamy dla komórek z parami cezu wypełnionymi gazem buforującym neonem o małym i średnim ciśnieniu (np. 5 i 50 hPa),

    lub

  3. Analizę ewolucji magnetyzacji atomów po impulsie p pola rezonansowego w celu    wyznaczenia stałej dyfuzji atomów cezu w neonie. Pomiary wykonujemy dla co najmniej       czterech komórek z różnymi ciśnieniami gazu buforującego neonu.

2. Włączenie aparatury

  1. Włączyć lampę wzbudzającą.
  2. Włączyć zasilanie fotopowielacza. Fotopowielacz wymaga zasilania napięciem o ujemnej  polaryzacji z przedziału  od -600 V do -500 V.
  3. Włączamy blok spektrometru zawierający podukłady: wzmacniacz liniowy, bramkę liniową, i układ sterowania bramką (zobacz opis "Spektrometr pompowania optycznego").
  4. Włączamy generator częstości rezonansowej, oscyloskop oraz PC.
  5. Wywołujemy program PICO/ADC-100/DOS lub /WIN (preferowany /DOS).

3. Obserwacja ewolucji magnetyzacji po włączeniu pola o częstości rezonansowej

  1. Znajdujemy rezonans w polu Ziemi.
    1. Kompensujemy stała składową sygnału aby rejestrować na  "oscyloskopie" tylko jego zmiany.
    2. Wyłaczamy bramkowanie (praca ciągła) i zmieniając częstość generatora rf znajdujemy warunki rezonansu.
  2. Włączamy bramkowanie pola rezonansowego i obserwujemy nutację magnetyzacji.
  3. Zmieniając czas trwania impulsu otwierającego bramkę znajdujemy warunki odwrócenia magnetyzacji (impuls π).
  4. Włączamy zasilanie cewek wytwarzających stałe pole magnetyczne i znajdujemy warunki obserwacji nutacji w polach magnetycznych większych i mniejszych od pola ziemskiego. Ustalamy warunki optymalne dla obserwacji nutacji.

4. Pomiary

Zarejestrować przy pomocy przyrządu wirtualnego – oscyloskopu sprzężonego z PC ewolucję magnetyzacji po włączeniu pola częstości radiowej.   W kanale A rejestrujemy sygnał, w kanale B obwiednię amplitudy pola radiowego.Rejestrację sygnału wykonujemy w modzie "uśrednianie".

. (wariant b1.) rejestrujemy tylko sygnały ewolucji po “impulsie p” pola

Uwaga: Doświadczenie (wariant b.) daje możliwość wyznaczenia wielkości (1/T2 + 1/T1), Ω1 oraz 1/T1 po "impulsie π" pola częstości radiowej. Wielkość Ω1 może być bezpośrednio wyznaczona z położenia piku w widmie fourierowskim sygnału nutacji. Analizę Fouriera sygnału przeprowadzamy wybierając rodzaj pracy "Spektrum" przyrządu wirtualnego.

W doświadczeniu (wariant c.) rejestrujemy tylko sygnały ewolucji po "impulsie π" pola radiowego.

5.Opracowanie pomiarów

(Wariant b.) Z dopasowania sygnałów nutacji wyrażeniem  analitycznym wyznaczamy (1/T2 + 1/T1) oraz (1/T2 - 1/T1) z ekstrapolacji do zerowej wartości wielkości Ωe otrzymanych jako parametry dopasowania i niezależnie, jako położenia pików w widmie Fouriera sygnału nutacji. Daje to nam możliwość wyznaczenia T1 i T2. Ponieważ wyznacza się również niezależnie wielkość 1/T1 należy  przeprowadzić analizę spójności otrzymanych wyników.

(Wariant c.)  Zakładamy, że zmiana sygnału optycznego pompowania bez udziału pola częstości rezonansowej będzie dana przez wyrażenie (zob. dodatek II.):

ΔS ∝ <SZ(t)> =<SZ(∞)> + D1exp[-Z1t] + D2exp[-Z2t],
gdzie Z1 i Z2 są szybkościami relaksacji podłużnej, a D1 i D2 zależą od warunków początkowych.

Przybliżamy wielkości Zi wyrażeniami, które zależą od ciśnienia p w następujący sposób:

Zi = D0(p0/p)(Π/R)2 + kip + Ci, i = 1, 2

gdzie D0 jest współczynnikiem dyfuzji, k współczynnikiem charakteryzyjącym relaksację zderzeniową, C1 sumarycznym efektem pochodzącym od szybkości pompowania i szybkości relaksacji wymiennej, p0 ciśnieniem normalnym a R promieniem sferycznej komórki z badanymi atomami.

  1. Wyznaczamy stałe zaniku orientacji dla różnych ciśnień gazu zaburzającego (minimum cztery wartośći) dopasowując sygnał wyrażeniem analitycznym .
  2. Wyznaczamy stałe D0, ki oraz Ci dla badanego układu analizując niezależnie zbiór stałych zaniku Z1 i Z2. Przeprowadzamy analizę spójności otrzymanych wartości D0.

Przy numerycznym opracowaniu pomiarów można wykorzystać programy Origin/Windows, MNK-IIPrac.Fiz./DOS lub NiceFit/DOS.

Wybór wariantu przeprowadzenia pomiarów i sposób opracowania pomiarów należy konsultować z opiekunem zadania.