伏吉慶　張偉

摘要：為研發(fā)高準確度銫-氦光泵磁強計探頭的制備工藝，該文通過分析銫、氦兩種混合物質(zhì)的氣室內(nèi)各組分間的潘寧電離和自旋交換碰撞過程，從理論上給出銫-氦磁強計的最佳粒子數(shù)配比關(guān)系NCs：NHe≈1.9：1。為驗證該理論，搭建一套銫-氦磁強計系統(tǒng)，分別通過調(diào)節(jié)溫度和激勵微波來控制銫原子和氦原子的數(shù)密度，當磁共振信號達到最優(yōu)化狀態(tài)時，測量銫氦粒子數(shù)比值為NCs：NHe≈1.6：1?？紤]到理論計算時對亞穩(wěn)態(tài)氦原子退極化率的保守估算和實驗過程中對氣室內(nèi)部溫度的測量誤差，該理論值和實驗結(jié)果吻合度較為一致。研究結(jié)果表明：在制作銫-氦光泵磁強計探頭氣室時，銫原子與亞穩(wěn)態(tài)氦原子的原子數(shù)密度比值應(yīng)該介于1.6～1.9之間。

關(guān)鍵詞：銫-氦磁強計；自旋交換碰撞；化學(xué)電離；激光泵浦

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0001-05

0引言

在計量學(xué)中，任何一個磁場測量值皆需溯源回基準磁場裝置。為保證基準磁場量值的準確度，除了需要產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的標準磁場，還需將產(chǎn)生的標準磁場測量得足夠準確。因此高準確度的基準磁強計是磁計量學(xué)的一個核心技術(shù)。我國的磁基準裝置歷經(jīng)幾次改良，目前使用的是歐弗豪澤質(zhì)子磁強計，其復(fù)現(xiàn)磁場的準確度受限于本身的噪聲，可以達到0.1nT。但是由于質(zhì)子磁強計需要外加激勵磁場，難以工作在低于20μT的弱場環(huán)境中，同時其準確度也難以滿足幾年來突飛猛進的高靈敏度磁強計的量值溯源需求，因此改進基準磁強計技術(shù)的需求迫切。

光泵磁強計不需要外加激勵磁場，可以工作在更微弱的磁場（1～20μT）中，同時信噪比遠高于質(zhì)子磁強計，但是由于泵浦光場的ACstark效應(yīng)往往會帶來1-10nT的轉(zhuǎn)向誤差，導(dǎo)致光泵磁強計準確度不高。為了消除光頻移誤差，Blinov等在1979年成功研制了一種利用堿金屬銫和氦氣混合氣室作為工作物質(zhì)的銫-氦光泵磁強計。這種磁強計采用了間接光泵浦技術(shù)，可以有效消除轉(zhuǎn)向誤差，使光泵磁強計的準確度大幅提升，成為目前地磁范圍內(nèi)使用準確度最高的磁強計之一，在計量學(xué)上意義重大。

俄羅斯計量院在2000年利用銫-氦光泵磁強計搭建了新一代國家恒定弱磁基準裝置，將準確度提升到0.003～0.03nT的量級，該裝置是目前公開報道的準確度水平最高的基準磁場裝置。研究擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的銫氦光泵磁強計，提升我國磁場基準水平無疑擁有重要的戰(zhàn)略意義。

本文就銫-氦磁強計的核心部件，銫-氦混合氣室的制備工藝開展研究。銫-氦混合氣室制備過程中中將銫原子與亞穩(wěn)態(tài)氦原子的粒子數(shù)密度精確控制在合適的比例是一個關(guān)鍵操作，只有在最佳比例時磁強計信號才能達到最佳信噪比。

Blinov等給出了銫-氦氣室中氦氣的最佳充氣壓強的經(jīng)驗值以及激勵亞穩(wěn)態(tài)⁴He的優(yōu)化參數(shù)，但是不同時期的文獻中給出了不同的優(yōu)化結(jié)果，并缺少理論分析。為了解決該問題，本文在理論上通過對銫-氦混合氣體各種粒子之間相互作用過程的分析，得到銫-氦粒子數(shù)密度的最佳估值，并通過實驗來驗證該理論的準確性。

1理論

銫-氦光泵磁強計是通過氦原子的極化自旋磁矩來進行磁場測量的，而氦原子自旋磁矩的極化是通過與已經(jīng)被光學(xué)泵浦銫原子發(fā)生潘寧磁撞和自旋交換磁撞來完成的。

由于亞穩(wěn)態(tài)氦原子含有19.82eV的能量，遠高于銫原子的電離能3.89eV，當二者發(fā)生碰撞時，有很大的概率會發(fā)生潘寧電離。

需要說明的是，該理論值利用了實測線寬作為估算y的數(shù)據(jù)，必定包含了一些如周圍磁場波動、光背景擾動等在更精密的實驗條件下可以規(guī)避的退極化率，因此該γ值的估算是偏大的，也就是說此處得到的銫氦粒子數(shù)比值NCs≈1.9NHe可以作為最佳比值的一個上限值。

2實驗

2.1銫-氦磁強計實驗裝置

為了研究銫-氦磁強計探頭中銫氦粒子數(shù)的最佳比值，需要搭建一套銫-氦磁強計實驗裝置，測量在磁共振信號幅度最優(yōu)化時的信號線寬△f，和通過反向拓延得到的最小線寬△f1，得到亞穩(wěn)態(tài)氦原子的退極化率γ，并獨立測量銫原子和亞穩(wěn)態(tài)氦原子的粒子數(shù)密度值NCs和NHe，與理論計算結(jié)果進行比較。

本文利用895nmdBR激光泵浦搭建了一套銫-氦光泵磁強計實驗裝置，如圖1所示。激光經(jīng)隔離、矯形、純化為圓偏振光后，作為泵浦光源射入銫-氦氣室探頭內(nèi)。銫-氦氣室被放置在一個5層坡莫合金磁屏蔽筒中，筒內(nèi)剩磁小于1nT。在探頭上放置有激勵亞穩(wěn)態(tài)氦原子的激勵電極，通過施加載波為50mHz，重復(fù)頻率1kHz的脈沖微波對氣室進行激勵，脈沖寬度可以在1-100μs調(diào)節(jié)。探頭上沿垂直于泵浦光傳播的方向放置了用于掃描磁共振信號的交變磁場線圈。磁屏蔽筒縱向放置了一個可以產(chǎn)生0.1mT以內(nèi)標準磁場的加勒特線圈。

銫-氦光泵磁強計的工作過程為：首先通過圓偏振激光激勵cs（6²S1/2→6²P_1/2）躍遷，將光子的角動量傳遞給銫原子，使其最終基態(tài)最外層電子自旋分布極化。同時施加脈沖激勵產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)氦He（2³S1），通過銫-氦原子之間的潘寧碰撞和自旋交換碰撞過程，將自旋極化傳遞給氦原子，使其產(chǎn)生宏觀可觀測磁矩M=NHe

2.2實驗結(jié)果及分析

圖2為經(jīng)鎖相放大器檢波后輸出的90度相位差的磁共振信號，其中心過零點即為磁共振點，對應(yīng)的頻率值即為拉莫爾頻率，最大值和最小值間距為磁共振信號半線寬。

從圖中磁共振信號可以看出，實測線寬為△f=（1560+20）Hz。該線寬是在信號幅值和線寬比值達到最大，即靈敏度最高的狀態(tài)下測得的。

線寬和泵浦光強、交變磁場調(diào)制頻偏和交變磁場振幅都有關(guān)系。通過反向拓延法不斷減小調(diào)制幅度和調(diào)制頻偏，可以找到不受射頻展寬影響的磁共振信號的線寬，見圖3。

圖3中，不同顏色的實線代表了不同交變磁場的幅值Brf，雪花狀的點為實驗測量值，帶顏色的實線為根據(jù)實驗測量值所做的線性擬合曲線?？招膱A點為交變磁場幅值Brf=0mV時的線寬值。由于交變磁場為零時信號衰減為零，因此空心圓點表示的線寬值由該點所在橫坐標上的彩色雪花點（測量值）反向拓延得到。黑色虛線為依據(jù)空心圓點代表的Brf=0mV時不同頻偏下的線寬值所做的線性擬合函數(shù)，黑色虛線與y軸的交點，即代表調(diào)制幅度Brf和調(diào)制頻偏都為0時，磁共振信號的線寬，為114Hz。

考慮到測量誤差，該反向拓延的線寬值與理論值104Hz已經(jīng)相當吻合。從圖2和圖3的數(shù)據(jù)可以估算出亞穩(wěn)態(tài)氦原子的退極化率γ=15，見式（10）。

為了測量銫氦粒子數(shù)最佳配比值，實驗上可以通過改變銫-氦氣室溫度調(diào)節(jié)銫原子的粒子數(shù)密度，通過改變脈沖激勵的脈沖寬度調(diào)節(jié)氦粒子數(shù)密度。在某恒定溫度點，通過改變脈沖寬度找到使磁共振信號靈敏度最大的點，得到最佳脈沖寬度，然后分別測量銫氦粒子數(shù)密度。

在圖4中的綠色圓線為溫度27℃（300k）時信號幅值與脈沖寬度的關(guān)系，可以看出，在20μs時，信號幅值達到最大。

再利用另一臺1083nm半導(dǎo)體激光器，通過測量不同脈沖寬度下的亞穩(wěn)態(tài)氦粒子對激光的吸收譜，可以得到亞穩(wěn)態(tài)氦粒子數(shù)密度與脈沖寬度的關(guān)系，見圖4中的藍色方線。

可以看出在溫度為27℃，脈沖寬度為20μs時，信號幅值達到最大，而該脈沖寬度對應(yīng)亞穩(wěn)態(tài)氦原子數(shù)密度為3.79×10¹⁰cm^-2。而在27℃，通過克拉伯龍方程，可知銫原子的粒子數(shù)密度為6.126×101¹⁰cm^-3，于是有NCs：NHe≈1.6：1。

需要說明的是，實際測量時氣室內(nèi)由脈沖激勵激發(fā)的高能粒子對氣室有一定加熱效應(yīng)，在外壁測量到的氣室溫度可能比氣室中心氣體溫度低1℃左右，所以實測的粒子數(shù)比值中cs原子粒子數(shù)密度可能有所低估，因此實驗測得的銫氦粒子數(shù)比值NCs：NHe≈1.6：1可以作為一個最優(yōu)比值的下限值。

考慮到從線寬估算退極化率的誤差和實驗測量氣室溫度的誤差，此處得到的銫氦粒子數(shù)最佳比值的理論值和實驗值已經(jīng)較為吻合。由于計算理論值時，對退極化率的估計偏大，因此理論比值NCs≈1.9NHe是一個上限值。實驗中，由于對氣室中心溫度測量值偏小，導(dǎo)致對銫的粒子數(shù)密度值估算偏小，所以實測最佳比值NCs≈1.6NHe是一個下限值，因此在銫-氦光泵磁強計氣室中銫氦的粒子數(shù)密度最佳比值應(yīng)該介于二者之間。

3結(jié)束語

本文通過對銫-氦混合氣體潘寧電離和自旋交換碰撞過程的分析，理論上給出了銫-氦磁強計的最佳粒子數(shù)比值NCs≈1.9NHe；同時搭建了一套銫-氦磁強計系統(tǒng)，在達到最優(yōu)化的磁共振信號的條件下，測量了銫氦粒子數(shù)實際比值為NCs≈1.6NHe。通過分析理論值和實測值的成立條件，可以得到銫-氦粒子數(shù)最佳比值介于1.6～1.9之間。本工作的結(jié)論可以為銫氦光泵磁強計工作在不同環(huán)境溫度下時得到最佳磁測量信號提供理論基礎(chǔ)和實驗參考數(shù)據(jù)。