Mx magnetometer

Mx- magnetometer er den mest almindelige type optisk kvantemagnetometer, der fungerer på alkalimetaldampe ( cæsium , rubidium , kalium ) .

Sådan virker det

Ved stuetemperatur er atomernes termiske energi meget større end forskellen i grundtilstandens energier - derfor er befolkningerne på alle niveauer ifølge Boltzmann -fordelingen de samme, se skemaet for atomer af rubidium Rb87. Når atomer interagerer med et optisk felt af cirkulær polarisering i en atomart gas, skabes en ikke-ligevægtsfordeling af populationen af atomer over Zeeman-underniveauerne af grundtilstandene. Som et resultat er atomgassen polariseret, og den har et magnetisk moment . $kT$ $\Delta E$ $(kT\ll \Delta E)$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $\mu$

Det er kendt, at det magnetiske moment placeret i et konstant magnetfelt begynder at præcessere med en frekvens . Denne adfærd er beskrevet af Bloch-ligningerne . ${\displaystyle B_{o))$ $\omega _{L}=\gamma B_{o}$ $\mu$

I Mx-magnetometeret udbreder laserstrålen sig i en vinkel på 45 grader i forhold til retningen af det målte magnetfelt . Udover feltet påføres også et lille oscillerende felt vinkelret på det . Dette felt pålægger en fase af atomer (spin), der præcesserer omkring feltet Bo med frekvensen af det magnetiske moment. Projektionen af det magnetiske moment på udbredelsesretningen af lys af forudgående polarisering vil forblive konstant, indtil feltet tændes . Inkluderingen af dette felt vil føre til en ændring i populationen mellem Zeeman-underniveauerne, og som et resultat vil dette felt forårsage absorptionsmodulation af projektionen af det magnetiske moment , som optages af fotodetektoren, derefter forstærkes, signalet fase korrigeres af faseskifteren og føres til radiofrekvensspolen. Dette skaber en positiv feedback-loop. Efter at have opfanget fasen af signalet opnår de feltgenerering ved frekvensen af Larmor-præcessionen . Denne frekvens måles ved hjælp af en frekvensmåler, og værdien af magnetfeltet bestemmes ud fra dets værdi. ${\displaystyle B_{o))$ ${\displaystyle B_{o))$ $B_{RF}(t)$ $B_{RF}(t)$ $\omega _{L}$ $B_{RF}(t)$ $B_1$ $\omega _{L}$

Magnetometer følsomhed

Følsomheden $\delta B$ af magnetometeret bestemmes af forholdet _ _ _ _ _ _ $\delta B={\frac {\kappa }{\gamma }}{\frac {N\Gamma }{S)),$ $\Gamma$ $S$ $\gamma$ $N$ $\tau$ $\kappa$

$\delta B^{short}=\kappa {\frac {\Gamma }{\gamma }}{\frac {\rho }{S}}{\frac {1}{\sqrt {2\pi \ tau }}}$

$\rho$ er skudstøjtætheden , I tilfælde af overvægt af kvantestøj i detektorens fotostrøm, ser det sådan ud :

$\delta B^{quant}={\frac {1}{\gamma }}{\frac {1}{\sqrt {N_{a}{T_{2}}\tau }}}$

$T_{2}$ er den tværgående relaksationstid for atompolarisationen

Laserens resonanslys (lyskilde) pumper atomerne til niveauerne i grundtilstanden . Den lineære polarisering af laserlys omdannes til cirkulær polarisering ved hjælp af en faseplade . På grund af dette akkumuleres ikke -ligevægtsbefolkningen i Zeeman-underniveauerne på niveauer med en stor fremskrivning af momentum . Lysudbredelsesvektoren og retningen af det målte magnetfelt roteres i forhold til hinanden med en vinkel på 45 grader (blå pil). Et radiofrekvensfelt tændes vinkelret på feltet . Transmissionen af lys, der passerer gennem cellen, moduleres af dette felt og registreres af en fotodiode . $5S_{1/2},F=2$ $\lambda/4$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $m_{F}$ ${\displaystyle B_{o))$ ${\displaystyle B_{o))$ $B_{RF}(t)$

Modulationen af lys af feltet sker på grund af to processer: på grund af en ændring i absorption på grund af overførsel af befolkning fra et Zeeman-underniveau til et andet, og på grund af modulering af sandsynligheden for interaktion af lys med et atom på grund af skabelsen af kvantesammenhæng mellem dem. $B_{RF}(t)$

Resonansbredden bestemmes af forskellige afslapningsprocesser [2] :

kollisioner med cellevægge, med molekyler af buffergasser og atom-atom-kollisioner
feltudvidelse forårsaget af både optiske og radiofrekvensfelter;
den endelige tid for interaktion med det optiske felt, bestemt af atomernes passage gennem tværsnittet af det optiske felt

Noter

↑ S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker, R. Wynands og A. Weis, Eur. Phys. J. D 38, 239-247 (2006), DOI: 10.1140/epjd/e2006-00037-y
↑ A. K. Vershovsky, Nye kvanteradio-optiske systemer og metoder til måling af svage magnetiske felter, afhandling for doktorgraden i fysiske og matematiske videnskaber, Instituttet. A. F. Ioffe, Skt. Petersborg, 2007

Litteratur

Georg Bison, Udvikling af et optisk kardiomagnetometer kapitel 2. Optimering og ydeevne af et optisk kardiomagnetometer, der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen FakultÄat der UniversitÄat Freiburg in der Schweiz, Nummer der afhandling: 1450 UniversitÄatsdruckerei Freiburg, 2004
D. Budker, W. Gavlik, DF Kimball, SM Rochester, VV Yashuchuk og A. Weis, Resonante ikke-lineære magneto-optiske effekter i atomer, Review of Modern Physics, V. 74 1153-1201 (2002)
Dmitry Budker og Michael Romalis, Optisk magnetometri, Naturfysik, v.3 227-234 (2007)
S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker. R. Wynands og A. Weis, Et højfølsomt laserpumpet Mx-magnetometer, Eur. Phys. J.D, v. 38, 239-247 (2006)
optisk magnetometri. redaktører: Dmitry Budker, Derek F. Jackson Kimball,

Cambridge University Press, PUBLICERET: april 2013, ISBN 9781107010352