原子吸收光谱对碱金属原子蒸气密度与压强的测量方法

利用SERF原子自旋效应能够实现高灵敏度的磁场测量,碱金属原子密度与缓冲气体压强是敏感表头碱金属气室的重要参数,需要精确地测量。提出一种应用原子吸收光谱对碱金属蒸气的原子密度与压强测量方法,通过扫描碱金属原子的吸收光谱,进行Lorentz线型拟合,经解算同时得到原子密度和压强,一次实验获得两个物理量。由于多普勒展宽和压力展宽主要受到碱金属气室温度和缓冲气体压强的影响,从这两个方面进行了仿真分析。结果表明,充入2 amg缓冲气体时,313～513 K温度范围内的Lorentz线型与Voigt线型计算的光子吸收截面积峰值的理论误差始终小于0.015%;缓冲气体压强高于0.6 amg(393 K)时,其峰值误差小于0.1%,表明该条件下多普勒展宽对吸收光谱的影响可以忽略,可用Lorentz线型拟合原子的吸收谱线。最后分析了该方法能够获得的理论分辨率以及激光器的功率波动、波长波动和气室温度波动对测量精度的影响,得出同等条件下温度波动的影响比其他两个因素高1~2个数量级。     

主动型氢原子钟原子弛豫时间的测量和分析

氢原子钟的原子弛豫时间是原子系统经过选态去除基态超精细能级（F = 0,m_F = 0）态和（F = 1,m_F = −1）态原子后,部分氢原子从（F = 1,m_F = 0）态跃迁至（F = 0,m_F = 0）态直至原子系统达到平衡状态所需的时间,该参数反映了原子的寿命,并直接影响氢原子钟的稳定度指标.为了测量主动型氢原子钟的弛豫时间,进而评估其性能,通过Raspberry Pi（RPI）产生时序信号,控制数字衰减器和电离源供电电路的继电器,从而控制微波探测信号的开启和原子束流的通断,并与数据采集等电路组成了氢原子自由感应衰减测试系统.通过对采集的自由感应衰减信号建模拟合,测算了氢原子钟的弛豫时间.该方法对于评估和优化原子线宽,改进主动型氢原子钟稳定度指标具有重要的参考意义.     

基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法

碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响,因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移,且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽,因此仅考虑压力展宽。利用压力展宽、频移的大小与气体压强存在的函数关系,提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。通过扫描碱金属原子的吸收光谱,得到光学深度曲线,并用洛伦兹函数对其拟合,测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移,再根据已知的单种、单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移,联立计算得到多种气体各自的压强。当存在n种碱金属时,最多可以测量4n种混合气体的压强。仿真结果表明,该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况;激光功率和频率的波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响低于0.4%的数量级,而温度波动在1%～10%的数量级时,测量精度影响高达30%的数量级。     

基于自旋回波探测的地面磁共振T2谱正反演策略

作为新兴地球物理方法之一,地面磁共振技术具有直接探测优势.但由于其发展时间较短,相关建模及反演方法介绍较少,传统的自由感应衰减探测方法不仅精度有限,且适应性较差.近年来,应用自旋回波信号直接探测横向弛豫时间是地面磁共振领域的研究热点.本文推导了其灵敏度核函数及正演公式,引入线性空间反演方案,即通过奇异值分解将含噪自旋回波信号由时间域变换至空间域.为避免矩阵病态问题,采用奇异值滤波法抑制分解病态程度,并联合同时迭代重建技术进一步提升空间域矩阵求解精度.结合非线性拟合对空间域矩阵参数进行提取,实现含水层对应含水量、横向弛豫时间的有效估计.通过模拟野外实验并进行数据解释,证实了该方案能够有效降低浅层含水量至1.5%,横向弛豫时间估测误差至0.02 s.本文的研究成果,将为地面横向弛豫时间探测及相关理论发展及方法在水文地质调查方面的推广应用提供有力支撑.     

基于铯133原子D1线直接吸收光谱的多普勒展宽热力学温度测量

玻尔兹曼常量的定值致使温度测量逐步从协议温标向热力学温标过渡。为实现一种量子化的热力学温度测量传感方案,利用直接吸收光谱方法精密测量铯133原子D1(6S~(1/2)→6P~(1/2))跃迁吸收谱线,依据谱线多普勒展宽分量获得原子气体在该平衡态下的热力学温度。实验验证将外腔扫描激光器输出频率锁定于精密波长计,实现1000s稳定时长条件下10~(-9)量级的频率稳定度;通过振幅型声光调制器闭环控制实现优于1000∶1的测量信噪比;通过福格特线型拟合得到多普勒展宽半高全宽宽度。在室温条件下,初步结果显示温度测量误差为0.12%。由此验证了基于原子直接吸收光谱的多普勒展宽测温方法可用来实现芯片尺度、免标定的热力学温度测量。     

核磁共振测量乙醇汽油低含水量的实验探索

为了探索利用核磁共振技术测量乙醇汽油低含水量的方法,测量了不同含水量乙醇汽油的核磁共振横向弛豫时间,发现横向弛豫时间不随含水量的变化而呈现一定规律性的变化,因而尝试加入NH4NO3、NaOH、CuSO4和MnCl2.4H2O来扩大含水量对核磁共振横向弛豫时间的影响。实验结果表明：加入MnCl2.4H2O可使横向弛豫时间随含水量的增加而增加,并拟合出了相应的经验公式。在此基础上提出了乙醇汽油低含水量的核磁共振测量方法,通过测量实例验证了这一方法的有效性和可靠性。     

空间电荷透镜聚焦特性的研究

设计和实验了一台可用于会聚几十keV强流离子束的空间电荷透镜. 实验结果可用简化的物理模型来解释. 实验验证了空间电荷场的存在及其强聚焦特性. 指出在这一实验条件下空间电荷场形成的弛豫时间比10μs小得多, 因而可以用来会聚脉宽为几百μs量级或更长的脉冲束.     

激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种重要的分析手段被广泛应用于材料分析、环境监测等领域.特别是随着大气污染问题的日趋严重,基于LIBS的大气污染在线监测分析技术快速发展,氮气等离子体特性的时间演化规律对研究激光诱导大气等离子体动力学和发展大气污染监测的LIBS技术具有重要意义.而温度和电子数密度作为表征等离子体状态最重要的参数,直接影响着等离子体形成、膨胀和退化中的动力学过程以及等离子体中的能量传输效率.本文利用等离子体时间分辨光谱,研究了连续背景辐射、分子谱线强度及信背比(分子谱线与连续背景辐射的比值)在等离子体演化过程中的变化规律,结果显示连续背景辐射寿命在700 ns左右,N_2~+(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+,v:0-0)跃迁谱线强度在12—15μs范围内达到最大值,信背比随时间呈现上升、稳定的趋势,因此利用N+2分子离子第一负带系(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+)研究等离子体温度的观测窗口应选择在10—25μs之间;基于双原子光谱理论,通过拟合实测光谱和仿真光谱研究了大气压下激光诱导氮气等离子体温度随时间的演化趋势,由于辐射损耗远小于碰撞作用,在10—28μs内等离子体温度从约10000 K按指数衰减到约6000 K;在准确测定仪器展宽线型的基础上,利用Nelder-Mead单纯形算法,研究了N原子746.831 nm谱线的Stark展宽和位移随时间的演化趋势,计算了等离子体中电子数密度随时间在10~(17)—10~(16)cm~(-3)量级间衰减,通过分析发现造成等离子体中电子数衰减的主要机理是三体碰撞复合.     

相移法测量寿命的理论分析

本文从理论上分析了利用调制的单模激光场共振激发来测量原子或分子的寿命.结果表明:感生荧光或共振荧光信号与调制信号间的相移主要来自三个过程:(1)由原子的横向弛豫时间及激光线宽决定的激发过程;(2)由激发能级及其他能级上粒子数衰减过程;(3)与系统达到平衡态粒子数分布所需的弛豫时间有关的碰撞激发过程.讨论了在不同的情况下它们的影响,并在分析中考虑了多普勒加宽的影响.     

随机电报过程引起的光失相的计算机模拟

动态微扰可以引起跃迁频率发生变化,产生光谱扩散,我们用Monte Carlo法模拟了由于频率变化引起的自由感应衰减和光子回波衰减。模拟的结果表明,衰减的线形只和频率变化与跳变速率的比值有关,根据它的不同取值,自由感应衰减呈指数和非指数形式,光子回波强度为exp[-(4τ/tm)^x],x取值从1到3。我们还定性地讨论了红宝石中光子回波的非指数衰减。     

非晶锂离子导体B_2O_3-0.7Li_2O-0.7LiCl-xAl_2O_3晶化初期的核磁共振研究

通过真空密封热处理、避免了样品晶化后吸水引起的误差,采用脉冲法在293K和77K测量了晶化过程初期三种非晶锂离子导体B_2O_3-0.7Li_2O-0.7LiCl-xAl_2O_3(x=0.15,0.10和0.05)的~7Li核磁共振谱。 发现在低温(77K)只有固相锂离子对应的自旋-自旋弛豫时间T_2=87μs,严格按高斯函数衰减。在室温下固相锂离子对应的T_(2s)=127μs,仍是高斯型;但液相锂离子对应的T_2却按洛仑兹函数衰减。这反映出锂离子导体的固-液二相性。 三种非晶B_2O_3-0.7Li_2O-0.7LiCl-xAl_2O_3(x=0.15,0.10和0.05)分别在热处理温度401,388和381℃附近,其液相锂离子对应的T_(2l)都剧增,其吸收谱线宽都变窄。由此再次验证了非晶母体与微晶之间的两相界面效应的物理图象。     

核磁共振技术测量生物骨密度的设备及方法

诊断骨质疏松症多采用双能X射线吸收方法测得的骨密度数据作为依据,但是该方法存在一定量的辐射,且准确性不高.该文设计并改进了一套核磁共振装置,通过在发射和接收线圈之间增加快速切换开关(Q-switch),使得核磁共振自旋回波的回波时间缩短至80μs的超短回波时间范围,实现了对T_2弛豫时间很短的骨组织核磁共振自旋回波信号的采集;将T_2弛豫时间谱和双能X射线方法测量的骨密度数据进行了对比研究,发现核磁共振T_2弛豫时间谱上300~500μs之间的峰值与骨密度之间具有良好的线性关系,随着骨密度的增大,相应的T_2弛豫时间峰值缩短;利用核磁共振T_2弛豫时间谱技术,结合双能X射线吸收方法,提出了一种测量生物离体骨骼样本骨密度的方法.该测量方案具有测量速度快、对人体完全无害、跨时期比较性强等优点,很好的弥补了现有测量方法的不足,在骨质疏松症的诊断和疗效评估中有着良好的应用前景.     

利用地球磁场测量质子的自旋弛豫时间

利用地球磁场核磁共振(EF NMR)的方法测量水中质子自旋弛豫的时间.两种不同的自旋弛豫时间T_1和T_2分别测得为(2.46±0.16)s和(0.83±0.02)s,与《Measurement Science and Technology》2012年(21卷)第10期上Michal CA一文所得到的结果T_1=2.3±0.1 s吻合较好.此外,实验数据也验证了居里定律,并通过对硫酸铜溶液的测量说明了溶液中离子的存在会使自旋弛豫过程加快.此工作提供了一种利用地球磁场测量秒量级的自旋弛豫时间的方法.     

利用TD-NMR技术研究杨木高温干燥过程水分分布

木材中水分状态变化和迁移对木材的物理性质有重要影响.通过时域核磁共振技术(TD-NMR)可以从分子层面解读木材与水分的关系,可以为木材干燥、木制品加工提供理论依据和实践参考.该研究以北京杨为研究对象,通过对高温干燥过程中木材内部水分变化的自由感应衰减(FID)曲线和横向弛豫时间(T_2)进行测定与分析,探究木材干燥过程中水分状态变化及迁移过程.研究结果表明,FID和T_2信号量与木材含水率高度线性相关,由此可以计算木材在干燥过程中任意时刻的含水率.通过对干燥过程中水分T_2分布的分析表明:心材试件在干燥过程中,长弛豫时间自由水(c状态水分)的拟合面积出现了先减小后增大然后再减小的趋势,而边材试件中则不存在这种现象.在北京杨心材试件中含量最多的是弛豫时间为10 ms数量级的水分,而在边材试件中各状态水分含量差异较小,含量最多的是弛豫时间为100 ms数量级的水分.在高温干燥过程中,边材试件内各状态水分百分含量减少的速度快于心材,各试件中自由水的蒸发速度明显快于结合水.     

应用双非简并四波混频理论研究原子的碰撞效应

在己有实验的基础上,提出了由双光子共振非简并四波混频和碰撞再构非简并四波混频组成用于研究原子碰撞效应的双非简并四波混频理论,分析了缓冲气压、温度、共振失谐和碰撞展宽系数对双非简并四波混频谱线的影响.在由基态、中间态和激发态组成的级联三能级系统中,双非简并四波混频可同时研究碰撞引起的激发态谱线展宽和碰撞引起的中间态能级再分布现象.与测量纵向弛豫碰撞展宽的传统实验方法不同,本文方法是一种纯光学的相干测量技术,可以同时测量激发态与基态间的横向弛豫Γ_(20)和中间态与基态间的横向弛豫Γ_(21)的碰撞展宽.     

基于光偏振旋转效应的碱金属气室原子极化率测量方法及影响因素分析

利用原子自旋效应能够实现超高灵敏度的惯性和磁场测量。一类操控原子自旋处于无自旋交换弛豫态的器件可以进行物理参数测量。碱金属气室为该类器件的敏感表头。碱金属原子密度与原子极化率是碱金属气室的重要参数,对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用。光的偏振效应在量子计算和原子物理研究中发挥了重要作用。利用光的偏振效应能够实现对碱金属原子密度与原子极化率的检测。提出一种基于光偏振旋转效应的碱金属原子极化率测量方法。首先对碱金属气室加恒定磁场,利用激光作为检测光,根据光偏振旋转原理,检测通过气室的偏振光的法拉第旋转角,得到碱金属气室原子密度。然后将碱金属原子抽运,利用激光作为检测光,检测通过气室的偏振光的偏转角,得到碱金属原子极化率。该方法在测量原子极化率的过程中也测量了碱金属原子密度,实现利用一套系统测量两个重要参数,具有快速测量和高灵敏度等特点,简化了实验设备及过程。对两种偏转角进行仿真分析,得到该方法实验时检测激光波长变化对偏转角的影响,根据仿真图得到检测激光波长的可取范围,验证了该方法的可行性。最后分析激光器波长波动与磁场波动对其测量精度的影响,提出实验对激光器与磁场的要求。     

钇原子亚稳态寿命的测量

利用基态原子无穷长的寿命以及亚稳态原子在飞行过程中的衰减,比较由激光感应荧光法测量到的钇原子束基态和亚稳态的速度分布曲线,经过拟合处理计算,得到钇原子亚稳态a~2D_(5/2)的寿命为(0.8±0.2)ms.     

基于辐射法和原子发射光谱法的转炉口火焰温度测量

转炉炼钢的终点控制包括钢水出钢时温度及其成分的控制,炉口火焰能够反映炉内脱碳速率及转炉运行参数等。工业炉燃烧火焰可见光谱段,普遍存在着钾(K)和钠(Na)等碱金属元素的原子发射谱线,利用K的特征谱线相对比值可以计算火焰温度。基于辐射双色法,三色法和谱线相对强度法对转炉口火焰温度进行了测量;数据处理过程中对特征谱线进行了基线拟合提取,小波脊线拟合提取;特征谱线进行了Gauss函数和Lorenz函数拟合。结果表明,辐射测温法对谱线比较敏感,选择合理的波段能够有效,精确地测量火焰温度;采用谱线相对强度法受制于特征谱线的数学模型、谱线的跃迁机率、能级的简并度及火焰的光学厚度,需要分辨率非常高的光谱仪才能进行高温转炉火焰中电子温度的测量。     

不同浓度氯化钠水溶液核磁共振特性的实验研究

为了认识氯化钠水溶液的核磁共振特性,配制了浓度在0%~24%范围内的氯化钠水溶液,采用CPMG自旋回波法测量了横向弛豫时间和信号强度,文章分析了氯化钠水溶液浓度与横向弛豫时间及信号强度之间的关系和影响机理。结果表明,氯化钠水溶液的横向弛豫时间随着浓度增加而减小,二者存在较好的线性关系;单位质量氯化钠水溶液的核磁共振信号强度随着浓度增加而减小,二者之间也存在着较好的线性关系。利用这两种关系均可实现氯化钠水溶液浓度的核磁共振测量。     

直线感应加速腔横向阻抗的测量

 采用束流模拟法测量强流直线感应加速器加速腔横向阻抗,给出了加速腔的测量结果。采用了时域变换法提高不匹配情况下测量精度的方法,对引起测量误差的 原因进行了分析。这有助于深入理解强流加速腔内的物理过程,改进加速腔设计,提高 直线感应加速器整机性能