一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法
阅读说明：本技术 一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法 (Alkali metal electronic polarizability measuring method based on mixed alkali metal ) 是由 房建成 魏凯 徐子童 翟跃阳 韩邦成 刘颖 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法,通过建立偏置磁场与原子进动频率的线性函数关系式,从线性函数关系式的斜率值得到混合碱金属原子的混合减慢因子,利用不同核自旋原子的密度比得到混合减慢因子和不同核自旋原子减慢因子的关系式,再利用每种核自旋原子减慢因子与碱金属电子极化率之间的关系式解得碱金属电子极化率值,方法合理,实验操作简单,有利于准确测得混合碱金属原子的电子极化率,为高精度的原子自旋惯性测量装置的研制提供了基础。(A method for measuring alkali metal electron polarizability based on mixed alkali metal obtains a mixed slow-down factor of mixed alkali metal atoms from a slope value of a linear function relation by establishing the linear function relation of a bias magnetic field and atom precession frequency, obtains the relation between the mixed slow-down factor and different nuclear spin atom slow-down factors by utilizing density ratios of different nuclear spin atoms, and obtains the alkali metal electron polarizability value by utilizing the relation between each nuclear spin atom slow-down factor and the alkali metal electron polarizability.)
技术领域
本发明涉及采用原子自旋惯性测量装置测量电子极化率技术，特别是一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法，通过建立偏置磁场与原子进动频率的线性函数关系式，从线性函数关系式的斜率值得到混合碱金属原子的混合减慢因子，利用不同核自旋原子的密度比得到不同核自旋原子减慢因子关系式，再利用每种核自旋原子减慢因子与碱金属电子极化率之间的关系式解得碱金属电子极化率值，方法合理，实验操作简单，有利于准确测得混合碱金属原子的电子极化率，为高精度的原子自旋惯性测量装置的研制提供了基础。
背景技术
随着量子学、光学、原子物理学等领域的快速发展，基于量子的精密测量已经开始步入新时代。量子精密测量的基本原理是利用光与原子的相互作用，实现对各种物理量超高精度的测量。高精度惯性测量装置的研究可以应用在多种领域：前沿基础物理学、医学、军事领域，为物理学的极限研究和军事导航等提供新方法。测量混合碱金属原子的电子极化率能够帮助了解混合抽运中不同工作条件的影响(比如温度、混合碱金属原子的密度比、和气体成分)。因此，准确测量混合碱金属原子的电子自旋极化率对于提升精密测量的灵敏度和极化率具有重要意义。目前，测量碱金属原子的电子极化率的方法有电子顺磁共振EPR方法、抽运和衰减瞬变PDT方法，EPR方法中大磁场的存在将影响系统正常工作，PDT方法测量的准确度会受到减慢因子Q改变和瞬态信号失真的限制。
在单独充有一种碱金属原子的气室中，减慢因子Q可以直接用来推导极化率，而在同时充有核自旋分别为I＝3/2和I＝5/2的原子气室中，减慢因子Q是两种原子的混合作用，而不同核自旋条件下，减慢因子与极化率的关系不同，所以无法通过混合的减慢因子直接推导出电子极化率。目前现有的方法的准确度都会受到影响因素的限制，并且无法实时准确测量。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法，通过建立偏置磁场与原子进动频率的线性函数关系式，从线性函数关系式的斜率值得到混合碱金属原子的混合减慢因子，利用不同核自旋原子的密度比得到混合减慢因子和不同核自旋原子减慢因子的关系式，再利用每种核自旋原子减慢因子与碱金属电子极化率之间的关系式解得碱金属电子极化率值，方法合理，实验操作简单，有利于准确测得混合碱金属原子的电子极化率，为高精度的原子自旋惯性测量装置的研制提供了基础。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，原子自旋惯性测量装置所用气室混合有第一核自旋量的碱金属原子与第二核自旋量的碱金属原子，在装置z轴方向施加不同大小的偏置磁场Bz，并测量所述原子自旋惯性测量装置的频率响应Sx；
步骤2，利用频率响应公式进行拟合，得到不同Bz条件下的原子进动频率ω0，得到对应的线性函数关系式，从线性函数关系式的斜率值得到混合碱金属原子的混合减慢因子Q值；
步骤3，根据第一核自旋量的碱金属原子密度nA与第二核自旋量的碱金属原子密度nB之比Dr，得到混合减慢因子Q与第一核自旋量的碱金属原子减慢因子Q3/2和第二核自旋量的碱金属原子减慢因子Q5/2的关系式；
步骤4，利用Q3/2与碱金属电子极化率的关系式，以及Q5/2与的关系式，解得值。
所述步骤1中Sx的测量采用以下方式：在装置y轴方向施加磁场，式中B’为磁场矢量，B’为在气室y轴方向施加的磁场本征量，ω为施加的电信号频率，t为时间，为y轴单位矢量。
所述步骤2中的频率响应拟合公式如下：
式中，S0为平衡电子自旋极化率，γe是电子的旋磁比，I为原子的核自旋，Δω为电信号波形的半高半宽特征值，根据测量得到的频率响应数据，按照上述公式进行拟合，得到不同Bz条件下对应的ω0。
所述步骤2中ω0对应Bz的线性函数关系式如下：ω0＝γeBz/Q，所述斜率值为γe/Q。
所述步骤3中第一核自旋量I＝3/2，所用气室中含有此核自旋量的碱金属原子为钾39K和铷87Rb，第二核自旋量I＝5/2，所用气室中含有此核自旋量的碱金属原子为铷85Rb，由此得到下式：
式中分子为碱金属原子钾39K和铷87Rb的密度值之和，分母为碱金属原子铷85Rb的密度值。
所述步骤3中混合减慢因子Q与Q3/2和Q5/2的关系式如下：
所述步骤4中Q3/2与的关系式如下：
Q5/2与的关系式如下：
本发明的技术效果如下：本发明一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法，通过建立偏置磁场与原子进动频率的线性函数关系式，从线性函数关系式的斜率值得到混合碱金属原子的混合减慢因子，利用不同核自旋原子的密度比得到混合减慢因子和不同核自旋原子减慢因子的关系式，再利用每种核自旋原子减慢因子与碱金属电子极化率之间的关系式解得碱金属电子极化率值，方法合理，实验操作简单，能够准确测得混合碱金属原子的电子极化率，为高精度的原子自旋惯性测量装置的研制提供了基础。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明通过施加偏置磁场，测量不同偏置磁场下的碱金属原子进动频率，比起现有方法，减少了外界影响因素，不会破坏原子的极化，保证了实时性和准确度。(2)本发明方法合理，实验操作简单，为高精度的原子自旋惯性测量装置的研制提供了基础。
附图说明
图1是实施本发明一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法的流程示意图。图1中包括以下步骤：步骤1，测量不同偏置磁场条件下的频率响应(例如，采用原子自旋惯性测量装置，z轴方向施加偏置磁场Bz，测量装置输出信号即频率响应Sx)；步骤2，拟合得到偏置磁场和原子进动频率的对应关系，计算出混合减慢因子(例如，Bz与原子进动频率ω0之间的关系，混合减慢因子Q)；步骤3，利用Dr得到混合减慢因子Q与不同核自旋的原子的减慢因子的关系式(Dr为第一核自旋量的碱金属原子密度与第二核自旋量的碱金属原子密度之比，例如，第一核自旋量I＝3/2，所用气室中含有此核自旋量的碱金属原子为钾39K和铷87Rb，第二核自旋量I＝5/2，所用气室中含有此核自旋量的碱金属原子为铷85Rb，相应地，第一减慢因子Q3/2，第二减慢因子Q5/2)；步骤4，根据减慢因子(Q、Q3/2和Q5/2)与电子极化率之间的关系计算电子极化率
具体实施方式
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法的流程示意图。参考图1所示，一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，原子自旋惯性测量装置所用气室混合有第一核自旋量的碱金属原子与第二核自旋量的碱金属原子，在装置z轴方向施加不同大小的偏置磁场Bz，并测量所述原子自旋惯性测量装置的频率响应Sx；步骤2，利用频率响应公式进行拟合，得到原子进动频率ω0对应Bz的线性函数关系式，从线性函数关系式的斜率值得到混合碱金属原子的混合减慢因子Q值；步骤3，根据第一核自旋量的碱金属原子密度nA与第二核自旋量的碱金属原子密度nB之比Dr，得到混合减慢因子Q与第一核自旋量的碱金属原子减慢因子Q3/2和第二核自旋量的碱金属原子减慢因子Q5/2的关系式；步骤4，利用Q3/2与碱金属电子极化率的关系式，以及Q5/2与的关系式，解得值。
所述步骤1中Sx的测量采用以下方式：在装置y轴方向施加磁场式中B’为磁场矢量，B’为在气室y轴方向施加的磁场本征量，ω为施加的电信号频率，t为时间，为y轴单位矢量。所述步骤2中的频率响应拟合公式如下：
式中，S0为平衡电子自旋极化率，γe是电子的旋磁比，I为原子的核自旋，Δω为电信号波形的半高半宽特征值，根据测量得到的频率响应数据，按照上述公式进行拟合，得到不同Bz条件下对应的ω0。所述步骤2中ω0对应Bz的线性函数关系式如下：ω0＝γeBz/Q，所述斜率值为γe/Q。所述步骤3中第一核自旋量I＝3/2，所用气室中含有此核自旋量的碱金属原子为钾39K和铷87Rb，第二核自旋量I＝5/2，所用气室中含有此核自旋量的碱金属原子为铷85Rb，由此得到下式：
式中分子为碱金属原子钾39K和铷87Rb的密度值之和，分母为碱金属原子铷85Rb的密度值。所述步骤3中Q3/2与Q5/2的关系式如下：
所述步骤4中Q3/2与的关系式如下：Q5/2与的关系式如下：
本发明涉及一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法，该方法可以准确测量混合碱金属原子的电子极化率。该方法通过施加偏置磁场Bz，测量不同Bz条件下频率响应Sx，通过公式拟合，得到磁场Bz和共振频率ω0的对应关系，推导出混合减慢因子Q，利用密度比Dr得到混合因子Q与不同核自旋的原子的减慢因子Q3/2和Q5/2的关系式，根据减慢因子和极化率之间的关系得到碱金属原子的电子极化率。本发明方法合理，实验操作简单，能够准确测量混合碱金属原子的极化率，为高精度原子自旋惯性测量装置的研制提供了基础。
一种基于混合碱金属的碱金属电子极化率测量方法，包括以下步骤：
步骤(1)：在z向施加不同大小的偏置磁场Bz，测量高精度原子自旋惯性测量装置的频率响应Sx。
步骤(2)：根据步骤(1)中所得的频率响应Sx，按照频率响应公式进行拟合，得到原子进动频率ω0和磁场Bz的对应关系，计算斜率，据此得到混合碱金属原子的减慢因子Q。
步骤(3)：利用不同核自旋的原子的密度比Dr得到混合减慢因子Q与不同核自旋的原子的减慢因子Q3/2和Q5/2的关系式。
步骤(4)：根据步骤(3)中所得混合减慢因子Q和不同核自旋条件下的减慢因子Q3/2和Q5/2的关系式，利用减慢因子和极化率之间的关系得到碱金属原子的电子极化率。
所述步骤(1)中在装置y向施加一个磁场，改变ω，测量系统频率响应。
所述步骤(2)中频率响应拟合公式如下：
其中，S0为平衡电子自旋极化率，γe是电子的旋磁比，I为原子的核自旋，通过拟合曲线得到不同Bz条件下对应的ω0。
所述步骤(2)中偏置磁场Bz和碱金属原子的进动频率ω0的关系式如下：
ω0＝γeBz/Q，
得到斜率为γe/Q。
所述步骤(3)中核自旋为I＝3/2的碱金属原子包括39K和87Rb，核自旋为I＝5/2的碱金属原子包括85Rb，两种核自旋的原子的密度比如下：
所述步骤(3)中混合减慢因子Q与不同核自旋的原子的减慢因子的关系如下：
其中，Q3/2为39K和87Rb的减慢因子，Q5/2为85Rb的减慢因子。
所述步骤(4)中不同核自旋条件下的减慢因子和极化率之间的关系如下：
其中为电子的极化率，由于原子间相互碰撞，不同种类的碱金属原子的电子极化率相等。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。