一种基于serf惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法
阅读说明：本技术 一种基于serf惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法 (Method for measuring spin exchange relaxation rate based on SERF inertia measurement device ) 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SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法,通过频率响应公式拟合得到不同偏置磁场条件下对应的频响曲线的半高半宽,利用半高半宽与总弛豫率之间的关系式计算出不完全SERF状态的第一总弛豫率,以及完全SERF状态的第二总弛豫率,两个总弛豫率相减即得自旋交换弛豫率,有利于准确测量SERF惯性测量装置中未被完全消除的自旋交换弛豫率,为高精度的原子自旋惯性测量装置的研制提供了基础。(A half-height half-width of a corresponding frequency response curve under different bias magnetic field conditions is obtained through fitting of a frequency response formula, a first total relaxation rate of an incomplete SERF state and a second total relaxation rate of a complete SERF state are calculated by utilizing a relation between the half-height half-width and the total relaxation rates, and the two total relaxation rates are subtracted to obtain the spin exchange relaxation rate.)
技术领域
本发明涉及原子自旋惯性测量装置领域，具体涉及一种基于SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法，通过频率响应公式拟合得到不同偏置磁场条件下对应的频响曲线的半高半宽，利用半高半宽与总弛豫率之间的关系式计算出不完全SERF状态的第一总弛豫率，以及完全SERF状态的第二总弛豫率，两个总弛豫率相减即得自旋交换弛豫率，有利于准确测量SERF惯性测量装置中未被完全消除的自旋交换弛豫率，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
因为两个超精细能级中的原子沿相反方向进动，自旋交换碰撞使碱金属原子在基态塞曼子能级之间重新分布，并导致弛豫，影响极化。只有完全消除自旋交换碰撞所引起的弛豫，原子惯性测量装置才能达到对缓慢变化的磁场(例如由地球或磁异常产生的磁场)的超高灵敏度。因此，准确测量SERF惯性测量装置中未被完全消除的自旋交换弛豫率对于提升精密测量的灵敏度具有重要意义(SERF是无自旋交换弛豫，Spin-Exchange Relaxation-Free)。目前一般利用弛豫率公式计算，弛豫率R＝nsv，其中n是气室中含有的某一种气体的密度，s是碱金属和这种气体之间的有效碰撞截面，v是碱金属和这种气体之间的相对热速度，计算的准确度受到密度测量准确度的限制，只能计算大概值，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SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法，通过频率响应公式拟合得到不同偏置磁场条件下对应的频响曲线的半高半宽，利用半高半宽与总弛豫率之间的关系式计算出不完全SERF状态的第一总弛豫率，以及完全SERF状态的第二总弛豫率，两个总弛豫率相减即得自旋交换弛豫率，有利于准确测量SERF惯性测量装置中未被完全消除的自旋交换弛豫率，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SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用SERF惯性测量装置，在其气室z轴方向施加不同大小的偏置磁场Bz，并测量所述SERF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，通过拟合曲线得到不同Bz条件下对应的频响曲线的半高半宽Δω；
步骤3，利用Δω与总弛豫率Rtot之间的关系式计算出不完全SERF状态的第一Rtot，以及完全SERF状态的第二Rtot；
步骤4，按照下式计算出自旋交换弛豫率Rrel：Rrel＝第一Rtot-第二Rtot。
所述步骤1中的Bz分别为：和其中为气室中惰性气体核子产生的磁场，为气室中碱金属电子产生的磁场，第一种情况下，电子感受到的外界磁场为此时不是完全的SERF状态，存在自旋交换弛豫率Rrel≠0，第一Rtot＝ROP+RSD+Rrel；第二种情况下，电子感受到的外界磁场为B＝0，此时为完全的SERF状态，Rrel＝0，第二Rtot＝ROP+RSD，其中ROP为抽运率，RSD为自旋破坏率，两种情况下的总弛豫率相减，即可得到自旋交换弛豫率Rrel。
所述步骤1中Sx的测量采用以下方式：在气室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，通过拟合曲线得到不同Bz条件下对应频响曲线的半高半宽Δω。
通过拟合曲线得到下的第一Δω，以及下的第二Δω。
所述步骤3中Δω与总弛豫率Rtot之间的关系式如下：Δω＝Rtot/Q，其中Q为碱金属的减慢因子。
利用第一Δω得到第一Rtot，利用第二Δω得到第二Rtot。
本发明的技术效果如下：本发明一种基于SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法，通过频率响应公式拟合得到不同偏置磁场条件下对应的频响曲线的半高半宽，利用半高半宽与总弛豫率之间的关系式计算出不完全SERF状态的第一总弛豫率，以及完全SERF状态的第二总弛豫率，两个总弛豫率相减即得自旋交换弛豫率，方法合理，实验操作简单，能够准确测量SERF惯性测量装置中未被完全消除的自旋交换弛豫率，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，按照频率响应公式进行拟合，得到频响曲线的半高半宽值，利用不同的半高半宽值得到不同的总弛豫率，通过不同总弛豫率之间的差值即可得到自旋交换弛豫率，比起现有方法，减少了外界影响因素，不会破坏原子的极化，同时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SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法流程示意图。图1中包括以下步骤：步骤1，施加不同大小的偏置磁场，测量频率响应(例如，利用SERF惯性测量装置，在其气室z轴方向施加不同大小的偏置磁场Bz，并测量所述SERF惯性测量装置的频率响应Sx)；步骤2，拟合，得到频率响应曲线的半高半宽(例如，利用频率响应公式进行拟合，得到不同Bz条件下对应频率响应曲线的半高半宽Δω)；步骤3，计算对应的总弛豫率(例如，的总弛豫率第一Rtot，的总弛豫率第二Rtot)；步骤4，计算自旋交换弛豫率(例如，第一Rtot-第二Rtot＝自旋交换弛豫率Rrel)。
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SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法流程示意图。参考图1所示，一种基于SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用SERF惯性测量装置，在其气室z轴方向施加不同大小的偏置磁场Bz，并测量所述SERF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，通过拟合曲线得到不同Bz条件下对应的频响曲线的半高半宽Δω；步骤3，利用Δω与总弛豫率Rtot之间的关系式计算出不完全SERF状态的第一Rtot，以及完全SERF状态的第二Rtot；步骤4，按照下式计算出自旋交换弛豫率Rrel：Rrel＝第一Rtot-第二Rtot。
所述步骤1中的Bz分别为：和其中为气室中惰性气体核子产生的磁场，为气室中碱金属电子产生的磁场，第一种情况下，电子感受到的外界磁场为此时不是完全的SERF状态，存在自旋交换弛豫率Rrel≠0，第一Rtot＝ROP+RSD+Rrel；第二种情况下，电子感受到的外界磁场为B＝0，此时为完全的SERF状态，Rrel＝0，第二Rtot＝ROP+RSD，其中ROP为抽运率，RSD为自旋破坏率，两种情况下的总弛豫率相减，即可得到自旋交换弛豫率Rrel。所述步骤1中Sx的测量采用以下方式：在气室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，通过拟合曲线得到不同Bz条件下对应频响曲线的半高半宽Δω。通过拟合曲线得到下的第一Δω，以及下的第二Δω。所述步骤3中Δω与总弛豫率Rtot之间的关系式如下：Δω＝Rtot/Q，其中Q为碱金属的减慢因子。利用第一Δω得到第一Rtot，利用第二Δω得到第二Rtot。
本发明涉及一种基于SERF惯性测量装置的自旋交换弛豫率的测量方法，该方法可以准确测量SERF惯性测量装置中未被完全消除的自旋交换弛豫率。该方法通过施加不同的偏置磁场Bz，测量惯性测量装置的频率响应Sx，通过公式拟合，频响曲线的半高半宽Δω，计算对应的总弛豫率Rtot，利用不同条件下的总弛豫率Rtot的差求得自旋交换弛豫率Rrel。本发明方法合理，实验操作简单，能够准确测量SERF惯性测量装置中未被完全消除的自旋交换弛豫率，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SERF惯性测量装置的测量自旋交换弛豫率的方法，其特征在于：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，频响曲线的半高半宽Δω。
步骤(3)：根据步骤(2)中所得半高半宽Δω，对应的总弛豫率Rtot。
步骤(4)：根据步骤(3)中所得总弛豫率Rtot，计算自旋交换弛豫率Rrel。
所述步骤(1)中不同大小的偏置磁场Bz分别为和其中为惰性气体核子产生的磁场，为碱金属电子产生的磁场。第一种情况下，电子感受到的外界磁场为此时不是完全的SERF状态，存在自旋交换弛豫率Rrel≠0，Rtot＝ROP+RSD+Rrel。第二种情况下，电子感受到的外界磁场为B＝0，此时为SERF状态，Rrel＝0，Rtot＝ROP+RSD，其中ROP为抽运率，RSD为自旋破坏率，两种情况下的总弛豫率相减，即可得到自旋交换弛豫率。
所述步骤(1)中在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条件下对应的频响曲线的半高半宽Δω。
所述步骤(3)中频响曲线的半高半宽Δω和总弛豫率Rtot的关系式如下：
Δω＝Rtot/Q，
其中Q为碱金属的减慢因子。
所述步骤(3)中求得和两种情况下分别对应的总弛豫率Rtot，两种情况下的Rtot相减，就得到了自旋交换弛豫率Rrel。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，同时保证了实时性和准确度。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。
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。