光泵磁共振
一般来说，要了解样品的物质结构可采用光谱分析法，用光谱仪定性及定量测定物质的原子、分子结构。但要搞清原子、分子内部更加精细的结构和变化，光谱仪的分辨力就不够了。为了得到更高的分辨力，可采用波谱学方法，用微波或射频磁共振研究原子的精细、超精细结构及因磁场存在而分裂的塞曼子能级。对于浓度较大的样品，电子自旋共振和核磁共振，可以得到较强的共振信号；但是，对于浓度较低的气态样品，波谱学方法又无能为力了。
为了解决上述问题，1950年代法国科学家卡斯特莱（Kastler ）提出采用光抽运技术（光泵），即用圆偏振光来激发原子，打破原子在能级间的热平衡，造成能级上粒子集聚差数，使得在低浓度下有较高的共振强度。这时再以相应频率的射频场激励原子磁共振，并采用光探测法，使探测信号灵敏度有很大提高。这个方法的出现不仅使微观粒子结构的研究前进了一步，而且在激光、量子标频和精测弱磁场等方面也有重要突破。1966年卡斯特莱因发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法（既光泵磁共振）而获诺贝尔奖。 实验目的
1． 掌握光抽运——磁共振——光探测的实验原理，学习近代物理的测量方法。
2． 测定铷原子的g 因子。
3． 学习用光泵磁共振技术测量弱磁场。
实验原理
电子在原子中所处的位置，决定了原子状态，一般用能量来表示。原子的能量只能取一系列分立值，称之为能级。一个能级在一定条件下会发生分裂。我们把能级在LS 耦合下的分裂，分别叫做能级的精细结构和超精细结构。在外加磁场作用下，超精细结构能级再次分裂，叫塞曼子能级，本实验所研究的铷原子在弱磁场中塞曼能级间的跃迁，一般很弱，不易观测，需要采用光抽运——磁共振——光探测方法，以提高信号强度。
1. 铷原子的最低激发态和朗德因子 铷原子是一价碱金属，其电子组态是：
轨道
K L M N O 能级
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 电子数 2
262 6 1026 1
由上表可见，铷原子基态是52S 1/2能级，最低激发态为5p 能级。在LS 耦合下分裂为52P 1/2和52P 3/2能（L=0，S=1/2，J=1/2，3/2），称为铷原子的精细结构能级。5s 和5p 能级
间的跃迁产生两条波长相近的谱线D 1 （794.2nm ）和D 2（780.0nm ）
。 原子的轨道磁矩为
)0.1(,2=?=L L L L g P m
e g v v μ (1) 自旋磁矩为
)0023.2(,2=?=S S S S g P m
e g v v
μ （2） 其中P L 和P S 分别为电子轨道角动量和电子自旋角动量，g L 和g S 为相应的g 因子，e 和m 为电子的电荷和质量。
LS 耦合时，合成的总磁矩为
)
1(2)1()1()1(1,2++++?++=?=J J S S L L J J g P m e g J J J J μ (3) 如果在LS 耦合的基础上进一步考虑自旋对能级的影响，铷原子的两种同位素87Rb 和85Rb 的自旋量子数I 分别为3/2和5/2，即在LI 耦合下，5S 和5P 能级都将再次分裂，称
为超精细结构能级。耦合后的总量子数F=I+J+,···∣I-J∣, 87 Rb 的F=2,1，85Rb 的F=3,2。
由于原子核的磁矩为
I I I I I P m
e g P M e g v v v 2'2==μ 其中
1836
1'==M m g g I I 因而
J I μμ<<故J F μμ≈，F F F P m
e g v v 2?=μ （4） 由此可以得到
)1(2)1()1()1(++?+++=F F I I J J F F g g J F （5） 用上式可以计算出铷原子的g 因子理论值。
当原子位于恒定外磁场B 中，由于原子的总磁矩与磁场的相互作用，原子超精细结构能级又会分裂为2F+1个等间距的塞曼子能级。F μv 与B v 的相互作用能级为
B M g B M m
e g B P m e g B E B F F F F F F F μμ==?=??=h v v v v 22 （6） 其中F F F M F ??=,,1,L ；B μ是玻尔磁子。
塞曼子能级的能级间距为
B g E B F μ=Δ （7）
综上所述，图（1）给出了87Rb 的原子能级图，85Rb 的原子能级图与此类似，但有更
多的塞曼能级。由于本实验只用D 1线，而D 2线用滤波片滤去，因此图中未画出52P 3/2的能
级分裂状况。
2. 实现光泵磁共振的必要条件——粒子的偏极化
一定频率的光可引起原子能级之间的跃迁，称为光跃迁。光跃迁的选择定则是
1,1,0±=Δ±=ΔF M F （8）
由此可知，用左旋圆偏振光入射时，对于87Rb 来说，粒子在52S 1/2 向52P 1/2跃迁，需服从的条件，这样基态能级上的粒子就不能跃迁。而当原子经过无辐
射跃迁由52S 1/2 回到52P 1/2时，粒子返回基态各子能级的几率相同。这样经过多次循环，基
态的子能级上的粒子数只增不减，积聚形成各子能级上的粒子不均匀分布，称为粒子的“偏极化”。形象地看，就向水泵一样将粒子抽到了+σ1D 1D 1+=ΔF M 2+=F 2+=F M +σM 2+=F M 的基态下的能级
上。所以这种方法称为光抽运或光泵。有了偏极化就可以在子能级间得到较强的共振信号。用右旋圆偏振光照射样品效果类似，这时粒子将积聚到基态?σ1D 2?=F M 子能级上。但
是，由于两者作用相反，如果用σ+和σ-构成的椭圆偏振光进行光抽运，效果就差多了。
对于85Rb 来说，情况大致相同。
图（1）铷原子的分裂跃迁和辐射
3. 塞曼子能级间的磁共振
原子在光抽运产生偏极化后，就不在吸收入射光了。此时透射光最强。如果在垂直于恒定磁场B 方向加一频率f 可调的射频场；改变B 或f ，当满足
B g E hf B F μ=Δ=0 （9）
时，将产生磁共振。其塞曼子能级间发生跃迁。跃迁的选择定则是
1,0±=Δ=ΔF M F （10）
这一跃迁使粒子的偏极化受到破坏，样品对入射光吸收增强，投射减弱，重新开始光抽运。这样循环往复，达到动平衡。将测出的f 和B 代入式（9），即可求出 g F 的实验值，将其与理论值相比较，两者的一致性将证明上述分析是正确的。
由于87Rb 和85Rb 产生偏极化的塞曼子能级不同，磁共振的吸收频率也不同，可以用这一特点分别测出它们的g 因子。
4. 光探测
入射到样品上的光，不但有光抽运的作用，而且透射光可作为探测光。上述光+σ1D
抽运——磁共振过程，伴随样品对吸收的变化，光抽运时透射光最强，磁共振时最弱。这样通过探测透射光就可以检测到磁共振。这就是本实验的光探测，它巧妙地将一个较低频（1—10MHz ）的光子转换成一个高频（108MHz ）的光子。并使信号功率提高了7—8个数量级。
+σ1D 实验装置
实验装置如图（2）所示。
1. 光源部分：使用高频无极放电铷灯作为光源，灯泡置于通过高频电流线圈中，在高频电磁场的激励下产生无极放电而发光。铷光谱含上述D 1和D 2两条谱线。D 2不利于光抽运，在灯光出口处加一滤波片将其滤去。这时铷只射出波长为7948A 的D 1谱线。
2. 偏振片、1/4波片和凸透镜组件：偏振片使D 1谱线变成线偏振光，1/4波片再将
偏振光变成圆偏振光（σ+或σ-）
。凸透镜L 1（f=77mm ）将入射光变成平行光。 3. 吸收池：由内充铷蒸汽和缓冲气体的样品泡、射频线圈和恒温槽组成。样品泡两侧与入射光平行方向装有一对射频线圈，以激发磁共振。由于样品温度过高，会增强铷原子与容器壁的碰撞几率，引起退极化；温度过低又使铷蒸汽密度过小，减小信号幅度，所以将样品泡置于恒温槽内，保持最佳温度。
垂直水平线圈线圈
图（2）光泵磁共振实验仪主体单元 4. 亥姆霍兹线圈：由一对水平和一对垂直亥姆霍兹线圈组成。它们分别产生恒定水平磁场B h 和恒定垂直磁场B v 。水平线圈由两对绕组组成，一对提供直流磁场；另一对提供扫场，它使直流磁场上迭加一个调制磁场。扫场信号可选用方波和三角波，示波器与扫场信号同步，频率为数十Hz ，以便观察光探测器接收的光抽运——磁共振信号。恒定垂直磁场B v 用于抵消地磁场。亥姆霍兹线圈中心的磁感应强度为：
r
NI B 0
716.0μ= (11) 水平线圈对两绕组并联，并联电阻 R=26Ω，垂直线圈两对绕组串联，串联电阻R=26Ω；N ：线圈匝数，r ：线圈平均半径，I ：励磁电流。
扫场信号为单向交变信号，通过面板上的“方向”开关控制扫场线圈中的电流方向。注意，示波器显示的扫场信号波形不随方向开关改变，波形底部应为0；但由于仪器制造
方面的原因，扫场信号并非从0开始，即有一个附加直流分量。经过分析，只要在测量中合理掌控方向开关，这个附加直流分量的影响可以消除。
5．光电探测器：凸透镜L2将透过吸收池（样品）的D1光聚焦到硅光电池接收面，光电流经电流——电压转换及放大后接入示波器。
此外，实验装置还包括示波器、频率计和“光磁实验装置辅助源”等。
实验步骤
1. 准
2.. 备工作
(1) 将辅助源的“池温”钮调到中间位置，打开池温开关，“工作监视”置于“灯温，按下“预热”键，此时辅助源接通电源，开始预热。待灯温达到80°C以上，按下“工作”键，此时铷灯点亮。观察并调整“池温”钮，使池温为50°C左右，由于池温的变化较为缓慢，调整时应留有足够的时间使温度稳定。一般池温要30——40分钟才能达到50°C左右。
(2) 调整主体单元光轴与地磁场水平分量平行。按实验要求调整光路。
(3) 按下“工作”键，利用放到恒温吸收池上的小磁针，以地磁场水平分量方向为正方向，分别确定仪器扫场和水平磁场方向开关位置所对应的磁场方向。
观察光抽运信号
示波器CH1接光探测器信号，CH2接扫场信号，示波器选择“DC“档。水平和垂直磁场调到零。扫场选“方波”，调节扫场的方向和幅度，当扫场方向与地磁场水平分量相反时，水平磁场将在B=0上下变化。
将方波加到扫场线圈上。出现磁场的一瞬间，基态各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡分布，各子能级上有大致相等的粒子数。因此这一瞬间有占总粒子数7/8的粒子可吸收D1σ+光，吸收光最强，透过光最弱。随着粒子逐渐被抽运到m F= +2子能级上，能吸收D1σ+光的粒子减少，吸收光减弱，透过光增强。当m F = +2子能级上子能级上粒子数达到饱和，不再有粒子吸收D1σ+光，透过光强到达并保持最大值。当外磁场过零并反向时，塞曼子能级发生简并及重新分裂，在简并时将失去偏极化。能级再分裂后，各塞曼子能级上的粒子数又大致相等，对D1σ+光的吸收又到达最大值。这样周而复始，通过检测透过样品的光强变化，就能观察到光抽运信号。地磁场水平分量使得扫场方波不对称；而地磁场垂直分量的使外磁场无法回零，对光抽运信号有较大影响。因此本实验装置有一对垂直方向的亥姆霍兹线圈，以抵消地磁场垂直分量。当外磁场垂直分量为零时，按上述方法观察到的光抽运信号最强。
分析观察记录如下情况的光抽运信号：
(1) 垂直方向磁场不为零（注意地磁场的垂直分量）时，扫场正反向方波幅度不同时光吸收信号。
(2) 垂直方向磁场不为零时，扫场正反向方波幅度相同时光吸收信号。
(3) 垂直方向磁场为零（地磁场的垂直分量被抵消）时，扫场正反向方波幅度不同时光吸收信号。
(4) 垂直方向磁场为零时（地磁场的垂直分量被抵消），扫场正反向方波幅度相同时光吸收信号，并确定地磁场的垂直分量的大小。下面的实验保持垂直方向磁场为零（地磁场的垂直分量被抵消）。
仪器水平和垂直亥姆霍兹线圈产生的磁场方向分别由辅助源背板上的两个开关切换。扫场方波的方向切换开关在面板上。调节垂直磁场时注意调整垂直切换开关。
B在方波中心过零点
B在方波下沿附近过零点
B在方波上沿附近过零点t
图（3）光抽运信号 3. 观察磁共振现象并测量g因子
(1) 将扫场信号改为三角波，幅度要小些。打开信号发生器，产生正弦波射频场。
(2) 固定射频频率，在400K —800KHz 范围内等间隔选8个频率点，调整水平磁场Bh ，观察如图（4）所示的磁共振信号。记录射频频率及励磁电压，画出波形图。注意在同一频率上应获得 85Rb 和87Rb 两个磁共振信号。
(3) 测量时要采用“倒号法”消除地磁场水平分量和仪器系统误差，即改变水平磁场的方向，测量值B 取两个方向的平均值作为B 0。
(4) 记录灯温，池温和线圈常数，设计记录表格，计算g F ，并与理论值相比较。
t 0t 00
t
B
B
正向磁共振信号反向磁共振信号
图（4）正、反向磁共振信号
4. 测量地磁场
(1) 利用前面测量的Bv 最佳值，由式（11）计算地磁场垂直分量。
(2) 地磁场水平分量的测量与测量g 方法类似。可采用固定励磁电流调整射频频率的方法。在 B h 、B s （扫场）和地磁场水平分量方向相同时，调整射频频率达到共振，记录共振时的射频频率f 1；同时改变水平磁场方向和扫场（三角波）的方向，找到f 2。用差值平均2210f f f ?=代入式（9）计算地磁场水平分量。应选5个测量点，选85Rb 或87Rb 之一即可。注意，这里g F 是已知量，要辨认清楚是85Rb 还是87Rb 的磁共振信号。
(3) 计算地磁场大小及与水平方向的夹角。
回答问题
1. 如何区分光抽运与磁共振信号？
2. 如何区分85Rb 和87Rb 的磁共振信号？
3. 测量g 因子时，“倒号法”是如何消除地磁场影响的？测量地磁场水平分量时，为什么用差值平均2210f f f ?=代入式（9）计算地磁场水平分量？请分别推导公式证明。
4． 测量g 因子时，改变水平场方向时是否应同时改变扫场方向？为什么？
5． 测量时为什么共振吸收信号要对准扫场信号底端（图4）？
光磁共振 (南京大学物理学院 江苏南京 210000) 摘要：光磁共振是利用光抽运的方法，进一步提高磁共振灵敏度的技术。本实验依据光磁共振技术，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。 关键词：光磁共振；光抽运；磁共振；塞曼效应；塞曼子能级；地磁场；朗德因子 一、实验目的 1.掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。 2. 测定銣原子87Rb 和85Rb 的参数：基态朗德因子F g 和原子核的自旋量子数I 。 3. 测定地磁场B 地的垂直分量B 地垂直、水平分量B 地水平 及其倾角θ。 二、实验原理 光磁共振技术是根据动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。 1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第五壳层，主量子数n=5,电子轨道量子数L=0,1,2,3…,n-1,电子自旋S=1/2。铷原子中价电子的轨道角动量L P 和自旋角动量S P 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量J P ，其数值 ,,1,,J P J L S L S L S ==++-???-。当不考虑铷原子核的自旋时，铷原子总 磁矩2J J J e e g P m μ=-，其中,e e m -分别为电子的电荷、质量。朗德因子 (1)(1)(1) 12(1) J J J L L S S g J J +-+++=++ 从而形成原子的超精细结构能级，这时，铷原子的基态能级21S J n S +对应于 n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为212 5S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级 21 S J n P +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为212 5P 和232 5P ，相应的朗德因子 24 ,33J g = 。22132255P S →的能级跃迁产生光谱线1D 线(1794.76nm λ=)；223322 55P S →的跃迁产生光谱线2D 线（2780.0nm λ=）。本实验观测与1D 线有关的能级的超精细结构及其在弱磁场中的塞曼分裂。 通常原子核也具有角动量，记原子核的总角动量为P ，它是核中质子和中子的轨道角 动量和自旋角动量的矢量和，核的总角动量的数值I P = ，通常也称为核自旋， 其中I 称为核的自旋量子数，I 为整数或半整数，已知稳定的原子核的I 值在0~7.5之间。 核的总角动量I P 的最大可测的分量值为 I 。当0I ≠时，原子核的总磁矩为
核磁共振实验 发现的背景 所谓核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。核磁共振的发现，跟核磁矩的研究紧密相关。 1911年，卢瑟福根据a 粒子散射实验提出核原子模型后，直到原子光谱的超精细结构发现以后，1924年泡利才正式提出，原子光谱的超精细结构是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果；原子核应具有自旋角动量和磁矩。 斯特恩创造了分子束方法，对核磁矩作过重要研究。1933年他和弗利胥（O.Frisch ）、爱斯特曼（I.Estermann ）等人用分子束实验装置测量氢分子中质子和氘核的磁矩。所得结果表明质子磁矩比狄拉克电子理论预言的大2.5倍而氘核磁矩则在0.5到1个核磁子之间。氘核是由质子和中子组成的，由此即可推测中子也有磁矩。这说明尽管中子整体不带电，其内部却有电荷分布和电流效应。这些实验事实，激励了其他人对核的电磁特性的探索。 拉比的分子束磁共振方法对斯特恩实验作了重大改进。改进的关键在于利用了共振现象。二十年代末，拉比访问欧洲时，就在斯特恩的实验室里工作了一年，研究原子磁矩的测量。1929年，他回到哥伦比亚大学开展原子束分子束的研究。后来他受到荷兰物理学家哥特（C.J.Gorter ）的启发，并于1938年把哥特射频共振法应用于分子束技术，创立了分子束共振法。 拉比对分子束磁共振方法的研究和布洛赫对核磁共振的研究都是受到了斯特恩的启发。 分子束磁共振方法在1945-1946年间又取得了突破性的进展，这就是通过磁共振的精密测量，发现了核磁共振。 人物介绍 图11.1 布洛 赫 图11.2 珀塞尔 布洛赫 Felix Bloch 珀塞尔 Edward Purcell
近代物理实验报告 光磁共振 班级物理081 学号 08180140 姓名周和建 时间 2011年4月27日
【摘要】 以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法，使用DH807A型光磁共振实验装置来观察光抽运信号，进而测定铷原子两个同位素87Rb和85Rb的超精细结构塞曼子能级的朗德因子的测量。 【关键词】 光磁共振光抽运塞曼能级分裂超精细结构 【引言】 光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。 光磁共振方法现已发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。 利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、实验原理 （一）铷(Rb)原子基态及最低激发态的能级 实验研究对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属，它和所有的碱金属原子Li、Na、K一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。主量子数为n的电子，其轨道量子数L=0,1, …,n－1。基态的L=0，最低激发态的L=1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。 由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L－S耦合）而发生能级分裂， 称为精细结构。轨道角动量P s、的合成角动量P J =P L +P S 。原子的精细结构用总角动 量量子数J来标记，J=L+S,L+S-1, …,│L-S│。对于基态，L=0和S=1/2,因此 Rb基态只有J=1/2。其标记为５２S 1/2。铷原子最低激发态是52P 1/2 及52P 3/2 双重态。 这是由于轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。52P 1/2态的J=1/2, 52P 3/2 态的J=3/2。 ５Ｐ与５Ｓ能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第１条线，为双线。它在铷灯 光谱中强度是很大的。52P 1/2→５２S 1/2 跃迁产生波长为7947.6?的D 1 谱线，52P 3/2 →５２S 1/2跃迁产生波长7800?的D 2 谱线。 原子的价电子在LS耦合中，总角动量P J 与原子的电子总磁矩μ J 的关系为 (1) (2)
铷原子的光泵磁共振 田卫芳 201411142023 （北京师范大学物理系 2014 级） 指导教师：何琛娟 实验时间： 2016.11.24 摘要 本实验主要研究了铷原子的光泵磁共振现象，首先通过改变垂直场，消除地磁场垂直分量的影响；改变水平场，观察光抽运信号，同时计算地磁场的大小； 利用扫场法观察磁共振信号，计算Rb Rb 8587和的F g 因子的大小，与理论值比较。 关键词 铷原子、超精细结构、塞曼能级分裂、光抽运、磁共振、 1. 引言 在磁场中，塞曼分裂导致的磁能级间距通常比较小，因此，产生磁共振现象所需的能量通常位于射频或微波波段。此波段的电磁波能量要比光频段的能量小得多，普通的光谱仪器根本无法分辨，所以对于那些磁共振信号很微弱的样品(比如气体样品)很难探测。光抽运是用圆偏振光激发气态原子，打破原子在所研究能级间的热平衡分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。光泵磁共振是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。光泵磁共振采用光探测方法，探测原子对光量子的吸收，而不直接测量射频量子，克服了磁共振信号弱的缺点，大大提高了探测灵敏度。 本实验研究铷原子（Rb ）的光泵磁共振现象，并测量Rb 的朗德因子。天然铷有两种同位素: 丰度为72．15％的Rb 85，丰度为27．85％的Rb 87。 2. 实验原理 2.1 Rb 原子基态及最低激发态的能级 Rb 是碱金属原子，最外层有一个价电子，基态时位于5s 能级上，其轨道
角动量量子数L=0,自旋角动量量子数为S=1/2，考虑L-S 耦合后，其总角动量J=1/2，记作52S 1/2 ，其最近激发态为52P 1/2和52P 3/2。电子由5p 跃迁到5s 所产生的光辐射是Rb 原子主线系的第一条线，为双线，其强度在Rb 灯光谱中特别高，其中52P 1/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 1线，波长794.8nm ，52P 3/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 2线，波长780.0nm 。 在核自旋量子数I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量J P 与原子总磁矩J μ 关系为 2J J J e e g P m μ=- (1)(L 1)(S 1) 12(J 1) J J J L S g J +-+++=+ + 但当I ≠0时，原子总角动量还要考虑核的贡献。由量子数F 标定原子的超精细结构能级。原子总角动量P F 与总磁矩μF 之间的关系为 2F F F e e g P m μ=- F(F 1)(J 1)(I 1) 2(F 1) F J J I g g F +++-+=+ 在弱磁场中原子的超精细结构产生反常塞曼分裂，磁量子数m F =F ，F-1……，-F ，会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级，如图2-1所示 图2-1 铷原子能级图
7-7 光泵磁共振实验 光磁共振，是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程, 是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是碱金属原子铷Rb 。天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb 占27.85 %，85Rb 占72．15%。 气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验中应用了光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值。通过实验可加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 一．实验目的： 1、了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象。 2、测量铷（Rb ）原子的F g 因子及地磁场的大小。 二．实验原理： 1、铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z =37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素: 85Rb 和87Rb,二者的比例接近2比1。它们的激态都是52S 1/2， 即电子的主量子数n =5，轨道量子数L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数J =1/2（L —S 耦合）。 在L —S 耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L =1，自旋量子数S =1/2，电子的总角动量J =L +S 和L -S ，即J =3/2和1/2，形成双重态：52P 1/2和52P 3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D 1和D 2线，它们的波长分别是794.8nm 和780.0nm （见图7-7-1）。 通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩μJ 为： J J J P m e g ρρ 2-=μ 其中 ) 1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 就是著名的Longde 因子，m 是电子质量，e 是电子电量。 原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。核角动量P I 和核外电子的角动量P J 耦合成一个更大的角动量，用符号 P F 表示，其量子数
地理与生物信息学院 2012/ 2013 学年第二学期 实验报告 课程名称：医学成像技术 实验名称：磁共振图像后处理算法设计 班级学号: B10090405 学生姓名: 陈洁 指导教师: 戴修斌 日期：2013 年 5 月
一、实验题目：磁共振图像后处理算法设计 二、实验内容： 1．对图像进行去除噪声操作 ； 2．对图像进行灰度变换操作 ； 三、实验目的： 1.加强下同学们实际的动手编程能力 ； 2.重在体验和过程 ； 四、 实验过程： 实验1：对图像进行去除噪声操作： 1．操作步骤： 1) 对图像加入高斯噪声 2) 使用中值滤波对图像进行去噪处理 3) 模板尺寸设为5×5，也可自己设定 4) 图像边缘缺失部分使用对称方法补足 51141671 81 91 71819151141611 21 31 1121311121511471 81 71 51113121161481 311691 91 1471 81 51718171 51711481 91 1691811691 91
2． 算法实现流程： 1) 读入图像函数：imread()，中值滤波函数：medfilt2()； 实验2：对图像进行灰度变换操作 1．操作步骤： 1) 原图像灰度范围[50 150]内的像素灰度值转成[10 250]范围； 2) 原图像灰度范围[50 150]内的像素灰度值转成[20 200]范围； 2.算法实现流程： 源代码： clear;clc; iptsetpref('ImshowBorder','tight'); I = imread('C:\Documents and Settings\nupt\桌面\4.bmp'); J = imnoise(I,'gaussian',0.02,0.02); K = medfilt2(J,[5,5]); figure,imshow(I),title('原图'); figure,imshow(J),title('高斯噪声'); figure,imshow(K),title('中值滤波'); f (x , y ) a m b n g (x , y ) ?? ?? ???>≤≤+---<=b y x f n b y x f a m a y x f a b m n a y x f m y x g ),( ),( ]),([),( ),(
光磁共振 (大学物理学院 210000) 摘要：光磁共振是利用光抽运的方法，进一步提高磁共振灵敏度的技术。本实验依据光磁共振技术，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。 关键词：光磁共振；光抽运；磁共振；塞曼效应；塞曼子能级；地磁场；朗德因子 一、实验目的 1. 掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。 2. 测定銣原子87Rb 和85Rb 的参数：基态朗德因子F g 和原子核的自旋量子数I 。 3. 测定地磁场 B 地的垂直分量B 地垂直、水平分量B 地水平 及其倾角θ。 二、实验原理 光磁共振技术是根据动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。 1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第五壳层，主量子数n=5,电子轨道量子数L=0,1,2,3…,n-1,电子自旋S=1/2。铷原子中价电子的轨道角动量L P 和自旋角动量S P 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量J P ，其数值 ,,1,,J P J L S L S L S ==++-???-。当不考虑铷原子核的自旋时，铷原子总 磁矩2J J J e e g P m μ=-，其中,e e m -分别为电子的电荷、质量。朗德因子 (1)(1)(1) 12(1) J J J L L S S g J J +-+++=++ 从而形成原子的超精细结构能级，这时，铷原子的基态能级21 S J n S +对应于n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为212 5S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级 21S J n P +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为212 5P 和232 5P ，相应的朗德因 子24 ,33J g = 。221322 55P S →的能级跃迁产生光谱线1D 线(1794.76nm λ=)；22332 2 55 P S →的跃迁产生光谱线2D 线（2780.0nm λ=）。本实验观测与1D 线有关的能 级的超精细结构及其在弱磁场中的塞曼分裂。 通常原子核也具有角动量，记原子核的总角动量为P ，它是核中质子和中子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和，核的总角动量的数值I P = ，通常也称为核自旋，其中I 称为核的自旋量子数，I 为整数或半整数，已知稳定的原子核的I 值在0~7.5之间。核的总角动量I P 的最大可测的分量值为I 。当0I ≠时，原子核的总磁矩为
铷原子的光泵磁共振实验 学号 姓名： 实验日期： 指导老师： 【摘要】 在本实验中我们运用光泵磁共振技术，研究了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，最终测量得87 Rb 的朗德F g 因子为0.4981，85Rb 的朗德F g 因子为0.3348，以及地磁场的大小为0.4245GS. 关键词：光抽运、磁共振、超精细结构、塞曼子能级、朗德F g 因子 一、引言： 光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级或塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术实际上是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，它是1955年法国科学家卡斯特勒（A.Kastler ）发明的。在光泵磁共振技术中，一方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布，使更多的粒子参与磁共振；另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探测灵敏度提高了七八个数量级。如今，光泵磁共振已广泛应用于基础物理研究，比如原子的磁矩、能级结构和g 因子测量。此外，在原子频标、激光及弱磁场测量等方面，这一方法也是极为有利的实验手段。 本实验研究铷原子的光泵磁共振现象，并测量铷原子的朗德g 因子和地磁场强度。 二、 原理: 实验研究的对象是Rb 原子，其最外层有一个价电子，位于5s 能级上，因此其电子轨道角动量量子数L=0,电子自旋轨道角动量量子数s=1/2.其总角动量量子数 s L S L S L J --++= ,1,。所以Rb 原子的基态只有2/1=J ，标记为2/125S 。5P 与基 态5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。2 /12P 5到 2 /12S 5的跃迁 产生的谱线为D1线，波长是794.8nm ；2 /12P 5到 2 /12S 5的跃迁产生的谱线为D2线，波长是 780.0nm 。 在核自旋I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量和原子的总磁矩的关系为 2J J J e e g P m μ =- (1)
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名 同组者： 教师： 核磁共振实验 【实验目的】 1、理解核磁共振的基本原理； 2、理解磁体的中心频率和拉莫尔频率的关系，并掌握拉莫尔频率的测量方法； 3、掌握梯度回波序列成像原理及其成像过程； 4、掌握弛豫时间的计算方法，并反演 T1和T2谱。 【实验原理】 一．核磁共振现象 原子核具有磁矩，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向B 0作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图1所示。 图1 质子磁矩的进动 在主磁场中，宏观磁矩像单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor ）方程：. 0/2f B γπ= 二、施加射频脉冲后(氢)质子状态 当生物组织被置于一个大的静磁场中后，其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态。施加的射频脉冲越强，
持续时间越长，在射频脉冲停止时，M离开其平衡状态B0越远。 如用以Ｂ０为Ｚ轴方向的直角座标系表示Ｍ，则宏观磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而纵向磁化矢量Ｍｚ＝０，横向磁化矢量Mxy最大，如图2所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加180°脉冲后，Ｍ与Ｂ０平行，但方向相反，横向磁化矢量Ｍｘｙ为零，如图3所示。 图2 90°脉冲后横向磁化矢量达到最大 图3 180°脉冲后的横向磁化分量为0 三、射频脉冲停止后（氢）质子状态 脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当90°脉冲停止后，Ｍ仍围绕Ｂ０轴旋转，Ｍ末端螺旋上升逐渐靠向Ｂ０，如图4所示。 图4 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 1. 纵向弛豫时间（T1） 90°脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时
光磁共振实验预习报告 【摘要】 光磁共振是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构塞曼能级间的磁共振。实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，进而测定铷原子两个同位素Rb 87 或Rb 85 的超精细结构塞曼子能级的朗德因子g 的测量。 【关键字】 光磁共振 精细结构 铷原子 朗德因子 【引言】 光磁共振是“激光之父”卡斯特勒提出并实现。它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman 能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann 分布。然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动，使光的抽运速率变化。通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构。 由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观察。 1950年卡斯特勒(A.Kastler)提出了光抽运方法（又称光泵），使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖。 【正文】 一、实验原理 1. 铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级 铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。基态的L=0, 最低激发态的L=1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（既L —S 耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。电子轨道角动量L P 与其自旋角动量S P 的合成电子的总角动量S L J P P P +=。 原子能级的精细结构用总角动量量子数J 来标记，J=L+S ，L+S-1，…，|L-S |.对于基态， L=O 和S=1/2,因此Rb 基态只有J=1/2。其标记为521/2S 。铷原子最低激发态是 3/22P 5及1/22P 5。1/22P 5态的J=1/2， 3/22P 5态的J=3/2。5P 于5S 能级之间产生的跃迁是 铷原子主线系的第1条线，为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。1/22P 5→1/22S 5跃迁产
实验 光泵磁共振实验 在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。 光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。 三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。 本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。它是典型的波谱学教学实验之一。 实验原理 1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级 本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子Li 、Na 、K 一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。铷的价电子处于第五壳层，主量子数n = 5。n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。 由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P +=。原子能级的精细结构用总角动量量子数J 标记， J =L +S ，L +S -1，……，|L -S |。对基态，L ＝0和S ＝1／2，因此Rb 基态J =0+1/2=1/2。其标记为 52S 2/1。Rb 最低激发态，L =1和S =1/2，因此J =1/2 和J =3/2，是双重态：52P 1/2和52P 3/2。5P 与5S 能级之间产生跃迁是Rb 原子主线系第1条线， 为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。52P 1/2 →52S 1/2跃迁产生波长为7947.6?为D 1谱线， 52P 3/2→52S 1/2跃迁产生波长为7800A 为D 2谱线。
光泵磁共振实验数据处理
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光泵磁共振实验数据处理 观察光泵磁共振现象: 测量超精细结构因子及地磁场水平分量 、原始数据处理 水平场 电流I /mA B 直/ T (Ru85)/ K Hz (R u 8 7)/KH z 扫场方向 扫场方向 平均值 扫场方向 扫场方向 平均值 30 0 0.0 0 7 7 62.5 1 3 50 0. 3 947 87 06 400 0. 5 104 8 976.5 8. 5 450 0. 12 1 1 62 1 087 1. 5 5 0 0 0 . 22 127 2 11 9 7 1 6 89 1 90 3 1796 550 0. 3 6 20 6 1 1 953.5 其中，外加水平直流场 B 直 二16厂N 10 7T 5 r
、R u85数据线性拟合处理 1、线性拟合结果 Ru85数据线性拟合图 拟合结果为：=1 1 0. 2 2 0+ 4.682 106 B 直 KHz 2、根据二K+AB 直 得出 K=11 0.2 20, A = 4.682 1 06 。 /KHz 1300 - Equati on y = a + b*x Adj. R-Square 0.99996 Value Sta ndard Error A In tercept 110.22036 2.77776 A Slope 4.68175E6 13819.42851 1200 一 1100 1000 900 - 800 0.00014 0.00016 0.00018 0.00020 0.00022 0.00024 /T
核磁共振成像实验 【目的要求】 1.学习和了解核磁共振原理和核磁共振成像原理； 2.掌握MRIjx 核磁共振成像仪的结构、原理、调试和操作过程； 【仪器用具】 MRIjx 核磁共振成像仪、计算机、样品（油） 【原 理】 磁共振成像（MRI ）是利用射频电磁波（脉冲序列）对置于静磁场B 0中的含有自旋不为零的原子核（1H ）的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈检测技术获得物质的组织驰豫信息和氢质子密度信息（采集共振信号），用梯度磁场进行空间定位、通过图像重建，形成磁共振图像的方法和技术。 具体的讲，核磁共振是利用核磁共振现象获取分子结构、样品内部结构信息的技术。当具有自旋的原子核的磁矩处于静止外磁场中时会产生进动和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋的原子核会吸收特定频率的无线电射频电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。在停止射频脉冲后，原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被物体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就是做核磁共振成像过程。 MRI 的特点： ● 具有较高的物质组织对比度和组织分辨力，对软组织分辨率极佳，能清晰地显示软组织、软骨结构，解剖结构和医学上的病变形态，显示清楚、逼真。 ● 多方位成像，能对被检查部位进行横断面、冠状面、矢状面以及任何斜面成像。 ● 多参数成像，获取T 1加权成像（T 1W1）：T 2加权成像（T 2W2）、质子密度加权成像(PDW1)，在影像上取得物质的组织之间、组织与变化之间T 1、T 2和PD 的信号对比，在医学上对显示解剖结构和病变敏感。 ● 能进行形态学、功能、组织化学和生物化学方面的研究。 ● 以射频脉冲作为成像的能量源，不使用电离辐射，对人体安全、无创。 一、核磁共振原理 产生核磁共振信号必须满足三个基本条件：（1）能够产生共振跃迁的原子核；（2）恒定的静磁场（外磁场、主磁场）B 0；（3）产生一定频率电磁波的交变磁场，射频磁场（RF ）；即：“核”：共振跃迁的原子核；“磁”：主磁场B 0和射频磁场RF ；“共振”：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。 1. 原子核的自旋和磁矩 原子核由质子和中子组成，原子核有自旋运动，可以粗略的理解为原子核绕自身的轴向高速旋转的运动，对应有确定的自旋角动量，反映了原子核的内禀特性。自旋的大小与原子核中的核子数及其分布有关，质子数和中子数均为偶数的原子核，自旋量子数I=0，质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数，质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。原子核自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I 决定， )(1+=I I l I 。 原子核具有电荷分布，自旋时形成循环电流，产生磁场，形成磁矩，磁矩的方向与自旋角动量方向一致，大小I P γγμ==，P 是角动量，γ是磁旋比，等于
25P 1 2 794.76nm 780.0nm Fig.1 铷原子精细结构的形成 光磁共振讲义 一、 讲课形式（时间安排） 40分钟理论及相关知识的讲述，15分钟仪器介绍及操作演示。 二、 教学要求 1 通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识； 2 掌握光磁共振的实验技术； 3 测定铷原子的g 因子和测定地磁场。 三、 实验原理 1．概念介绍 1) 光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成 期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。 2) 如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采 用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。 3) 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精 细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、 因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。 2．铷原子的能级分裂（精细结构的形成） 1) 研究对象：铷（Rb ）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子 数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2 2) 原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S 耦合） 发生能级分裂 3) 铷原子基态与最低激发态的形成：用J 表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S| 4) 对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记 为21/25S ；对于最低激发态，L=1，S=1/2， 得J=3/2,1/2，标记为22 3/21/25,5P P ，如右 图所示，形成两条谱线。
扬州大学物理科学与技术学院 近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量 班级：物教1301班 姓名：钟浩鹏 学号：130801131 指导老师：王文秀
光泵磁共振实验报告 摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field. 关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场 一、引言 光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有两种同位素： 85 Rb（丰度为72.15%）、87 Rb（丰度为27.85%）。 二、实验原理 1．铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。 图1 Rb原子精细结构的形成 在L—S耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，如图1所示，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm。
电子科技大学生命科学与技术学院标准实验报告 （实验）课程名称《医学成像技术》 电子科技大学教务处制表
电子科技大学 实验报告 学生姓名：陈睿黾学号：2209101028指导教师：廖小丽 实验地点：人文楼418 实验时间：2006.6.2 一、实验室名称：医疗仪器实验室 二、实验项目名称：傅立叶变换核磁共振一维、二维成像 三、实验学时：4学时 四、实验原理： 利用样品的原子核在梯度磁场及高频电磁场的激励下产生的自发辐射信号的频率和相位因空间位置不同而不同来进行成像。 五、实验目的： 对磁共振成像整个过程进行了解，同时对每一个参数改动后对磁共振信号及图像影响的效果有直观的认识，了解一维、二维成像原理，进一步熟悉磁共振成像原理。 六、实验内容： 采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各参数对一维成像的影响进行观察。 了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。了解瞬间梯度场的梯度大小和瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。 七、实验器材： GY-CTNMR-10KY核磁共振成像实验仪、计算机、注油三孔实验样品 八、实验步骤： 1．按实验要求连线。 2．开机预热。
3．将注油三孔样品放入样品池中，打开磁共振成像软件，设置共振频率：按下“参数设置”页面再按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换的频谱图，调节“频率设置”中间的按钮，直至出现波形符合预期目标的图形。 4．调节匀场：分别调节电源上匀场调节电位器并同时调节软件中的XY 匀场至傅立叶频谱图中峰最尖锐最高信号最长，适当调节共振频率，使波形看上去尽量平滑。 5．设置Z 梯度场和一维成像：调偏Z 匀场调节使峰变宽变低，同时出现Z 轴线上投影的一维成像信号。调节Z 梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间。 6．二维磁共振成像记录：按下“成像记录及操作”，然后按下“记录”等待2分钟，记录结束计算机会提示结束并且“采集”不再闪动。按下“二维傅立叶变换”这时你调节“行选择”可以看到每一列二次傅立叶变换的谱图。按下“成像彩色显示”即可得到所需的成像彩色密度图。 九、 实验数据及结果分析： 1．一维成像： 开机预热，磁铁温度在34.62℃，匀场电流为19.4mA 。 放入注油三孔样品，打开核磁共振成像软件，调节共振频率及相关参数，通过观察，发现在第一脉冲宽度为12S μ、第二脉冲宽度为24S μ、脉冲间隔为15mS 、XY 匀场电流分别为38mA 、5mA 、共振频率在18.7402MHz 附近时波形较好、噪声较小。 观察自由衰减信号及其频谱，逐渐加大梯度场观察到信号及频谱的变化，在无梯度场时无法区分任何空间信息，如图（1）。
光泵磁共振实验报告 摘要：在本实验中，我们通过设置和调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德g 因子。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。再者，由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。在实验过程中掌握了光泵磁共振的基本原理。 关键词：抽运，光泵磁共振 一、引言 光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。本实验研究Rb 原子的光泵磁共振现象，天然Rb 有两种同位素： 85 Rb （丰度为72.15%）、87 Rb （丰度为27.85%）。 二、实验原理 1．铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %和85Rb ，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。 在L —S 耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，如图B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm 和780.0nm 。 通过L —S 耦合形成了电子的总角动量PJ ，与此相联系的核外电子的总磁矩 J μ为 2J J J e e g P m μ=- 式中 图B4-1 Rb 原子精细结构的形成
泸州医学院 本科学生设计性实验报告 专业年级班级 组长姓名 小组成员 课程名称 时间 实验设计方案： 篇二：标准实验报告格式(医学成像技术) 电子科技大学生命科学与技术学院 标准实验报告 （实验）课程名称《医学成像技术》 电子科技大学教务处制表 电子科技大学 实验报告 学生姓名：陈睿黾学号： 2209101028 指导教师：廖小丽实验地点：人文楼 418 实验时间：2006.6.2 一、实验室名称：医疗仪器实验室 二、实验项目名称：傅立叶变换核磁共振一维、二维成像 三、实验学时：4学时 四、实验原理： 利用样品的原子核在梯度磁场及高频电磁场的激励下产生的自发辐射信号的频率和相位 因空间位置不同而不同来进行成像。 五、实验目的： 对磁共振成像整个过程进行了解，同时对每一个参数改动后对磁共振信号及图像影响的 效果有直观的认识，了解一维、二维成像原理，进一步熟悉磁共振成像原理。 六、实验内容： 采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各参数对 一维成像的影响进行观察。 了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。了解瞬间梯度场的梯度大小 和瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。 七、实验器材： gy-ctnmr-10ky核磁共振成像实验仪、计算机、注油三孔实验样品 八、实验步骤： 1．按实验要求连线。 2．开机预热。 3．将注油三孔样品放入样品池中，打开磁共振成像软件，设置共振频率：按下“参数设 置”页面再按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换 的频谱图，调节“频率设置”中间的按钮，直至出现波形符合预期目标的图形。 4．调节匀场：分别调节电源上匀场调节电位器并同时调节软件中的xy匀场至傅立叶频 谱图中峰最尖锐最高信号最长，适当调节共振频率，使波形看上去尽量平滑。 5．设置z梯度场和一维成像：调偏z匀场调节使峰变宽变低，同时出现z轴线上投影的 一维成像信号。调节z梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间。 6．二维磁共振成像记录：按下“成像记录及操作”，然后按下“记录”等待2分钟，记