CC BY
26
иностр. лит-ры, 1960. — 886 с.
5. Ляв, А. Математическая теория упругости [Текст] / А. Ляв; пер. с 4-го англ. изд. Б.В. Булгакова, В.Я. Натанзона.—М.,Л.: Объед. научн.-техн. изд-во НКТП СССР, 1935. - 674 с.
6. Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле [Текст] / С.П. Тимошенко, Д.Х. Янг, У. Уивер; пер. с англ. канд. физ.-мат. н. Л.Г. Корнейчука под ред. чл.-кор. АН СССР Э.И. Григолюка. - М.: Машиностроение, 1985. — 472 с.
7. Геофизические методы исследования скважин.
Справочник геофизика [Текст] / Под ред. В.М. Запорожца. — М.: Недра, 1983. — 591 с.
8. Молотков, Л.А. Колебания цилиндрической оболочки, заполненной жидкостью и помещенной в упругую среду [Текст] / Л.А. Молотков, П.В. Крау-клис // Прикладная математика и механика. — 1967. — Т. 31, № 5. — С. 910 — 913.
9. Крауклис, П.В. К теории сейсмического каротажа в обсаженных скважинах [Текст] / П.В. Крауклис, Л.А. Молотков// Изв. АН СССР. Физика земли.— 1968. — № 9. — С. 39 — 46.
УДК 539.184
Е.Н. Пестов
ЗАНУЛЕНИЕ СИГНАЛОВ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА ПРИ ОПТИЧЕСКОЙ ЛАМПОВОЙ НАКАЧКЕ АТОМОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ В ЯЧЕЙКАХ СО СТЕНОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ
При изучении процесса оптической спиновой ориентации ^2-линией атомов 133С8 в основном состоянии 2^1/2 в ячейках, содержащих также буферный газ, Дж. Фрике и Дж. Хаас в 1966 году экспериментально обнаружили при определенном давлении газа Р'0 явление «зану-ления» сигнала магнитного резонанса [1] на зеемановских переходах сверхтонкого (СТ) уровня с большим значением полного углового момента атома ^ = I + / = 4. Аналогичные результаты были получены и для атомов 23№ [2].
В 1970-х гг. А. И. Окуневичем с сотрудниками [3 — 5] были выполнены исследования этого эффекта зануления также сигналов Sz (сигналов населенности) при оптической накачке изотопов рубидия 87ЯЪ и 85ЯЪ, различающихся величиной спина ядра: I = 3/2 и I = 5/2, соответственно. В работах [3—5] наиболее полно раскрыта сущность этого эффекта. Были получены важные сведения о столкновитель-ных процессах в возбужденном состоянии 2Р3/2. Для обоих изотопов были найдены точки зануления сигнала с характерными давлениями Р'0 для легких (Не, Аг) и тяжелых (Кг, Хе)
инертных газов, а также сечения полной дезориентации моментов атомов рубидия в возбужденном состоянии 2Р3/2 на основе значений Р'0. Интересные результаты были получены по занулению сигнала магнитного резонанса на СТ-переходах атомов 133С8 [6] в зависимости от изменения давления буферных газов при накачке ^-линией. Необходимо обратить внимание на следующие данные, полученные в работе по исследованию накачки атомов 87ЯЪ [4].
1. Спиновая поляризация в точке Р'0 зануления сигнала на верхнем СТ- уровне ^ = 2 отсутствует, т. е. момент = 0 и сигнал 2 (87ЯЪ) = 0.
2. В окрестности точки Р'0 зануления сигнала Бг 2 (87ЯЪ) на верхнем СТ-уровне ^ = 2 основного состояния 2Б1/2 происходит изменение (инверсия) знака намагниченности в спин-системе, т. е. замена + — М , которое связано с преобразованием населенностей в возбужденном состоянии 2Р3/2 из-за столкновений атомов рубидия с инертными газами.
3. Зануление сигнала магнитного резонанса 1 (87ЯЪ) не наблюдалось на нижнем СТ- уровне (^ = I- / = 1).
В начале 70-х годов автор настоящей статьи также наблюдал эффект занулення, но другого типа, который был обнаружен для Sx 4-сигнала (сигнала когерентности) на СТ-уровне Fg = 4 в цезиевом магнитометре в автоколебательном режиме, использующем ячейку с парафиновым покрытием и накачку атомов цезия двумя линиями (D1 + D2).
Этот эффект затем проявился и в исследованиях нами смещений зеемановских подуровней в атомах щелочных металлов, в частности, в цезиевом магнитометре в режиме автоподстройки частоты. При изменении температуры t, °С (в дальнейшем t°) наблюдалась необычная ситуация. В некоторой точке t°ero сигнал испытуемого 133С8-магнитометра также становился равным нулю при накачке двумя линиями (D1 + D2), т. е. Sx 4 = 0. Все параметры, а именно: свет накачки и его о +-поляризация, канал резонансного поля H1(t), каналы фотоприемного устройства и обратной связи находились в норме, а ожидаемый сигнал Sx 4 на частоте резонанса ю = ю0 отсутствовал полностью. Но при повышении температуры относительно этой точки t°ero сигнал Sx 4 появлялся и начинал круто возрастать.
Полученная нами температурная зависимость с проявлением зануления Sx 4-сигнала когерентности в 133С8-ячейках с покрытием не поддавалась ясному объяснению, поскольку она не вписывалась в рамки уже известного эффекта [1 — 5], наблюдаемого в ячейках с буферным газом при накачке D2-линией, где зануление сигнала намагниченности Sz было обусловлено столкновительными процессами в возбужденном состоянии 2P3/2.
Это побудило нас провести широкие экспериментальные исследования обнаруженного нового эффекта зануления Sx- и ¿.-сигналов при ламповой накачке двумя линиями (D1 + D2) и отдельно каждой из них (D1, D2) в ячейках с покрытием с использованием различных щелочных атомов для выявления физической природы данного явления, что и явилось целью данной работы.
На основе выполненных нами исследований установлена особая роль D2^hhhh в возникновении эффекта зануления разных сигналов магнитного резонанса в ячейках с антирелаксационным стеночным (АРС) покрытием в зеема-
новской структуре верхнего СТ-уровня (¥ = I+ X) основного состояния 2^1/2 атомов щелочных металлов.
При анализе результатов исследований мы пришли к заключению, что в ячейках с АРС-покрытием главным фактором эффекта зануления сигналов резонанса является действие циклических переходов _02-линии, выражающееся в особенности детектирования ими магнитного резонанса в совокупности со спин-обменными процессами в основном состоянии 2Sl/2. Эта особенность проявляется наиболее ярко при распространении света ^2-линии через атомный газ в процессе изменения температуры газа в ячейке (или в лампе накачки). Первая информация о результатах исследований приведена в работе [7].
Следует отметить, что циклические (оптические) переходы в СТ-структуре атомов начали активно упоминаться с начала 80-х годов прошлого столетия в связи с исследованиями, связанными с применением появившихся полупроводниковых лазеров для атомно-лучевых стандартов частоты, прежде всего цезиевых и рубидиевых. Циклические переходы характеризуются тем, что атом длительное время может не покидать состояние «возбуждение-переизлучение» с определенными квантовыми числами, находясь в основном ^Fg^^ и оптически
возбужденном ) СТ-состояниях. Анализ
энергетических уровней оптических переходов главного дублета (Л1- и ^2-линии) атомов щелочных металлов показывает, что циклические переходы могут быть только в СТ-структуре ^2-линии. Таких СТ-переходов два. Для атомов 87ЯЪ циклическими СТ-переходами являются ^ = 2) ^ е = 3 и ^ = 1) ^ \Ре = 0). Согласно правилам отбора, атом многократно возбуждается и переизлучает на этих переходах, образуя замкнутый цикл. Данное свойство многократной циркуляции атомов на этих переходах используется на практике для эффективности регистрации эталонного 0-0-резонанса в атомном пучке квантовых стандартов частоты [8]. Атомы 87ЯЪ, находясь в режиме циклического перехода ^ = 2) = 3), могут выходить из
этого цикла, переходя на нижний СТ-уровень ^ = 1 в основном состоянии ^1/2. Это происходит, как будет показано ниже, вследствие
спин-обменных взаимодействий атомов в основном состоянии 2Sl/2, которые уменьшают коэффициент цикличности.
Наблюдение зануления сигналов магнитного резонанса в ячейках с покрытием при накачке атомов рубидия двумя линиями + D2)
Для выяснения роли каждой из оптических и Б2-линий в занулении сигналов магнитного резонанса был проведен эксперимент по накачке и регистрации атомов 87ЯЪ двумя линиями + Б2) [7].
Обозначим сигналы, характеризующие магнитный резонанс:
£х 2 (ю0) — сигнал когерентности;
— сигнал первой производной контура сигнала магнитного резонанса;
¿аЬ8 — сигнал, который отражает контур поглощения света (АЛ) в момент резонанса.
Далее частоты ю0, О, приведенные в скобках, опускаем для упрощения обозначений.
Наблюдение величины ^ 2-сигнала в зависимости от изменения температуры ячейки ^ выполнялось по известной однолучевой схеме в магнитном поле Земли с величиной индукции В0 ~ 0,515 Гс. Поляризованный а +-свет и Б2-линий был направлен вдоль оси X и проходил через цилиндрическую 87ЯЪ-ячейку диаметром 40 мм и длиной 50 мм. В качестве АРС-покрытия в ячейках использовался высокомолекулярный парафин типа Сп Н2п+2. Вектор земного поля В0 находился в плоскости 2Хи составлял угол а ~ 40 ° по отношению к оптической оси X. Резонансное поле Н1(^) = Н1созы^ было направлено по оси У. На выходе фотоприемного устройства (ФПУ), установленного после ячейки, в условиях резонанса возникал сигнал ¿х,2 на частоте перехода между зеемановскими подуровнями (ю = ю0). ФПУ был подключен ко входу малошумящего измерительного усилителя, что позволяло проводить прямые измерения сигнала ^ 2. Для наблюдения Л -сигнала включалось слабое модулирующее поле Н2(0 = Н2 ътМ, направленное параллельно В0. На выходе ФПУ возникал сигнал модуляции SX2 (о). Он подавался на измерительный вход синхронного детектора, выходной сигнал которого (^2) показывал величину изменения интенсивности поглощенного света АЛ, а
фаза сигнала — знак изменения света при прохождении резонанса. Это позволяло при каждой температуре наблюдать либо сигнал с контуром поглощения ¿аЬс (—АЛ), либо сигнал с контуром «испускания» ¿аЬс (+АЛ). В первом случае свет накачки при магнитном резонансе дополнительно поглощался и ячейка «затемнялась» (—АЛ). Во втором случае ячейка просветлялась (+АЛ), ее прозрачность возрастала при прохождении резонанса. Сигналы £2, Л , БаЬс снимались последовательно. При измерении величины сигнала когерентности £2 модулирующее поле Я2(0 выключалось. В итоге наблюдалось три сигнала: ¿X 2 — на частоте резонанса зеемановского перехода ю0 ~ 360 кГц, затем сигналы на частоте 0/2л = 21 Гц и, наконец, ¿аЬс при прохождении контура резонанса.
Результаты эксперимента и их обсуждение
На рис. 1 представлена температурная зависимость сигнала когерентности £х 2 ячейки с АРС-покрытием, полученная при облучении атомов 87ЯЪ двумя линиями (Б + Б2). Отметим основные особенности ¿х 2-сигнала.
1. Сигнал ¿X 2 на частоте резонанса ю0 становится равным нулю при температуре ~ 24 °С. В этой точке сигналы 5^2 и также равны нулю.
Рис. 1. Температурная зависимость сигнала магнитного резонанса атомов 87ЯЪ, полученная при их
облучении двумя линиями (Б1 + Б2). Эффект зануления сигнала наблюдается при температуре
I° =24 °С
17вЮ
2. В области температур 1° < 11его ячейка имеет положительную прозрачность (просветление) при прохождении резонанса и наблюдается контур линии «испускания» (+ДД). При температурах 1° > 1°000 имеет место «затемнение» ячейки и наблюдается обычный контур поглощения (—АЛ). В точке 1°еоо наступает равенство величин сигналов испускания и поглощения, т. е. +ДЛ = —ДА В результате все сигналы, характеризующие условие магнитного резонанса, а именно Бх 2, S,(12, $аЬ;1, становятся равными нулю.
3. Экспериментально установлено, что, если при температуре 1°000 разместить Л1-фильтр после ячейки, то регистрируются все три сигнала.
Описанные особенности означают, что в точке зануления сигналов 1°000 спиновая поляризация существует, другими словами, компонента намагниченности М, ф 0 и компонента когерентности Ых ф 0 (в отличие от работ [1 — 5], в которых в точке зануления сигнала М, = 0). Из этого факта (п. 3) можно заключить, что при накачке и регистрации двумя линиями ф1 + Л2) в ячейках с АРС-покрытием сигналы поглощения, регистрируемые каждой оптической линией Б1 и имеют противоположные знаки. В результате при изменении температуры ячейки полу-
,о
чаем в некоторой точке 1геоо нулевой суммарный сигнал магнитного резонанса в структуре верхнего СТ- уровня ^ = 2 атомов 87КЪ.
Роль оптических - и Вг -линий в занулении сигналов резонанса
Методика измерений. В отличие от описанной выше схемы измерений была использована схема наблюдения 2-сигнала компоненты намагниченности М . Этот сигнал имеет преимущество перед Бх 2 благодаря бульшему отношению сигнал/шум. В результате появлялась возможность наблюдать магнитный резонанс при низких температурах: в окрестности 0 °С для 133С8-ячейки, при 4 °С для 87КЪ-ячейки и при 10 °С для ячеек с изотопами калия 39К и 41К. Цилиндрические ячейки со стеночными покрытиями имели диаметр 40 мм и длину 50 мм. Оптическая ось Z экспериментальной
S22, мкВ
200 150 100 50
/ / / / -А А / / -А А
/ / / / / / / / Р/ / б ' /! • / ' ' г/ \ / \
У у;' i ■ i . ■ т i i-1-1-1
10
20
30
40
Рис. 2. Зависимости интенсивности 5^-сигналов от температуры ячейки с АРС-покрытием при накачке и регистрации сигнала резонанса 87ИЬ-атомов D1 -линией. Величина фототока I01 для Dj-линии на входе ячейки составляла 20 (1) и 30 (2) мкА
установки выставлялась коллинеарно направлению вектора поля Земли B0.
Для получения температурной зависимости величины сигнала Sz 2 по оси /вводилось резонансное поле H1(t) с амплитудной модуляцией:
H1(t) = H1[1 + msinQt] cos(rat + Ф0),
где глубина модуляции m составляла около 80 %. Применялись две частоты модуляции: Q/2% =21 или 80 Гц.
Последовательность наблюдения сигналов Sz 2, Sd и Sabs в данной схеме измерений была аналогична таковой для сигналов когерентности Sx 2, SX12, Sabs. Вначале подавалось резонансное поле H1(t) и измерялась величина сигнала намагниченности Sz 2. Затем амплитудная модуляция поля H1(t) отключалась и параллельно оси Z (B0) включалось слабое модулирующее поле H2(t) для наблюдения двухдругих сигналов: S(2 и Sabs.
На рис. 2 и 3 приведены зависимости Sz 2-сигналов от температуры ячейки поглощения в диапазоне 4 — 48 °C для D1- и ^2-линий при различных интенсивностях света накачки: I01 и I 0 2, соответственно.
Обсуждение результатов
Накачка и регистрация сигнала flj-лииией.
Важно отметить, что в данном случае эффект зануления сигнала не наблюдается.
-1—^-1-■-1-■-г
О 10 10 20 24 30 40 /,°С Рис. 3. Зависимости 51 ^-сигналов от температуры ячейки с АРС-покрытием при накачке и регистрации
сигнала резонанса 87КЪ-атомов Б2 -линией. Величина фототока ^ для Б2-линии на входе ячейки составляла 20 (1), 30 (2), 40 (3), 50 (4) мкА .
Л, В, С, Б — точки зануления $(1) -сигнала первой производной, в окрестности которых поглощение света (ДЛ) при резонансе меняется на противоположное
На рис. 2 представлены зависимости Б2-сигнала от температуры 87КЪ-ячейки при разной интенсивности ^ 1 света Б1-линии. Они имеют традиционный характер без каких-либо особенностей. -сигнал показывает обычный контур поглощения света при резонансе (—АЛ). Коэффициет преобразования оптической мощности фотодиода в ток на Б1- и Б2-линиях составлял ~ 1 мВт/0,5 мА.
Как известно, некоторые теоретические вопросы взаимодействия щелочных атомов с резонансным светом Б1-линии были рассмотрены в работе В.Н. Ребане [9]. В этой работе утверждалось положение о неизменности соотношения интенсивностей СТ-компонент в Б1-линии при распространении ее излучения через атомный газ в условиях, когда меняются параметры системы, например температура атомного газа. Полученные нами экспериментальные данные (см. рис. 2) подтверждают это положение. Кроме того, отсутствие циклических переходов в СТ-структуре Б1-линии не дает оснований для наблюдения в ячейках с АРС-покрытием аномалий в сигналах магнитного резонанса в основном состоянии 2^1/2.
Накачка и регистрация сигнала Д2-линией. В
этом случае наблюдается зануление сигналов первой производной $^2 и поглощения БаЫ.
На рис. 3 приведено семейство зависимостей Sz 2-сигнала от температуры ячейки для разных значений интенсивности ^ 2 света Б2-линии, на которых отмечены точки зануления (Л, В, С, Б) сигналов $(12 ,
Для объяснения физической природы изучаемого здесь эффекта зануления сигналов магнитного резонанса в спин-системе атомов в основном состоянии 2^1/2 нами был проведен анализ двух циклических СТ-переходов
Б2 -ЛИНИИ = 2 ^\ре = 3 И = 1) ^= 3
атомов 87ЯЪ с учетом зеемановских подуровней
(т , т ). В результате в структуре цикличе-
Fg Ге
ского СТ-перехода |Fg = 2 ^ |Fе = 3 был установлен еще один циклический (зеемановский) переход. Таким переходом является
К = 2 т = 2 V
= 3, т = 3). Именно
е 7 с /
этот переход в Б2-линии является главным фактором, лежащим в основе наблюдения зануления сигналов магнитного резонанса и в совокупности с другими процессами позволяет дать объяснение физической природы обнаруженного эффекта зануления сигналов магнитного резонанса в ячейках с АРС-покрытием.
Особенность данного циклического (зее-мановского) перехода проявляется в том, что при индикации им магнитного резонанса вследствие многократности цикла возбуждение-переизлучение возникает просветление ячейки поглощения и ее прозрачность увеличивается в момент резонанса, имитируя контур «испускания» (+ДЛ). Соседние же оптические переходы с участием зеемановских подуровней в СТ- структуре, например перехода ^ = 2 ^ |Fе = 2), индуцируют сигнал с обычным контуром поглощения (—АЛ). При конкуренции этих двух процессов с ростом температуры ячейки растет и суммарный сигнал от них (Sz 2) до точки О (кривая 4на рис. 3), в котором вклад сигнала циклического зеемановского перехода
К = 2 тр = 2) о
я
= 3,т = 3) с много-
кратным циклом превалирует над сигналами от
е
зеемановских переходов внутри других СТ-переходов ^ = 2) ^ \¥е = 2), = 2) ^ \¥е = 1)
с однократным циклом.
С увеличением температуры наряду с нелинейным ростом плотности атомов в ячейке нарастает действие третьего процесса - увеличивается интенсивность спин-обменных взаимодействий в основном состоянии 1S1/2. Они, изменяя населенность СТ-уровня ¥ = 2, уменьшают и интенсивность связанного с ним циклического зеемановского перехода
^ = 2, = 2
•о-
¥е = 3, т = 3) в структуре
Б2-линии. В результате действия этих трех процессов после точки максимума сигнала Sz 2 (точка О на кривой 4рис. 3) происходит спад сигнала и возникновение зануления сигналов S ¡?2 и
Sabs в точке А при температуре 1°его = 27 °С. При
,0
дальнейшем увеличении температуры t > ^000 спин-системой формируются сигналы только с контуром поглощения (—АЛ) от Б2-линии.
На приведенных зависимостях сигнала резонанса £,,2 (^ °С) (см. рис. 3) видно, что при изменении интенсивности Б2-линии на 10 мкА точка зануления сигналов S (1)2 , Sabs сдвигается на 3 °С. Так что точкам зануления А, В, С, Б соответствуют значения температуры 1°его = 27, 30, 33, 36 °С. Слева отточек 1°ет (также, как и на рис. 1) наблюдается контур «испускания»
(+АЛ), справа — контур поглощения (—АЛ). В точках А, В, С, Б контуры испускания и поглощения компенсируют друг друга.
Для дополнительной проверки точек зануления сигналов S и Sabs было использовано
резонансное поле Н1 (0 с частотной модуляцией (ЧМ), аналогичное применяемому в стандартах частоты. При этом модулирующее поле Н2 (0 выключалось, и на спин-систему подавалось ЧМ-резонансное поле вида
н1 (г) = ^^[ю 0 г+k sin ( о г + ф 0)].
Как и ожидалось, - и Sabs-cигнaлы были равны нулю. Вторая гармоника сигнала Л Ц2 на
частоте 42 Гц (или 160 Гц) также была равна нулю.
На рис. 4 приведен пример изменения амплитуды и фазы сигнала первой производной Л Ц2
при изменении температуры ячейки в диапазоне 21 — 33 °С зависимости, представляющей особый интерес (рис. 3). В трех температурных точках показано прохождение резонанса при изменении частоты ю и отмечен момент резонанса ю0. Из рис. 4 видно, что в точке Л (при температуре г°ет = 27 °С) сигнал Л Ц2 становится равным нулю, а в окрестности этой точки фаза сигнала Л Ц2 меняется на л. Это означает, что одновременно меняется и поглощение света в момент резонанса на противоположное, т. е. +АЛ ^ —АЛ.
Рис. 4. Динамика изменения первой производной -сигнала магнитного резонанса атомов 87ЯЪ в диапазоне температур 21 — 33 °С на участке М — Л — N кривой 4 рис. 3. Накачка и регистрация сигнала Б2-линией
Накачка и регистрация сигнала двумя линиями (D1 + D2). Важно отметить, что в этом случае наблюдается зануление всех сигналов магнитного резонанса: Sx 2, S х2 , Sabs, а также Sz 2,
S(i И Sabs (СМ- РИС- 1)-
Из данных рис. 2 и 3 легко объясняется возникновение точки зануления сигнала когерентности Sx 2, представленное на рис. 1. Спектральные лампы, используемые на практике, в зависимости от режима их работы, имеют отношение интенсивностей излучения I01 : I02 ~ ~ 1 : 1,2 (+0,4) (по теоретическим расчетам оно должно быть 1 : 2). При заданном режиме работы спектральной лампы с учетом пропускной способности оптического канала (поляризатор, интерференционные фильтры и далее) интен-сивностям D1-линии на входе ячейки I01 = 20 и 30 мкА (см. рис. 2) соответствовали интенсивности Б2-линии I0 2 = 30 и 40 мкА (см. рис. 3). В точке Q (см. рис. 2) сигнал Sz 2 при накачке линией D1 (I0l = 20 мкА) и аналогичный ему сигнал Sz 2 (см. рис. 3) при накачке линией D2 (I0 2 = 30 мкА) становятся равными, но имеют разные знаки по поглощению света в момент резонанса: —ДА (D1) и +ДА (D2), соответственно. В результате возникает точка зануления t°ero ~ 24 °C (см. рис. 1; график соответствует интенсивностям D1- и D2^HHHfi: I01 = 20 мкА и I0 2 = 30 мкА). Имеется и вторая точка зануления — точка P при накачке двумя (D1 + D2)-линиями, которой соответствуют t°ero ~ 16 °C, I01 = 30 мкА и I0 2 = 40 мкА (для этой точки графика не приведено).
Укажем вопросы, которые представляет интерес для практических применений при ламповой и лазерной накачке D2^HHHefi:
исследование динамики точки зануления
тральной лампы накачки, например, для ячеек с изотопами 39K и 41K с разрешенной зееманов-ской структурой и разными временами релаксации Tj и т2 [10];
исследование точки зануления шумов лазерного излучения при накачке атомов D2-линией в результате действия циклических СТ-переходов и увеличение отношения сигнал/ шум на частоте эталонного 0-0-резонанса [8]. Эти вопросы находятся в стадии разработок.
eero (I0 2) ПРИ изменении режима работы спек-
В заключение сформулируем основные результаты и выводы работы.
1. При использовании ячеек поглощения с АРС-покрытием при определенной температуре 1°гего обнаружены зануления зееманов-ских сигналов компонент намагниченности
и когерентности Мх у при поляризационной (о +- или о ^-светом) оптической ламповой накачке и регистрации резонансов двумя линиями ф1 + Л2) атомов щелочных металлов 133С8, 85,87КЬ, 39,41К на верхнем СТ-уровне ^ = I + / основного п 2^1/2-состояния.
2. Наблюдаются зануления сигналов первой производной и поглощения на верхнем СТ-уровне ^ = I+J при накачке и регистрации резонансов одной Б2-линией в неразрешенной зеемановской структуре.
3. Не наблюдаются зануления сигналов магнитного резонанса на верхнем и нижнем СТ-уровнях основного п 2^1/2-состояния атомов при накачке и регистрации резонансов одной ^-линией в связи с отсутствием в ее структуре оптических циклических переходов.
4. Не наблюдается эффект зануления сигналов магнитного резонанса на нижнем СТ-ур овне ^ = I ~ J основного п 2^1/2-состояния атомов при накачке и регистрации резонансов одной В2- и двумя ф1 + Б2)-линиями в связи с отсутствием циклического зеемановского перехода с этого уровня.
5. В точке зануления сигналов поляризация в системе, т. е. моменты М^ и МХУ с их сигналами 5 и У, существует. Эти сигналы легко обнаружить, если зондировать спин-систему ^-линией.
6. Физическая природа зануления сигналов зеемановского резонанса связана с особенностью индикации оптическим циклическим (зе-
емановским) переходом
Fs = 2, m = 2 о
Ее = 3, тр = Зу в СТ-структуре D2 -линии,
который образует сигнал с контуром «испускания» (+Д4), означая просветление ячейки в момент резонанса. Соседние же СТ оптические (зеемановские) переходах этой линии формируют сигналы с контуром поглощения (—АЛ). Конкуренция этих процессов с участием спинового обмена в основном п 251/2-состоянии, снижающего интенсивность циклического зеемановско-
g
го перехода, п приводит при определенной температуре X7его к занулению сигналов магнитного резонанса.
Автор выражает признательность главному специалисту Российского института радионавигации и времени (РИРВ, г. С.-Петербург), кандидату технических наук А.Н. Бесединой и профессору кафедры квантовой электроники СПбГПУ, доктору физико-математических наук В. В. Семенову за плодотворное обсуждение результатов исследований.
Приложение
Инженерное применение результатов исследований
1. Регистрация сигналов зеемановского резонанса в квантовом магнитометре должна производиться с использованием только Б1 -линии.
2. Если условия эксплуатации квантовой системы магнитометра требуют использования однолучевой схемы с двумя ф1 + ^2)-линиями, то в этом случае необходимо получить зависимости, аналогичные рис. 3, а затем настраивать
магнитометр на режим работы при температуре в точке N (см. зависимость 4 на рис. 3), в которой сигналы резонанса от обеих линий суммируются, имея один знак по поглощению, —ДА.
3. Температурная зависимость сигнала Б2 (см. кривую 4на рис. 3) в диапазоне 21 — 33 °С весьма ярко демонстрирует некий «температурный резонанс» с экстремумом в точке за-нуления А (1°геоо = 27 °С). Зона неопределенности точки зануления, например Бх 2-сигнала (см. рис. 1) может достигать ~ 0,3 °С. Это означает, что точку 1°гооо, характеризующую действительную температуру атомного газа, а не баллона ячейки, можно использовать для бесконтактного измерения температуры, контроля и стабилизации ее в системе термоста-тирования дискриминатора квантового магнитометра.
4. В квантовом магнитометре требуется не допускать его работу при температуре 1°гооо, поскольку сигнал Б= 0 и режим автоподстройки в магнитометре работать не будет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Fricke, J. Inverse Grundzustand-Besetzung beim Optischen Pumpen mit D2-Licht [Text] / J. Fricke, J. Haas // Zeit. fuer Naturforsch.-1966.-Vol. 21a-S. 1319-1320.
2. Elbel, M. Excited-state mixing of sodium atoms by collisions with noble-gas-atoms [Text] / M. Elbel, W. Schneider // Proc. Intern. Conf. on Opt. Pumping, OPaLS-1968. Warszawa, Poland, 1969.-P. 193 - 209.
3. Житников, P.A. Перемешивание в возбужденном состоянии атомов 85Rb и 87Rb при оптической накачке в инертных газах [Tekct] / P.A. Житников, П.П. Кулешов, А.И. Окуневич // Phys. Lett.-1969.-Vol. 29А.-Р. 239 - 240.
4. Житников, P.A. Оптическая ориентация атомов 85Rb и 87Rb светом _02-линии и релаксация в 2P3/2 -состоянии [Tekct] / P.A. Житников, П.П. Кулешов, А.И. Окуневич [и др.] // ЖЭТФ.-1970.-Т. 58.-Вып. 3.-С. 831 -842.
5. Окуневич, А.И. Исследование эффектов, обусловленных столкновениями при оптической ориентации атомов рубидия и гелия-4 [Tekcr]: Автореферат дис. ... канд. физ.-мат. наук. /А.И. Окуневич. -Л.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР, 1976.-С. 1 - 14.
6. Горный, М.Б. Экспериментальное и теоретическое исследование радиооптического резонанса при
сверхтонкой накачке атомов цезия [Текст] / М.Б. Горный, Н.А. Доватор, Р.А. Житников [и др.] // Препринт № 1038.—Л.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР, 1986.—С. 45 - 51.
7. Пестов, Е.Н. Роль _02-линии при «вакуумной» оптической спиновой накачке в щелочных атомах. Сдвиги частоты магнитного резонанса [Текст] / Е.Н. Пестов // Всес. семинар по оптической ориентации атомов и молекул, ВСООАМ. Тез. докл. Л.,1986.-С. 42 - 43.
8. Besedina, A. Study of a 87Rb vapour discriminator with laser pumping for a high stability on board frequency standard [Text] /A. Besedina, O. Berezovskaya, V. Zhol-nerov [et al.] // Proc. Intern. Conf. of 21nd EFTF. Geneva, Switzerland.-2007.-P. 607 - 612.
9. Ребане, B.H. Расчет столкновительного уши-рения спектральных линий сверхтонкой структуры атомов [Tekct] / B.H. Ребане // Оптика и спектроскопия.-1977.-Т. 42.-Вып. 2.-С. 217 - 223.
10. Pestov, E.N. The features of 'Zeroing' effect for magnetic resonance signals when multi-frequency optical pumping alkali atoms by D2-line in cells with various type of wall coating [Text] / E.N. Pestov // Proc. Intern. Conf. of 22th EFTF. Toulouse, France.-2008.-P. 86 - 88.
