Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

гнитном поле некоторую преимущественную ориентацию, направ­ ление которой зависит от того, по какому кругу (правому или ле­ вому) был поляризован фотон.

С точки зрения «микроскопической» явление оптической накачки выглядит следующим образом.

Рассмотрим систему уровней, изображенную на рис. 22, б. Поскольку уровень 1S./, является основным, то на его подуровнях т = —7 2 и т = + 7 г можно наблюдать радиочастотный резонанс, если имеет место инверсная заселенность этих уровней, т. е. если

N (т = + 1/ 2)>М (пг = —7з)-

Пусть на данную систему падает монохроматическое излучение, которое может вызвать оптический переход с уровня 15і/. на уро­ вень 1 Я«/,. Поскольку величина магнитного расщепления лежит в радиодиапазоне, то ширина спектральной линии дублета много боль­ ше ширины интервала Е (т — + 7 г') '— Е (т = —7г)> поэтому воз­

что согласно правилам отбора для эффекта Зеемана в слабых полях Аj = 0;±1, причем А/ = 0 соответствует излучению (поглощению) линейнополяризованного света, а А/ = ± 1 соответствует круговой поляризации излученного (поглощенного) фотона).

Фотон, поляризованный по правому кругу, может вызывать пе­

ды возможны как на тот же самый подуровень cm — —1/ 2, так и на подуровень c m — + 7 2 уровня lSy.

Предположим, для простоты, что вероятности обратных перехо­ дов 1 Я,/, (т — + 7 2)~>15»/! (т = + 7 г) и ІЯ./, ( m = + 7 2)->- -►lSi/, (т = —7г) одинаковы. Тогда.очевидно, что с течением вре­ мени при отсутствии релаксационных явлений населенность под­

цессов установится некоторая равновесная инверсная заселенность магнитных подуровней уровня IS»/,, что даст возможность наблю­

Вернемся теперь к уравнениям Блоха и посмотрим, какие необ­ ходимо выполнить условия для того, чтобы можно было осуществить самовозбуждение инверсно-заселенной спиновой системы при на»

100

и

соответственно. (Здесь £х — коэффициент пропорциональности меж­ ду £/ и т х, т. е. /ех = —Uj тх, который можно назвать также ко­ эффициентом передачи цепи от фотодетектора до катушки.)

Рис. 23. Блок-схема однолу­ чевого квантового самогене-

рирующего магнитометра

НПФ

ПН

Нетрудно видеть, что для первого случая автоколебательный ре­ жим невозможен, поскольку коэффициент при 0 положителен.

Во втором случае коэффициент при U может быть сделан отрицатель­ ным (потери восполняются с избытком) и, следовательно, условие самовозбуждения будет иметь вид:

Поскольку величина mz зависит от степени оптической накачки и пропорциональна интенсивности Рг луча г

(здесь [ха — магнитный момент атома, аг Рг — вероятность перехо­ да системы «снизу—вверх» под действием луча г; т0 — степень ори­ ентации атомов за счет оптической накачки), то, следовательно, с увеличением Pz, т0, az или N коэффициент передачи может быть уменьшен, т. е., другими словами, при эффективной оптической накачке и большом объеме колбы с парами рабочего вещества (атомы цезия, рубидия и т. д.) можно брать усилитель с низким коэффици­ ентом усиления* не зависящим от величины внешнего магнитного поля # 0, в котором проводятся измерения. (Отметим, что для слу­ чая, например, спиновых генераторов и других подобных устройств, в которых не используется оптическая накачка, величина сигнала

Ш

Электронный усилитель (как, впрочем, и остальные элементы кольца обратной связи) должен обладать стабильной фазочастотной характеристикой, поскольку уход частоты самогенерирующего маг­ нитометра в значительной мере зависит от стабильности фазовых соотношений.

Так, например, в то время как вблизи резонанса амплитуда сиг­

лее резко; поэтому для того, чтобы предельная чувствительность

тепловое уширение за счет релаксационных процессов. Флуктуа­ ция частоты собственно электронной части схемы-(усилитель + ка­ тушка связи) равна

А /„ = ( - |^ - ) (2т,, C O S 0 ) - 1, (3.28)

где WJWN — отношение сигнала к шуму (по мощности); т — время продольной релаксации в парах рабочего вещества; Ѳ— угол меж­ ду Но и лучом Z .

Величина флуктуации частоты АfN, определяемая (3.28), зна­ чительно меньше, чем флуктуации за счет нестабильности фазы,

чена, если размер камеры поглощения взять достаточно большим, поскольку

фузии атомов щелочного металла в буферном газе камеры; Р — давление в камере; а (а) — сечение столкновения атомов щелоч­ ного металла с атомами буферного газа.

112