基于暗态扫频法的Rb-Xe自旋交换体系弛豫时间测量方法

本发明涉及rb-xe自旋交换体系，更具体地说，它涉及基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法。

背景技术：

1、87rb-129xe自旋交换体系目前大量应用于弱磁探测与核磁共振陀螺等精密测量领域中。对该体系中的各项参数的准确测量对于样机性能分析十分重要，例如87rb和的弛豫时间的测量是评估磁力仪和核磁共振陀螺极限性能的重要依据。对于87rb和129xe来说，其弛豫时间都分为横向弛豫时间t2和纵向弛豫时间t1，其中t1的测量比t2的测量更加能够反映体系的特征，因此，如何测量87rb和129xe的纵向弛豫时间t1一直是该领域的重要问题。

2、目前，针对87rb弛豫时间测量的主要方法有光脉冲法和自旋噪声法。其中，光脉冲法使用了持续时间为微秒量级的泵浦光和探测光交替照射气室，通过探测光强的变化反映87rb原子的极化强度和相干度，从而分别测量出87rb的纵向和横向弛豫时间。例如，franzen在1959年提出的“暗态弛豫”法，被多次改进后用于测量87rb的弛豫时间，以及mgharavipour等人在此基础上提出的odse方法同样可以用于测量87rb的弛豫时间。一方面，由于光脉冲法在实验过程中需要对泵浦光和探测光的持续时间及间隔做到精准的控制，因此该类方法对激光光源与光电探测器等试验设备提出了较高的要求。另一方面，光脉冲法交替性地打开和关断泵浦光，因此无法完全消除泵浦光对系统状态带来的影响。自旋噪声法则是利用87rb的自旋噪声谱来计算其弛豫时间，例如，g.e.katsoprinakis等人先将气室制备到近serf态，再利用自旋噪声谱的线宽进行拟合，从而得到了87rb的弛豫信息。但是该方法对气室状态的要求较高，并且在近serf态下，87rb的弛豫时间会随着外磁场的大小发生变化，因此该方法难以满足在较大磁场下工作的磁力仪或核磁共振陀螺中的弛豫时间测试需求。

3、129xe的弛豫时间测量方法主要有反转恢复法和指数拟合法。其中，反转恢复法的原理是先使用π脉冲使129xe的极化方向发生反转，在129xe的极化方向恢复到热平衡态的过程中施加π/2脉冲，在垂直于主磁场方向上测量129xe的极化强度，通过调整π脉冲和π/2脉冲之间的时间间隔得到129xe的弛豫时间信息。尽管反转恢复法操作简单，但往往需要让129xe的极化反转数次，因此非常耗时。

4、指数拟合法则是在主磁场z轴方向上施加一个高频激励场，这样可以在129xe的弛豫过程中直接监测129xe的极化大小的变化，因此可以在单次弛豫过程中获取到129xe的弛豫信息。但是使用该方法在解调x轴和y轴上的信号时，需要对信号的相位不断进行调整，因此测量及信号处理过程较为复杂。

5、针对上述技术问题，申请人发明了一种基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法，该方法相较于传统的测量方法，在测量87rb和129xe的弛豫时间时能够完全剥离泵浦光的影响，从而消除其带来的测量误差，并且信号处理过程简单，操作相对简洁。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法，具体包括以下步骤：

3、s1：建立bloch方程并对其求解，得到：

4、

5、

6、

7、s2：测量87rb的横向弛豫时间

8、s3：在已知的条件下，需要不断调整激励场b1的驱动电压幅值，在不同b1强度条件下进行扫频，将所得信号半宽度δω1/2与b1强度利用下式进行拟合即可得到87rb的纵向弛豫时间

9、

10、

11、s4：测量129xe的纵向弛豫时间

12、进一步的，所述s2的具体步骤是：

13、s2-1：打开泵浦光，均匀照射气室10分钟以上，使气室中的129xe得到充分极化；

14、s2-2：关断泵浦光并开始扫频；

15、s2-3：通过公式

16、

17、

18、得到87rb的横向弛豫时间

19、进一步的，所述s4的具体步骤是：

20、s4-1：在129xe得到充分极化后关断泵浦光进行连续扫频；

21、s4-2：关断泵浦光进行连续扫频；

22、s4-3：对87rb扫频信号的中心频率ωrb与峰值arb进行e指数拟合，即可得到129xe的纵向弛豫时间信息。

23、进一步的，所述激励磁场与129xe的拉莫尔进动频率一致；脉冲时长使129xe的极化方向刚好发生反转。

24、综上所述，本发明的有益效果是：通过暗态扫频法能够彻底消除泵浦光带来的磁场梯度影响以及在信号处理过程中不需要分离x轴和y轴方向上的信号；此外，使用该方法对测量时不需要进行激光脉冲调制，而在测量的过程中，对129xe初始状态没有要求且扰动很小，因此，相较于传统方法，暗态扫频法对设备及实验条件要求较低，数据处理过程更加简洁，在保证了测量的准确度的同时具有更高的实用性。

技术特征：

1.基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法，其特征是：具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法，其特征是：所述s2的具体步骤是：

3.根据权利要求1所述的基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法，其特征是：所述s4的具体步骤是：

4.根据权利要求3所述的基于暗态扫频法的rb-xe自旋交换体系弛豫时间测量方法，其特征是：所述激励磁场与129xe的拉莫尔进动频率一致；脉冲时长使129xe的极化方向刚好发生反转。

技术总结
本发明公开了基于暗态扫频法的Rb‑Xe自旋交换体系弛豫时间测量方法，涉及Rb‑Xe自旋交换体系技术领域，其技术方案要点是：在<supgt;87</supgt;Rb‑<supgt;129</supgt;Xe自旋交换体系中，<supgt;87</supgt;Rb和<supgt;129</supgt;Xe弛豫时间的准确测量对于磁共振陀螺及磁力仪相关应用非常重要。针对该需求，分析了泵浦光与激励磁场对<supgt;87</supgt;Rb弛豫时间的影响以及暗态下的<supgt;87</supgt;Rb和<supgt;129</supgt;Xe自旋交换过程，并在理论分析基础上提出了暗态扫频测量方法。实现了对<supgt;87</supgt;Rb以及<supgt;129</supgt;Xe的纵向弛豫时间的测量。相较于以往的测量方法，暗态扫频法可以彻底消除泵浦光造成的磁场梯度的影响，具有高准确度的优点且操作简便。发明对于磁共振陀螺及磁力仪的性能分析与标定具有较高的参考价值。

技术研发人员：汪之国,钱天予,罗晖,郑锦韬,李佳佳
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15