光激发原子吸收试验.PDFVIP

基礎物理實驗 光激發原子吸收實驗 光激發原子吸收實驗 (光學灌注實驗) 一、目地 本實驗將探討Rb原子因光學灌注產生的極化與磁共振吸收等物理現象。由 實驗來 了解實驗設計 、Rb原子極化物理、測量及潛在應用。 二、背景 光學灌注(Optical Pumping) 現象是利用圓偏極化雷射 光將電子在原子的能 階狀態做重新的分佈 ٫產生的極化的行為。法國科學家 Alfred Kaster, 在 1950首 先引入光學灌注的物理實驗 ,由於此實驗的創新及日後對學術的貢獻 深遠,因此 獲頒 1966 年諾貝爾物理獎。 三、應用 自從 1970 年以來，超導量子干涉元件(SQUIDs)就被普遍應用於偵測各種微 小的生物與生醫磁場。如心臟磁場其最大振幅約為100 pT 。但是，心磁訊號的強 度受環境中雜訊磁場的干擾，因此 心臟磁場訊號最早只能在昂貴的磁屏蔽屋內進 行量測。近來，因為使用 SQUID梯度式，使得 心臟磁場訊號不再需要在良好的 屏蔽環境下即可測量 雖然這類裝置可以在市場上購買，但是成本與操作的費用。 仍然相當昂貴。 另一種有挑戰 SQUID磁場敏感度的感測器則是 光學激發磁量儀(Optical pumping magnetometer, OPM) 它是使用的熱鹼金屬 且可以在室溫下工作，因此 可以避免 SQUIDs 工作時需要昂貴的低溫冷卻系統。因為 OPM能夠不需要冷卻 或者加溫系統，所以在其他實驗室的新發展中把鹼金屬容器設計成扁帄的幾何 形狀，如此便可相當貼近於人的身體表面。 下表一為 SQUIDs 、Vector OPM 與Scalar OPM 三者磁量儀間的簡易比較。 基礎物理實驗 光激發原子吸收實驗 表一SQUIDs 與OPM 之比較： OPM 之敏感度，其最大磁場 敏感度達 0.5 fT/Hz1/2 ，空間解析度 1 mm 。但工作頻寬卻遠遜色於 SQUID 。Low-T 和 high-T SQUIDs 之頻寬皆可達 MHz 等級，然 C C 而Low-T 因其工作溫度低 , 熱雜訊比high-T SQUID低因此有較高之磁場 敏感度。 C C High-TC SQUID Low-TC SQUID OPM Operation －200°C －270°C ＋180°C Temperature Field sensitivity 50 ~ 100 fT/Hz1/2 1 fT/Hz1/2 0.5 ~ 10 fT/Hz1/2 Operation MHz MHz 100 Hz Bandwidth Spatial 8 mm mm 1 ~ 10 mm Resolution 四、原理 鹼金屬 元素如鉀(K) 、銣(Rb) 、銫(Cs)皆為順磁性原子。當氣體之電子自旋皆 排列在同一方向時，就會明顯增強其磁性，使氣體極化。光學激發 (optical pumping) 是一種有效的極化 其原子的方法，它使用圓偏振光在磁場中將其角動量轉換給原 子能階中之電子 而達到原子極化的目的。圖(1)結構是 光透過內含鹼金屬蒸氣， 由 穿透光之特性結合電路來偵測磁場大小 。此技術自1958 年已使用在原子磁量 儀用來測量地球磁場。 Glass cellGlass cell LightLight