Моделирование размерных зависимостей изотопического сдвига ЯМР в ксеноне
https://doi.org/10.17285/0869-7035.0030
Аннотация
Компактизация оптических квантовых датчиков, в том числе гироскопов на эффекте ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в первую очередь предполагает уменьшение размера рабочей газовой ячейки. В данной работе рассматривается зависимость изотопического сдвига в балансной схеме гироскопа на ЯМР в изотопах ксенона от размера газовой ячейки. С этой целью проведено экспериментальное и теоретическое исследование факторов, влияющих на скорости релаксации изотопов ксенона. Представлена численная модель, позволяющая прогнозировать величину изотопического сдвига для ячеек различного размера при вариации их основных параметров, а именно температуры и давления газовой смеси. На основе результатов численного моделирования даются рекомендации по оптимизации основных параметров газовой ячейки при изменении ее размера.
Об авторах
А. К. Вершовский
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (С.-Петербург).
Россия
Россия
Вершовский Антон Константинович. Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
В. И. Петров
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор (С.-Петербург).
Россия
Россия
Петров Владимир Игоревич. Научный сотрудник
Список литературы
1. Virgincar, R.S., Cleveland, Z.I., Sivaram, K.S., Freeman, M.S., Nouls, J., Cofer, G.P., MartinezJimenez, S., He, M., Kraft, M., Wolber, J., Page McAdams, H., Driehuys, B., Quantitative analysis of hyperpolarized 129Xe ventilation imaging in healthy volunteers and subjects with chronic obstructive pulmonary disease, NMR in Biomedicine, 2013, vol. 26, no. 4, pp. 424–435.
2. Chang, Y.V., Quirk, J.D., Ruset, L.C., Atkinson, J.J., Hersman, F.W., Woods, J.C., Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129 Xe: Xenon MR of Human Lung, Magnetic Resonance in Medicine, 2014, vol. 71,no. 1, pp. 339–344.
3. Kanegsberg, E., A Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Gyro With Optical Magnetometer Detection, SPIE, San Diego, United States, 1978, vol. 0157, pp. 73–80.
4. Walker, T., Larsen, M., Chapter eight–spin-exchange-pumped NMR gyros, Adv. At. Mol. Opt. Phys., 2016, vol. 65, pp. 373–401.
5. Вершовский А.К., Литманович Ю.А., Пазгалев А.С., Пешехонов В.Г. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе: предельные характеристики // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26. №1 (100). С. 55–80.
6. Попов Е.Н., Баранцев К.А., Ушаков Н.А., Литвинов А.Н., Лиокумович Л.Б., Шевченко А.Н., Скляров Ф.В., Медведев А.В. Характер сигнала оптической схемы квантового датчика вращения на основе ядерного магнитного резонанса // Гироскопия и навигация. 2018. Т. 26. №1 (100). С. 93–106.
7. Gemmel, C., Heil, W., Karpuk, S., Lenz, K., Ludwig, Ch., Sobolev, Yu., Tullney, K., Burghoff, M., Kilian, W., Knappe-Grüneberg, S., Müller, W., Schnabel, A., Seifert, F., Trahms, L., Baeßler, St., Ultra sensitive magnetometry based on free precession of nuclear spins, The European Physical Journal D, 2010, vol. 57, no. 3, pp. 303–320.
8. Bulatowicz, M., Griffith, R., Larsen, M., Mirijanian, J., Fu, C.B., Smith, E., Snow, W.M., Yan, H., Walker, T.G., Laboratory Search for a Long-Range T-Odd, P-Odd Interaction from Axionlike Particles Using Dual-Species Nuclear Magnetic Resonance with Polarized 129Xe and 131Xe Gas, Physical Review Letters, 2013, vol. 111, no. 10, p. 102001.
9. Allmendinger, F., Heil, W., Karpuk, S., Kilian, W., Scharth, A., Schmidt, U., Schnabel, A., Sobolev, Yu., Tullney, K., New Limit on Lorentz-Invariance- and CPT-Violating Neutron Spin Interactions Using a Free-Spin-Precession 3He–129Xe Comagnetometer, Phys. Rev. Lett., 2014, vol. 112, no. 11, p. 110801.
10. Grossetête, F., Relaxation par collisions d’échange de spin, Journal de Physique, 1964, vol. 25, no. 4, pp. 383–396.
11. Herman, R.M., Theory of Spin Exchange between Optically Pumped Rubidium and Foreign Gas Nuclei, Physical Review, 1965, vol. 137, no. 4A, pp. A1062–A1065.
12. Walker, T.G., Korver, A., Thrasher, D., Bulatowicz, M., Synchronously pumped NMR gyro, IEEE, 2015, pp. 1–4.
13. Thrasher, D.A., Sorensen, S.S., Weber, J., Bulatowicz, M., Korver, A., Larsen, M., Walker, T.G., Continuous comagnetometry using transversely polarized Xe isotopes, Physical Review A, 2019, vol. 100, no. 6.
14. Вершовский А.К., Пазгалёв А.С., Петров В.И. Природа эффекта рассогласования частот прецессии ядер 129Xe и 131Xe при спин-обменной накачке атомами щелочного металла // Журнал технической физики. 2018. Т. 44. № 7. С. 88.
15. Petrov, V.I., Pazgalev, A.S., Vershovskii, A.K., Isotope Shift of Nuclear Magnetic Resonances in 129Xe and 131Xe Caused by Spin-Exchange Pumping by Alkali Metal Atoms, IEEE Sensors Journal, 2020, vol. 20, no. 2, pp. 760–766.
16. Knappe, S., MEMS Atomic Clocks, Comprehensive Microsystems, 2007, vol. 3, pp. 571–612.
17. Eklund, E.J., Shkel, A.M., Knappe, S., Donley, E., Kitching, J., Glass-blown spherical microcells for chip-scale atomic devices, Sensors and Actuators A: Physical, 2008, vol. 143, no. 1, pp. 175–180.
18. Мейер Д., Ларсен М. Гироскоп на ядерном магнитном резонансе для инерциальной навигации // Гироскопия и навигация. 2014. №1 (84). С. 3–13.
19. Bouchiat, M.A., Brossel, J., Relaxation of Optically Pumped Rb Atoms on Paraffin-Coated Walls, Phys. Rev., 1966, vol. 147, no. 1, pp. 41–54.
20. Happer, W., Optical Pumping, Rev. Mod. Phys., 1972, vol. 44, no. 2, pp. 169–249.
21. Zeng, X., Miron, E., Van Wijngaarden, V.A., Schreiber, D., Happer, W., Wall relaxation of spin polarized 129Xe nuclei, Physics Letters A, 1983, vol. 96, no. 4, pp. 191–194.
22. Happer, W., Miron, E., Schaefer, S., Schreiber, D., Van Wijngaarden, V.A., Zeng, X., Polarization of the nuclear spins of noble-gas atoms by spin exchange with optically pumped alkali-metal atoms, Phys. Rev. A, 1984, vol. 29, no. 6, pp. 3092–3110.
23. Zeng, X., Wu, Z., Call, T., Miron, E., Schreiber, D., Happer, W., Experimental determination of the rate constants for spin exchange between optically pumped K, Rb, and Cs atoms and 129Xe nuclei in alkali-metal – noble-gas van der Waals molecules, Phys. Rev. A, 1985, vol. 31, no. 1, pp. 260–278.
24. Hsu, J., Wu, Z., Happer, W., Cs induced 129Xe nuclear spin relaxation in N2 and He buffer gases, Physics Letters A, 1985, vol. 112, no. 3–4, pp. 141–145.
25. Wu, Z., Schaefer, S., Cates, G.D., Happer, W., Coherent interactions of the polarized nuclear spins of gaseous atoms with the container walls, Phys. Rev. A, 1988, vol. 37,no. 4, pp. 1161–1175.
26. Wu, Z., Happer, W., Kitano, M., Daniels, J., Experimental studies of wall interactions of adsorbed spin-polarized 131Xe nuclei, Phys. Rev. A, 1990, vol. 42, no. 5, pp. 2774–2784.
27. Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. Москва: Издательство Академии Наук СССР, 1961. 396 с.
28. Вершовский А.К., Пазгалёв А.С. Оптимизация фактора качества магнитного Mx-резонанса в условиях оптической накачки // ЖТФ. 2007. № 5. C. 116–124.
29. Seltzer, S.J., Developments in Alkali-Metal Atomic Magnetometry: Ph.D. Thesis. Princeton, NJ, USA: Princeton University, 2008. 312 p.
Рецензия
Для цитирования:
Вершовский А.К., Петров В.И. Моделирование размерных зависимостей изотопического сдвига ЯМР в ксеноне. Гироскопия и навигация. 2020;28(2):11-24. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0030
For citation:
Vershovskii A.K., Petrov V.I. Modeling of the Dimensional Dependence of NMR Isotope Shift in Xenon. Giroskopiya i Navigatsiya. 2020;28(2):11-24. (In Russ.) https://doi.org/10.17285/0869-7035.0030
Просмотров:
0
Послать статью по эл. почте 