基于金刚石氮—空位色心的高压磁共振装置的方案设计与研究

发布时间：2020-08-14 23:37

【摘要】：磁共振技术发展至今已经有八十多年的历史,它能够快速无伤地提供待测物质的结构和动力学信息,不仅可以用来研究物质的晶体结构、电子结构以及相的鉴别追踪,还在化学反应动力学、生物大分子的结构以及动力学研究等多个方向有重要应用。随着高压技术的发展,以金刚石对顶砧(Diamond Anvil Cell,DAC)为代表的高压装置使得数百吉帕的高压成为现实,物质在高压下的性质随之受到了广泛关注。高压可以改变物质原子或分子之间的距离,使其相邻电子轨道重叠增加,进而改变物质的能级结构,使得物质在高压下会发生结构相变、电子相变。利用磁共振手段来研究物质在高压下的性质可以帮助我们了解高压现象的本质,揭示新规律、发现新材料,推动高压物理的发展。传统的核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)采用感应线圈的探测方式,需要使得感应线圈尽可能靠近样品以保证较高的灵敏度,受限于金刚石对顶砧高压装置的样品区体积较小,这种探测方式在应用到高压条件下遇到了很大的困难。将感应线圈放置到高压样品腔内会进一步减小样品区体积,从而导致核磁实验的信噪比较低;使用尺寸更大的金刚石对顶砧可以增大样品区体积,但会限制装置实现更高的压强。基于氮-空位(Nitrogen-Vacancy,NV)色心的光探测磁共振(Optical Detected Magnetic Resonance,ODMR)具有光学极化读出的优点,通过将NV色心制备到金刚石对顶砧浅表处可以实现更高压强下的高压磁共振。本文设计了一种基于金刚石NV色心的高压磁共振装置,装置的压强上限可达30 GPa,通过制备到金刚石对顶砧浅表处的NV色心实现高压下的磁共振探测。本文给出了基于NV色心的高压磁共振装置的设计方案,讨论了装置的探头、激励线圈、探测光路以及磁铁的设计思路和参数选择,对NV色心荧光收集光路的收集效率进行了仿真,最后通过计算得到装置的灵敏度约为40.9pT/(?),验证装置设计方案的可行性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O482.531

【参考文献】