快速测量金属表面电场噪声的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了快速测量金属表面电场噪声的装置，包括真空腔、CCD摄像机、第一真空角阀、离子泵、真空挡板阀门、三通真空连接器、第二真空角阀、三维驱动器、三维纳米移动台和待测样品架，还包括设置在真空腔内的芯片支撑架，芯片支撑架上设置有钙原子炉和滤波电路板，滤波电路板的芯片放置孔内设置有离子阱芯片。本发明专利技术还公开了快速测量金属表面电场噪声的方法，包括离子囚禁与激光冷却，离子量子态的操控，通过CCD摄像机的离子成像和数据处理。本发明专利技术可以在不破坏离子阱真空度的情况下，快速更换待测金属样品；同时，在降低测量操纵难度的情况下，通过CCD摄像机离子成像提供更为简单快速的方法检测待测金属样品的表面电场噪声。

【技术实现步骤摘要】
快速测量金属表面电场噪声的装置及方法
本专利技术涉及金属表面电场噪声检测
，具体涉及快速测量金属表面电场噪声的装置，还涉及快速测量金属表面电场噪声的方法，适用于金属表面电场噪声的检测。
技术介绍
囚禁在离子阱中的离子对金属表面产生的电场噪声非常敏感，这种噪声造成了离子的运动加热。囚禁在真空环境中的离子不会受到外界环境的干扰，可以通过激光精确地操纵其振动量子态和电子自旋，精确测量离子加热率，从而实现金属表面电场噪声的测量。常规的金属表面电场噪声的检测装置需要将待测样品提前固定于钙离子阱上方一定距离处，再抽真空以保证真空腔体的真空度在10-8Pa以下；钙离子边带冷却后，扫描激光频率确定离子的声子数，从而确定离子的加热率及其探测到的待测金属表面的噪声谱密度。其缺点是在真空腔的高真空环境下无法快速更换待测金属样品，其检测金属表面电场噪声的方法对实验条件的要求亦较高、且对待测样品表面电场噪声的检测周期较长。
技术实现思路
针对目前现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供快速测量金属表面电场噪声的装置，还提供快速测量金属表面电场噪声的方法。可在不破坏离子阱真空度的情况下，快速更换待测金属样品；同时，在降低测量操纵难度的情况下，通过CCD摄像机离子成像提供更为简单快速的方法检测待测金属样品的表面电场噪声。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：快速测量金属表面电场噪声的装置，包括真空腔，真空腔分别与第一真空角阀和离子泵连接，真空腔内设置有芯片支撑架，芯片支撑架上设置有钙原子炉和离子阱芯片，真空腔上设置有光学成像镜和CCD摄像机，三维驱动器的固定部与真空挡板固定连接，真空挡板上开设有支杆穿孔，伸缩波纹管位于真空挡板和三维驱动器的三维移动部之间，伸缩波纹管一端与支杆穿孔密封连通，伸缩波纹管另一端与三维驱动器的三维移动部密封连接，三维纳米移动台支杆一端穿过支杆穿孔和伸缩波纹管与三维驱动器的三维移动部连接，三维纳米移动台支杆另一端依次贯穿第一三通真空连接器的位于直线的两个端口、真空挡板阀门、两通真空连接器延伸至真空腔内并与三维纳米移动台连接，第一三通真空连接器另一个端口与第二真空角阀连接。如上所述的真空腔上沿侧面圆周依次均匀分布有第一CF35接口、第二CF35接口、第三CF35接口、第四CF35接口、第五CF35接口、第六CF35接口、第七CF35接口和第八CF35接口；真空腔的下底面和上顶面分别设置有第一CF100接口和第二CF100接口。第一CF35接口安装光学成像镜和CCD摄像机；第二CF35接口安装射频馈通；第三CF35接口通过两通真空连接器与真空挡板阀门一端相连；第四CF35接口、第五CF35接口、第七CF35接口和第八CF35接口安装通光窗口；水平方向的397nm冷却激光和866nm冷却激光通过第八CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方，水平方向的423nm光电离激光、732nm光电离激光和780nm光电离激光通过第八CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方；与水平方向夹角3.8°的854nm冷却激光和866nm冷却激光通过第四CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方；第六CF35接口通过第二三通真空连接器分别与离子泵和第一真空角阀连接；第一CF100接口安装直流馈通；第二CF100接口安装通光窗口。快速送入待测金属样品的方法，包括以下步骤：步骤1、在常温常压下，将更换好的待测金属样品固定在待测样品架上，待测样品架固定在三维纳米移动台上，三维纳米移动台固定在三维纳米移动台支杆端部；步骤2、利用三维驱动器和三维纳米移动台支杆，将待测金属样品送入第一三通真空连接器内，真空挡板阀门处于闭合状态；步骤3、用第二真空角阀外接的分子泵抽取第一三通真空连接器里的气体；步骤4、打开真空挡板阀门，利用三维驱动器和三维纳米移动台支杆，驱动待测金属样品进入真空腔内，通过三维纳米移动台驱动离子阱芯片表面上方；在离子泵的作用下，真空腔、真空挡板阀门和第一三通真空连接器的真空度趋于平衡。快速测量金属表面电场噪声的方法，包括以下步骤：步骤1、对钙原子炉通电加热，使钙原子扩散到离子阱芯片表面；步骤2、从第八CF35接口的通光窗口入射水平方向的423nm光电离激光、732nm光电离激光和780nm光电离激光到离子阱芯片表面中心上方，423nm光电离激光、732nm光电离激光和780nm光电离激光与钙原子相互作用下产生一价钙离子；步骤3、离子阱芯片上的直流电极和射频电极通电产生囚禁场，一价钙离子被囚禁在囚禁场中，关闭通过第八CF35接口的通光窗口入射的水平方向的423nm光电离激光和375光电离激光；步骤4、打开通过第八CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方的水平方向的397nm冷却激光和866nm冷却激光，打开通过第四CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方的与水平方向呈设定夹角的866nm冷却激光和854m冷却激光，使囚禁场中的一价钙离子多普勒冷却；步骤5、关闭通过第八CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方的水平方向的397nm冷却激光设定时间后，再打开通过第八CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方的水平方向的397nm冷却激光，然后通过光学成像镜和CCD摄像机拍摄囚禁离子的光斑影像，根据光斑影像获得横向离子温度和纵向离子温度；步骤6、控制通过第八CF35接口的通光窗口入射到离子阱芯片表面上方的水平方向的397nm冷却激光关闭的不同时间，获得不同的加热时间，重复步骤4～5多次后，得到多组加热时间与横向离子温度、纵向离子温度的对应关系，并求取横向离子加热率和纵向离子加热率，进一步获得一价钙离子探测到的横向噪声谱密度和纵向噪声谱密度；步骤7、通过控制三维纳米移动台，使待测金属样品与囚禁离子之间的相对位置发生改变，重复步骤4～6，记录待测金属样品与囚禁离子之间的不同相对位置时其对应的横向噪声谱密度和纵向噪声谱密度，直至囚禁离子遍历覆盖待测金属样品的待测区域，步骤8、根据各个待测金属样品与囚禁离子之间的不同相对位置及其对应的横向噪声谱密度和纵向噪声谱密度，拟合出待测金属样品的表面电场噪声分布。本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：在不破坏离子阱真空度的情况下，可快速更换待测金属样品；同时，降低测量操纵难度的情况下，可实现对待测金属样品表面的电场噪声快速测量。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为固定在三维驱动器上的三维纳米移动台的结构示意图；图3a为包含真空腔的俯视结构示意图；图3b为包含离子阱芯片、三维纳米移动台和钙炉的侧视结构示意图；图4a为离子阱芯片及三维纳米移动台的整体结构示意图；图4b为离子阱芯片及样品的结构示意图；图5为快速更换待测金属样品装置的流程图；图6a为CCD摄像机拍摄的离子图像；图6b为经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.快速测量金属表面电场噪声的装置，包括真空腔(12)，其特征在于，真空腔(12)分别与第一真空角阀(13)和离子泵(14)连接，真空腔(12)内设置有芯片支撑架(21)，芯片支撑架(21)上设置有钙原子炉(22)和离子阱芯片(25)，真空腔(12)上设置有光学成像镜(11)和CCD摄像机(10)，三维驱动器(18)的固定部与真空挡板(29)固定连接，真空挡板(29)上开设有支杆穿孔(33)，伸缩波纹管(30)位于真空挡板(29)和三维驱动器(18)的三维移动部之间，伸缩波纹管(30)一端与支杆穿孔(33)密封连通，伸缩波纹管(30)另一端与三维驱动器(18)的三维移动部密封连接，三维纳米移动台支杆(19)一端穿过支杆穿孔(33)和伸缩波纹管(30)与三维驱动器(18)的三维移动部连接，三维纳米移动台支杆(19)另一端依次贯穿第一三通真空连接器(17)的位于直线的两个端口、真空挡板阀门(16)、两通真空连接器(15)延伸至真空腔(12)内并与三维纳米移动台(20)连接，第一三通真空连接器(17)另一个端口与第二真空角阀(34)连接。/n

【技术特征摘要】
1.快速测量金属表面电场噪声的装置，包括真空腔(12)，其特征在于，真空腔(12)分别与第一真空角阀(13)和离子泵(14)连接，真空腔(12)内设置有芯片支撑架(21)，芯片支撑架(21)上设置有钙原子炉(22)和离子阱芯片(25)，真空腔(12)上设置有光学成像镜(11)和CCD摄像机(10)，三维驱动器(18)的固定部与真空挡板(29)固定连接，真空挡板(29)上开设有支杆穿孔(33)，伸缩波纹管(30)位于真空挡板(29)和三维驱动器(18)的三维移动部之间，伸缩波纹管(30)一端与支杆穿孔(33)密封连通，伸缩波纹管(30)另一端与三维驱动器(18)的三维移动部密封连接，三维纳米移动台支杆(19)一端穿过支杆穿孔(33)和伸缩波纹管(30)与三维驱动器(18)的三维移动部连接，三维纳米移动台支杆(19)另一端依次贯穿第一三通真空连接器(17)的位于直线的两个端口、真空挡板阀门(16)、两通真空连接器(15)延伸至真空腔(12)内并与三维纳米移动台(20)连接，第一三通真空连接器(17)另一个端口与第二真空角阀(34)连接。


2.根据权利要求1所述的快速测量金属表面电场噪声的装置，其特征在于，所述的真空腔(12)上沿侧面圆周依次均匀分布有第一CF35接口(1)、第二CF35接口(2)、第三CF35接口(3)、第四CF35接口(4)、第五CF35接口(5)、第六CF35接口(6)、第七CF35接口(7)和第八CF35接口(8)；真空腔(12)的下底面和上顶面分别设置有第一CF100接口和第二CF100接口。


3.根据权利要求2所述的快速测量金属表面电场噪声的装置，其特征在于，
第一CF35接口(1)安装光学成像镜(11)和CCD摄像机(10)；
第二CF35接口(2)安装射频馈通(9)；
第三CF35接口(3)通过两通真空连接器(15)与真空挡板阀门(16)一端相连；
第四CF35接口(4)、第五CF35接口(5)、第七CF35接口(7)和第八CF35接口(8)安装通光窗口；
水平方向的397nm冷却激光和866nm冷却激光通过第八CF35接口(8)的通光窗口入射到离子阱芯片(25)表面上方，水平方向的423nm光电离激光、732nm光电离激光和780nm光电离激光通过第八CF35接口(8)的通光窗口入射到离子阱芯片(25)表面上方；
与水平方向夹角3.8°的854nm冷却激光和866nm冷却激光通过第四CF35接口(4)的通光窗口入射到离子阱芯片(25)表面上方；
第六CF35接口(6)通过第二三通真空连接器分别与离子泵(14)和第一真空角阀(13)连接；
第一CF100接口安装直流馈通(23)；
第二CF100接口安装通光窗口。


4.快速送入待测金属样品的方法，利用权利要求1所述的快速测量金属表面电场噪声的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在常温常压下，将更换好的待测金属样品(27)固定在待测样品架(24)上，待测样品架(24)固定在三维纳米移动台(20)上，三维纳米移动台(20)固定在三维纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亮，张航，魏雅琪，刘志超，李冀，冯芒，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：湖北;42