一种制备大量冷分子离子的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种制备大量冷分子离子的装置及方法，属于冷分子离子制备技术领域，所述装置将冷却囚禁中性原子的磁光阱与囚禁离子的线性Paul阱集成于一体，并且磁光阱中心和离子阱中心重合，以保证离子云中心和原子云中心重合，同时使用微通道板作为离子飞行时间质谱的探测装置。所述方法在磁光阱中通过激光冷却制备大量冷原子，然后通过连续光电离冷原子产生大量离子，离子与冷原子碰撞产生冷分子离子并被离子阱囚禁，由此获得大量的冷分子离子，最后通过离子飞行时间质谱获得清晰可辨的分子离子信号。本发明专利技术解决了冷分子离子制备和甄别困难的问题。别困难的问题。别困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种制备大量冷分子离子的装置和方法


[0001]本专利技术属于冷分子离子制备
，具体涉及一种制备大量冷分子离子的装置和方法。

技术介绍

[0002]空间囚禁的冷分子离子具有空间定域、可长时间存储、带电粒子更易于调控等特性，因此在冷可控化学反应、离子低温星际云中形成和演化过程、外场相互作用下的量子计算和量子模拟等方面有非常大的应用前景。目前制备空间囚禁的冷分子离子有三种实验方案，其技术和缺陷如下：
[0003]1、库伦晶体的离子和冷原子两体碰撞产生分子离子：在混合阱体系当中，在离子阱中囚禁的离子被激光冷却形成库仑晶体，与原子阱中的冷原子/超冷原子碰撞产生分子离子。缺点是：
①
形成库仑晶体，需要引入额外的激光冷却离子，而要形成足够高密度的库仑晶体，对离子阱和冷却离子的激光参数要求较高；
②
对离子的种类有要求，要求离子有可用于激光冷却的合适循环跃迁，碱金属离子是满壳层结构，不可能被激光冷却；
③
离子阱的几何中心和原子阱的几何中心要求高度重合；
④
现有装置无法直接甄别反应产物，需要理论计算辅助。[Phys.Rev.Lett.107,243202(2011),Mol.Phys.111,2020(2013),Mol.Phys.111,1683(2013)]。
[0004]2、离子与高密度的超冷原子云三体复合产生分子离子：将单个离子浸入到玻色
‑
爱因斯坦凝聚的冷原子或超冷原子云，离子
‑
原子
‑
原子三体复合反应产生分子离子。缺点是制备玻色爱因斯坦凝聚/超冷原子的实验装置复杂，且只能产生一个分子离子。[Phys.Rev.Lett.109,123201(2012),Phys Rev Lett.116,193201(2016),Phys.Rev.A 94,030701(R)(2016),Phys.Rev.A 102,041301(R)(2020),Phys.Rev.Lett.126,033401(2021)]。
[0005]3、光电离冷分子产生冷分子离子：在磁光阱冷原子碰撞会产生少量冷分子，或者采用光缔合方法产生冷分子，然后采用脉冲激光双光子电离冷分子产生分子离子。缺点是：由于冷原子碰撞或者光缔合产生冷分子的几率很小，发生双光子电离非线性过程效率低、产生的分子离子更少；同时需要染料激光器提供双光子电离所需的高强度脉冲激光。
[0006][PhysRevLett.99.043003(2007),PhysRevLett.117.213002(2016)]。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种制备大量冷分子离子的方法和装置，解决冷分子离子制备和甄别困难的问题。
[0008]为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种制备大量冷分子离子的装置，包括超高真空系统、混合阱、光路系统、时序控制系统和信号探测系统，其中：
[0010]所述超高真空系统用于提供囚禁原子和离子的超高真空环境，包括科学腔、三级
溅射离子泵、机械泵和分子泵、原子源，所述三级溅射离子泵通过主管道与所述科学腔的腔体连通；主管道上设置有多条支路管道，所述机械泵和分子泵通过设置在第二支路管道末端的分子泵阀门与主管道连通，用于将真空系统预抽到设定真空度，然后通过三级溅射离子泵维持系统的真空度；所述原子源设置在第一支路管道末端，通过设置在第一支路管道上的原子源阀门与主管道连通，为制备冷分子离子提供中性原子；
[0011]所述科学腔为多面体扁平金属腔结构，侧面设置有至少六个真空观察窗，上下端面各设置有一个真空观察窗；
[0012]所述混合阱设置在所述科学腔的中心，包括用于冷却并囚禁中性原子的磁光阱和用于囚禁离子的线性Paul阱，所述磁光阱中心与所述线性Paul阱中心重合，其中：
[0013]所述磁光阱由三对激光束形成的光场与一对反向亥姆霍兹线圈形成的梯度磁场组成，所述激光束是由冷却光与再泵浦光组成的合束光，三对所述激光束分别沿三维笛卡尔坐标系的三个坐标轴方向对射并分别通过所述科学腔侧面的四个真空观察窗和上下两个真空观察窗，汇聚于所述科学腔的中心；一对所述反向亥姆霍兹线圈分别对称设置在所述科学腔的上方和下方，提供所述磁光阱所需的梯度磁场；所述磁光阱将中性原子冷却并囚禁在磁光阱的中心形成冷原子云；
[0014]电离光通过所述科学腔侧面的真空观察窗，射向科学腔的中心，作用在所述冷原子云上，与所述冷却光一起，通过两步光电离产生离子；
[0015]所述线性Paul阱包括四根相互平行的射频电极杆和两个端电极，所述射频电极杆两对对角线加载反相的射频信号，两个所述端电极加载相同的正电压，将所述离子囚禁在所述线性Paul阱的中心形成离子云；
[0016]所述离子与冷原子发生反应碰撞产生冷分子离子，所述冷分子离子被所述线性Paul阱囚禁在中心，从而获得大量的冷分子离子；
[0017]所述光路系统包括激光系统和激光稳频、移频系统，所述激光系统用于提供所述磁光阱需要的冷却光和再泵浦光，以及电离冷原子产生离子的电离光；所述激光稳频、移频系统用于调控激光的频率和稳定性；
[0018]所述时序控制系统用于控制实验时序和实验参量，控制的实验参量包括磁光阱梯度磁场线圈电流、冷却光与再泵浦光的开关和移频量、电离光的开关、离子阱射频开关与端电压开关。
[0019]进一步，如上所述的制备大量冷分子离子的装置，所述超高真空系统还包括用于测量系统真空度的电离规，所述电离规安装在第三支路管道内，所述超高真空系统的真空度指标为优于10
‑7Pa。
[0020]进一步，如上所述的制备大量冷分子离子的装置，所述科学腔材质为316L无磁不锈钢，侧面设置有十二个型号为CF35的真空观察窗，上下端面各设置有型号为CF200的真空观察窗，所述真空观察窗与科学腔主体采用全刀口封接，保证所述科学腔的密封性能。
[0021]进一步，如上所述的制备大量冷分子离子的装置，所述射频电极杆的直径为3mm，长度为10cm，杆间距为15mm；所述端电极内径为10mm；所述端电极形状为圆环，轴向开有1
°
的豁口将圆环断开，以避免产生涡流电场，两个所述端电极轴向中心间距为10cm。
[0022]进一步，如上所述的制备大量冷分子离子的装置，所述射频电极杆与水平方向的激光束夹角为45
°
。
[0023]进一步，如上所述的制备大量冷分子离子的装置，所述激光束为圆偏振光，每一对对射的所述激光束强度相同，偏振方向分别为σ
+
和σ
‑
。
[0024]进一步，如上所述的制备大量冷分子离子的装置，所述冷却光总功率为95mW，所述再泵浦光总功率为10mW，冷却光与再泵浦光扩束后的光斑直径为18mm；所述反向亥姆霍兹线圈产生的磁场梯度为10G/cm。
[0025]进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备大量冷分子离子的装置，其特征在于，包括超高真空系统(1)、混合阱(2)、光路系统、时序控制系统和信号探测系统(3)，其中：所述超高真空系统(1)用于提供囚禁原子和离子的超高真空环境，包括科学腔(11)、三级溅射离子泵(12)、机械泵和分子泵、原子源(13)，所述三级溅射离子泵(12)通过主管道与所述科学腔(11)的腔体连通；主管道上设置有多条支路管道，所述机械泵和分子泵通过设置在第二支路管道末端的分子泵阀门(15)与主管道连通，用于将真空系统预抽到设定真空度，然后通过三级溅射离子泵(12)维持系统的真空度；所述原子源(13)设置在第一支路管道末端，通过设置在第一支路管道上的原子源阀门(14)与主管道连通，为制备冷分子离子提供中性原子；所述科学腔(11)为多面体扁平金属腔结构，侧面设置有至少六个真空观察窗，上下端面各设置有一个真空观察窗；所述混合阱(2)设置在所述科学腔的中心，包括用于冷却并囚禁中性原子的磁光阱(21)和用于囚禁离子的线性Paul阱(22)，所述磁光阱中心与所述线性Paul阱中心重合，其中：所述磁光阱(21)由三对激光束(211)形成的光场与一对反向亥姆霍兹线圈(212)形成的梯度磁场组成，所述激光束(211)是由冷却光与再泵浦光组成的合束光，三对所述激光束(211)分别沿三维笛卡尔坐标系的三个坐标轴方向对射并分别通过所述科学腔(11)侧面的四个真空观察窗和上下两个真空观察窗，汇聚于所述科学腔(11)的中心；一对所述反向亥姆霍兹线圈(212)分别对称设置在所述科学腔(11)的上方和下方，提供所述磁光阱(21)所需的梯度磁场；所述磁光阱(21)将中性原子冷却并囚禁在磁光阱(21)的中心形成冷原子云；电离光通过所述科学腔(11)侧面的真空观察窗，射向科学腔(11)的中心，作用在所述冷原子云上，与所述冷却光一起，通过两步光电离产生离子；所述线性Paul阱(22)包括四根相互平行的射频电极杆和两个端电极，所述射频电极杆两对对角线加载反相的射频信号，两个所述端电极加载相同的正电压，将所述离子囚禁在所述线性Paul阱(22)的中心形成离子云；所述离子与冷原子发生反应碰撞产生冷分子离子，所述冷分子离子被所述线性Paul阱(22)囚禁在中心，从而获得大量的冷分子离子；所述光路系统包括激光系统和激光稳频、移频系统，所述激光系统用于提供所述磁光阱(21)需要的冷却光和再泵浦光，以及电离冷原子产生离子的电离光；所述激光稳频、移频系统用于调控激光的频率和稳定性；所述时序控制系统用于控制实验时序和实验参量，控制的实验参量包括磁光阱梯度磁场线圈电流、冷却光与再泵浦光的开关和移频量、电离光的开关、离子阱射频开关与端电压开关。2.根据权利要求1所述的制备大量冷分子离子的装置，其特征在于，所述超高真空系统(1)还包括用于测量系统真空度的电离规(16)，所述电离规(16)安装在第三支路管道内，所述超高真空系统的真空度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，吕双飞，张熙，贾凤东，薛平，钟志萍，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：