一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法。其装置采用在二维磁光阱腔室上及三维磁光阱腔室上分别配置离子泵、钛泵及激光器，并在二维磁光阱腔室上还配置了原子炉，在三维磁光阱腔室上还配置了高纯度气瓶、球面透镜、光电倍增管及数据采集卡；其方法采用所述装置实现，第一步，提取出原子损失率Γ；第二步，获得当前阱深修正的损失率系数K

【技术实现步骤摘要】
一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法


[0001]本专利技术涉及冷原子及真空测量
，尤其是一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法。

技术介绍

[0002]伴随着冷原子的诞生，冷原子的寿命问题得到人们的广泛关注。激光冷却原子技术经过三十多年的不断发展和完善，人们对于冷原子系统有了较为详尽的认知，冷原子的寿命问题也得到了详尽的研究，研究发现背景气体密度、磁光阱阱深、原子间的两体碰撞与磁光阱中原子损耗直接相关，通过分析磁光阱中原子损耗机理可以精确提取出背景气体数密度。在超高或极高真空系统中，如何准确量化系统的真空度是十分重要的工作，目前常用的测量手段是电离真空计，由于电离真空计真空度测量精度不够高，甚至电离真空计本身释放气体会对待测真空度造成影响，无法十分精准地测量系统的真空，并且测量会受到真空的限制，在背景真空低于10
‑
10
Pa时，其本身释放的离子流会干扰测量。为解决在超高或极高真空中精确量化真空度的问题，研究一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法，以准确量化系统的真空度就显得十分必要。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法。本专利技术装置采用在二维磁光阱腔室上及三维磁光阱腔室上分别配置离子泵、钛泵及激光器，并在二维磁光阱腔室上还配置了原子炉，在三维磁光阱腔室上还配置了高纯度气瓶、球面透镜、光电倍增管及数据采集卡；本专利技术方法通过采用上述装置，第一步，提取出原子损失率Γ；第二步，获得阱深修正的损失率系数K
loss
；第三步，通过计算获得冷原子真空系统的真空压强P。本专利技术克服了电离真空计真空度测量精度低的问题，规避了电离真空计本身释放气体会对待测真空度造成的影响，本专利技术遵循冷原子本身的秉性，解决了超高或极高真空中精确量化真空度的问题，其测量范围不受背景气体数密度的影响，与传统的真空计量装置相比，具有测量精度更高，可测量真空压强更小，且不需要反复校准的优势。实现本专利技术目的的具体技术方案是：
[0004]一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置，其特点包括第一激光器、二维磁光阱腔室、原子炉、第一离子泵、第一钛泵、三维磁光阱腔室、第二激光器、第二钛泵、电离真空计、第二离子泵、进气微调阀、高纯度气瓶、球面透镜、光电倍增管及数据采集卡；
[0005]所述第一激光器与二维磁光阱腔室光路连接，原子炉与二维磁光阱腔室轨道连接，第一离子泵及第一钛泵分别与二维磁光阱腔室气路连接；
[0006]所述第二钛泵、第二离子泵及高纯度气瓶分别与三维磁光阱腔室气路连接；
[0007]所述第二激光器与三维磁光阱腔室光路连接；
[0008]所述光电倍增管及球面透镜与三维磁光阱腔室依次光路连接；
[0009]所述数据采集卡与光电倍增管数据线连接；
[0010]所述进气微调阀设于高纯度气瓶与三维磁光阱腔室之间；
[0011]所述电离真空计设于第二钛泵与三维磁光阱腔室之间；
[0012]所述二维磁光阱腔室与三维磁光阱腔室轨道连接。
[0013]一种采用上述传感装置实现精密测量冷原子真空系统压强的方法，其特点包括如下步骤：
[0014]2.1、提取原子损失率Γ：
[0015]2.1.1、启动第一离子泵及第一钛泵，使二维磁光阱腔室的真空处于稳定状态；启动原子炉，将原子炉中喷射的热原子束囚禁在二维磁光阱腔室中形成二维冷原子团；
[0016]2.1.2、启动第二离子泵及第二钛泵，使三维磁光阱腔室的真空处于稳定状态；
[0017]2.1.3、启动第一激光器发射激光束，将二维冷原子团冷却下来的原子从二维磁光阱腔室推送至三维磁光阱腔室中，采用标准的磁光俘获的方式将推送过来的原子囚禁于三维冷原子团，当三维磁光阱腔室中原子装载至稳态时，关闭二维磁光阱腔室的光场及第一激光器，并通过电离真空计记录三维磁光阱腔室中的压强；
[0018]2.1.4、将三维冷原子团发射的荧光通过球面透镜汇聚于焦点处，由光电倍增管收集原子数与时间的变化关系，并传输给数据采集卡，获得原子损失率Γ。
[0019]2.2、获得阱深修正的损失率系数K
loss
：
[0020]2.2.1、执行上述2.1.3步骤；
[0021]2.2.2、关闭三维磁光阱光场并启动第二激光器发射激光束，对三维冷原子团进行加速，经过1
‑
100us的加速过程之后，打开三维磁光阱腔室的光场，对低于最小逃逸速度的原子进行再俘获，根据原子损耗过程获取原子的最小逃逸速度v
e
(一般为几十米每秒)，即获取磁光阱的势阱深度，由此对冷原子与背景气体的损失率系数进行阱深修正，得到阱深修正的损失率系数K
loss
；
[0022]2.3、计算冷原子真空系统的真空压强P；
[0023]根据获得的原子损失率Γ及阱深修正的损失率系数K
loss
，通过计算得出冷原子真空系统的真空压强P；
[0024]计算公式如：P＝Γ/K
loss k
B T；其中k
B
为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度。
[0025]本专利技术采用上述装置及方法提取出原子损失率Γ，获得阱深修正的损失率系数K
loss
；并通过计算公式P＝Γ/K
loss k
B T精确得到当前真空的压强。
[0026]计算过程如下：
[0027]相比于磁光阱中冷原子复杂的装载过程，装载完成之后的原子损耗过程变量更少，且更容易分析。在原子损耗过程中，原子数随时间的关系满足以下方程：
[0028][0029]其中Γ为磁光阱中原子与背景气体碰撞的原子损失率，β为冷原子与冷原子之间非弹性碰撞带来的原子数损耗，N(t)为原子数随时间的变化，t为时间，令初始条件下的原子数为N0，(1)式可解得：
[0030][0031]测量结果结合上式拟合可以得到冷原子与背景气体的单体损失率Γ，损失率系数
K
loss
是与势阱阱深相关的函数，其表达式如下：
[0032]K
loss
＝6.8(k
B
T)
1/3
(C6/m
i
)
1/3
(Wm0)
‑
1/6
ꢀꢀꢀ
(3)
[0033]式(3)中k
B
是玻尔兹曼常数，T是环境开尔文温度，C6为范德瓦尔斯系数，m
i
为背景气体的质量，W为磁光阱深度，m0为俘获的冷原子的质量。其中除了磁光阱的势阱深度以外，其余的参数都为固定的或确切可知的值，故对磁光阱的阱深进行精确的测量。
[0034]采用加速再俘获的方式，通过加速光加速原子团，测量冷原子获得动能之后再被磁光阱俘获的比例，其中原子获得的动能高于势阱深度的将逃逸出去。通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置，其特征在于，它包括第一激光器（1）、二维磁光阱腔室（2）、原子炉（4）、第一离子泵（5）、第一钛泵（6）、三维磁光阱腔室（7）、第二激光器（9）、第二钛泵（10）、电离真空计（11）、第二离子泵（12）、进气微调阀（13）、高纯度气瓶（14）、球面透镜（15）、光电倍增管（16）及数据采集卡（17）；所述第一激光器（1）与二维磁光阱腔室（2）光路连接，原子炉（4）与二维磁光阱腔室（2）轨道连接，第一离子泵（5）及第一钛泵（6）分别与二维磁光阱腔室（2）气路连接；所述第二钛泵（10）、第二离子泵（12）及高纯度气瓶（14）分别与三维磁光阱腔室（7）气路连接；所述第二激光器（9）与三维磁光阱腔室（7）光路连接；所述光电倍增管（16）及球面透镜（15）与三维磁光阱腔室（7）依次光路连接；所述数据采集卡（17）与光电倍增管（16）数据线连接；所述进气微调阀（13）设于高纯度气瓶（14）与三维磁光阱腔室（7）之间；所述电离真空计（11）设于第二钛泵（10）与三维磁光阱腔室（7）之间；所述二维磁光阱腔室（2）与三维磁光阱腔室（7）轨道连接。2.一种采用权利要求1所述传感装置实现精密测量冷原子真空系统压强的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：2.1、提取出原子损失率Γ：2.1.1、启动第一离子泵（5）及第一钛泵（6），使二维磁光阱腔室（2）的真空处于稳定状态；启动原子炉（4），将原子炉（4）中喷射的热原子束囚禁在二维磁光阱腔室（2）中形成二维冷原子团（3）；2.1.2、启动第二离子泵（12）及第二钛泵（10），使三维磁光阱腔室（7）的真空处于稳定状态；2.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：武海斌，李睿，张雪姣，张静怡，成永军，董猛，孙雯君，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：