CN103714878B - 一种集成一体化的离子囚禁装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成一体化的离子囚禁装置，包括原子炉、磁屏蔽系统和设置在磁屏蔽系统内的磁场线圈系统，还包括设置在磁场线圈系统的离子阱，离子阱包括两个陶瓷支架，两个陶瓷支架之间固定有四个射频电极，相对的两个射频电极对称设置，每个射频电极包括固定端和射频端，两个陶瓷支架上均设置帽电极，帽电极一端设置有帽电极弧面端，四个射频端和两个帽电极弧面端围成的空间为离子阱中央区域，所述的原子炉设置在离子阱中央区域的下方。本发明内置成像透镜系统距离离子囚禁区域很近，成像立体角大，可以显著提高信噪比。内置磁场线圈体积小巧，有利于离子囚禁区域磁场的精确控制。磁屏蔽系统结构紧凑，开孔小，屏蔽效果更好。

Description

一种集成一体化的离子囚禁装置

技术领域

本发明涉及离子囚禁装置领域，具体涉及一种集成一体化的离子囚禁装置，适用于光学频标、量子光学、量子信息等领域。

背景技术

离子阱是一种利用电磁场将离子俘获和囚禁在空间一定范围内的装置。基本的离子阱根据其囚禁方式可以分为Penning阱和Paul阱两种类别。本发明主要涉及Paul阱也即射频离子阱领域。最基本的射频离子阱的最初由WolfgangPaul在1959年发明[1]并在随后的半个世纪中被大量改进以适用于不同的用途。现已广泛运动用在质谱、量子信息、量子光学、精密测量等诸多领域。

在一般化的射频离子阱中，我们可以利用适当结构的电极构造出满足如下表达式的交变电场：

$\mathrm{\Φ}(x,y,t)=[U+V\cos \left(w_{\mathrm{rf}}t\right)]\frac{(x^2-y^2)}{{2r}_0^2}$

式中：U为射频电极上的直流信号，V为射频信号的最大幅值，wrf为射频信号的频率，r0为相对两个射频电极的最小距离。

于是，在x-y平面上，带电离子的运动方程可以写成这样的形式：

$\stackrel{\·\·}{x}+\frac{e}{{\mathrm{mr}}_0^2}[U+V\cos \left(w_{\mathrm{rf}}t\right)]x=0$

$\stackrel{\·\·}{y}-\frac{e}{{\mathrm{mr}}_0^2}[U+V\cos \left(w_{\mathrm{rf}}t\right)]y=0$

该方程被称为Mathieu方程。如果选择的参数恰当，该方程可以获得若干稳定解，满足这些解的条件的离子可以在x-y平面围绕中心点振荡。此时，假若在z轴方向上我们利用两个直流电极，加上幅度相等的直流电压，那么带电离子在z轴方向也将被束缚，这就构成了一个基本结构的线性阱[2]。

在一般的精密光谱实验中，例如光学频标、量子信息、量子光学等领域，通常会希望能够获得稳定的单个离子来进行实验，因此上述离子阱的原理就得到了应用。实践上通常利用金属片制作原子炉，来产生实验需要的原子团（以下简称工质），并且通过选择和工质的电子能级相匹配的激光器，使工质发生光电离形成带电的工质离子，从而被上述离子阱成功囚禁。

由于单个的离子非常脆弱，因此上述离子阱通常需安装在超高真空的真空室中，以避免工质离子和外界杂质分子发生碰撞。这就需要通常的离子阱被安置在体积笨重的真空装置中。

在精密的光谱实验中，实验者一般借助和工质离子团的电子态能级相匹配的激光，研究工质离子的光谱。因此，如果希望利用离子囚禁系统进行这样的的精密光谱实验，例如光学频标、量子光学、量子信息等，就希望说设计的离子囚禁系统具有相应的通光能力。

在一般化的此类实验中，实验者通过对离子囚禁系统中心区域通入准直和聚焦的激光束，使工质离子同激光发生作用，释放出大量光子。实验者需收集光子进行成像和分析，得到工质的光谱信息，进行相关的实验研究。

通常的实验设计中，由于离子阱被安置在体积的笨重的真空装置中，不得不在该真空装置上加工出倒视窗，再将成像透镜安放其中，由于成像透镜位于真空系统外部，虽然倒视窗尽可能的靠近离子囚禁系统的中心区域，但受限于真空系统，成像透镜和离子囚禁系统区域的距离一般不小于45mm，因此成像立体角通常只有0.3π。

同时，在上述的精密光谱实验中，由于磁场的存在会导致塞曼效应，引起工质离子的能级发生分裂，并且该分裂的情况和离子所感受到的磁场强度有很大的关联，通常必须对离子所处的磁场进行精密的控制。由于地磁场的存在，实验上需要首先借助坡莫合金加工的磁屏蔽系统屏蔽掉大部分的地磁场。再利用一套磁场线圈系统，借助Hanle效应，产生出和残余磁场大小相同，方向相反的附加磁场，使得地磁场完全被抵消。在这个基础上，再人为添加实验所需的磁场，根据实验者的具体需要进行相关的研究，因此，还需要一套磁场线圈系统和相应的磁屏蔽系统。由于离子阱被安置在真空系统内部，磁场系统和磁屏蔽系统通常被设置在真空系统外并沿着真空系统加工为圆柱形或者立方体形。一方面，由于真空系统本身体积硕大，导致磁场系统和磁屏蔽系统体积也必须很大；另一方面真空系统上已经根据激光通光、成像透镜通光等需要加工出很多玻璃窗口，磁屏蔽系统也必须具有相应地具有同样的孔，无法保持密闭。这样，不仅磁屏蔽效果难以做好，而且由于体积较大，难以准确控制离子囚禁区域的磁场大小。

综上所述，一套传统的离子囚禁装置，由一套安置在超高真空环境中的离子阱、成像透镜系统、磁场线圈系统、磁屏蔽系统等部件构成。在传统的设计方案中，通常将离子阱安装于真空腔体中央，再在真空系统外壁设置玻璃倒视窗，并将成像透镜安装在该倒视窗中。此外，磁场线圈一般加工在真空系统外部，而磁屏蔽系统就需要包裹整个系统。因此，由于成像透镜处于在真空系统外部，距离离子囚禁区域距离比较远，成像立体角比较小，荧光收集效率就比较有限，另一方面，由于磁场线圈和磁屏蔽系统均位于真空系统外部，不仅体积笨重，而且屏蔽效果等不太理想。最后，由于各个部分被分别设计且相互关联，因此针对每一次不同的实验需求，必须对全套系统进行特殊定制和加工，不具有通用性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种集成一体化的离子囚禁装置，解决了成像立体角比较有限；磁屏蔽系统位于真空系统外部，屏蔽效果较差；装置整体体积较大；装置不具备通用性等问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种集成一体化的离子囚禁装置，包括原子炉、磁屏蔽系统和设置在磁屏蔽系统内的磁场线圈系统，还包括设置在磁场线圈系统的离子阱，离子阱包括两个陶瓷支架，两个陶瓷支架之间固定有四个射频电极，相对的两个射频电极对称设置，每个射频电极包括固定在两个陶瓷支架之间的固定端和设置在固定端上射频端，两个陶瓷支架上均设置帽电极，帽电极一端与陶瓷支架连接，另一端设置有帽电极弧面端，四个射频端和两个帽电极弧面端围成的空间为离子阱中央区域，所述的原子炉设置在离子阱中央区域的下方。

如上所述的射频端指向离子阱中央区域的尖端的弧面的弧度为0.1-1mm，所述的帽电极弧面端指向离子阱中央区域的尖端为弧度为0.1-1mm的球形弧面。

如上所述的磁场线圈系统包括磁场线圈系统壳体，磁场线圈系统壳体一端面为可拆卸的盖板，磁场线圈系统壳体的六个面上均设置有凸环，凸环上缠绕有线圈，磁场线圈系统壳体三个侧面上位于凸环环内的部分均开设有通光孔，磁场线圈系统壳体上相对的一对侧面的凸环内的通光孔为激光通光孔，磁场线圈系统壳体另外一个侧面的凸环内的通光孔为成像通光孔，成像通光孔的孔壁设置有与成像透镜的外螺纹匹配的内螺纹。

一种集成一体化的离子囚禁装置，还包括离子阱固定螺杆，离子阱固定螺杆依次穿过开设在盖板上的离子阱固定孔、陶瓷支架上开设的离子阱固定孔和与盖板相对的磁场线圈系统壳体端面上开设的离子阱固定孔将离子阱固定在磁场线圈系统壳体内，盖板和与盖板相对的磁场线圈系统壳体端面上还开设有导线通孔。

如上所述的磁屏蔽系统包括屏蔽壳体，磁场线圈系统壳体设置在屏蔽壳体内，屏蔽壳体相对于成像通光孔的位置开设有屏蔽壳体成像通光孔，屏蔽壳体相对于激光通光孔的的位置开设有屏蔽壳体激光通光孔。

如上所述的屏蔽壳体的两个端面上和磁场线圈系统壳体上均开设有磁场线圈系统固定孔，磁场线圈系统固定杆穿过磁场线圈系统固定孔将磁场线圈系统壳体固定在屏蔽壳体内，屏蔽壳体的两个端面上还开设有导线通孔。

如上所述的屏蔽壳体和磁场线圈系统壳体之间还设置有陶瓷垫片。

如上所述的屏蔽壳体侧面上的屏蔽壳体激光通光孔为多个，屏蔽壳体激光通光孔的通光面积小于等于2mm²，各个屏蔽壳体激光通光孔从不同方向对准离子阱中央区域。

本发明与现有技术相比，具有以下效果：

1：内置成像透镜系统距离离子囚禁区域很近，成像立体角大，可以显著提高信噪比。

2：内置磁场线圈体积小巧，有利于离子囚禁区域磁场的精确控制。

3：磁屏蔽系统结构紧凑，开孔小，屏蔽效果更好。

附图说明

图1是本发明的拆解图。

图2是本发明装配后的外观。

图3是离子阱细节图。

图4是离子阱中央区域局部放大视图。

图中：1-离子阱；2-成像透镜；3-原子炉；4-磁场线圈系统；5-磁屏蔽系统；101-第一射频电极；102-第二射频电极；103-第三射频电极；104-第四射频电极；105-第一陶瓷支架；106-第二陶瓷支架；107-第一帽电极；108-第二帽电极；109-原子炉固定杆；110-离子阱中央区域；401-磁场线圈系统壳体；402-盖板；403-凸环；404-成像通光孔；405-激光通光孔；406-磁场线圈系统固定杆；501-屏蔽壳体；502-屏蔽壳体激光通光孔；503-磁场线圈系统固定孔；504-屏蔽壳体成像通光孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细的说明：

所述的离子阱1为中心对称结构，包括两片陶瓷支架（第一陶瓷支架105和第二陶瓷支架106）、四片射频电极（第一射频电极101～第四射频电极104）和两片帽电极（第一帽电极107和第二帽电极108）、一对共两只的原子炉组成，具体可参见附图3。第一陶瓷支架105和第二陶瓷支架106的主体为十字型，第一陶瓷支架105和第二陶瓷支架106为对称分布，正中央均加工有螺纹孔，可供帽电极（第一帽电极108和第二帽电极109）穿过。第一陶瓷支架105和第二陶瓷支架106上还加工有和射频电极（第一射频电极101～第四射频电极104）相配合的射频电极固定孔，可以使得射频电极固定杆依次穿过第一陶瓷支架105、射频电极（101-104）和第二陶瓷支架106，实现对射频电极的电气连接和辅助固定的功能，陶瓷支架十字端部加工有互相配合的离子阱固定孔，可供离子阱固定杆穿过，实现离子阱1和磁场线圈系统4和磁屏蔽系统5的连接。

所述的射频电极两两相对，被第一陶瓷支架105和第二陶瓷支架106夹持在中间，利用射频电极固定杆和螺帽压紧固定，射频电极固定杆和螺帽同时起到了电线的接线端的功能，实现电气连接的功能。射频电极指向离子阱中央区域的端面（射频端）被加工出r=0.1-1mm的弧面，并且留出狭小的空隙。两片帽电极（107、108）分别穿过两片陶瓷支架（105、106）中央的帽电极固定孔，帽电极（107、108）与陶瓷支架（105、106）连接的一端的侧表面加工有螺纹，可以利用螺帽进行固定。帽电极（107、108）的另一端为尖端，且加工出r=0.1-1mm的球形弧面，两个帽电极的尖端相距1–5mm，因此和上述射频电极（101～104）和两个帽电极之间的空隙共同围绕出离子阱中央区域110。

所述的原子炉3由一对共两只的圆柱形炉体组成，两只原子炉完全对称，每只炉体均可以独立工作，每只炉体均为圆柱形，原子炉3指向离子阱中心区域的端面开有出射孔，根据不同的实验需求，从所述小孔内填充进不同的工作介质（以下简称工质），由于炉体共有两只，因此可以填充不同种类的工质以实现特殊要求，或者填充同一种类的工质，可以在其中一只损坏或工质耗尽时提供替补，原子炉3上利用点焊工艺焊接铍铜支撑片，并利用螺帽将所述铍铜支撑片固定在射频电极固定杆上，射频电极固定杆另一端固定在磁场线圈系统4的盖板上。射频电极固定杆只起将原子炉固定在磁场线圈系统4的盖板上的功效，不与系统其他部分发生连接关系。每只原子炉的顶端对准所述的离子阱中心区域110，其内部依照不同的实验需求可以填充不同的工作介质。原子炉3内部有通电导线，可在有电流通入时加热到200–1000℃。

所述的成像透镜2为圆柱形结构，侧面加工有螺纹，可以同所述的磁场线圈系统壳体401的相应表面上相对应的螺纹孔紧密配合进行固定，成像透镜2内部由一组透镜构成，可实现显微、放大功能，可以对位于所述离子阱1中心的离子发出的微弱荧光信号进行收集和放大，从而实现离子态的探测，由于成像透镜2距离子阱1的中心区域距离可接近到18-25mm，因此成像立体角最大可达0.6π。能够显著提高收集到的荧光强度，进而提高信噪比。

所述磁场线圈系统4包括一个有穿孔的磁场线圈系统壳体401、盖板402和三对线圈，所述的磁场线圈系统壳体401为圆角长方体，由不锈钢加工而成，其中一个端部开口，且设置有盖板402便于的安装，所述盖板402通过螺丝可以和磁场线圈系统壳体401紧密配合。所述磁场线圈系统壳体401六个面上均设置有凸环403，其中，磁场线圈系统壳体401设置有盖板的一面的凸环403设置在盖板402上。三对线圈分别绕制在壳体两对侧面和一对端面上的凸环403上。磁场线圈系统壳体401侧面中的上侧面正中央加工有螺纹孔，可以同所述的成像透镜的螺纹相匹配，实现对成像透镜的固定。磁场线圈系统壳体401的侧面中的前后侧面的凸环403开设有激光通光孔，激光通光孔的大小优选与凸环内侧形状大小一致，通光面积最大，以方便实验所需的各种激光入射，实现对离子的操控，盖板402以及盖板402相对的另一侧加工有供离子阱固定杆穿过的通孔和便于通电导线通过的小孔。所述的通电导线用于所述离子阱中射频电极（101-104）、帽电极（107-108）、原子炉3的供电。

所述的磁屏蔽系统5为坡莫合金圆角长方体的屏蔽壳体501，屏蔽壳体501由左半部和右半部紧密接触实现密配合。屏蔽壳体501的上表面加工有和成像透镜相匹配的孔，孔口处设置有向屏蔽壳体501向外延伸的延伸环，便于荧光信号传递出去。屏蔽壳体的前后表面均设置有三个细长的屏蔽壳体激光通光孔502，屏蔽壳体激光通光孔502与离子阱中央区域水平高度相等，水平方向上，从三种不同的角度同样对准离子阱中央区域，可以满足实验者所需的各种激光入射。同时，屏蔽壳体激光通光孔502的通光面积不大于2mm²，较小而精确的开孔有利于提高磁屏蔽效果。屏蔽壳体501的表面上设置有同所述磁场线圈系统的盖板402和盖板402相对一侧的磁场线圈系统壳体上相匹配的小孔，可供磁场线圈系统固定杆406和通电导线穿过，用于连接和支撑装置的各个部分。

所述的磁屏蔽系统5套在所述的磁场线圈系统4外部，并且利用陶瓷垫片进行固定，同时，陶瓷垫片可以避免二者发生碰撞或直接接触。

在实际工作中，本发明需安置在超高真空的真空腔中，真空腔可根据实验者的不同需求进行不同的设计。此外，实验者还可以根据实验需求，选择不同的激光对工质进行操控。

如图4所示，相对的两片射频电极，例如图中所述的第一射频电极101和第三射频电极103接射频信号，在两者之间产生峰峰值不低于500V的射频电场，而另外两片相对的射频电极，第二射频电极102和第四射频电极104，接地作为参考电位。再将第一帽电极107和第二帽电极108之间接5-1000V之间的直流电场，则在所述的四片射频电极、帽电极之间可以形成所需的电场，拥有囚禁离子的能力。

需要说明，由于离子阱装置本身具有中心对称的性质，因此本例中四片射频极的编号方式并不唯一，仅为一种实施方案。同类方案可以为：

方案一：第二射频电极102和第四射频电极104施加射频电场，第一射频电极101和第三射频电极103施加参考地。

方案二：第一射频电极101和第三射频电极103施加射频电场，第二射频电极102和第四射频电极104施加相位相反的射频电场。

上述方案实施效果完全等价。

当囚禁电场施加成功，需要对所述的原子炉施加电流，电流大小可以为0.5A-20A。原子炉在电流作用开始工作并升温，因此原子炉内部工质的蒸汽压上升，在高真空环境中，将形成工质原子团，并且，由于压强增大，原子团将沿原子炉开口方向喷射，进入离子阱中心区域。

此时，在本装置外部配合实验所需的激光系统，精确调整激光光束，使电离激光和冷却激光等依照实验者的需要所设计的激光束穿过离子阱中央区域，就可以实现工质原子的电离和冷却，被电离的工质原子可以同所述离子阱装置中心区域的电场发生作用并完成囚禁。

借助本装置外部的三对通光小孔，还可配合不同需求的激光，完成对离子电子态的操控实验。在本装置的上方，实验者可以根据自己的需求，外接光电倍增管或CCD等荧光探测装置，探测本装置的成像透镜所收集的荧光进行光谱学分析实验。

此外，实验者可以对磁场线圈通入适当大小的电流，精确的控制装置内部的磁场，满足精密光谱的相关实验的需要。

上述实施例仅用于说明本发明的工作方式，所涉及的电压、电流、外加激光方案等均是可以变化的，凡根据本发明装置原理对个别参数或者部件进行的等同替换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种集成一体化的离子囚禁装置，包括原子炉(3)、磁屏蔽系统(5)和设置在磁屏蔽系统(5)内的磁场线圈系统(4)，其特征在于，还包括设置在磁场线圈系统(4)内的离子阱(1)，离子阱(1)包括两个陶瓷支架(105～106)，两个陶瓷支架(105～106)之间固定有四个射频电极(101～104)，相对的两个射频电极(101,103/102,104)对称设置，每个射频电极包括固定在两个陶瓷支架(105～106)之间的固定端和设置在固定端上射频端，两个陶瓷支架(105～106)上均设置帽电极(107～108)，帽电极(107/108)一端与陶瓷支架(105/106)连接，另一端设置有帽电极弧面端，四个射频端和两个帽电极弧面端围成的空间为离子阱中央区域(110)，所述的原子炉(3)设置在离子阱中央区域(110)的下方，磁场线圈系统(4)包括磁场线圈系统壳体(401)，磁场线圈系统壳体(401)一端面为可拆卸的盖板(402)，磁场线圈系统壳体(401)的六个面上均设置有凸环(403)，凸环(403)上缠绕有线圈，磁场线圈系统壳体(401)三个侧面上位于凸环(403)环内的部分均开设有通光孔，磁场线圈系统壳体(401)上相对的一对侧面的凸环(403)内的通光孔为激光通光孔(405)，磁场线圈系统壳体(401)另外一个侧面的凸环(403)内的通光孔为成像通光孔(404)，成像通光孔(404)的孔壁设置有与成像透镜的外螺纹匹配的内螺纹。

2.根据权利要求1所述的一种集成一体化的离子囚禁装置，其特征在于，所述的射频端指向离子阱中央区域(110)的尖端的弧面的弧度为0.1-1mm，所述的帽电极弧面端指向离子阱中央区域(110)的尖端为弧度为0.1-1mm的球形弧面。

3.根据权利要求1所述的一种集成一体化的离子囚禁装置，其特征在于，还包括离子阱固定螺杆，离子阱固定螺杆依次穿过开设在盖板(402)上的离子阱固定孔、陶瓷支架(105～106)上开设的离子阱固定孔和与盖板(402)相对的磁场线圈系统壳体(401)端面上开设的离子阱固定孔将离子阱固定在磁场线圈系统壳体(401)内，盖板(402)和与盖板(402)相对的磁场线圈系统壳体(401)端面上还开设有导线通孔。

4.根据权利要求3所述的一种集成一体化的离子囚禁装置，其特征在于，所述的磁屏蔽系统(5)包括屏蔽壳体(501)，磁场线圈系统壳体(401)设置在屏蔽壳体(501)内，屏蔽壳体(501)相对于成像通光孔(404)的位置开设有屏蔽壳体成像通光孔(504)，屏蔽壳体(501)相对于激光通光孔的的位置开设有屏蔽壳体激光通光孔(502)。

5.根据权利要求4所述的一种集成一体化的离子囚禁装置，其特征在于，所述的屏蔽壳体(501)的两个端面上和磁场线圈系统壳体(401)上均开设有磁场线圈系统固定孔(503)，磁场线圈系统固定杆(406)穿过磁场线圈系统固定孔(503)将磁场线圈系统壳体(401)固定在屏蔽壳体(501)内，屏蔽壳体(501)的两个端面上还开设有导线通孔。

6.根据权利要求5所述的一种集成一体化的离子囚禁装置，其特征在于，所述的屏蔽壳体(501)和磁场线圈系统壳体(401)之间还设置有陶瓷垫片。

7.根据权利要求4所述的一种集成一体化的离子囚禁装置，其特征在于，所述的屏蔽壳体(501)侧面上的屏蔽壳体激光通光孔(502)为多个，屏蔽壳体激光通光孔(502)的通光面积小于等于2mm²，各个屏蔽壳体激光通光孔(502)从不同方向对准离子阱中央区域(110)。