CN104298299A - 磁场精密补偿、调节系统及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场精密补偿、调节系统及其构建方法，该方法包括选取三对薄板作为磁场调节面板，其中，每一对所述薄板包含两个薄面板；设置每一个所述薄面板的长度为s，宽度为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；将每一对所述薄板中的两个所述薄面板依次对立平行设置，以获得由三对薄板所构成的立方空间作为磁场空间，且任意一对所述薄板中的两个薄面板之间的垂直距离是h，所述h的量级是10^-2m。本发明不仅减小了线圈带来的自感和互感效应，而且具有操作结构简单、试验精度高的特点。

Description

磁场精密补偿、调节系统及其构建方法

技术领域

本发明属于球禁离子光频标技术领域，特别涉及一种磁场精密补偿、调节系统及其构建方法。

背景技术

球禁离子光频标作为一种精密计量时间的装置，对离子阱所在位置的环境特别是磁场要求很高。磁场产生因素有很多，主要有地磁场、离子阱材料被磁化而形成的磁场、离子泵磁铁等。由于磁场会造成囚禁离子的一阶塞曼效应，从而对离子的钟跃迁频率产生频移，所以必须对外磁场进行有效的屏蔽和控制。

目前，针对外部磁场的屏蔽，大家普遍采用坡莫合金材料制成的磁屏蔽系统进行屏蔽，请参阅图1，为了精确调节离子阱所在位置的磁场，目前主要采用三对相互垂直的Helmholtz线圈对磁场进行补偿，通过精确调节每对线圈的电流并检测离子的跃迁谱从而确定离子所在位置的磁场大小。由于线圈的自感效应及线圈与线圈之间的互感效应，调节线圈电流时，必然会产生感应电动势和感应电流，在达到稳定态时，感应电动势消失，电流增大。而在在有感应电动势时达到平衡的磁补偿，会因感应电动势的消失电流增大而产生过大的磁场，从而破坏掉补偿的平衡状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磁场精密补偿、调节系统及其构建方法，该系统及方法不仅减小了线圈带来的自感和互感效应，而且具有操作结构简单、试验精度高的特点。

为解决上述技术问题，依据本发明的一个方面，提供了一种磁场精密补偿、调节系统的构建方法，包括：选取三对薄板作为磁场调节面板，其中，每一对所述薄板包含两个薄面板；设置每一个所述薄面板的长度为s，宽度为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；将每一对所述薄板中的两个所述薄面板依次对立平行设置，以获得由三对薄板所构成的立方空间作为磁场空间，且任意一对所述薄板中的两个薄面板之间的垂直距离是h，所述h的量级是10^-2m。

又一方面，本发明还提供了一种磁场精密补偿、调节系统，包括：第一薄板组；所述第一薄板组包括：第一薄面板、第二薄面板，所述第一薄面板及所述第二薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第一薄面板及所述第二薄面板对立平行设置，使所述第一薄面板的板面与所述第二薄面板的板面相互平行；第二薄板组；所述第二薄板组包括：第三薄面板、第四薄面板，所述第三薄面板及所述第四薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第三薄面板及所述第四薄面板对立平行设置，使所述第三薄面板的板面与所述第四薄面板的板面相互平行；第三薄板组；所述第三薄板组包括：第五薄面板、第六薄面板，所述第五薄面板及所述第六薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第五薄面板及所述第六薄面板对立平行设置，使所述第五薄面板的板面与所述第六薄面板的板面相互平行；其中，由三对薄板组中的所述第一薄面板、第二薄面板、第三薄面板、第四薄面板、第五薄面板、第六薄面板所构成的立方空间作为磁场空间，能够实现形成三个互相垂直的均匀磁场。

进一步地，所述第一薄面板的板面分别与所述第三薄面板、第四薄面板、第五薄面板、第六薄面板的板面相互垂直；和/或，所述第三薄面板的板面分别与所述第一薄面板、第二薄面板、第五薄面板、第六薄面板的板面相互垂直；和/或，所述第五薄面板的板面分别与所述第一薄面板、第二薄面板、第三薄面板、第四薄面板的板面相互垂直。

本发明提供的一种磁场精密补偿、调节系统的构建方法，实现了在(10^-5)³m³的空间获得均匀x方向磁场，通过3对导体面，组成3个互相垂直的均匀磁场，达到了磁场补偿和调节的目的，本发明不仅减小了线圈带来的自感和互感效应，而且在调节精度方面有很大的提高，具有操作结构简单、试验精度高的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的结构原理示意图；以及

图2为本发明实施例提供的一种磁场精密补偿、调节系统的构建方法工艺流程示意图；以及

图3为本发明实施例提供的又一示意图；以及

图4为本发明实施例提供的又一示意图；以及

图5为本发明实施例提供的又一示意图；以及

图6为本发明实施例提供的又一示意图；以及

图7为本发明实施例提供的又一示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种磁场精密补偿、调节系统的构建方法，包括如下步骤：

步骤100：选取三对薄板作为磁场调节面板，其中，每一对所述薄板包含两个薄面板；

步骤110：设置每一个所述薄面板的长度为s，宽度为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；

步骤120：将每一对所述薄板中的两个所述薄面板依次对立平行设置，以获得由三对薄板所构成的立方空间作为磁场空间，且任意一对所述薄板中的两个薄面板之间的垂直距离是h，所述h的量级是10^-2m。

具体而言，上述步骤100为本发明的关键步骤，通过选用三对相互垂直的薄板作为磁场调节面板，代替传统技术中三对相互垂直的Helmholtz线圈，且本发明实施例中三对薄板相对较薄，且能够实现电流均匀通过薄板板面。在步骤120中，将三对薄板(六个薄面板)相互正对放置，三对薄板两两垂直，每一对薄板中的两个薄面板相互平行，使得三对薄板构成一个立方空间作为磁场空间，其优点如下：平行薄面板的自感、互感与线圈相比是很小的，可以有效的减小在调节过程中由自感与互感所产生的调节不便的问题，操作人员用Helmholtz线圈的目的是由于它可以在中心产生较为均均匀的磁场，但由于离子阱的囚禁不是把粒子囚禁在一个点，而是在一个小的空间中，所以用平行的薄面板设计也能够实现在中心产生一个磁场均匀的空间，然而，本发明中，正是为了实现能够在中心产生一个磁场均匀的空间，本发明独特的、有针对性的将每一个薄面板的长度设置为s，宽度设置为b，其中，s的量级是10^-1m，b的量级是10^-2m；且任意一对薄板中的两个薄面板之间的垂直距离设置为h，h的量级是10^-2m。

可参阅图3-7：

对于本发明所涉及的薄面板长度、宽度以及两个薄面板之间垂直距离三个参数的确定，可按如下方式进行：

①、薄面板长度、两个薄面板之间垂直距离的确定；

设薄面板的长为S，每一对薄板中的平行的两个薄面板的垂直距离是h；为了描述方便，则以平行的两个薄面板的中轴线为y轴，以两板中点为原点建立如图坐标系，引人参量a，L。其中a为原点到其中一板的垂直距离且h＝2a。L为y-z品面原点到板的边缘距离，且对h和S的约束条件是在y方向与z方向上要求磁场在一定的区域内均匀，可参阅图3对平行薄面板通入电流I，产生的磁场方向为x轴方向的磁场，在y、z方向需要考虑磁场大小的均匀性，这时本发明预先将平行薄面板看成由许多长直导线，对于y，z方向均匀性的研究可以看成是许多对并排长直导线产生磁场均匀性研究，最终可以简化为一对长直导线是否可以在中心产生一段y，z方向大小均匀磁场。无限长直导线在z轴方向的磁场大小一定均匀；然而，如何将一根长直导线近似为无限长直导线，此为本发明技术的关键，对于一根有限长的直导线，产生的磁场为：其中a为所研究的点P到直导线的垂直距离，I为所通电流大小，θ₁、θ₂为图4中P点到两端夹角，μ₀＝4π*10^-7。此时可分为2种情况：理想情况，当长直导线为无限长时，有两根通有反向电流的直导线的在其中间的磁感应强度合成如图5所示； $B=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2\mathrm{\&pi;}(y+a)}-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2\mathrm{\&pi;}(y-a)}=-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{2\mathrm{\&pi;}}\&CenterDot;\frac{2a}{y^2-a^2}(y<a)$ 相当于两个反比例函数的叠加，可得其中有一段均匀区，在理论可达到一段均匀的区域；而对于实际情况而言，不可能存在无限长的直导线，因此考虑有限长时角度变化的影响， $B=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{4\mathrm{\&pi;}(y+a)}\&CenterDot;(\cos {\mathrm{\&theta;}}_1-\cos {\mathrm{\&theta;}}_2)-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{4\mathrm{\&pi;}(y-a)}\&CenterDot;(\cos {\mathrm{\&theta;}}_3-\cos {\mathrm{\&theta;}}_4),$ 当y等于0时，θ₁等于θ₃，θ₂等于θ₄，上式可化简为：当z不等于0时，θ₁不等于θ₂，此时角度会带来很大误差，因此导线需尽量长(即a<<L)让其近似为长直导线。若设L为10^-1米量级，a为10^-2米量级，(其中L为O点到导体两端的距离，a为O到导体的垂直距离。)而实际要求均匀区域边长的量级在10^-5量级左右，由于讨论的点近似在长直导线中间的z轴线零点附近，近似有：cosθ₁＝-cosθ₂，则实际与理论值相比较，(1-cos(1/10)＝1-0.999998＝1*10-6)，当a/L≤1/10，由于I在毫安量级，所以在10^-8量级，所以B可以达到10^-14级小于nT的级别，则中点的误差小于1nT，在中点附近±10^-5m范围内将其近视为长直导线，达到z方向上近似均匀。近似为长直导线的情况在y方向上10^-5m的范围内B的变化大小如何确定，本发明通过对B求一阶导数得：当y＝0时B′等于0，在零点为一阶极点。在零点附近Δy距离的地方B的偏移量当(a>>y)时由于y的范围为10^-5m时，B可达到10^-18量级远小于1nT的量级。因此本发明中L的量级在10^-1米，a的量级10^-2米。根据h＝2a，可以得出这两个参量大小。

②、薄面板宽度的确定；

本发明首先对4条对称的直导线进行讨论，请参阅图6，左边的两条电流方向向下相距2m(m为未知数)，右边的两条电流方向向上也相距也2m。由对称性在y、z方向上的磁场为零，在x方向为(B₁为其中一导线产生的磁场大小所以)。以上只是距离为2m的4条对称直导线产生的磁场，对于是很多根直导线组成的导体面，就应当对其求积分 $B=\underset{0}{\overset{m}{\&Integral;}}\frac{2a{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{(a^2+m^2)}\mathrm{dm},B=\frac{2{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{\mathrm{\&pi;}}\arctan \frac{m}{a},$ 对B求导 $B^{\&prime;}=\frac{2a{\mathrm{\&mu;}}_{0}I}{\mathrm{\&pi;}(a^2+m^2)},$ 由该式可知当m越大时，B的变化越平缓，而在Δx＝10^-5m量级的范围内B的变化考虑到由三对导体面构成的限制，所以m最大也只能小于等于a(a的量级为10^-2)，由量级分析可知，B的变化量在10^-11量级小于1nT；导体板的宽度b的大小为两倍m的最大值，m小于a，a的量级10^-2米，所以b、2a，可以计算出b。b<2a，可以限定b。

综上所述，本发明实施例通过将薄面板长度s、宽度a以及两个薄面板之间垂直距离h三个参数的量级设置为10^-2米，具体来说，实验一般采用一种微型结构的Paul阱，此阱有利于长时间稳定的囚禁单个离子，也方便借助激光冷却使离子达到较低的温度，也可减少试验中因杂散光照成的本底噪声。这种微型结构的Pual阱由两个旋转对称的双曲面帽电极和一个环电极组成，一般环电极的直径为1.6mm左右，两帽电极间距约为1.4mm，此外还要在环平面离子阱中心大约5mm处加上两个相互垂直的补偿电极，以补偿离子的附加微运动。在环电极的下方，有一原子炉，用于产生离子，其长度一般在10mm左右。综合Pual阱的要求，所以长度s，宽度b和薄面板之间的垂直距离是h最少要在10^-2m的量级，h可直接设定在10^-2量级。通过上述分析可知，要求是s的量级在10^-1m，满足a/L≤1/10，从而B可达到10^-18量级远小于1nT的量级。对于宽度b越大精度越高，但是b只能小于h，因为要留出一定的空间引入导线和光纤，用于电极通入信号，激光导入和观测信号输出，因此，b也在10^-2量级。

换言之，对于h参量设置为10^-2，主要是因为Paul阱的两个补偿级电极距离要求与环平面离子阱中心相距大约5mm，两补偿极要相互垂直垂直，则它们间距10mm，所以h要为10^-2量级；对于s而言，要想使导体在z轴方向上近似达到均匀，必须要求s尽可能的大于h/2，当s比h大一个量级时，这时磁场B在10^-5m内的变化会远小于1nT，实现了z轴方向的均匀；对于宽度b，一方面要保证空间的大小(可以放入Paul阱)，另一方面要保证有空间引入导线和光纤。在保证x轴方向均匀的条件下，要求b略小于h，所以b的量级也近似10^-2。

因此，设计为10^-2就可以采用微型结构的Paul阱，此阱有利于长时间稳定的囚禁单个离子，也方便借助激光冷却使离子达到较低的温度，也可减少试验中因杂散光照成的本底噪声，其小型化的设计也更加适合囚禁少数或单个离子。

需要说明的是，本发明实施例还提供了一种磁场精密补偿、调节系统，该系统与本发明实施例提供的方法部分相对应，该系统包括：第一薄板组；所述第一薄板组包括：第一薄面板、第二薄面板，所述第一薄面板及所述第二薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第一薄面板及所述第二薄面板对立平行设置，使所述第一薄面板的板面与所述第二薄面板的板面相互平行；第二薄板组；所述第二薄板组包括：第三薄面板、第四薄面板，所述第三薄面板及所述第四薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第三薄面板及所述第四薄面板对立平行设置，使所述第三薄面板的板面与所述第四薄面板的板面相互平行；第三薄板组；所述第三薄板组包括：第五薄面板、第六薄面板，所述第五薄面板及所述第六薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第五薄面板及所述第六薄面板对立平行设置，使所述第五薄面板的板面与所述第六薄面板的板面相互平行；其中，由三对薄板组中的所述第一薄面板、第二薄面板、第三薄面板、第四薄面板、第五薄面板、第六薄面板所构成的立方空间作为磁场空间，能够实现形成三个互相垂直的均匀磁场。

需要进一步地说明的是，所述第一薄面板的板面分别与所述第三薄面板、第四薄面板、第五薄面板、第六薄面板的板面相互垂直；和/或，所述第三薄面板的板面分别与所述第一薄面板、第二薄面板、第五薄面板、第六薄面板的板面相互垂直；和/或，所述第五薄面板的板面分别与所述第一薄面板、第二薄面板、第三薄面板、第四薄面板的板面相互垂直。

以上介绍了本发明实施例提供的一种磁场精密补偿、调节系统的各组成部分，该系统的实现原理与本发明方法实施例相对应，未详尽部分此处不在赘述。

本发明实施例提供的一种磁场精密补偿、调节系统及其构建方法，对于其试验精度而言，由上述参数分析过程可知，对B的大小由给出，其中m实际应小于并接近a，若按m＝a计算，I为1mA这B的精度为2π*10^-10可达1nT/mA，不考虑电流噪声的影响，误差可达1％以下，精度可在1nT左右，与传统技术中三对相互垂直的Helmholtz线圈相比精度有相当大的提高。更进一步的，通过本发明实现了在(10^-5)³m³的空间获得均匀x方向磁场，通过3对导体面，组成3个互相垂直的均匀磁场，达到了磁场补偿和调节的目的，本发明不仅减小了线圈带来的自感和互感效应，而且在调节精度方面有很大的提高，具有操作结构简单、试验精度高的特点。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种磁场精密补偿、调节系统的构建方法，其特征在于，包括：

选取三对薄板作为磁场调节面板，其中，每一对所述薄板包含两个薄面板；

设置每一个所述薄面板的长度为s，宽度为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；

将每一对所述薄板中的两个所述薄面板依次对立平行设置，以获得由三对薄板所构成的立方空间作为磁场空间，且任意一对所述薄板中的两个薄面板之间的垂直距离是h，所述h的量级是10^-2m。

2.一种磁场精密补偿、调节系统，其特征在于，包括：

第一薄板组；

所述第一薄板组包括：第一薄面板、第二薄面板，所述第一薄面板及所述第二薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第一薄面板及所述第二薄面板对立平行设置，使所述第一薄面板的板面与所述第二薄面板的板面相互平行；第二薄板组；

所述第二薄板组包括：第三薄面板、第四薄面板，所述第三薄面板及所述第四薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第三薄面板及所述第四薄面板对立平行设置，使所述第三薄面板的板面与所述第四薄面板的板面相互平行；

第三薄板组；

所述第三薄板组包括：第五薄面板、第六薄面板，所述第五薄面板及所述第六薄面板的长度均为s，宽度均为b，其中，所述s的量级是10^-1m，所述b的量级是10^-2m；所述第五薄面板及所述第六薄面板对立平行设置，使所述第五薄面板的板面与所述第六薄面板的板面相互平行；

其中，由三对薄板组中的所述第一薄面板、第二薄面板、第三薄面板、第四薄面板、第五薄面板、第六薄面板所构成的立方空间作为磁场空间，能够实现形成三个互相垂直的均匀磁场。

3.依据权利要求2所述的系统，其特征在于：

所述第一薄面板的板面分别与所述第三薄面板、第四薄面板、第五薄面板、第六薄面板的板面相互垂直；

和/或，

所述第三薄面板的板面分别与所述第一薄面板、第二薄面板、第五薄面板、第六薄面板的板面相互垂直；

和/或，

所述第五薄面板的板面分别与所述第一薄面板、第二薄面板、第三薄面板、第四薄面板的板面相互垂直。