CN104409130A - 氢原子高低能态分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢原子高低能态分离装置，属于原子领域。所述装置包括：发射模块，用于提供一氢原子束；磁选态模块，用于提供一磁场对氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子进行分离；收集池，用于收集分离出的高能态氢原子；真空系统，用于收集分离出的低能态氢原子；磁场测量模块，用于测量磁场强度大小；控制模块，用于控制磁选态模块提供的磁场的强磁强度；计算剩余磁场的磁场强度；根据剩余磁场的磁场强度和第一预设磁场的磁场强度计算第二预设磁场的磁场强度，并控制磁选态模块提供的磁场的磁场强度等于所述第二预设磁场的磁场强度。

Description

氢原子高低能态分离装置

技术领域

本发明涉及原子领域，特别涉及一种氢原子高低能态分离装置。

背景技术

氢原子具有四个超精细能级。在常态下，电子占据在这四个超精细能级的几率相等，这四个超精细能级将氢原子分为高能态氢原子和低能态氢原子。而在某些应用中只需要高能态氢原子或低能态氢原子中的一种，因此如何将氢原子中的高能态氢原子或低能态氢原子分离开来是亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种氢原子高低能态分离装置。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种氢原子高低能态分离装置，所述装置包括：

发射模块，用于提供一氢原子束；

磁选态模块，用于提供一磁场对所述发射模块提高的氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子进行分离；

收集池，用于收集所述磁选态模块分离出的所述高能态氢原子；

真空系统，用于收集所述磁选态模块分离出的所述低能态氢原子；

磁场测量模块，用于测量磁场强度大小；

控制模块，用于控制所述磁选态模块提供的磁场的强磁强度，且在第一时间段内控制所述磁选态模块的磁场强度为第一磁场强度，在第二时间段内控制所述磁选态模块的磁场强度为第二磁场强度，所述第一磁场强度和所述第二磁场强度大小相等、方向相反；获取所述磁场测量模块在所述第一时间段内和所述第二时间段内测得的第三磁场强度和第四磁场强度；根据所述第一磁场强度、所述第二磁场强度、所述第三磁场强度和所述第四磁场强度，计算剩余磁场的磁场强度，所述剩余磁场为所述磁选态模块提供的磁场之外的杂散场；根据所述剩余磁场的磁场强度和第一预设磁场的磁场强度计算第二预设磁场的磁场强度，并控制所述磁选态模块提供的磁场的磁场强度等于所述第二预设磁场的磁场强度，所述第二预设磁场和所述剩余磁场叠加得到的磁场的磁场强度与所述第一预设磁场的磁场强度相等，所述第一预设磁场用于使所述氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子分离开，且使所述高能态氢原子和所述低能态氢原子分别进入所述收集池和所述真空系统。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述磁选态模块包括四磁极选态器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述四磁极选态器包括四个电磁铁，四个所述电磁铁的磁极相对设置，相对设置的四个所述磁极包括2个N极磁极和2个S极磁极，且所述N极磁极和所述S极磁极间隔设置。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述控制模块，还用于通过控制所述电磁铁的线圈电流大小和方向控制所述磁选态模块提供的磁场的强磁强度。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一预设磁场的磁场强度H₀、所述收集池与所述四磁极选态器的中心轴的距离r_DH和所述真空系统与所述四磁极选态器的中心轴的距离r_DL满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{DH}}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{2{\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{m{r}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\\ r_{\mathrm{DL}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{2{\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2+\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{m{r}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right\}$

其中，l₃为所述收集池和所述真空系统与所述四磁极选态器的距离，δ₀为所述氢原子束与所述四磁极选态器的中心轴的夹角，r₀为所述四磁极选态器的半径；l₁为所述发射模块与所述四磁极选态器的距离，l₂为所述四磁极选态器的长度，m为氢原子质量，v₀为氢原子束从所述发射模块发出时的初始速度，μ_B为波尔磁子。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述发射模块包括：

偏角器，用于控制所述氢原子束进入所述四磁极选态器时，所述氢原子束与所述四磁极选态器的中心轴的夹角δ₀。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述δ₀的最大值为δ_max，

${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{2r_0}{\sqrt{l_1^2+l_1+\frac{2m{v}_0^2{r}_0^2}{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}}};$

其中，r₀为所述四磁极选态器的半径；l₁为所述发射模块与所述四磁极选态器的距离，m为氢原子质量，v₀为氢原子束从所述发射模块发出时的初始速度，μ_B为波尔磁子，H₀为所述第一预设磁场的磁场强度。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述发射模块还包括准直孔，所述准直孔与所述偏角器依次设置在所述氢原子束的路径上。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述控制模块包括微处理器或者可编程逻辑控制器。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在第一时间段内控制磁选态模块的磁场强度为第一磁场强度，在第二时间段内控制磁选态模块的磁场强度为第二磁场强度，第一磁场强度和第二磁场强度大小相等、方向相反，获取在第一时间段内和第二时间段内的磁场测量模块测量到的实际磁场强度：第三磁场强度和第四磁场强度，根据第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度和第四磁场强度，计算剩余磁场的磁场强度，根据剩余磁场的磁场强度和第一预设磁场的磁场强度计算第二预设磁场的磁场强度，并控制磁选态模块提供的磁场的磁场强度等于第二预设磁场的磁场强度，由于该第二预设磁场与剩余磁场叠加得到的磁场的磁场强度与第一预设磁场的磁场强度相等，而第一预设磁场可以使氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子分离开，且使高能态氢原子和低能态氢原子分别进入收集池和真空系统；所以，通过控制磁选态模块工作时提供的磁场的磁场强度等于第二预设磁场的磁场强度，不仅可以使高低能态的氢原子分离，而且保证了分离的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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是本发明实施例提供的氢原子高低能态分离装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的剩余磁场的磁场强度计算方式示意图；

图3是本发明实施例提供的四磁极选态器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的氢原子高低能态分离示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例

本发明实施例提供了一种氢原子高低能态分离装置，参见图1，该装置包括：

发射模块101，用于提供一氢原子束；

磁选态模块102，用于提供一磁场对发射模块提高的氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子进行分离；

收集池103，用于收集磁选态模块分离出的高能态氢原子；

真空系统104，用于收集磁选态模块分离出的低能态氢原子；

磁场测量模块105，用于测量磁场强度大小；

控制模块106，用于控制磁选态模块提供的磁场的强磁强度，且在第一时间段内控制磁选态模块的磁场强度为第一磁场强度，在第二时间段内控制磁选态模块的磁场强度为第二磁场强度，第一磁场强度和第二磁场强度大小相等、方向相反；获取磁场测量模块在第一时间段内和第二时间段内测得的第三磁场强度和第四磁场强度；根据第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度和第四磁场强度，计算剩余磁场的磁场强度，剩余磁场为磁选态模块提供的磁场之外的杂散场；根据剩余磁场的磁场强度和第一预设磁场的磁场强度计算第二预设磁场的磁场强度，并控制磁选态模块提供的磁场的磁场强度等于第二预设磁场的磁场强度，第二预设磁场和剩余磁场叠加得到的磁场的磁场强度与第一预设磁场的磁场强度相等，第一预设磁场用于使氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子分离开，且使高能态氢原子和低能态氢原子分别进入收集池103和真空系统104。

具体地，如图2所示，H_I为第一磁场强度，-H_I为第二磁场强度、H_∑为第三磁场强度、H'_Σ为第四磁场强度，根据上述四个参数即可计算出剩余磁场的磁场强度H_γ。

如图3所示，磁选态模块102可以包括四磁极选态器1021。四磁极选态器包括四个电磁铁，四个电磁铁的磁极相对设置，相对设置的四个磁极包括2个N极磁极和2个S极磁极，且N极磁极和S极磁极间隔设置。其中，r₀为四磁极选态器1021的半径。图3中，四个电磁铁的磁极的截面围成一个圆形，r₀为该圆形的圆心到四个磁极的距离；四磁极选态器1021的中心轴与该圆形所在平面垂直，且穿过该圆形的圆心。前述四个电磁铁的磁极的截面与四个电磁铁的长度方向垂直。

进一步地，控制模块106，还用于通过控制电磁铁的线圈电流大小和方向控制磁选态模块102提供的磁场的强磁强度。

在本发明实施例中，第一预设磁场的磁场强度H₀、收集池与四磁极选态器的中心轴的距离r_DH和真空系统与四磁极选态器的中心轴的距离r_DL满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{DH}}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{2{\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{m{r}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\\ r_{\mathrm{DL}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{2{\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2+\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{m{r}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right\}$

如图4所示，r_DH和r_DL分别为收集池103和真空系统104与四磁极选态器1021的中心轴Z的距离，l₃为收集池103和真空系统104与四磁极选态器1021的距离，δ₀为氢原子束与四磁极选态器1021的中心轴Z的夹角，r₀为四磁极选态器1021的半径；l₁为发射模块101与四磁极选态器1021的距离，l₂为四磁极选态器1021的长度，m为氢原子质量，v₀为氢原子束从发射模块101发出时的初始速度，μ_B为波尔磁子。其中，四磁极选态器1021的长度是指四磁极选态器在中心轴Z的方向上的长度。

具体地，上述公式可以根据以下方式推导：

根据牛顿运动定律，氢原子在四极选态磁场中的运动方程为：

$\frac{d^{2}r}{{\mathrm{dt}}^2}\±{\mathrm{\μ}}_B\frac{H_0}{{\mathrm{mr}}_0}=0---\left(1\right)$

式中，r为氢原子的横向(垂直于图中Z轴方向)位移；负磁矩态氢原子取“+”，正磁矩态氢原子取“-”，则氢原子在四极选态磁场内部运动的初始条件为：

$\left\{\begin{array}{c}r{|}_{t=0}=l_1\sin {\mathrm{\δ}}_0\≈l_1{\mathrm{\δ}}_0\\ v{|}_{t=0}=v_0\sin {\mathrm{\δ}}_0\≈v_0{\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right\}---\left(2\right)$

所以，氢原子在四极选态磁场中的横向速度v_r(t)和横向位移r(t)可表示为：

式中，负磁矩态氢原子取“-”，正磁矩态氢原子取“+”，在四极选态磁场出口(靠近收集池103和真空系统104一侧)处横向速度和位移为：

高能态氢原子经过聚集距离l₃到达收集池所在处的横向位移和低能态氢原子经过聚集距离l₃到达真空系统所在处的横向位移，即为前述收集池103和真空系统104与四磁极选态器1021的中心轴Z的距离，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{DH}}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{2{\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{m{r}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\\ r_{\mathrm{DL}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{2{\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2+\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{m{r}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right\}---\left(5\right)$

在本发明实施例中，该发射模块101包括：

偏角器，用于控制氢原子束进入四磁极选态器时，氢原子束与四磁极选态器的中心轴的夹角δ₀。

根据公式(4)，令v_r(t)＝0，r(t)＝r0，且取“-”，可得δ₀的最大值δ_max的取值：

${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{2r_0}{\sqrt{l_1^2+l_1+\frac{2m{v}_0^2{r}_0^2}{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}}};$

其中，r₀为四磁极选态器的半径；l₁为发射模块与四磁极选态器的距离，m为氢原子质量，v₀为氢原子束从发射模块发出时的初始速度，μ_B为波尔磁子，H₀为第一预设磁场的磁场强度。如果氢原子束与四磁极选态器的中心轴的夹角δ₀过大，则无法将高能态氢原子和低能态氢原子从四磁极选态器中分离出来。

进一步地，发射模块101还包括准直孔，准直孔与偏角器依次设置在氢原子束的路径上。

在本发明实施例中，控制模块106包括微处理器或者可编程逻辑控制器。

本发明实施例通过在第一时间段内控制磁选态模块的磁场强度为第一磁场强度，在第二时间段内控制磁选态模块的磁场强度为第二磁场强度，第一磁场强度和第二磁场强度大小相等、方向相反，获取在第一时间段内和第二时间段内的磁场测量模块测量到的实际磁场强度：第三磁场强度和第四磁场强度，根据第一磁场强度、第二磁场强度、第三磁场强度和第四磁场强度，计算剩余磁场的磁场强度，根据剩余磁场的磁场强度和第一预设磁场的磁场强度计算第二预设磁场的磁场强度，并控制磁选态模块提供的磁场的磁场强度等于第二预设磁场的磁场强度，由于该第二预设磁场与剩余磁场叠加得到的磁场的磁场强度与第一预设磁场的磁场强度相等，而第一预设磁场可以使氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子分离开，且使高能态氢原子和低能态氢原子分别进入收集池和真空系统；所以，通过控制磁选态模块工作时提供的磁场的磁场强度等于第二预设磁场的磁场强度，不仅可以使高低能态的氢原子分离，而且保证了分离的精度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氢原子高低能态分离装置，其特征在于，所述装置包括：

发射模块，用于提供一氢原子束；

磁选态模块，用于提供一磁场对所述发射模块提高的氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子进行分离；

收集池，用于收集所述磁选态模块分离出的所述高能态氢原子；

真空系统，用于收集所述磁选态模块分离出的所述低能态氢原子；

磁场测量模块，用于测量磁场强度大小；

控制模块，用于控制所述磁选态模块提供的磁场的强磁强度，且在第一时间段内控制所述磁选态模块的磁场强度为第一磁场强度，在第二时间段内控制所述磁选态模块的磁场强度为第二磁场强度，所述第一磁场强度和所述第二磁场强度大小相等、方向相反；获取所述磁场测量模块在所述第一时间段内和所述第二时间段内测得的第三磁场强度和第四磁场强度；根据所述第一磁场强度、所述第二磁场强度、所述第三磁场强度和所述第四磁场强度，计算剩余磁场的磁场强度，所述剩余磁场为所述磁选态模块提供的磁场之外的杂散场；根据所述剩余磁场的磁场强度和第一预设磁场的磁场强度计算第二预设磁场的磁场强度，并控制所述磁选态模块提供的磁场的磁场强度等于所述第二预设磁场的磁场强度，所述第二预设磁场和所述剩余磁场叠加得到的磁场的磁场强度与所述第一预设磁场的磁场强度相等，所述第一预设磁场用于使所述氢原子束中的高能态氢原子和低能态氢原子分离开，且使所述高能态氢原子和所述低能态氢原子分别进入所述收集池和所述真空系统。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁选态模块包括四磁极选态器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述四磁极选态器包括四个电磁铁，四个所述电磁铁的磁极相对设置，相对设置的四个所述磁极包括2个N极磁极和2个S极磁极，且所述N极磁极和所述S极磁极间隔设置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制模块，还用于通过控制所述电磁铁的线圈电流大小和方向控制所述磁选态模块提供的磁场的强磁强度。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一预设磁场的磁场强度H₀、所述收集池与所述四磁极选态器的中心轴的距离r_DH和所述真空系统与所述四磁极选态器的中心轴的距离r_DL满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{DH}}=-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{{2\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{{\mathrm{mr}}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\\ r_{\mathrm{DL}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}{{2\mathrm{mr}}_0}{\left(\frac{l_2}{v_0}\right)}^2+\frac{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0{l}_2{l}_3}{{\mathrm{mr}}_0{v}_0^2}+(l_1+l_2+l_3){\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right\}$

其中，l₃为所述收集池和所述真空系统与所述四磁极选态器的距离，δ₀为所述氢原子束与所述四磁极选态器的中心轴的夹角，r₀为所述四磁极选态器的半径；l₁为所述发射模块与所述四磁极选态器的距离，l₂为所述四磁极选态器的长度，m为氢原子质量，v₀为氢原子束从所述发射模块发出时的初始速度，μ_B为波尔磁子。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述发射模块包括：

偏角器，用于控制所述氢原子束进入所述四磁极选态器时，所述氢原子束与所述四磁极选态器的中心轴的夹角δ₀。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述δ₀的最大值为δ_max，

${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{{2r}_0}{\sqrt{l_1^2+l_1+\frac{{2\mathrm{mv}}_0^2{r}_0^2}{{\mathrm{\μ}}_B{H}_0}}};$

其中，r₀为所述四磁极选态器的半径；l₁为所述发射模块与所述四磁极选态器的距离，m为氢原子质量，v₀为氢原子束从所述发射模块发出时的初始速度，μ_B为波尔磁子，H₀为所述第一预设磁场的磁场强度。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述发射模块还包括准直孔，所述准直孔与所述偏角器依次设置在所述氢原子束的路径上。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括微处理器或者可编程逻辑控制器。