CN108267791B - 一种用于原子干涉仪探头的磁场系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，包括一对梯度磁场线圈、一组偏置磁场线圈、一对补偿磁场线圈，分别用于产生磁光阱所需的梯度磁场，拉曼干涉阶段所需的均匀偏置磁场，在磁光阱中心位置抵消偏置磁场的补偿磁场。其中偏置磁场线圈组只需通一个电流，与磁屏蔽装置配合，在冷却区、干涉区、探测区范围内产生的偏置磁场不均匀度小于0.24％；补偿磁场线圈对在原子冷却阶段通电，产生的磁场在磁光阱中心与偏置磁场大小相等，方向相反，使得偏置磁场得以常开，彻底解决了偏置磁场开关速度慢的问题。

Description

一种用于原子干涉仪探头的磁场系统

技术领域

本发明涉及一种量子精密测量领域中的重力测量技术，尤其涉及一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统。

背景技术

原子干涉重力仪是量子精密测量的重点发展方向，具有潜在的高灵敏度和分辨率，在重力标定、资源勘探、惯性导航、地球物理研究等众多领域有极重要的价值。如何实现高精度可搬运原子干涉仪是目前的一个重要研究方向。

原子干涉仪测量重力的过程包括三维冷却陷俘、初态制备、拉曼干涉以及末态探测。其中三维冷却陷俘包含磁光阱过程和偏振梯度冷却过程。

磁光阱过程需要在一个特定的梯度磁场下进行，这个梯度磁场是通过一对反亥姆赫兹线圈产生的。

偏振梯度冷却过程需要在磁场为零的冷却区中心进行。我们一般把原子干涉重力仪相应部分放入磁屏蔽装置里，地磁场已由磁屏蔽装置屏蔽掉了，而磁光阱过程的梯度磁场也需要快速关闭。

初态制备和拉曼干涉过程，需要一个偏置磁场给原子提供量子化轴，方向与拉曼光或者重力方向重合。初态制备后，原子处于磁量子数为零的态，一阶塞曼频移为零，但仍存在二阶塞曼频移。若偏置磁场不稳定(干涉区同一位置的竖直方向磁场大小随时间改变)，会给测量结果带来噪声或者长漂；若偏置磁场不均匀(干涉区不同位置的竖直方向磁场大小有差异)，会给测量结果引入系统误差。对于前者，上述提到的磁屏蔽装置可避免外磁场波动的影响，再给偏置磁场线圈配以精密电流源来解决偏置磁场不稳定的问题；对于后者，由于拉曼光向上和向下激发的干涉回路在空间上不完全重叠，反转拉曼光方向的方法并不能完全消除此系统误差，特别是在大动量转移或干涉时间(T)很长的情况，更应该保证偏置磁场的均匀度。

对于自由下落式的原子干涉重力仪，为了在有限的下落距离内做到尽可能长的干涉时间，干涉区最长为冷却区中心(即磁光阱中心)到探测区中心这一段距离，相应的，偏置磁场的均匀范围也需要覆盖到这一段距离。而以往的技术中，不管是上抛式还是自由下落式的原子干涉重力仪，偏置磁场线圈往往只就着干涉管道绕制，产生的偏置磁场均匀区更是比干涉管道要短，导致在同样尺寸的真空结构下，能选的干涉区很短，即干涉时间很短，限制了重力测量灵敏度。另外，以往的技术中，偏置磁场线圈组可能需要分段，每段所通电流不同，导致所需精密电流源数量多，给系统增加了成本和体积，不利于原子干涉重力仪的小型化和可移动化。

在现有的技术中，偏置磁场是在偏振梯度冷却之后，初态制备之前开启，拉曼干涉过程之后关闭。但由于偏置磁场线圈匝数多，截面积大，导致自感很大，磁场从零到达稳定值所需时间较长，所以原子在三维冷却陷俘之后会自由下落一段时间，偏离了冷却区中心才能开始进行初态制备。由于初态制备所用激光的交汇处也在冷却区中心，这种偏离会不利于初态制备，造成不必要的原子数损失，限制了重力测量灵敏度。并且每次测量，偏置磁场都要进行开关，电流值会有微小差异，同样会对重力测量造成不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，包括一对梯度磁场线圈、一组偏置磁场线圈、一对补偿磁场线圈，原子干涉仪的真空结构包括干涉管道，所述干涉管道上设有冷却区，所述干涉管道的下端设有探测区，所述梯度磁场线圈对、偏置磁场线圈组、补偿磁场线圈对的轴线与所述干涉管道的轴线重合。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明公开了一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，一共有三种磁场，分别用于产生磁光阱所需的梯度磁场，拉曼干涉阶段所需的均匀偏置磁场，在磁光阱中心位置抵消偏置磁场的补偿磁场。其中偏置磁场线圈组只需通一个电流，与磁屏蔽装置配合，在冷却区、干涉区、探测区范围内产生的偏置磁场不均匀度小于0.24％；补偿磁场线圈对在原子冷却阶段通电，产生的磁场在磁光阱中心与偏置磁场大小相等，方向相反，使得偏置磁场得以常开，彻底解决了偏置磁场开关速度慢的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统的结构示意图。

图2为本发明实施例在自由空间中，由计算确定各螺线管位置后偏置磁场线圈组在轴线所产生的磁场分布图。

图3为本发明实施例与磁屏蔽装置配合，微调过各螺线管位置的偏置磁场线圈组在轴线所产生的磁场分布实测图。

图中：

10-原子干涉仪的真空结构；11-真空结构中的冷却区；12-真空结构中的干涉管道；13-真空结构中的探测区；21-梯度磁场线圈对；22-补偿磁场线圈对；23-偏置磁场线圈组；30-磁屏蔽装置。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其较佳的具体实施方式是：

包括一对梯度磁场线圈、一组偏置磁场线圈、一对补偿磁场线圈，原子干涉仪的真空结构包括干涉管道，所述干涉管道上设有冷却区，所述干涉管道的下端设有探测区，所述梯度磁场线圈对、偏置磁场线圈组、补偿磁场线圈对的轴线与所述干涉管道的轴线重合。

所述梯度磁场线圈对包括两段螺线管，分别位于所述冷却区的上下两端，且关于冷却区中心对称，两段螺线管串联，所通电流方向相反。

所述偏置磁场线圈组包括至少三段螺线管，每段螺线管至少有一匝线圈，所有线圈直径相同、轴线重合，多段螺线管串联，所通电流方向相同。

所述偏置磁场线圈组在轴线上竖直方向的磁场均匀范围覆盖所述冷却区中心到探测区中心这一段距离。

所述补偿磁场线圈对包括两段螺线管，分别位于所述冷却区的上下两端，且关于冷却区中心对称，两段螺线管串联，所通电流方向相同。

所述补偿磁场线圈对在冷却区中心产生的磁场与偏置磁场大小相等、方向相反。

在磁光阱过程之前，同时开启梯度磁场和补偿磁场；

磁光阱过程之后，偏振梯度冷却过程之前，关闭梯度磁场；

偏置梯度冷却过程之后，初态制备过程之前，关闭补偿磁场；

在整个过程中，保持偏置磁场不变，即偏置磁场线圈组所通电流不进行开关操作，而是保持一个恒定值。

本发明的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，具有以下有益效果：

(1)偏置磁场线圈组只需通一个电流，减少了电流源数量，利于原子干涉重力仪的小型化和可移动化。

(2)偏置磁场的均匀范围大，覆盖了原子开始自由下落到末态探测的路径，使得干涉时间能在有限的尺寸下最大化，保证了重力测量的灵敏度。

(3)在偏置磁场的均匀范围内，均匀度足够高，大大减小了二阶塞曼频移带来的系统误差。

(4)偏置磁场可以保持常开的状态，彻底消除了偏置磁场开关速度慢造成的不利影响。

具体实施例：

如图1、图2、图3所示，包括：一对梯度磁场线圈21，一组偏置磁场线圈23，一对补偿磁场线圈22，分别用于产生磁光阱过程所需的梯度磁场，拉曼干涉阶段所需的均匀偏置磁场，在磁光阱中心位置抵消偏置磁场的补偿磁场。

梯度磁场线圈对21、偏置磁场线圈组23、补偿磁场线圈对22的轴线与干涉管道12的轴线重合。所有线圈所用铜漆包线直径均为1mm。

梯度磁场线圈对21一共有两段螺线管，分别位于在冷却区11上下两端，且关于冷却区11中心对称。两段螺线管串联，所通电流一个是顺时针方向，另一个是逆时针方向。其中，每段螺线管就着真空管道外壁绕制，管道外壁直径44mm，一共绕制4层，每层5匝。由于冷却区11高度为38mm，两端螺线管也相距38mm。当通以2A电流时，冷却区11中心处的磁场梯度为10Gauss/cm,作为磁光阱过程的梯度磁场。

以冷却区11中心上方90mm为坐标原点，标定偏置磁场线圈组各段螺线管位置以及轴线上的偏置磁场强度。其中，冷却区11中心位于90mm处，探测区13中心位于290mm处，他们相距200mm，这也是原子开始自由下落到末态探测的极限距离(实际略小于这个值)。

偏置磁场线圈组23一共有7段螺线管，每段螺线管有4匝线圈，线圈直径为250mm(包含了线径，即外径)，轴线重合。从上往下，这7段螺线管的位置(以各段螺线管中心为准)分别为20mm,30mm,117mm,190mm,263mm,350mm,360mm。螺线管之间串联，当通0.3A的电流，电流均为逆时针方向时，不考虑其他影响，即把线圈组23放在自由空间当中，轴线上磁场分布如图2所示。其中，在中心200mm，即原子下落的极限距离中，磁场峰峰值为0.16mGauss,而磁场平均值为254.1mGauss,即磁场不均匀度<0.07％。

实际上为隔绝环境磁场干扰，偏置磁场线圈组23要随着原子干涉仪探头的相应部分放入磁屏蔽装置30使用。磁屏蔽装置30为两端中心开孔的筒状结构，材料为坡莫合金，磁导率高。当内部的偏置磁场线圈23工作时，产生的磁场会被磁屏蔽筒30内壁反射，导致轴线磁场分布发生改变，表现为轴线上的磁场不均匀增强。为重新得到一个均匀磁场，我们用磁通门计从磁屏蔽筒30顶部伸入，与轴线重合，在不同位置测量磁场强度。根据所测的磁场分布结果，我们进行对偏置磁场线圈组23各螺线管位置进行微调。循环数次之后，7段螺线管的最终位置分别为12mm,60mm,127mm,187mm,248mm,313mm,361mm。还是通以0.3A电流，得到磁场分布如图3所示。其中，在中心200mm，即原子下落的极限距离中，磁场峰峰值为0.58mGauss,磁场平均值为246.3mGauss,即磁场不均匀度<0.24％。可以看到，最终仅仅以总长为353mm的螺线管，就能在200mm范围获取轴线波动小于0.24％均匀磁场，这是一项较大的改进。

补偿磁场线圈对22一共有两段螺线管，分别位于在冷却区11上下两端，且关于冷却区11中心对称。每段螺线管一共有两圈，内圈内径62mm，外圈外径64mm，由于冷却区11上下两端相距38mm，两端螺线管也相距38mm。两段螺线管串联，所通电流均为顺时针(或逆时针，保证与偏置磁场线圈组23所通电流相反)。电流选择原则上要使得其在冷却区11中心产生的磁场与偏置磁场大小相等，方向相反。由于考虑的磁屏蔽装置30内壁的反射，以及干涉仪探头的遮挡导致我们的磁通门计不能探测到相应位置磁场，我们在实验上通过调节电流大小来看原子装载率，当电流为0.3A的时候，原子装载率最高，可以认为此时在冷却区中心补偿磁场刚好抵消掉了偏置磁场。

在实验的时序上，是在磁光阱过程之前，同时开启梯度磁场和补偿磁场；磁光阱过程之后，偏振梯度冷却过程之前，关闭梯度磁场；偏置梯度冷却过程之后，初态制备过程之前，关闭补偿磁场；在整个过程中，保持偏置磁场不变，即偏置磁场线圈组所通电流不进行开关操作，而是保持一个恒定值。这样做的好处是，以电感很小的补偿磁场线圈对22进行开关来代替电感很大的偏置磁场线圈组23进行开关，获取一个很快的磁场切换速度，避免对重力测量造成不利影响。

总的而言，本发明使得偏置磁场线圈组只需通一个电流，减少了电流源数量，利于原子干涉重力仪的小型化和可移动化。偏置磁场的均匀范围大，覆盖了原子开始自由下落到末态探测的路径，使得干涉时间能在有限的尺寸下最大化，保证了重力测量的灵敏度。在偏置磁场的均匀范围内，均匀度足够高，大大减小了二阶塞曼频移带来的系统误差。偏置磁场可以保持常开的状态，彻底消除了偏置磁场开关速度慢造成的不利影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其特征在于，包括一对梯度磁场线圈、一组偏置磁场线圈、一对补偿磁场线圈，原子干涉仪的真空结构包括干涉管道，所述干涉管道上设有冷却区，所述干涉管道的下端设有探测区，所述梯度磁场线圈对、偏置磁场线圈组、补偿磁场线圈对的轴线与所述干涉管道的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其特征在于，所述梯度磁场线圈对包括两段螺线管，分别位于所述冷却区的上下两端，且关于冷却区中心对称，两段螺线管串联，所通电流方向相反。

3.根据权利要求1所述的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其特征在于，所述偏置磁场线圈组包括至少三段螺线管，每段螺线管至少有一匝线圈，所有线圈直径相同、轴线重合，多段螺线管串联，所通电流方向相同。

4.根据权利要求3所述的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其特征在于，所述偏置磁场线圈组在轴线上竖直方向的磁场均匀范围覆盖所述冷却区中心到探测区中心这一段距离。

5.根据权利要求1所述的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其特征在于，所述补偿磁场线圈对包括两段螺线管，分别位于所述冷却区的上下两端，且关于冷却区中心对称，两段螺线管串联，所通电流方向相同。

6.根据权利要求5所述的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其特征在于，所述补偿磁场线圈在冷却区中心产生的磁场与偏置磁场大小相等、方向相反。

7.根据权利要求1至6任一项所述的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，其特征在于：

在磁光阱过程之前，同时开启梯度磁场和补偿磁场；

磁光阱过程之后，偏振梯度冷却过程之前，关闭梯度磁场；

偏置梯度冷却过程之后，初态制备过程之前，关闭补偿磁场；

在整个过程中，保持偏置磁场不变，即偏置磁场线圈组所通电流不进行开关操作，而是保持一个恒定值。