CN109950787A - 一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碱金属原子蒸汽池领域，提出了一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，包括蒸汽池本体、探测装置、计算单元和伺服控制系统；蒸汽池本体内设置有吸吐原子板、碱金属源分配器和涡旋；探测装置包括光源和探测器，光源发出的频率扫描激光经蒸汽池本体后被探测器接收并发送至计算单元；计算单元根据探测信号计算得到原子密度后发送至伺服控制系统；伺服控制系统用于将实时原子密度信息和预设原子密度进行对比提取误差信号，通过多通道伺服反馈来控制蒸汽池中的碱金属原子密度。本发明解决了碱金属蒸汽池内原子密度的实时显示及精确控制的难题，稳定速度快、精度高，可以广泛应用于碱金属蒸汽池领域。
Description
技术领域
本发明属于碱金属原子蒸汽池领域，具体涉及一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池。
背景技术
碱金属蒸汽池被广泛应用原子物理、激光光学、传感器、精密测量等诸多前沿领域，用于提供稳定碱金属蒸汽源与激光进行相互作用，碱金属蒸汽系统的密度稳定性直接决定了研究结果的可靠性和依赖于结果的应用的性能。因此在诸多相关领域的研究迫切需要可以提供能精确稳定的原子密度的碱金属蒸汽池。
对于碱金属蒸汽池中原子密度的控制，传统的方法是利用经验密度公式对原子气室温度进行控制，从而控制原子的密度，这种方法虽然简单，但是测量原子蒸汽池的温度误差大，相对精度低；而且温度的控制需要相当大的能耗，尤其是降温过程，而且控制动态范围小。光致原子解吸和激光加热碱金属源也只能单向增加碱金属原子密度，对于实现可控密度原子蒸汽池本体来讲是较为局限的。因此，需要提出一种新的装置，以对碱金属蒸汽池中原子密度实现可调控制。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，以实现碱金属蒸汽池内原子密度的精确调节。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，包括蒸汽池本体、探测装置、计算单元和伺服控制系统；
所述蒸汽池本体内设置有吸吐原子板、碱金属源分配器和涡旋泵，吸吐原子板用于吸附蒸汽池本体内的碱金属原子、碱金属源分配器用于向蒸汽池本体内喷吐碱金属原子，涡旋泵用于抽取蒸汽池本体内的碱金属原子；
所述探测装置包括光源和探测器，所述光源发出的频率扫描激光经所述蒸汽池本体中的碱金属原子吸收后被所述探测器接收，探测器将其转化为扫描电信号并发送至所述计算单元；
所述计算单元用于对探测器发送的扫描电信号进行处理得到光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹拟合，并计算得到原子密度后发送至所述伺服控制系统；
所述伺服控制系统用于将实时原子密度信息和预设原子密度进行对比，提取误差信号，然后采用多通道伺服反馈方式分别反馈至所述吸吐原子板、碱金属源分配器和涡旋泵，进而控制蒸汽池本体中的碱金属原子密度。
所述蒸汽池本体一端设置有前置耦合头，另一端设置有后置耦合头，所述光源发出的频率扫描激光经光纤和前置耦合头入射到蒸汽池本体中，从蒸汽池本体另一端射出的激光经后置耦合头和光纤后被探测器接收。
所述伺服控制系统包括密度预设装置、第一伺服控制器，第二伺服控制器，第三伺服控制器和减法器，密度预设装置用于输入密度设定值，所述减法器的输入端与所述密度预设装置和计算单元的输出端连接，所述减法器用于将实时原子密度信息和预设原子密度进行比对，提取出误差信号后发送给所述第一伺服控制器，第二伺服控制器，第三伺服控制器，所述第一伺服控制器的输出端与碱金属源分配器的控制端连接，所述第二伺服控制器的输出端与涡旋泵的控制端连接，第三伺服控制器的输出端与所述吸吐原子板的控制端连接。
工作时所述伺服控制系统先进入粗调模式，第一伺服控制器和第二伺服控制器同时开始工作，通过控制碱金属源分配器的喷吐速率和涡旋泵的抽取速率粗调蒸汽池本体内原子密度；在粗调模式工作一段时间后进入细调模式，在第一伺服控制器和第二伺服控制器同时工作的情况下，第三伺服控制器也开始工作，通过控制吸吐原子板的吸附能力来细调蒸汽池本体内原子密度。
所述的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，还包括显示屏，显示屏与所述计算单元的输出端连接，用于实时显示计算得到的原子密度。
光学深度的计算公式为其中，Iin表示输入碱金属蒸汽池前的激光强度，Iout表示从碱金属蒸汽池输出的激光的强度，所述洛伦兹拟合所用的公式为其中，v0为碱金属的跃迁频率，k为比例系数，Wz表示洛伦兹函数的半高全宽，原子密度的计算公式为：Lmax表示光学深度的最大值，re表示电子半径，c为光速，f为谐振强度，d为碱金属气室长度。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，对激光进行扫描(扫描频率中心对应碱金属原子跃迁吸收线)，并使其通过蒸汽池本体并被碱金属气体吸收，然后探测出射激光可得到扫描光谱，由比尔定律对扫描光谱计算可得到的光学深度曲线，该曲线符合洛伦兹分布，因此利用频率扫描的激光照射碱金属蒸汽气池可以获得池内的原子密度。将碱金属池内的原子密度和设定密度对比提取误差信号，利用多通道伺服反馈调节的方式实现对碱金属蒸汽池内原子密度的快速精确稳定，可以实现制备原子密度稳定可控制的碱金属蒸汽池，本发明可以实时显示当前蒸汽池内的原子密度同时可以预设碱金属蒸汽池中的原子密度并对其精确稳定，而且稳定速度快，稳定动态范围大，稳定精度高，系统能耗低，装置集成度高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池的结构示意图；
图2为本发明实施例中碱金属源分配器的结构示意图；
图3为本发明实施例中吸吐原子板的结构示意图；
图4为本发明实施例中扫描激光通过碱金属原子蒸汽池本体后进入探测器得到的直接扫描光谱；
图5为本发明实施例中计算单元根据扫描光谱计算获得的光学深度曲线及对其进行洛伦兹拟合后的结果；
图6为本发明实施例中伺服控制前后原子密度的变化对比图。
图中：1为蒸汽池本体，2为探测装置，3为计算单元，4为伺服控制系统，5为吸吐原子板，6为碱金属源分配器，7为涡旋泵，8为光源，9为探测器，10为前置耦合头，11为后置耦合头，12为密度预设装置，13为第一伺服控制器，14为第二伺服控制器，15为第三伺服控制器，16为减法器，17为伺服控制正电极，18为伺服控制负电极，19为碱金属释放剂，20为第一电压可控电源，21为第二电压可控电源，22为导线，23显示屏。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，包括蒸汽池本体1、探测装置2、计算单元3和伺服控制系统4。
具体地，如图1所示，本实施例中，所述蒸汽池本体1内设置有吸吐原子板5、碱金属源分配器6和涡旋泵7，吸吐原子板5用于吸附蒸汽池本体1内的碱金属原子、碱金属源分配器6用于向蒸汽池本体1内喷吐碱金属原子，涡旋泵7用于抽取蒸汽池本体1内的碱金属原子。
具体地，如图1所示，本实施例中，探测装置2包括光源8和探测器9，所述光源8发出的频率扫描激光经所述蒸汽池本体1中的碱金属原子吸收后被所述探测器9接收，探测器9将其转化为扫描电信号并发送至所述计算单元3。其中，光源是可拆解的，无需固定在该装置上。该激光频率可调谐，中心频率对应于碱金属原子的跃迁吸收线。接入时可以通过饱和谱的方法对激光频率进行参考，同时利用光抑制器可以实现对激光功率的控制，这样所接入的光源即为稳定功率的扫描激光。探测器是光电探测器，可以精密的探测到经过碱金属原子蒸汽池本体后的激光的强度的变化，从而根据光电探测器可以得到扫描激光通过碱金属蒸汽池后产生的扫描光谱信号。
此外，本实施例中，蒸汽池本体1一端可以设置前置耦合头10，另一端设置后置耦合头11，所述光源8发出的频率扫描激光经光纤和前置耦合头10入射到蒸汽池本体1中，从蒸汽池本体1另一端射出的激光经后置耦合头11和光纤后被探测器9接收。
具体地，如图1所示，本实施例中，所述计算单元3用于对探测器9发送的扫描电信号进行处理得到光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹拟合，并计算得到原子密度后发送至所述伺服控制系统。其具体的计算处理步骤为：
1、探测器得到扫描信号如图4所示，通过扫描信号可以得到输入碱金属蒸汽池前的激光强度Iin和从碱金属蒸汽池输出的激光的强度Iout；比尔定律为的表达式为：
Iout＝Iinexp(-ρS(v)d)；(1)
其中，ρ表示原子密度，S(v)表示光子吸收截面积，v为激光的频率，d为碱金属气室长度。
令光学深度为：
L(v)＝ρS(v)d；(2)
则L(v)可表示为：
当v＝v0时，光学深度L(v)取最大值，即其中v0为碱金属的跃迁频率。
2、利用上述公式(3)对扫描信号进行计算，可以得到光学深度曲线，如图5所示，该曲线满足洛伦兹分布，因此利用光学深度曲线可以得到洛伦兹拟合曲线。所用到的洛伦兹函数为：
其中v0为碱金属的跃迁频率，k为比例系数，Wz表示洛伦兹拟合曲线的半高宽。
3、通过洛伦兹拟合曲线可以得到半高全宽Wz，从而光子吸收截面积为：
S(v)＝πrecfZ(v-v0)；(5)
其中re为电子半径，c为光速，f为谐振强度。
当v＝v0时，光子吸收截面积S(v)取最大值，即：
4、计算碱金属蒸汽池内原子密度，其计算公式为：
也就是说，原子密度ρ与光学深度的最大值和洛伦兹拟合曲线可以得到半高全宽WZ相关，因此，通过探测器的扫描电信号，可以计算得到蒸汽池内的原子密度。
此外，本实施例提供的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，还可以包括显示屏23，所述显示屏23用于实时显示计算得到的原子密度。所述计算单元3计算得到原子密度后通过显示屏23进行显示，同时发送至伺服控制系统4。
本实施例中，所述伺服控制系统4用于将实时原子密度信息和预设原子密度进行对比，提取误差信号，然后采用多通道伺服反馈方式反馈至所述吸吐原子板5、碱金属源分配器6和涡旋泵7，进而精确控制蒸汽池本体1中的碱金属原子密度。
具体地，如图1所示，所述伺服控制系统4包括密度预设装置12、第一伺服控制器13，第二伺服控制器14，第三伺服控制器15和减法器16，密度预设装置12用于输入密度设定值，所述减法器16的输入端与所述密度预设装置12和计算单元3的输出端连接，所述减法器16用于将实时原子密度信息和预设原子密度进行比对，提取出误差信号后发送给所述第一伺服控制器13，第二伺服控制器14，第三伺服控制器15，所述第一伺服控制器13的输出端与碱金属源分配器6的控制端连接，所述第二伺服控制器14的输出端与涡旋泵7的控制端连接，第三伺服控制器15的输出端与所述吸吐原子板5的控制端连接。
本发明实施例中，工作时所述伺服控制系统4先进入粗调模式，第一伺服控制器13和第二伺服控制器14同时开始工作，通过控制碱金属源分配器6的喷吐速率和涡旋泵7的抽取速率粗调蒸汽池本体1内原子密度；在粗调模式工作一段时间后进入细调模式，在第一伺服控制器13和第二伺服控制器14同时工作的情况下，第三伺服控制器15也开始工作，通过控制吸吐原子板5的吸附能力来细调蒸汽池本体1内原子密度。
具体地，如图2所示，本实施例中，碱金属源分配器6包括可商业购买的碱金属释放剂19(如SAES Group)和第一电压可控电源20。碱金属释放剂在外加电压的情况下会释放碱金属原子，通过控制电压的大小可以实现对碱金属原子释放速率的控制。其中，碱金属释放剂19的两端通过导线22分别与电压可控电源20的输出正负极连接，通过第一电压可控电源20改变释放剂两端电流大小可以实现对分配器释放碱金属气体量的控制。此外，本实施例中，涡旋泵用于将蒸汽池本体1内的碱金属原子吸附到泵内，以减小蒸汽池本体内的碱金属原子密度。涡旋泵也可以从市场直接购买，例如，Gammavacuum公司所生产的，型号为10S的涡旋泵。第一伺服控制器13负责调控碱金属源分配器6的电源，第二伺服控制器14负责调控涡旋泵的电源。由于碱金属源分配器6在不同的工作点对碱金属原子的喷吐速率不同，涡旋泵在不同的工作点对碱金属原子的抽取速率也不同。因此，通过第一伺服控制器13可以直接调节碱金属源分配器6的喷吐速率，通过第二伺服控制器14可以直接调节涡旋泵的抽取速率。
具体地，吸吐原子板5采用Na-β"–alumina或锑烯等材料制成，吸吐原子板在外加电场下具有吸附碱金属原子的能力，外加电场较大时，对碱金属原子的吸附能力加强；若外加电场减小时，则对碱金属原子的吸附能力减弱，而且会释放原来所吸收的碱金属原子。基于吸吐原子板的这一性能，可以精确的调节碱金属原子蒸汽池本体内的原子密度。
本实施例中，吸吐原子板5采用锑烯材料制成。如图3所示，吸吐原子板5的内外两侧分别设置有伺服控制正电极17和伺服控制负电极18，伺服控制正电极17和伺服控制负电极18分别通过导线22与第二电压可控电源21连接，第二电压可控电源21的控制端与所述第三伺服控制器15的输出端连接。吸吐原子板5的外加电场由第二电压可控电源21连接的伺服控制正电极17和伺服控制负电极18提供，同时负电极作为网状结构有助与对碱金属原子的吸吐。则第三伺服控制器通过第二电压可控电源，可以改变伺服控制正电极17和伺服控制负电极18之间的电场，以使改变吸吐原子板5对蒸汽池本体内的碱金属原子的吸附能力。
本实施例中伺服控制系统4的工作过程如下：接收到原子密度信息后，将实时原子密度信息和预设原子密度在减法器中比对，提取出误差信号，然后采用多通道伺服反馈方式精确控制碱金属原子蒸汽池本体中的原子密度。当误差信号较大时，伺服控制进入粗调模式，通过第一伺服控制器13和第二伺服控制器14粗调蒸汽池本体1内原子密度；当碱金属原子蒸汽池本体内原子密度趋近于预设原子密度时，碱金属源分配器的喷吐速率和涡旋泵的抽取速率在伺服控制器的控制下达到动态平衡。通过粗调模式工作一段时间后，碱金属蒸汽池1内的原子密度趋于稳定但仍然存在漂移；在粗调模式工作一段时间后使得误差信号较小时，伺服控制进入细调模式，第一伺服控制器和第二伺服控制器同时工作的情况下，第三伺服控制器也开始工作，通过调节施加在吸吐原子板上的电场，精确的调节碱金属原子蒸汽池本体内的原子密度，直至达到设定的原子密度值。如图6所示，为本发明实施例中伺服控制前后原子密度的变化对比图。因此利用这种多通道伺服反馈的方式可以快速精确的将碱金属蒸汽池中的原子密度稳定到预设密度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，其特征在于，包括蒸汽池本体(1)、探测装置(2)、计算单元(3)和伺服控制系统(4)；
所述蒸汽池本体(1)内设置有吸吐原子板(5)、碱金属源分配器(6)和涡旋泵(7)，吸吐原子板(5)用于吸附蒸汽池本体(1)内的碱金属原子、碱金属源分配器(6)用于向蒸汽池本体(1)内喷吐碱金属原子，涡旋泵(7)用于抽取蒸汽池本体(1)内的碱金属原子；
所述探测装置(2)包括光源(8)和探测器(9)，所述光源(8)发出的频率扫描激光经所述蒸汽池本体(1)中的碱金属原子吸收后被所述探测器(9)接收，探测器(9)将其转化为扫描电信号并发送至所述计算单元(3)；
所述计算单元(3)用于对探测器(9)发送的扫描电信号进行处理得到光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹拟合，并计算得到原子密度后发送至所述伺服控制系统；
所述伺服控制系统(4)用于将实时原子密度信息和预设原子密度进行对比，提取误差信号，然后采用多通道伺服反馈方式分别反馈至所述吸吐原子板(5)、碱金属源分配器(6)和涡旋泵(7)，进而控制蒸汽池本体(1)中的碱金属原子密度。
2.根据权利要求1所述的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，，其特征在于，所述蒸汽池本体(1)一端设置有前置耦合头(10)，另一端设置有后置耦合头(11)，所述光源(8)发出的频率扫描激光经光纤和前置耦合头(10)入射到蒸汽池本体(1)中，从蒸汽池本体(1)另一端射出的激光经后置耦合头(11)和光纤后被探测器(9)接收。
3.根据权利要求1所述的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，其特征在于，所述伺服控制系统(4)包括密度预设装置(12)、第一伺服控制器(13)，第二伺服控制器(14)，第三伺服控制器(15)和减法器(16)，密度预设装置(12)用于输入密度设定值，所述减法器(16)的输入端与所述密度预设装置(12)和计算单元(3)的输出端连接，所述减法器(16)用于将实时原子密度信息和预设原子密度进行比对，提取出误差信号后发送给所述第一伺服控制器(13)，第二伺服控制器(14)，第三伺服控制器(15)，所述第一伺服控制器(13)的输出端与碱金属源分配器(6)的控制端连接，所述第二伺服控制器(14)的输出端与涡旋泵(7)的控制端连接，第三伺服控制器(15)的输出端与所述吸吐原子板(5)的控制端连接。
4.根据权利要求1所述的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，其特征在于，工作时所述伺服控制系统(4)先进入粗调模式，第一伺服控制器(13)和第二伺服控制器(14)同时开始工作，通过控制碱金属源分配器(6)的喷吐速率和涡旋泵(7)的抽取速率粗调蒸汽池本体(1)内原子密度；在粗调模式工作一段时间后进入细调模式，在第一伺服控制器(13)和第二伺服控制器(14)同时工作的情况下，第三伺服控制器(15)也开始工作，通过控制吸吐原子板(5)的吸附能力来细调蒸汽池本体(1)内原子密度。
5.根据权利要求1所述的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，其特征在于，还包括显示屏(23)，显示屏(23)与所述计算单元(3)的输出端连接，用于实时显示计算得到的原子密度。
6.根据权利要求1所述的一种可精确控制原子密度的碱金属蒸汽池，其特征在于，光学深度的计算公式为其中，Iin表示输入碱金属蒸汽池前的激光强度，Iout表示从碱金属蒸汽池输出的激光的强度，所述洛伦兹拟合所用的公式为其中，v0为碱金属的跃迁频率，k为比例系数，WZ表示洛伦兹函数的半高全宽，原子密度的计算公式为：Lmax表示光学深度的最大值，re表示电子半径，c为光速，f为谐振强度，d为碱金属气室长度。
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