CN112582247B - 一种用于囚禁离子的小型真空装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于囚禁离子的小型真空装置和方法，所述小型真空装置包含泵组接口、馈电法兰、石英窗口、真空腔体；所述真空腔体包含顺序连接的第一腔体、第二腔体、第三腔体；所述泵组接口，用于连接真空泵组；所述馈电法兰位于所述真空腔体的两端，第一馈电法兰对安装于第一腔体内的电子枪进行馈电；电子枪产生的电子束经位于第二腔体内的离子阱进入第三腔体；第二馈电法兰对安装于第三腔体内的炉子馈电；所述石英窗口位于第二腔体壁。所述方法包含抽真空、对准、加热、加交变射频和静电场的步骤，使离子囚禁于离子阱中心。本申请解决目前离子微波频标用囚禁离子真空装置体积较大、囚禁离子数较少等问题。

Description

一种用于囚禁离子的小型真空装置和方法

技术领域

本申请涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种用于囚禁离子的小型真空装置和一种用于囚禁离子的方法。

背景技术

离子微波频标是一种新型频标，采用了不同于氢、铷、铯等传统原子频标的全新工作原理。其具有基本不受实物粒子和外场的扰动，运动效应小和量子态相干时间长等内在特点，谱线宽度极窄，各种频移很小。其中一个主要的原因是通过在离子阱施加静电场、磁场或者射频场，将工作离子囚禁于超高真空的离子阱中心，使离子完全孤立，处于“完全静止状态”，不受到外界的干扰，因此可大大提高离子微波频标的性能指标。离子微波频标采用光谱灯对离子的超精细能级进行泵浦，在微波作用下高能级的原子跃迁至低能级，产生荧光信号，被探测系统采集。当微波信号频率在一定范围内扫频时，光探测系统会得到Ramsey信号，将标准信号源锁定在Ramsey信号上可以获得极高稳定度的输出信号。其中最关键的技术为离子囚禁技术，在完成大数目离子囚禁的基础上可实现小型化是实现高指标、实用化微波频标的关键所在。

目前进行离子微波频标研究时，大多采用双曲面阱及商用炉子，则导致当前的研究存在以下问题：1.体积较大，难以实现小型化、集成化，不利于离子微波频标的应用；2、囚禁离子数较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于囚禁离子的小型真空装置和方法，用以解决目前离子微波频标用囚禁离子真空装置体积较大、囚禁离子数较少等问题。

本申请实施例提供一种用于囚禁离子的小型真空装置，包含泵组接口、馈电法兰、石英窗口、真空腔体；

所述真空腔体包含顺序连接的第一腔体、第二腔体、第三腔体；

所述泵组接口，用于连接真空泵组；

所述馈电法兰位于所述真空腔体的两端，第一馈电法兰对安装于第一腔体内的电子枪进行馈电；电子枪产生的电子束经位于第二腔体内的离子阱进入第三腔体；第二馈电法兰对安装于第三腔体内的炉子馈电；

所述石英窗口位于第二腔体壁。

优选地，所述电子枪包含阴极灯丝、阳极结构和支撑结构；所述阴极灯丝和阳极结构通过支撑结构固定连接，并衔接于第一馈电法兰；所述阳极结构具有中孔，用于电子束穿过阳极结构进入离子阱。进一步地，所述阴极灯丝和阳极结构之间为负电压，绝对值不小于200V。

优选地，所述离子阱包含柱电极和帽电极，帽电极中心开孔，使电子束能够进入到离子阱的中心；所述离子阱结构通过离子阱支撑结构和所述阳极结构固定连接且固定于第二腔体的内表面，离子阱横截面和阳极结构同心。

进一步地，所述帽电极横截面呈T字形，中心开孔的金属体伸入柱电极围成的腔内。

在本申请任意一个实施例中，优选地，所述炉子固定在第二馈电法兰，并带有测温电阻。

在本申请任意一个实施例中，优选地，所述阳极结构中空直径为4mm。

在本申请任意一个实施例中，优选地，所述帽电极的中心开孔直径为3mm。

在本申请任意一个实施例中，优选地，所述真空腔体的在真空度≤1E-8Pa。

本申请实施例还提出一种囚禁离子产生方法，使用本申请任意一项实施例所述的用于囚禁离子的小型真空装置，包含以下步骤：

使电子枪阴极灯丝产生的电子束中心对准离子阱的中心线；

通过炉子加热，控制温度得到合适的原子密度；

通过在离子阱柱电极上施加交变射频、帽电极施加静电场，使离子囚禁于离子阱中心。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明通过小型的炉子、电子枪，可实现离子囚禁装置的小型化和集成化，可根据需求随意集成。本发明可实现大数目离子的稳定囚禁，囚禁离子数可达到5E8个。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种用于囚禁离子的小型真空装置示意图。

其中，1-泵组接口，2-线圈，3-馈电法兰，4-炉子，5-真空腔体，6-离子阱，7-石英窗口，8-支撑结构，9-电子枪。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

如图1所示，本发明提供的用于囚禁离子的小型真空装置包括：泵组接口1、馈电法兰3、真空腔体5、石英窗口7、支撑结构8，还包括线圈2、炉子4、离子阱6、电子枪9。

所述真空腔体包含顺序连接的第一腔体、第二腔体、第三腔体；所述馈电法兰位于所述真空腔体的两端，第一馈电法兰对安装于第一腔体内的电子枪进行馈电；电子枪产生的电子束经位于第二腔体内的离子阱进入第三腔体；第二馈电法兰对安装于第三腔体内的炉子馈电；所述石英窗口位于第二腔体壁。

真空腔体主体第二腔体外形为立方体，腔体外壳尺寸80mm×80mm×80mm，共六个接口，一般采用CF35接口，一个为泵组接口，水平两个法兰接口用于固定支撑炉子、离子阱和电子枪，以及其工作所需要的馈电，炉子固定在另外一侧法兰，并带有测温电阻，通过加热产生所需要的原子，通过控制温度得到适宜的原子密度。

优选地，所述电子枪包含阴极灯丝、阳极结构和支撑结构（或第一支撑结构，与阳极结构之间通过螺钉或螺栓连接）；所述阴极灯丝和阳极结构通过支撑结构固定连接，并衔接于第一馈电法兰；或者，阴极灯丝通过支撑结构固定在第一馈电法兰上，并通过第一馈电法兰电极进行馈电。所述阳极结构具有中孔，用于电子束穿过阳极结构进入离子阱。进一步地，所述阴极灯丝和阳极结构之间为负电压，绝对值不小于200V。阴极灯丝可选用商用灯丝，电流一般在2A左右；阳极为中空环形结构，中空直径约4mm，优选地，阳极结构为不锈钢中空圆环板，板平面与阴极灯丝发射电子束的方向垂直，阴极灯丝的中心与、阳极中心和离子阱的中心线同心，使电子能够达到离子阱中心，对原子进行离化。第一馈电法兰电极外接电子枪电路；阴极灯丝可选用Kimballphysics的通用产品ES-420；第一馈电法兰电极进行馈电的电流约为2A。最优地，第一馈电法兰电极外接的电子枪电路使灯丝的电压相对于阳极为-200V，并且可以进行接地与-200V切换。

优选地，所述离子阱包含柱电极、帽电极和支撑结构（第二支撑结构，可通过螺钉或螺栓与帽电极固定连接，还可通过螺纹连接方式与所述柱电极的外表面固定连接。），帽电极中心开孔，使电子束能够进入到离子阱的中心；所述离子阱结构通过离子阱支撑结构和所述阳极结构固定连接且通过腔体内法兰固定于第二腔体的内表面，离子阱横截面和阳极结构同心。其中离子阱位于真空腔体的中心，腔体内表面通过设计，使离子阱的外部固定结构与腔体内部紧密绝缘接触，以保证离子阱结构的水平及以免长时间受力，导致离子阱结构变形。

进一步地，所述帽电极横截面呈T字形，中心开孔的金属体伸入柱电极围成的腔内。所述帽电极的中心开孔直径为3mm。优选地，在所述柱电极围成的腔体两端，各有一个帽电极。

离子阱支撑结构、离子阱柱电极、离子阱帽电极三者之间需要进行隔离，不能相互导通，通过离子阱支撑结构使离子阱与阳极结构同心。也就是说，所述离子阱结构通过离子阱支撑结构和所述阳极结构固定连接时，使离子阱横截面和阳极结构同心。

在本申请任意一个实施例中，优选地，所述炉子固定在第二馈电法兰，并带有测温电阻。

所述线圈，位于第二腔体立方体外壳六个法兰处，固定在法兰外壳，线圈匝数一般为100圈，电流根据环境磁场不同来调节。目的是为了抵消地磁场或者环境磁场对囚禁区域的影响，以免影响离子的跃迁频率。

本申请实施例还提出一种囚禁离子产生方法，使用本申请任意一项实施例所述的用于囚禁离子的小型真空装置，本发明提供的用于囚禁离子的小型真空装置包括：泵组接口、馈电法兰、真空腔体、石英窗口、支撑结构，还包括线圈、炉子、离子阱 、电子枪；所述方法包含以下步骤：

步骤10、通过真空泵组使真空腔体达到囚禁离子所需要的真空度；

由于阴极灯丝、阳极结构和离子阱的组合需要放置于真空腔内，达到一定的真空度才能正常工作。例如，将整个电子枪装置需要放置于汞离子微波频标真空腔内，真空度达到1E-8Pa。

真空腔体提供离子囚禁的工作空间，通过泵组接口连接真空泵组，使真空腔体达到囚禁离子所需要的真空度；

优选地，真空泵组采用三级泵，干泵、分子泵、离子泵和吸气剂泵，使真空腔体的真空度达到1E-8Pa或更小，利用吸气剂泵进一步减少背景气体中的氢气；

步骤20、使电子枪阴极灯丝产生的电子束中心对准离子阱的中心线；

真空腔体水平两端口个用于固定支撑电子枪、离子阱和路子，以及其工作所需要的馈电；

其中离子阱位于真空腔体的中心，通过支撑结构与电子枪相固定，最终固定于腔体法兰，腔体内表面通过设计，使离子阱的外部固定结构与腔体内部紧密绝缘接触，以保证离子阱结构的水平及以免长时间受力，导致离子阱结构变形；电子枪的中心直接对准离子阱的中心线，使电子能够达到离子阱中心，对原子进行离化；

步骤30、通过炉子加热，控制温度得到合适的原子密度；

炉子固定在真空腔体另外一侧法兰，并带有测温电阻，通过加热产生所需要的原子，通过控制温度得到适宜的原子密度；

步骤40、通过在离子阱柱电极上施加交变射频、帽电极施加静电场，使离子囚禁于离子阱中心。

通过在离子阱柱电极上施加交变射频，帽电极施加静电场，使离子囚禁于离子阱中心。

最佳地，柱电极施加1MHz的射频，峰峰值约1200V，帽电极中空直径约为3mm，施加200V的静电场。

步骤50、调整线圈电流，使环境磁场对囚禁区域的影响最小。

例如，可以通过调整线圈电流观察原子密度变化。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，本发明所有数值指定通常可是适当以0.1或1.0的增量改变(+)或(-)的近似值，例如可以是在±10%的范围内改变。所有数值指定均可理解为前面有术语“约”。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，包含泵组接口、馈电法兰、石英窗口、真空腔体；

所述真空腔体包含顺序连接的第一腔体、第二腔体、第三腔体；

所述泵组接口，用于连接真空泵组；

所述馈电法兰位于所述真空腔体的两端，第一馈电法兰对安装于第一腔体内的电子枪进行馈电；电子枪产生的电子束经位于第二腔体内的离子阱进入第三腔体；第二馈电法兰对安装于第三腔体内的炉子馈电；

所述石英窗口位于第二腔体壁。

2.如权利要求1所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述电子枪包含阴极灯丝、阳极结构和支撑结构；所述阴极灯丝和阳极结构通过支撑结构固定连接，并衔接于第一馈电法兰；所述阳极结构具有中孔，用于电子束穿过阳极结构进入离子阱。

3.如权利要求2所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述离子阱包含柱电极和帽电极，帽电极中心开孔，使电子束能够进入到离子阱的中心；所述离子阱结构通过离子阱支撑结构和所述阳极结构固定连接且固定于第二腔体的内表面，离子阱横截面和阳极结构同心。

4.如权利要求3所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述帽电极横截面呈T字形，中心开孔的金属体伸入柱电极围成的腔内。

5.如权利要求1~4任意一项所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述炉子固定在第二馈电法兰，并带有测温电阻。

6.如权利要求2~4任意一项所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述阴极灯丝和阳极结构之间为负电压，绝对值不小于200V。

7.如权利要求2所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述阳极结构中空直径为4mm。

8.如权利要求3~4任意一项所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述帽电极的中心开孔直径为3mm。

9.如权利要求1所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，所述真空腔体的在真空度≤1E-8Pa。

10.一种囚禁离子产生方法，使用权利要求1~9任意一项所述的用于囚禁离子的小型真空装置，其特征在于，包含以下步骤：

使电子枪阴极灯丝产生的电子束中心对准离子阱的中心线；

通过炉子加热，控制温度得到合适的原子密度；

通过在离子阱柱电极上施加交变射频、帽电极施加静电场，使离子囚禁于离子阱中心。