CN112700903B - 一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统，包括离子透镜部分和磁光阱部分，所述的离子透镜部分包括五片同轴心电极，依次为排斥极，两片同电势的引出极，一片加速极，一片接地级，通过在这些电极上施加设计好的电场，五片电极可以构成一个离子透镜；所述的磁光阱部分中磁光阱的反亥姆霍兹线圈磁场零点和六束激光相交于两片引出极电极的几何中心处，捕获囚禁原子，产生冷原子。超低温低动能离子源通过结合磁光阱和离子透镜，即可利用各种后续方法产生超低温低动能的离子源。凡是可以被磁光阱捕获的元素都适用于这一个装置，大大拓展了离子速度成像系统可以研究对象的范围。
Description
技术领域
本发明涉及磁光阱捕获冷原子、离子透镜速度成像技术领域，具体涉及一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统。
背景技术
离子速度成像是通过结合离子透镜技术和二维探测技术，使在一定范围内具有相同初始速度的离子成像在同一个点上，从而实现高锐度离子速度成像。之前应用更广的网状电极结构会导致透射率降低、严重的轨迹偏斜和由于非点离子源几何形状而引起的模糊。而离子速度成像技术引入了开放式透镜电极，避免了这些问题，不影响离子透过率和轨迹，对非点离子源的成像锐度大大提高。
目前在反应动力学领域对离子速度成像的应用普遍是利用超声射流方法产生高速运动的中性气体束源，在高速运动的中性原子分子束中通过碰撞或者激光激发的方法产生离子，产物离子具有较高的动能，这种方法无法产生低动能低温的离子源。另外这种方法很难实现超低碰撞能(低于10mK)的碰撞反应。
磁光阱是利用一对反亥姆霍兹线圈和六束激光囚禁冷原子的技术，将磁光阱中的中性原子利用激光电离和碰撞的方法产生离子即可制备出低动能低温的离子源。若能将磁光阱与离子透镜相结合，即可将低动能低温离子进行速度成像。而磁光阱和离子透镜的结合在实现上有一些困难。离子速度成像系统的电极比较封闭的结构使得激光无法以合适的角度照射到位于透镜中心原子所在的位置，这样就无法将磁光阱的中心与离子速度成像系统的中心重合，不能形成一种同时具有俘获原子和离子速度成像功能的复合系统。磁光阱技术是利用六束与原子循环跃迁能级共振的激光与一对反亥姆霍兹磁场线圈在磁场零点处制备冷原子的技术。
发明内容
本发明设计了一种同时具有俘获原子和离子速度成像功能的复合系统。装置中离子透镜与磁光阱的几何中心互相重合，再通过原子碰撞或激光激发的方式即可制备出低动能离子源，对其进行速度成像，进行反应动力学研究。
本发明采用的技术方案为：一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统，包括离子透镜部分和磁光阱部分，所述的离子透镜部分包括五片同轴心电极，依次为排斥极，两片同电势的引出极，一片加速极，一片接地级，通过在这些电极上施加设计好的电场，五片电极可以构成一个离子透镜；所述的磁光阱部分中磁光阱的反亥姆霍兹线圈磁场零点和六束激光相交于两片引出极电极的几何中心处，捕获囚禁原子，产生冷原子。
进一步地，经典的三片式电极包括一片排斥级，一片引出极，一片接地极，将单片引出极电极分成两半，并改变电极的几何形状，中间间隔一定的距离，并施加合适的高压，在实现离子透镜功能的同时也空出了可以射入激光的位置，以便实现激光冷却需要的几何构型；并且增加一片加速极，得到共计五片同轴心电极。
进一步地，所述的磁光阱部分中一对反亥姆霍兹线圈与电极片垂直摆放，将电极夹在中间，反亥姆霍兹线圈的磁场零点位于两片引出电极中间的轴心处；磁光阱的六束激光中第一束激光穿过反亥姆霍兹线圈的轴线和两片引出极电极的几何中心即磁场零点；第二束激光垂直于第一束激光，且与电极组轴心成45度，穿过磁场零点；第三束激光垂直于前两束激光；剩余三束激光利用三面反射镜将前面三束激光沿反方向反射获得。
进一步地，磁光阱六束光交叠区域能够囚禁冷原子。从而用后续多种方式产生离子。
进一步地，还可以对磁光阱中的冷原子施加激光，利用激光进行电离产生离子。
进一步地，利用磁光阱制备两团冷原子团，通过碰撞产生离子。
本发明的优点和积极效果为：
超低温低动能离子源通过结合磁光阱和离子透镜，即可利用各种后续方法产生超低温低动能的离子源。凡是可以被磁光阱捕获的元素都适用于这一个装置，大大拓展了离子速度成像系统可以研究对象的范围。对离子进行速度成像，可以对低碰撞能，低动能电离过程进行动力学研究，获得碰撞截面以及散射截面角分布等重要信息。
附图说明
图1为冷原子与离子速度成像复合的探测系统示意图，其中，1为排斥极，2为引出极电极，3为加速极，4为接地极，5为第一束激光，6为第二束激光，7为第三束激光，8 为一对反亥姆霍兹线圈。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统，具体包括：
1.离子透镜部分
经典的三片式电极包括一片排斥级，一片引出极，一片接地极。为了实现离子透镜与磁光阱的结合，使冷原子被捕获在引出极的中心处。本发明将单片引出极电极分成两半，并改变电极的几何形状，中间间隔一定的距离，并施加合适的高压。在实现离子透镜功能的同时也空出了可以射入激光的位置，以便实现激光冷却需要的几何构型；并且为了较好的速度成像效果，增加一片加速极。共计五片同轴心电极，依次为排斥极，两片同电势的引出极，一片加速极，一片接地级，通过在这些电极上施加设计好的电场，五片电极可以构成一个离子透镜。
2.磁光阱部分
磁光阱的反亥姆霍兹线圈磁场零点和六束激光相交于两片引出极电极的几何中心处，捕获囚禁原子，产生冷原子。
1)一对反亥姆霍兹线圈与电极片垂直摆放，将电极夹在中间。反亥姆霍兹线圈的磁场零点位于两片引出电极中间的轴心处。
2)磁光阱的六束激光中第一束激光穿过反亥姆霍兹线圈的轴线和两片引出极电极的几何中心(磁场零点)；第二束激光垂直于第一束激光，且与电极组轴心成45度，穿过磁场零点；第三束激光垂直于前两束激光；剩余三束激光利用三面反射镜将前面三束激光沿反方向反射获得。
五片电极同轴摆放。从左往右依次为排斥极1，两片引出极电极2，一片加速极3，一片接地级4，通过在这些电极上施加设计好的电场，五片电极可以构成一个离子透镜。
一对反亥姆霍兹线圈8与电极片垂直摆放，将电极夹在中间。反亥姆霍兹线圈的磁场零点位于两个引出电极中间的轴心处。
磁光阱的六束激光中第一束激光5穿过反亥姆霍兹线圈8的轴线和两片引出极电极2的几何中心(磁场零点)；第二束激光6垂直于第一束激光，且与电极组轴心成45度，穿过磁场零点；第三束激光7垂直于前两束激光；剩余三束激光利用三面反射镜将前面三束激光沿反方向反射获得。
磁光阱六束光交叠区域能够囚禁冷原子。从而用后续多种方式产生离子。
这里应用亚稳态惰性气体原子的磁光阱进行举例。通过图1中的磁光阱，将亚稳态惰性气体原子冷却、囚禁。两个亚稳态原子碰撞到一起时，会发生能量交换，产生一个离子和一个电子。离子或电子在电极的高压场作用下进行速度成像，即可研究该过程的动力学原理。
还可以对磁光阱中的冷原子施加激光，利用激光进行电离产生离子。另一个例子是利用磁光阱制备两团冷原子团，通过碰撞产生离子。
Claims (2)
1.一种冷原子与离子速度成像复合的探测系统，其特征在于，包括离子透镜部分和磁光阱部分，所述的离子透镜部分包括五片同轴心电极，依次为排斥极，两片同电势的引出极，一片加速极，一片接地级，通过在这些电极上施加设计好的电场，五片电极可以构成一个离子透镜；所述的磁光阱部分中磁光阱的反亥姆霍兹线圈磁场零点和六束激光相交于两片引出极电极的几何中心处，捕获囚禁原子，产生冷原子；
经典的三片式电极包括一片排斥级，一片引出极，一片接地极，将单片引出极电极分成两半，并改变电极的几何形状，中间间隔一定的距离，并施加合适的高压，在实现离子透镜功能的同时也空出了可以射入激光的位置，以便实现激光冷却需要的几何构型；并且增加一片加速极，得到共计五片同轴心电极；
所述的磁光阱部分中一对反亥姆霍兹线圈与电极片垂直摆放，将电极夹在中间，反亥姆霍兹线圈的磁场零点位于两片引出电极中间的轴心处；磁光阱的六束激光中第一束激光穿过反亥姆霍兹线圈的轴线和两片引出极电极的几何中心即磁场零点；第二束激光垂直于第一束激光，且与电极组轴心成45度，穿过磁场零点；第三束激光垂直于前两束激光；剩余三束激光利用三面反射镜将前面三束激光沿反方向反射获得；
磁光阱六束光交叠区域能够囚禁冷原子，从而用后续多种方式产生离子；
还可以对磁光阱中的冷原子施加激光，利用激光进行电离产生离子。
2.根据权利要求1所述的冷原子与离子速度成像复合的探测系统，其特征在于，利用磁光阱制备两团冷原子团，通过碰撞产生离子。
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