CN113382526B - 磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器 - Google Patents

磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，包括基座模块、以及设置于基座模块上的多个可移动磁子模块；所述基座模块包括中心基座、贯穿中心基座的中心圆筒框架，以及对称设置于中心圆筒框架两侧的方形滑杆；所述可移动磁子模块包括底座、圆周标定尺基片、方形滑槽，所述磁子固定模块包括转轴、磁子安装底座、紧定圆片，本发明利用永磁体提供了一种小型化的塞曼减速器，具有零功耗、小体积、低重量的优点，可用于可搬运光钟和星载光钟中，推动光晶格钟小型化的发展；本发明为永磁体塞曼减速器提出了一种新颖的永磁体固定结构，实现对永磁体二维位置的调节。

Description

磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器
技术领域
本发明属于激光冷却领域，具体涉及一种永磁体结构的塞曼减速器。
背景技术
对于原子光钟、原子干涉仪、量子简并气体等现代冷原子物理实验，原子需先被装载到磁光阱(MOT)中，来获得稳定的冷原子云，为后续实验做准备。常温下Yb、Sr等多数原子的蒸气密度较低，需要先通过加热的方式形成高通量的原子束流。由于原子被加热后的速度较大，原子无法被直接装载到磁光阱中，需要利用塞曼减速器对原子进行激光冷却。传统的塞曼减速器，利用塔状结构的通电线圈在原子束流方向上提供梯度变化的塞曼磁场，来补偿由于原子速度变化引入的多普勒频移，使得原子跃迁能级与冷却光频率保持共振。目前，小型化是光晶格钟发展的主要方向之一，要求实验装置具有功耗低、体积小、重量轻的特点。而传统的通电线圈式塞曼减速器，需要消耗大量电能并且具有复杂的水冷结构，限制了光晶格钟的小型化。针对传统塞曼减速器的问题，国内外提出了基于永磁体结构的塞曼减速器，利用永磁体来产生原子塞曼减速时所需的磁场分布。
目前最接近本发明的是英国国家物理实验室(NPL)设计的横向磁场分布的永磁体塞曼减速器。NPL小组基于Sr原子光晶格钟，只利用一组紧凑、分立的钕铁硼磁铁，就可在空间上产生方向垂直于原子束流的塞曼磁场。此小组的塞曼减速器由13对体积不同的圆柱型钕铁硼磁铁组成，每对永磁体关于原子束流对称分布，各个永磁体间距相同为2.083cm。整个装置的尺寸为297mm×161mm×90mm。在该横向磁场永磁体塞曼减速器中，圆柱形永磁体利用螺杆与外框架连接，并可通过调节螺杆来改变永磁体的横向位置，从而实现永磁体塞曼减速器磁场的一维调节。但是NPL小组所研制的横向磁场分布的永磁体塞曼减速器采用的永磁体数量较多，整体尺寸仍较大。其次，该装置只能对永磁体的横向位置进行调节，磁场的可调节性较低。另外，该永磁体塞曼减速器不能对永磁体的横向位置进行精细地调节，磁场的调节精度较低。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足：传统塞曼减速器的功耗高、结构复杂，以及NPL小组横向磁场分布永磁体塞曼减速装置的磁子数量多、磁场调节精度低等问题，提出了磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器。本发明在获得理想塞曼磁场分布的基础上，基于磁偶极子模型，通过优化永磁体的磁矩大小以及永磁体的纵向和径向位置，获得与理想磁场一致的磁场分布。在对永磁体的磁矩大小以及永磁体的空间位置进行优化时，需遵循装置结构小型化的要求。最终在本发明研制的横向磁场永磁体塞曼减速器中，只需利用4对永磁体就可在垂直于原子束流方向上产生空间梯度变化的塞曼磁场。通过配置滑杆、具有内螺纹的可移动磁子底座以及具有外螺纹的磁子固定底座，使得永磁体可以在平行以及垂直于原子束流的方向上进行精细的调节。
本发明提供的技术方案为：磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，包括基座模块、以及设置于基座模块上的多个可移动磁子模块；
所述基座模块包括中心基座、贯穿中心基座的中心圆筒框架，以及对称设置于中心圆筒框架两侧的方形滑杆；所述中心圆筒框架安装固定在原子束真空管道上，使原子束流通过整个装置的中心轴线；
所述可移动磁子模块包括底座、圆周标定尺基片、方形滑槽，所述底座一端通过方形滑槽与方型滑杆连接，另一端通过圆周标定尺基片与磁子固定模块连接，所述方型滑槽及底座上均设有螺纹孔；
所述磁子固定模块包括转轴、磁子安装底座、紧定圆片，所述磁子安装底座一端设有永磁体安装槽，所述永磁体安装槽内装配永磁体后与紧定圆片固定，所述安装槽外配有外螺纹与可移动磁子模块连接；另一端设有同轴转轴，用于磁子固定模块在可移动磁子模块中的转动，实现永磁体位置的调节。
进一步地，所述方型滑杆上配有刻度线。
进一步地，所述基座模块底部配有螺纹孔。
进一步地，所述底座为一圆柱形薄壁，其内薄壁上配有内螺纹；所述圆周标定尺基片为一环形薄铜片，其中心通过环形刻度线将圆周等分。
进一步地，所述转轴与磁子安装底座一体成型。
进一步地，所述转轴上有主标尺刻度线，与圆周标定尺基片上的等分刻度线配合使用，对永磁体的径向位置进行精细调节。
进一步地，所述磁子安装底座为一圆柱形薄壁，其外薄壁上配有外螺纹，内壁上配有内螺纹，使得紧定圆片通过螺纹与磁子安装底座装配。
进一步地，所述永磁体为圆柱形钕铁硼永磁体。
采用以上方案后，本发明具有如下优点：
1)本发明利用永磁体提供了一种小型化的塞曼减速器，具有零功耗、小体积、低重量的优点，可用于可搬运光钟和星载光钟中，推动光晶格钟小型化的发展。
2)为永磁体塞曼减速器提出了一种新颖的永磁体固定结构，实现对永磁体二维位置的调节。在进行永磁体径向位置的调节时，利用螺旋放大的原理，使得永磁体径向位置的调节精度达到0.01mm。在实验中，通过微调永磁的位置来对塞曼减速器的磁场分布进行优化，从而使磁光阱捕获更多的原子数。
3)本发明中提出了一种简易的永磁体装配方式，可以在不破坏真空腔以及塞曼减速器整体结构的情况下，实现对永磁体的更换。
本发明实际装配时，可先将基座模块沿对称轴一分为二再通过螺丝紧定的方式固定在原子束真空管道上。这使得我们可以在不破坏真空的情况下对塞曼减速器磁场分布进行测量。另外，在对真空腔烘烤时，可将永磁体塞曼减速器从真空管道上拆卸下来，将加热带直接缠绕在真空管道上，提高烘烤的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解的是，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明中磁场强度可精细调节的小型化的永磁体塞曼减速器的结构示意图。
图2为本发明中基座模块结构示意图。
图3为本发明中可移动磁子模块结构示意图。
图4为本发明中磁子固定模块示意图。
图5为本发明实例中塞曼减速器理想的磁场分布曲线。
图6为本发明实例中磁场强度可精细调节的小型化的永磁体塞曼减速器的实际磁场分布测量结果。
如图所示：基座模块1、可移动磁子模块2、磁子固定模块3、中心圆筒4、方形滑杆5、底座6、圆周标定尺基片7、方形滑槽8、螺纹孔9、螺纹孔10、转轴11、磁子安装底座12、永磁体13、紧定圆片14。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图1-4所示，本实施例具体涉及一种磁场强度可精细调节的永磁体塞曼减速器，该永磁体塞曼减速器主要包括一个基座模块1、八个可移动磁子模块2。
如图2所示，基座模块1由一个中心圆筒框架4和两个关于中心轴线对称分布的方形滑杆5组成。中心圆筒框架4安装固定在原子束真空管道上，使原子束流通过整个装置的中心轴线。所述原子束真空管道为冷原子光晶格钟等实验装置的重要组成部分。滑杆5上配有刻度线，辅助永磁体纵向位置的定位。基座模块1底部配有螺纹孔，可与外部的支撑底座连接，对整个装置进行支撑加固。
如图3所示，可移动磁子模块2由底座6、圆周标定尺基片7、方形滑槽8、螺纹孔9、螺纹孔10以及磁子固定模块3组成。底座6为一圆柱形薄壁，内薄壁上配有0.5mm间距的内螺纹。圆周标定尺基片7为一环形薄铜片，通过环形刻度线将圆周50等分，提供标定作用。方形滑槽8可嵌套在方形滑杆5上，使得整个可移动磁子模块2沿滑杆5(原子束流方向)进行一维平动。螺纹孔9、10起固定作用。
如图4所示，磁子固定模块3由转轴11、磁子安装底座12、紧定圆片14组成。其中，转轴11和磁子安装底座12是一个整体。转轴11上有主标尺刻度线，与圆周标定尺基片7上的等分刻度线配合使用，可对永磁体的径向位置进行精细调节。磁子安装底座12为一圆柱形薄壁，外薄壁上配有0.5mm间距的外螺纹。永磁体13为圆柱形钕铁硼永磁体。紧定圆片14可与磁子安装底座通过螺纹连接的方式进行装配，起固定作用。在将永磁体13安装到磁子安装底座上后，利用紧定圆片14将永磁体13固定在磁子固定底座中，避免其移动。通过磁子安装底座12与底座6的同轴配合，可将磁子固定模块3装配在可移动磁子模块2上。此时利用内外螺纹间的配合，磁子固定模块3可在可移动磁子模块上转动平移，实现永磁体的径向位置的移动。
塞曼减速器可对高速移动的锶、镱等原子进行激光冷却，形成高通量的低速原子束流。
以下针对镱原子，利用本发明中磁场强度可精细调节的小型化的永磁体塞曼减速器产生原子激光冷却所需的塞曼磁场分布；同时结合实例介绍本发明的具体操作方法：
第一步，通过对有效系数ε、饱和光强系数s0、塞曼光的失谐量以及偏振等塞曼减速器的相关参数进行优化计算，以得到适用于镱原子的永磁体塞曼减速器的设计参数。本实例通过计算将有效系数ε和饱和光强系数s0分别设定为0.75、2，并采用失谐量为-400MHz的σ-偏振的塞曼光。这里将塞曼减速器捕获速度设定为220m/s，最终得到长度为10cm的塞曼减速器的理想磁场分布曲线，如图5所示。
第二步，利用Mathematica进行数值拟合计算，通过改变永磁体的空间位置，得到与理想磁场分布一致的磁场曲线。根据拟合结果，初步得到永磁体的纵向位置和径向位置分布。接着，通过MATLAB建立蒙特卡洛实验模型，来模拟本实例中磁场强度可精细调节的小型化的永磁体塞曼减速器对镱原子减速的实验过程。在上述蒙特卡洛模拟模拟实验中，通过调节永磁体的空间位置来优化磁场分布，以使得更多的原子被本发明装置减速。这里得到优化后永磁体的纵向位置zi以及横向位置xi。
第三步，根据蒙特卡洛模拟实验优化的永磁体纵向位置zi以及横向位置xi来搭建磁场强度可精细调节的小型化的永磁体塞曼减速器。具体的组装流程如下：首先，将钕铁硼永磁体13安装在磁子固定模块3中。接着，将装有永磁体的磁子固定模块3通过螺纹连接的方式装配在可移动磁子固定模块2的底座6中，之后再将圆周标定尺基片7通过螺丝固定在底座6上。然后，将组装好的可移动磁子模块2通过滑槽8与基座模块1中的滑杆5进行装配；这时在将永磁体移动至指定的纵向位置zi后，通过螺纹孔9将可移动磁子模块2固定在滑杆上，实现对永磁纵向位置的调节。最后，在可移动磁子模块2中转动磁子固定模块3，通过螺纹旋进或旋出的方式调节永磁体径向位置xi，在将永磁体移动至指定径向位置后，通过螺纹孔10对磁子固定模块进行固定，防止其转动。通过上述工作流程可得到磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，实现了永磁体位置的二维精细调节。在该具体实施例中，整个永磁体塞曼减速器装置的尺寸为110mm×100mm×30mm，体积较小，实现了小型化的目标。
第四步，利用磁场测量装置对本发明实例中磁场强度可精细调节的小型化的永磁体塞曼减速器中心轴线的磁场强度进行测量。测量结果如图6所示，发现实际测量的磁场分布与理论预期的磁场分布基本一致。通过模拟评估，本发明实例中的永磁体塞曼减速器装置将获得约10％的塞曼减速效率，能够满足实验需求。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，包括基座模块、以及设置于基座模块上的多个可移动磁子模块；
所述基座模块包括中心基座、贯穿中心基座的中心圆筒框架，以及对称设置于中心圆筒框架两侧的方形滑杆；所述中心圆筒框架安装固定在原子束真空管道上，使原子束流通过整个装置的中心轴线；
所述可移动磁子模块包括底座、圆周标定尺基片、方形滑槽，所述底座一端通过方形滑槽与方型滑杆连接，另一端通过圆周标定尺基片与磁子固定模块连接，所述方型滑槽及底座上均设有螺纹孔；
所述磁子固定模块包括转轴、磁子安装底座、紧定圆片，所述磁子安装底座一端设有永磁体安装槽，所述永磁体安装槽内装配永磁体后与紧定圆片固定，所述安装槽外配有外螺纹与可移动磁子模块连接；另一端设有同轴转轴，用于磁子固定模块在可移动磁子模块中的转动，实现永磁体位置的调节。
2.根据权利要求1所述的磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，所述方型滑杆上配有刻度线。
3.根据权利要求1所述的磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，所述基座模块底部配有螺纹孔。
4.根据权利要求1所述的磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，所述底座为一圆柱形薄壁，其内薄壁上配有内螺纹；所述圆周标定尺基片为一环形薄铜片，其中心通过环形刻度线将圆周等分。
5.根据权利要求1所述的磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，所述转轴与磁子安装底座一体成型。
6.根据权利要求1所述的磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，所述转轴上有主标尺刻度线，与圆周标定尺基片上的等分刻度线配合使用，对永磁体的径向位置进行精细调节。
7.根据权利要求1所述的磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，所述磁子安装底座为一圆柱形薄壁，其外薄壁上配有外螺纹，内壁上配有内螺纹，使得紧定圆片通过螺纹与磁子安装底座装配。
8.根据权利要求1所述的磁场强度可精细调节的小型化永磁体结构的塞曼减速器，其特征在于，所述永磁体为圆柱形钕铁硼永磁体。
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