CN113808774A - 基于磁光阱的相干电子源获取装置 - Google Patents

基于磁光阱的相干电子源获取装置 Download PDF

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Abstract

基于磁光阱的相干电子源获取装置，通过铷原子蒸汽，在二维磁光阱中生成铷冷原子束流，将铷冷原子束流输送到三维磁光阱，通过三维磁光阱捕获铷冷原子束流中的冷原子；使用780nm、480nm两束激光对冷原子外层电子进行电子态制备，并使用高压静电场驱动获得相干电子；三维磁光阱的真空腔中配置有电极板，电极片横向施加预设的电压得到正负相交替的电场，控制电子束横向尺寸，电极片纵向施加正负相交替的电场，控制电子束纵向束长；真空腔与存放电子束的样品腔之间通过螺线管施加磁场，以控制输入到样品腔的电子束横向尺寸。本发明克服了塞曼减速器尺寸大、磁场泄露等缺点，最大程度上降低了设备对电子束的影响；使电子的相干性更易控制。

Description

基于磁光阱的相干电子源获取装置
技术领域
本发明属于相干电子源技术领域，具体涉及一种基于磁光阱的相干电子源获取装置。
背景技术
磁光阱是囚禁中性原子的有效手段，三维磁光阱通常由三对两两相互垂直、具有特定偏振组态且负失谐的对射激光束形成的三维空间驻波场和反亥姆赫兹线圈产生的梯度磁场构成。磁场的零点与光场的中心重合，负失谐的激光对原子产生阻尼力，梯度磁场与激光的偏振相结合产生了对原子的束缚力，这样就在空间对中性原子构成了一个带阻尼作用的简谐势阱。
高亮度、高相干性、时域超短电子束制备是高时空分辨电子衍射技术、高相干性X射线自由电子激光技术的基础，后两者对微电子技术、材料物理化学、分子生物学、核科学技术等领域是不可或缺的。传统技术中，采用塞曼减速器加三维磁光阱方案，存在塞曼减速器尺寸大、磁场易泄露等缺点，由于电子质量小、对电磁场敏感，塞曼减速器自带剩余磁场，使产生的冷电子受冗余磁场的影响，操控困难、输出低、光束质量差。
发明内容
为此，本发明提供一种基于磁光阱的相干电子源获取装置，避免传统塞曼减速器自带剩余磁场的缺点，使产生的冷电子免受冗余磁场的影响；解决光源不易获得、操控困难、输出低、光束质量差等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于磁光阱的相干电子源获取装置，采用铷原子蒸汽，在二维磁光阱中生成铷冷原子束流，将所述铷冷原子束流输送到三维磁光阱，通过所述三维磁光阱捕获铷冷原子束流中的冷原子；使用780nm、480nm两束激光对冷原子外层电子进行电子态制备，并使用高压静电场驱动获得相干电子；
所述三维磁光阱的真空腔中配置有电极板，所述电极片横向施加预设的电压得到正负相交替的电场，控制电子束横向尺寸，所述电极片纵向施加正负相交替的电场，控制电子束纵向束长；
所述真空腔与存放电子束的样品腔之间通过螺线管施加磁场，以控制输入到样品腔的电子束横向尺寸。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，包括第一抽真空组件、三维磁光阱组件、二维磁光阱组件、样品存储组件和第二抽真空组件；
所述第一抽真空组件连接所述三维磁光阱组件，所述三维磁光阱组件连接所述样品存储组件，所述二维磁光阱组件连接所述三维磁光阱组件，所述第二抽真空组件连接所述样品存储组件。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述第一抽真空组件包括第一离子泵、第一泵支架、第一管道和第一真空规；所述第一离子泵固定在所述第一泵支架的上部，所述第一管道一端连接所述第一离子泵，第一管道的另外一端连接所述三维磁光阱组件，所述第一真空规连接所述第一管道的顶部。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述第一管道的侧部还连接有第一调节管道，所述第一调节管道连接有第一真空阀。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述三维磁光阱组件包括第一真空腔和亥母赫兹线圈，所述亥母赫兹线圈设置在所述第一真空腔的外围，所述第一真空腔的一端连接所述第一管道，第一真空腔的另外一端连接所述样品存储组件。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述二维磁光阱组件包括第一输送线圈管道、第二真空腔、第二离子泵、金属阀和电极法兰；所述第一输送线圈管道一端连接所述第一真空腔，第一输送线圈管道另外一端连接所述第二真空腔；所述第二离子泵连接在所述第二真空腔的顶部，所述金属阀连接在所述第二真空腔的一侧，所述电极法兰连接在所述第二真空腔的另外一侧。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述第一真空腔的内部设有电极板，第一真空腔的侧部设有移动机构，所述移动机构连接所述电极板。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述三维磁光阱组件和样品存储组件之间设有第二输送线圈管道和第三输送线圈管道，所述第二输送线圈管道和第三输送线圈管道之间连接有手动阀，所述手动阀的底部连接有阀支架；
所述移动机构包括驱动电机、驱动丝杠和驱动头，所述驱动头的中心设有通口，所述第二输送线圈管道从所述通口中穿过，驱动头连接位于所述第一真空腔内部的电极板；所述驱动丝杠连接所述驱动头，所述驱动电机连接所述驱动丝杠。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述样本存储组件包括样品腔和支撑柱，所述样品腔连接所述第三输送线圈管道，所述支撑柱连接在所述样品腔的底部。
作为基于磁光阱的相干电子源获取装置的优选方案，所述第二抽真空组件包括第三离子泵、第二泵支架、第二管道和第二真空规；所述第三离子泵固定在所述第二泵支架的上部，所述第二管道一端连接所述第三离子泵，第二管道的另外一端连接所述样品腔，所述第二真空规连接所述第二管道的顶部；
所述第二管道的侧部还连接有第二调节管道，所述第二调节管道连接有第二真空阀。
本发明具有如下有益效果：通过铷原子蒸汽，在二维磁光阱中生成铷冷原子束流，将铷冷原子束流输送到三维磁光阱，通过三维磁光阱捕获铷冷原子束流中的冷原子；使用780nm、480nm两束激光对冷原子外层电子进行电子态制备，并使用高压静电场驱动获得相干电子；三维磁光阱的真空腔中配置有电极板，电极片横向施加预设的电压得到正负相交替的电场，控制电子束横向尺寸，电极片纵向施加正负相交替的电场，控制电子束纵向束长；真空腔与存放电子束的样品腔之间通过螺线管施加磁场，以控制输入到样品腔的电子束横向尺寸。本发明使用二维磁光阱提供高通量冷原子束流，三维磁光阱捕捉大数量冷原子团；使用双光子激发、外场驱动方式获得温度低、相干性极佳的冷电子束流；相比目前采用的塞曼减速器加三维磁光阱方案，克服了塞曼减速器尺寸大、磁场泄露等缺点，特别针对电子质量小、对电磁场敏感的特点，最大程度上降低了设备对电子束的影响；同时更长波长的激发光克服了紫光激光源不易获得、操控困难、输出低、光束质量差等缺点，使电子的相干性更易控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例中提供的基于磁光阱的相干电子源获取装置原理示意图；
图2为本发明实施例中提供的基于磁光阱的相干电子源获取装置结构示意图。
图中，1、第一抽真空组件；2、三维磁光阱组件；3、二维磁光阱组件；4、样品存储组件；5、第二抽真空组件；6、第一离子泵；7、第一泵支架；8、第一管道；9、第一真空规；10、第一调节管道；11、第一真空腔；12、亥母赫兹线圈；13、第一输送线圈管道；14、第二真空腔；15、第二离子泵；16、金属阀；17、电极法兰；18、电极板；19、移动机构；20、第二输送线圈管道；21、第三输送线圈管道；22、手动阀；23、阀支架；24、驱动电机；25、驱动丝杠；26、驱动头；27、样品腔；28、支撑柱；29、第三离子泵；30、第二泵支架；31、第二管道；32、第二真空规；33、第二调节管道。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。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。
参见图1，本发明实施例提供一种基于磁光阱的相干电子源获取装置，采用铷原子蒸汽，在二维磁光阱中生成铷冷原子束流，将所述铷冷原子束流输送到三维磁光阱，通过所述三维磁光阱捕获铷冷原子束流中的冷原子；使用780nm、480nm两束激光对冷原子外层电子进行电子态制备，并使用高压静电场驱动获得相干电子；
所述三维磁光阱的真空腔中配置有电极板18，所述电极片横向施加预设的电压得到正负相交替的电场，控制电子束横向尺寸，所述电极片纵向施加正负相交替的电场，控制电子束纵向束长；
所述真空腔与存放电子束的样品腔27之间通过螺线管施加磁场，以控制输入到样品腔27的电子束横向尺寸。
具体的，本技术方案采用铷原子蒸汽，在二维磁光阱中生成铷冷原子束流，二维磁光阱提供了高通量冷原子束流，并在二维磁光阱的主腔内获得囚禁原子团，输送到三维磁光阱，在三维磁光阱中捕获原子数超过109的冷原子，之后使用780nm、480nm两束激光对冷原子外层电子进行态制备，并使用高压静电场驱动获得相干电子。
三维磁光阱囚禁原子的原理是，由多普勒制冷可知，在平均辐射压力的作用下会形成光学黏团，将原子汇聚在一定的区域内，但光学黏团不稳定，原子会发散或逃逸。故加一势阱，使原子收到内向力的作用而束缚在一定的区域内而不发生逃逸。
双/多光子激发机制原理是，由780nm激光激发到中间态后接480nm激发到场电离态，顺序激发和双色多光子激发出来的电子束都是低温的，也即相干性最好的，其中顺序激发出来的电子束低温且速度慢，这有利于对电子束的控制。
经磁光囚禁的原子速度会低于1m/s，所以这些原子在这1ms中状态基本没有任何变化。在1ms的时间中，用两束激光激发这些原子。对铷原子，使用780nm的激光脉冲和480nm的激光脉冲将其激发到里德堡态，紧接着打开原子团周围的高压电场，将处在里德堡态的电子拉出成为自由电子；也可微调激发光频率将电子直接光电离。
参见图2，本实施例中，基于磁光阱的相干电子源获取装置包括第一抽真空组件1、三维磁光阱组件2、二维磁光阱组件3、样品存储组件4和第二抽真空组件5；
所述第一抽真空组件1连接所述三维磁光阱组件2，所述三维磁光阱组件2连接所述样品存储组件4，所述二维磁光阱组件3连接所述三维磁光阱组件2，所述第二抽真空组件5连接所述样品存储组件4。
本实施例中，所述第一抽真空组件1包括第一离子泵6、第一泵支架7、第一管道8和第一真空规9；所述第一离子泵6固定在所述第一泵支架7的上部，所述第一管道8一端连接所述第一离子泵6，第一管道8的另外一端连接所述三维磁光阱组件2，所述第一真空规9连接所述第一管道8的顶部。所述第一管道8的侧部还连接有第一调节管道10，所述第一调节管道10连接有第一真空阀。
具体的，第一泵支架7对第一离子泵6起到支撑作用，第一离子泵6通过第一管道8可以对三维磁光阱组件2抽真空。第一真空规9可以观察第一管道8的真空度情况。第一调节管道10配合第一真空阀起到第一管道8的真空调节作用。
本实施例中，所述三维磁光阱组件2包括第一真空腔11和亥母赫兹线圈12，所述亥母赫兹线圈12设置在所述第一真空腔11的外围，所述第一真空腔11的一端连接所述第一管道8，第一真空腔11的另外一端连接所述样品存储组件4。
具体的，亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间距离d正好等于圆形线圈的半径R时，这种圆形载流线圈称为亥姆霍兹线圈，这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场。反亥姆霍兹线圈能够制造小范围区域均匀磁场，由于反亥姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易地可以将第一真空腔11置入或移出，也可以直接做视觉观察。
本实施例中，所述二维磁光阱组件3包括第一输送线圈管道13、第二真空腔14、第二离子泵15、金属阀16和电极法兰17；所述第一输送线圈管道13一端连接所述第一真空腔11，第一输送线圈管道13另外一端连接所述第二真空腔14；所述第二离子泵15连接在所述第二真空腔14的顶部，所述金属阀16连接在所述第二真空腔14的一侧，所述电极法兰17连接在所述第二真空腔14的另外一侧。
二维磁光阱组件3采用铷原子蒸汽，在二维磁光阱组件3的第二真空腔14中生成铷冷原子束流，将所述铷冷原子束流输送到三维磁光阱组件2的第一真空腔11，通过三维磁光阱组件2的第一真空腔11捕获铷冷原子束流中的冷原子。
本实施例中，所述三维磁光阱组件2和样品存储组件4之间设有第二输送线圈管道20和第三输送线圈管道21，所述第二输送线圈管道20和第三输送线圈管道21之间连接有手动阀22，所述手动阀22的底部连接有阀支架23。
具体的，第一输送线圈管道13、第二输送线圈管道20和第三输送线圈管道21采用场驱动磁场横向驱动控制原理，由螺线管对电子束聚焦原理可知，受磁场驱动，电子束可以在螺线管中实现聚焦。通过正负交替的横向电场实现电子束的控制。
本实施例中，所述第一真空腔11的内部设有电极板18，第一真空腔11的侧部设有移动机构19，所述移动机构19连接所述电极板18。所述移动机构19包括驱动电机24、驱动丝杠25和驱动头26，所述驱动头26的中心设有通口，所述第二输送线圈管道20从所述通口中穿过，驱动头26连接位于所述第一真空腔11内部的电极板18；所述驱动丝杠25连接所述驱动头26，所述驱动电机24连接所述驱动丝杠25。
具体的，驱动电机24通过驱动丝杆能够带动驱动头26沿驱动丝杠25进行移动，驱动头26带动电极板18调节电极板18在第一真空腔11内的位置。驱动头26的中心通口方便驱动头26移动，避免第二输送线圈管道20对驱动头26造成影响。
本实施例中，所述样本存储组件包括样品腔27和支撑柱28，所述样品腔27连接所述第三输送线圈管道21，所述支撑柱28连接在所述样品腔27的底部。样品腔27对第二输送线圈管道20和第三输送线圈管道21输送过来的电子束进行存储，方便观察测量利用电子束。
本实施例中，所述第二抽真空组件5包括第三离子泵29、第二泵支架30、第二管道31和第二真空规32；所述第三离子泵29固定在所述第二泵支架30的上部，所述第二管道31一端连接所述第三离子泵29，第二管道31的另外一端连接所述样品腔27，所述第二真空规32连接所述第二管道31的顶部；所述第二管道31的侧部还连接有第二调节管道33，所述第二调节管道33连接有第二真空阀。
具体的，第二泵支架30对第三离子泵29起到支撑作用，第三离子泵29通过第二管道31可以对样品存储组件4抽真空。第二真空规32可以观察第二管道31的真空度情况。第二调节管道33配合第二真空阀起到第二管道31的真空调节作用。第一抽真空组件1和第二抽真空组件5可以配合使用进行抽真空。
综上所述，本发明通过铷原子蒸汽，在二维磁光阱中生成铷冷原子束流，将铷冷原子束流输送到三维磁光阱，通过三维磁光阱捕获铷冷原子束流中的冷原子；使用780nm、480nm两束激光对冷原子外层电子进行电子态制备，并使用高压静电场驱动获得相干电子；三维磁光阱的真空腔中配置有电极板18，电极片横向施加预设的电压得到正负相交替的电场，控制电子束横向尺寸，电极片纵向施加正负相交替的电场，控制电子束纵向束长；真空腔与存放电子束的样品腔27之间通过螺线管施加磁场，以控制输入到样品腔27的电子束横向尺寸。本发明采用780nm、480nm双光子激发、场驱动获得相干电子，三维磁光阱组件2的第一真空腔11中配置有电极板18，为驱动电子进而获得相干电子提供需要的电场，每一块电极板18施加设计的电压，可以得到正负相交替的电场，控制电子束横向尺寸，纵向施加正负电场，控制电子束纵向束长。在样品腔27与第一真空腔11之间的两截第二输送线圈管道20和第三输送线圈管道21负责施加磁场，用于控制电子束横向尺寸，在780nm、480nm波长上的激光输出较297nm激光易获得、易操控、输出功率高、光束质量好，因此本装置产生的电子相干性较单光子直接电离获得的电子易控制。本发明使用二维磁光阱提供高通量冷原子束流，三维磁光阱捕捉大数量冷原子团；使用双光子激发、外场驱动方式获得温度低、相干性极佳的冷电子束流；相比目前采用的塞曼减速器加三维磁光阱方案，克服了塞曼减速器尺寸大、磁场泄露等缺点，特别针对电子质量小、对电磁场敏感的特点，最大程度上降低了设备对电子束的影响；同时更长波长的激发光克服了紫光激光源不易获得、操控困难、输出低、光束质量差等缺点。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，采用铷原子蒸汽，在二维磁光阱中生成铷冷原子束流，将所述铷冷原子束流输送到三维磁光阱，通过所述三维磁光阱捕获铷冷原子束流中的冷原子；使用两束激光对冷原子外层电子进行电子态制备，并使用高压静电场驱动获得相干电子；
所述三维磁光阱的真空腔中配置有电极板(18)，所述电极片横向施加预设的电压得到正负相交替的电场，控制电子束横向尺寸，所述电极片纵向施加正负相交替的电场，控制电子束纵向束长；
所述真空腔与存放电子束的样品腔(27)之间通过螺线管施加磁场，以控制输入到样品腔(27)的电子束横向尺寸。
2.根据权利要求1所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，包括第一抽真空组件(1)、三维磁光阱组件(2)、二维磁光阱组件(3)、样品存储组件(4)和第二抽真空组件(5)；
所述第一抽真空组件(1)连接所述三维磁光阱组件(2)，所述三维磁光阱组件(2)连接所述样品存储组件(4)，所述二维磁光阱组件(3)连接所述三维磁光阱组件(2)，所述第二抽真空组件(5)连接所述样品存储组件(4)。
3.根据权利要求2所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述第一抽真空组件(1)包括第一离子泵(6)、第一泵支架(7)、第一管道(8)和第一真空规(9)；所述第一离子泵(6)固定在所述第一泵支架(7)的上部，所述第一管道(8)一端连接所述第一离子泵(6)，第一管道(8)的另外一端连接所述三维磁光阱组件(2)，所述第一真空规(9)连接所述第一管道(8)的顶部。
4.根据权利要求3所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述第一管道(8)的侧部还连接有第一调节管道(10)，所述第一调节管道(10)连接有第一真空阀。
5.根据权利要求4所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述三维磁光阱组件(2)包括第一真空腔(11)和亥母赫兹线圈(12)，所述亥母赫兹线圈(12)设置在所述第一真空腔(11)的外围，所述第一真空腔(11)的一端连接所述第一管道(8)，第一真空腔(11)的另外一端连接所述样品存储组件(4)。
6.根据权利要求5所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述二维磁光阱组件(3)包括第一输送线圈管道(13)、第二真空腔(14)、第二离子泵(15)、金属阀(16)和电极法兰(17)；所述第一输送线圈管道(13)一端连接所述第一真空腔(11)，第一输送线圈管道(13)另外一端连接所述第二真空腔(14)；所述第二离子泵(15)连接在所述第二真空腔(14)的顶部，所述金属阀(16)连接在所述第二真空腔(14)的一侧，所述电极法兰(17)连接在所述第二真空腔(14)的另外一侧。
7.根据权利要求6所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述第一真空腔(11)的内部设有电极板(18)，第一真空腔(11)的侧部设有移动机构(19)，所述移动机构(19)连接所述电极板(18)。
8.根据权利要求7所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述三维磁光阱组件(2)和样品存储组件(4)之间设有第二输送线圈管道(20)和第三输送线圈管道(21)，所述第二输送线圈管道(20)和第三输送线圈管道(21)之间连接有手动阀(22)，所述手动阀(22)的底部连接有阀支架(23)；
所述移动机构(19)包括驱动电机(24)、驱动丝杠(25)和驱动头(26)，所述驱动头(26)的中心设有通口，所述第二输送线圈管道(20)从所述通口中穿过，驱动头(26)连接位于所述第一真空腔(11)内部的电极板(18)；所述驱动丝杠(25)连接所述驱动头(26)，所述驱动电机(24)连接所述驱动丝杠(25)。
9.根据权利要求8所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述样本存储组件包括样品腔(27)和支撑柱(28)，所述样品腔(27)连接所述第三输送线圈管道(21)，所述支撑柱(28)连接在所述样品腔(27)的底部。
10.根据权利要求9所述的基于磁光阱的相干电子源获取装置，其特征在于，所述第二抽真空组件(5)包括第三离子泵(29)、第二泵支架(30)、第二管道(31)和第二真空规(32)；所述第三离子泵(29)固定在所述第二泵支架(30)的上部，所述第二管道(31)一端连接所述第三离子泵(29)，第二管道(31)的另外一端连接所述样品腔(27)，所述第二真空规(32)连接所述第二管道(31)的顶部；
所述第二管道(31)的侧部还连接有第二调节管道(33)，所述第二调节管道(33)连接有第二真空阀。
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