CN114354057B - 一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法。其装置采用在二维磁光阱腔室上及三维磁光阱腔室上分别配置离子泵、钛泵及激光器，并在二维磁光阱腔室上还配置了原子炉，在三维磁光阱腔室上还配置了高纯度气瓶、球面透镜、光电倍增管及数据采集卡；其方法采用所述装置实现，第一步，提取出原子损失率Γ；第二步，获得当前阱深修正的损失率系数K_loss；并通过计算，获得冷原子真空系统的真空压强P。本发明遵循冷原子本身的秉性，解决了超高或极高真空中精确量化真空度的问题，其测量范围不受背景气体数密度的影响，与传统的真空计量装置相比，具有测量精度更高，可测量真空压强更小，且不需要反复校准的优势。

Description

一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法

技术领域

本发明涉及冷原子及真空测量技术领域，尤其是一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法。

背景技术

伴随着冷原子的诞生，冷原子的寿命问题得到人们的广泛关注。激光冷却原子技术经过三十多年的不断发展和完善，人们对于冷原子系统有了较为详尽的认知，冷原子的寿命问题也得到了详尽的研究，研究发现背景气体密度、磁光阱阱深、原子间的两体碰撞与磁光阱中原子损耗直接相关，通过分析磁光阱中原子损耗机理可以精确提取出背景气体数密度。在超高或极高真空系统中，如何准确量化系统的真空度是十分重要的工作，目前常用的测量手段是电离真空计，由于电离真空计真空度测量精度不够高，甚至电离真空计本身释放气体会对待测真空度造成影响，无法十分精准地测量系统的真空，并且测量会受到真空的限制，在背景真空低于10^-10Pa时，其本身释放的离子流会干扰测量。为解决在超高或极高真空中精确量化真空度的问题，研究一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法，以准确量化系统的真空度就显得十分必要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置及方法。本发明装置采用在二维磁光阱腔室上及三维磁光阱腔室上分别配置离子泵、钛泵及激光器，并在二维磁光阱腔室上还配置了原子炉，在三维磁光阱腔室上还配置了高纯度气瓶、球面透镜、光电倍增管及数据采集卡；本发明方法通过采用上述装置，第一步，提取出原子损失率Γ；第二步，获得阱深修正的损失率系数K_loss；第三步，通过计算获得冷原子真空系统的真空压强P。本发明克服了电离真空计真空度测量精度低的问题，规避了电离真空计本身释放气体会对待测真空度造成的影响，本发明遵循冷原子本身的秉性，解决了超高或极高真空中精确量化真空度的问题，其测量范围不受背景气体数密度的影响，与传统的真空计量装置相比，具有测量精度更高，可测量真空压强更小，且不需要反复校准的优势。实现本发明目的的具体技术方案是：

一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置，其特点包括第一激光器、二维磁光阱腔室、原子炉、第一离子泵、第一钛泵、三维磁光阱腔室、第二激光器、第二钛泵、电离真空计、第二离子泵、进气微调阀、高纯度气瓶、球面透镜、光电倍增管及数据采集卡；

所述第一激光器与二维磁光阱腔室光路连接，原子炉与二维磁光阱腔室轨道连接，第一离子泵及第一钛泵分别与二维磁光阱腔室气路连接；

所述第二钛泵、第二离子泵及高纯度气瓶分别与三维磁光阱腔室气路连接；

所述第二激光器与三维磁光阱腔室光路连接；

所述光电倍增管及球面透镜与三维磁光阱腔室依次光路连接；

所述数据采集卡与光电倍增管数据线连接；

所述进气微调阀设于高纯度气瓶与三维磁光阱腔室之间；

所述电离真空计设于第二钛泵与三维磁光阱腔室之间；

所述二维磁光阱腔室与三维磁光阱腔室轨道连接。

一种采用上述传感装置实现精密测量冷原子真空系统压强的方法，其特点包括如下步骤：

2.1、提取原子损失率Γ：

2.1.1、启动第一离子泵及第一钛泵，使二维磁光阱腔室的真空处于稳定状态；启动原子炉，将原子炉中喷射的热原子束囚禁在二维磁光阱腔室中形成二维冷原子团；

2.1.2、启动第二离子泵及第二钛泵，使三维磁光阱腔室的真空处于稳定状态；

2.1.3、启动第一激光器发射激光束，将二维冷原子团冷却下来的原子从二维磁光阱腔室推送至三维磁光阱腔室中，采用标准的磁光俘获的方式将推送过来的原子囚禁于三维冷原子团，当三维磁光阱腔室中原子装载至稳态时，关闭二维磁光阱腔室的光场及第一激光器，并通过电离真空计记录三维磁光阱腔室中的压强；

2.1.4、将三维冷原子团发射的荧光通过球面透镜汇聚于焦点处，由光电倍增管收集原子数与时间的变化关系，并传输给数据采集卡，获得原子损失率Γ。

2.2、获得阱深修正的损失率系数K_loss：

2.2.1、执行上述2.1.3步骤；

2.2.2、关闭三维磁光阱光场并启动第二激光器发射激光束，对三维冷原子团进行加速，经过1-100us的加速过程之后，打开三维磁光阱腔室的光场，对低于最小逃逸速度的原子进行再俘获，根据原子损耗过程获取原子的最小逃逸速度v_e(一般为几十米每秒)，即获取磁光阱的势阱深度，由此对冷原子与背景气体的损失率系数进行阱深修正，得到阱深修正的损失率系数K_loss；

2.3、计算冷原子真空系统的真空压强P；

根据获得的原子损失率Γ及阱深修正的损失率系数K_loss，通过计算得出冷原子真空系统的真空压强P；

计算公式如：P＝Γ/K_loss k_B T；其中k_B为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度。

本发明采用上述装置及方法提取出原子损失率Γ，获得阱深修正的损失率系数K_loss；并通过计算公式P＝Γ/K_loss k_B T精确得到当前真空的压强。

计算过程如下：

相比于磁光阱中冷原子复杂的装载过程，装载完成之后的原子损耗过程变量更少，且更容易分析。在原子损耗过程中，原子数随时间的关系满足以下方程：

其中Γ为磁光阱中原子与背景气体碰撞的原子损失率，β为冷原子与冷原子之间非弹性碰撞带来的原子数损耗，N(t)为原子数随时间的变化，t为时间，令初始条件下的原子数为N₀，(1)式可解得：

测量结果结合上式拟合可以得到冷原子与背景气体的单体损失率Γ，损失率系数K_loss是与势阱阱深相关的函数，其表达式如下：

K_loss＝6.8(k_BT)^1/3(C₆/m_i)^1/3(Wm₀)^-1/6 (3)

式(3)中k_B是玻尔兹曼常数，T是环境开尔文温度，C₆为范德瓦尔斯系数，m_i为背景气体的质量，W为磁光阱深度，m₀为俘获的冷原子的质量。其中除了磁光阱的势阱深度以外，其余的参数都为固定的或确切可知的值，故对磁光阱的阱深进行精确的测量。

采用加速再俘获的方式，通过加速光加速原子团，测量冷原子获得动能之后再被磁光阱俘获的比例，其中原子获得的动能高于势阱深度的将逃逸出去。通过分析原子损耗过程，可以获得原子的最小逃逸速度，其表达式如下：

式中v_e为最小逃逸速度，v₀为原子团的初始速度展宽，ct为加速光作用的速度展宽，a为原子团的质心速度，v为速度包络的积分变量，通过拟合原子再俘获比例可以得到原子的最小逃逸速度v_e，此条件下的势阱深度为：

综上，只要测量出磁光阱势阱深度并推算出损失率系数以及冷原子在此阱深下的损失率，即可通过P＝Γ/K_loss k_B T精确得到当前真空的压强。

本发明的优点：

①与现有的真空计量方式及潜在的其他的冷原子真空计量方案相比，采用本发明装置精密测量冷原子真空系统压强的方法为全新的完全独立的测量方法，该方法不依赖电离真空计的测量，并且提供了精确测量磁光阱阱深的方案，大幅度提高了冷原子真空测量的精度，且在极高真空下有极佳的性能。

②本发明相比于磁阱、光阱等已有的冷原子测量真空系统，所需要的测量时间大幅度缩短，可以快速准确地测量真空。

③本发明有效解决了在超高/极高真空范围领域真空精准测量的难题，并且可以实现对被测量系统的无损测量，可以有效提高超高/极高真空测量的灵敏度。

本发明克服了电离真空计真空度测量精度不够高的问题，规避了电离真空计本身释放气体会对待测真空度造成的影响。本发明遵循冷原子本身的秉性，解决了超高或极高真空中精确量化真空度的问题，其测量范围不受限背景气体数密度的影响，与传统的真空计量装置相比，具有测量精度更高，可测量真空压强更小，且不需要反复校准的优势。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为冷原子数随时间衰减的坐标示意图；

图3为再俘获原子比例随加速光作用时间的坐标示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

实施例

参阅图1，本发明的一种精密测量冷原子真空系统压强的传感装置，它包括第一激光器1、二维磁光阱腔室2、原子炉4、第一离子泵5、第一钛泵6、三维磁光阱腔室7、第二激光器9、第二钛泵10、电离真空计11、第二离子泵12、进气微调阀13、高纯度气瓶14、球面透镜15、光电倍增管16及数据采集卡17；

所述第一激光器1与二维磁光阱腔室2光路连接，原子炉4与二维磁光阱腔室2轨道连接，第一离子泵5及第一钛泵6分别与二维磁光阱腔室2气路连接；

所述第二钛泵10、第二离子泵12及高纯度气瓶14分别与三维磁光阱腔室7气路连接；

所述第二激光器9与三维磁光阱腔室7光路连接；

所述光电倍增管16及球面透镜15与三维磁光阱腔室7依次光路连接；

所述数据采集卡17与光电倍增管16数据线连接；

所述进气微调阀13设于高纯度气瓶14与三维磁光阱腔室7之间；

所述电离真空计11设于第二钛泵10与三维磁光阱腔室7之间；

所述二维磁光阱腔室2与三维磁光阱腔室7轨道连接。

参阅图1，结合本发明装置实施精密测量冷原子真空系统压强的方法，其步骤如下：

1、提取出原子损失率Γ：

1.1、启动第一离子泵5及第一钛泵6，将二维磁光阱腔室2的真空度控制在10^-8Pa量级，并使二维磁光阱腔室2的真空处于稳定状态；加热原子炉4使其温度至340℃，通过标准的二维磁光囚禁的方式将原子炉4中喷射的热原子束囚禁在二维磁光阱腔室2中形成二维冷原子团3；

1.2、启动第二离子泵12及第二钛泵10，将三维磁光阱腔室7的真空控制在10^-9Pa量级，并使三维磁光阱腔室7的真空处于稳定状态；

1.3、启动第一激光器1发射激光束，将二维冷原子团3冷却下来的原子以50m/s的速度从二维磁光阱腔室2推送至三维磁光阱腔室7中，采用标准的磁光俘获的方式将推送过来的原子囚禁于三维磁光阱腔室7，可获得温度为2mK，原子数为10⁹的三维冷原子团8，当三维磁光阱腔室7中原子装载至稳态时，关闭二维磁光阱腔室2的光场及第一激光器1，并通过电离真空计11实时记录三维磁光阱腔室7中的压强；

1.4、切断原子补充之后，三维冷原子团8由于背景气体碰撞等原因开始发生损耗，三维冷原子团8发射的荧光通过球面透镜15汇聚于焦点处，并由光电倍增管16收集起来，传输给数据采集卡17，记录原子数与时间的变化关系，从而根据所述计算公式(1)获得原子损失率Γ。

2、获得阱深修正的损失率系数K_loss：

2.1、执行上述1.3步骤；

2.2、关闭三维磁光阱光场使原子处于自由展开状态，5us之后启动第二激光器9发射激光束，对三维冷原子团8进行加速，经过1-100us时间的加速过程之后，打开三维磁光阱腔室7的光场，对加速之后的原子进行再俘获，并记录再俘获比例与加速激光作用时间的关系，根据所述计算公式(4)分析原子损耗过程，获取原子的最小逃逸速度v_e，即获取磁光阱的势阱深度，根据所述计算公式(3)对冷原子与背景气体的损失率系数进行阱深修正，得到阱深修正的损失率系数K_loss；

3、计算冷原子真空系统的真空压强P；

根据获得的原子损失率Γ及阱深修正的损失率系数K_loss，通过计算得出冷原子真空系统的真空压强P。

计算公式如：P＝Γ/K_loss k_B T。

参阅图2，图2中纵坐标为光电倍增管收集荧光电压信号、横坐标为光电倍增管测量时间。由图2可见采用本发明的方法测量出冷原子在磁光阱中的原子数随时间衰减示意图，图中的黑色的数据点为实验上测量出来的荧光信号，黑色的线为根据所述计算公式(2)结合数据点进行的拟合。通过拟合可以求解得到所述计算公式(2)中的磁光阱中原子与背景气体碰撞带来的原子损失率Γ，冷原子与冷原子之间非弹性碰撞带来的原子数损耗β以及初始条件的原子数N₀。

参阅图3，图3中纵坐标为再俘获原子数归一化值、横坐标为加速光作用时间。图3是采用本发明所述的一种精密测量冷原子真空系统压强的方法精密测量磁光阱的势阱深度，图中黑色的数据点为实验测量冷原子受到加速之后再俘获原子比例，黑色的线条为根据所述计算公式(4)式进行的数据拟合，通过拟合可以获得此条件下冷原子的最小逃逸速率，即可精确得到磁光阱的阱深。根据所述计算公式(3)求出当前条件下的损失率系数，结合所述损失率的精确求解从而推算出系统的真空度。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种精密测量冷原子真空系统压强的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1.1、提取出原子损失率Γ：

1.1.1、启动第一离子泵及第一钛泵，使二维磁光阱腔室的真空处于稳定状态；启动原子炉，将原子炉中喷射的热原子束囚禁在二维磁光阱腔室中形成二维冷原子团；

1.1.2、启动第二离子泵及第二钛泵，使三维磁光阱腔室的真空处于稳定状态；

1.1.3、启动第一激光器发射激光束，将二维冷原子团冷却下来的原子从二维磁光阱腔室推送至三维磁光阱腔室中，采用标准的磁光俘获的方式将推送过来的原子囚禁成三维冷原子团，当三维磁光阱腔室中原子装载至稳态时，关闭二维磁光阱腔室的光场及第一激光器，并通过电离真空计记录三维磁光阱腔室中的压强；

1.1.4、将三维冷原子团发射的荧光通过球面透镜汇聚于焦点处，并由光电倍增管收集原子数与时间的变化关系，并传输给数据采集卡，获得原子损失率Γ；

1.2、获得阱深修正的损失率系数K_loss：

1.2.1、执行上述1.1.3步骤；

1.2.2、关闭三维磁光阱光场并启动第二激光器发射激光束，对三维冷原子团进行加速，经过1-100us的加速过程之后，打开三维磁光阱腔室的光场，对低于最小逃逸速度的原子进行再俘获，根据原子损耗过程获取原子的最小逃逸速度v_e，即获取磁光阱的势阱深度，由此对冷原子与背景气体的损失率系数进行阱深修正，得到阱深修正的损失率系数K_loss；其中，v_e为每秒几十米；

1.3、计算出冷原子真空系统的真空压强P；

根据获得的原子损失率Γ及阱深修正的损失率系数K_loss，通过计算得到冷原子真空系统的真空压强P：P＝Γ/K_loss k_B T，其中k_B为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度；

计算过程如下：

在原子损耗过程中，原子数随时间的关系满足以下方程：

其中Γ为磁光阱中原子与背景气体碰撞的原子损失率，β为冷原子与冷原子之间非弹性碰撞带来的原子数损耗，N(t)为原子数随时间的变化，t为时间，令初始条件下的原子数为N₀，(1)式解得：

测量结果结合上式拟合得到冷原子与背景气体的单体损失率Γ，损失率系数K_loss是与势阱阱深相关的函数，其表达式如下：

K_loss＝6.8(k_BT)^1/3(C₆/m_i)^1/3(Wm₀)^-1/6 (3)

式(3)中k_B是玻尔兹曼常数，T是环境开尔文温度，C₆为范德瓦尔斯系数，m_i为背景气体的质量，W为磁光阱深度，m₀为俘获的冷原子的质量；其中除了磁光阱的势阱深度以外，其余的参数都为固定的或确切可知的值，故对磁光阱的阱深进行精确的测量；

采用加速再俘获的方式，通过加速光加速原子团，测量冷原子获得动能之后再被磁光阱俘获的比例，其中原子获得的动能高于势阱深度的将逃逸出去；通过分析原子损耗过程，获得原子的最小逃逸速度，其表达式如下：

式中v_e为最小逃逸速度，v₀为原子团的初始速度展宽，ct为加速光作用的速度展宽，a为原子团的质心速度，v为速度包络的积分变量，通过拟合原子再俘获比例得到原子的最小逃逸速度v_e，此条件下的势阱深度为：

综上，只要测量出磁光阱势阱深度并推算出损失率系数以及冷原子在此阱深下的损失率，即通过P＝Γ/K_loss k_B T精确得到当前真空的压强；

实施所述方法的精密测量冷原子真空系统压强的传感装置，包括第一激光器(1)、二维磁光阱腔室(2)、原子炉(4)、第一离子泵(5)、第一钛泵(6)、三维磁光阱腔室(7)、第二激光器(9)、第二钛泵(10)、电离真空计(11)、第二离子泵(12)、进气微调阀(13)、高纯度气瓶(14)、球面透镜(15)、光电倍增管(16)及数据采集卡(17)；

所述第一激光器(1)与二维磁光阱腔室(2)光路连接，原子炉(4)与二维磁光阱腔室(2)轨道连接，第一离子泵(5)及第一钛泵(6)分别与二维磁光阱腔室(2)气路连接；

所述第二钛泵(10)、第二离子泵(12)及高纯度气瓶(14)分别与三维磁光阱腔室(7)气路连接；

所述第二激光器(9)与三维磁光阱腔室(7)光路连接；

所述光电倍增管(16)及球面透镜(15)与三维磁光阱腔室(7)依次光路连接；

所述数据采集卡(17)与光电倍增管(16)数据线连接；

所述进气微调阀(13)设于高纯度气瓶(14)与三维磁光阱腔室(7)之间；

所述电离真空计(11)设于第二钛泵(10)与三维磁光阱腔室(7)之间；

所述二维磁光阱腔室(2)与三维磁光阱腔室(7)轨道连接。

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