冷原子超高真空混合气体分压力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及真空测量技术领域，具体涉及一种冷原子超高真空混合气体分压力测量装置及方法。

背景技术

分压力测量是指全面确定混合气体中的气体成分组成及各成分的分压力。随着近代真空测量技术的快速发展，分压力测量的重要性越来越突出。首先，在超高/极高真空测量真空度时，通常采用空气或者N

目前，分压力真空计大多是电离型的，质谱分析作为分压力测量的主要手段广泛应用在科研和工业生产中。其原理为在高能电子流的作用下将气体离子化，根据离子的不同质荷比在电磁场中实现空间或时间上的分离，通过测量离子谱峰的强度确定系统中气体成分及占比。但传统质谱计具有以下缺陷：

1)质谱计大多属于电离类型，凡依据电离技术的计量仪器都会受到最佳电离机率、离子质量歧视、收集极软X射线、质谱分辨率等影响而引入测量不确定度；

2)在分压力定量分析计算时一般需要依据N

3)利用质谱计仅能确定出混合气体不同气体成分的比例，而具体分压力值还需要配备全压力真空计精确测量后计算得出。然而，不同的真空计又会引入额外不同程度的不确定度，如在超高(10

4)最为关键的是，质谱计分压力测量的基本假设之一，质荷比相同的离子之间独立不互相干扰，同一质荷比的离子流可线性叠加。但这一基本假设在真空度偏大时往往不成立。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种冷原子超高真空混合气体分压力测量装置及方法，依据冷原子与中性粒子的速度热平均碰撞截面仅与势阱深度和中性粒子种类有关这一特性，通过研究不同势阱深度的冷原子在混合气体不同粒子碰撞下的总损失率变化，可以确定混合气体粒子种类及其分压力。该方法能有效避开传统质谱计的缺陷，并具有更好的准确度、稳定性以及在不同时间、空间可复现的优势。

本发明的基于冷原子技术测量超高真空混合气体分压力的装置，包括冷原子单元和真空系统单元；其中，冷原子单元包括顺次连接的碱金属原子源、永磁体2D-MOT、差分管和3D-MOT；3D-MOT中设置不同的阱深，阱深设定个数大于待测混合气体中的气体种类数；

真空系统单元包括抽气系统和稳压室，其中，稳压室与3D-MOT连接，用于向3D-MOT中引入待测混合气体；抽气系统用于将3D-MOT和稳压室抽至极高真空。

较优的，碱金属原子源产生Li、Rb、Cs或其他碱金属原子。

较优的，阱深之间相互性低。

较优的，抽气系统包括非蒸散型吸气剂泵、第一分子泵、第二分子泵、干泵和电离计；其中，非蒸散型吸气剂泵通过第一阀门与3D-MOT连接；干泵和第二分子泵依次连接后，通过第三阀门接第一分子泵，再通过第二阀门与3D-MOT连接；电离计用于监测3D-MOT内压力是否稳定；稳压室通过第四阀门与3D-MOT连接；待测混合气体通过第五阀门通入稳压室。

本发明还提供了采上述装置的测量方法，包括：

步骤1，开启抽气系统，对3D-MOT(4)、稳压室(14)抽至极高真空；

步骤2，将待测气体通入稳压室(14)，压力稳定后，通入3D-MOT；

步骤3，加热碱金属原子源(1)生成热原子束，热原子束经永磁体2D-MOT准直与预冷却后，经差分管(3)转移至3D-MOT(4)中并被陷俘为冷原子团；

步骤4，测量冷原子在当前3D-MOT阱深条件的损失率Γ(U)；

改变3D-MOT阱深，重复步骤3～4，测量冷原子在不同3D-MOT阱深U

步骤5，构建多变量线性回归方程组

步骤6，根据步骤5求解的各气体粒子的密度，基于理想气体状态方程，得到待检测混合气体中各成分气体的分压力。

较优的，所述步骤4中，还包括：构建MT，将3D-MOT陷俘的冷原子团转移至MT中并冷却陷俘；通过改变MT阱深，测量冷原子在不同MT阱深条件的损失率Γ(U)；其中，3D-MOT阱深和MT阱深的个数和大于待测混合气体中的气体种类数；

利用冷原子在不同3D-MOT阱深条件的损失率以及在不同MT阱深条件的损失率组合，构建多变量线性回归方程组。

较优的，采用3D-MOT深势阱和MT浅势阱的组合方式。

较优的，3D-MOT阱深个数大于MT阱深个数。

较优的，抽气系统包括非蒸散型吸气剂泵、第一分子泵、第二分子泵、干泵和电离计；其中，非蒸散型吸气剂泵通过第一阀门与3D-MOT连接；干泵和第二分子泵依次连接后，通过第三阀门接第一分子泵，再通过第二阀门与3D-MOT连接；电离计用于监测3D-MOT内压力是否稳定；稳压室通过第四阀门与3D-MOT连接；待测混合气体通过第五阀门通入稳压室；

所述步骤1中，关闭第五阀门，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门，依次开启干泵、第一分子泵、第二分子泵对3D-MOT和稳压室持续抽气；并对3D-MOT、稳压室、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门进行烘烤除气；同时控制非蒸散型吸气剂泵启动激活程序进行高温烘烤并保温一定时间后完成激活，关闭第二阀门；对3D-MOT、稳压室、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门连续烘烤保温，而后进行降温，待降温至室温后停止烘烤；然后，打开第二阀门，利用激活的非蒸散型吸气剂泵将3D-MOT和稳压室抽至极高真空10

有益效果：

(1)本发明方法是依据中性粒子和冷原子的碰撞理论，不依赖于电离技术，避免了电离过程以及离子收集过程中各种效应引入的测量不确定度。多变量线性回归方程组中的系数<σ

(2)本发明采用3D-MOT势阱和MT势阱配合的方案，即深浅势阱结合的方案，可以获得更大范围的阱深条件，从而提高混合气体分压力的测量精度。

附图说明

图1为本发明基于冷原子技术测量超高真空混合气体分压力的装置结构示意图。

其中，1—碱金属原子源、2—永磁体2D-MOT、3—差分管、4—3D-MOT、5—电离真空计、6—第一阀门、7—非蒸散型吸气剂泵、8—第二阀门、9—第一分子泵、10—第三阀门、11—第二分子泵、12—干泵、13—第四阀门、14—超高真空稳压室、15—第五阀门。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种冷原子超高真空混合气体分压力测量装置及方法，依据势阱中陷俘的冷原子因背景气体粒子碰撞引起的规律性衰减能反演出气体粒子密度的理论，以及不同气体粒子与冷原子的速度热平均碰撞截面随势阱深度具有确定且独立变化趋势的特性，提出构建不同阱深条件下总碰撞损失率关于混合气体分密度的多变量线性回归方程组，来分析不同阱深条件下冷原子团总损失率的变化，从而分离出混合气体中各成分的种类和密度，确定出每种成分的分压力。本发明方法避免了传统质谱计在电离过程带来诸多效应而引起测量不确定度，且基于冷原子的基本物理特性，具有无需校准、对测量环境无扰动、准确度高、不同时间不同地点可复现等独特优势。

如图1所示，本发明的基于冷原子技术的超高真空混合气体分压力测量装置主要由冷原子单元和真空系统单元两部分组成。

冷原子单元主要作用是装载冷原子，在不同阱深条件下监测冷原子的损失，主要结构有顺次连接的碱金属原子源1、永磁体二维磁光阱(2D-MOT)2、差分管3和三维磁光阱(3D-MOT)4。其中，碱金属原子源1用于产生冷原子，所述冷原子一般可采用Li原子、Rb原子、Cs原子等；较优的，适宜的原子出射通道设计可有效减小杂散气体对待测环境的影响。永磁体2D-MOT 2的真空度一般为10

真空系统单元的主要作用为将3D-MOT腔体背景气体压力抽至极高真空以下(10

本装置测量混合气体分压力的原理如下所述：

势阱中所陷俘的冷原子与混合气体各成分中性粒子碰撞而引起损失，通过测定阱内冷原子的损失规律可以反演出各成分粒子的密度。结合道尔顿分压定律

其中，i代表混合气体中的粒子种类，U为势阱的阱深，[Γ

其中，κ、ζ都是固定系数，κ＝12.88，ζ＝0.3755；m

因此，同一碰撞体系在固定阱深U的条件下具有确定的<σ

根据上述理论，在基于冷原子技术的混合气体分压力测量定量分析中，可构建修正为如下多变量线性回归方程，

式中，U

因此，只需测定不同阱深条件下的总损失率Γ(U)，便可得出混合气体的成分种类及分压力。

基于上述测量装置的测量方法如下：

步骤1，对3D-MOT腔体、超高真空稳压室抽真空至10

关闭第五阀门15，打开第一阀门6、第二阀门8、第三阀门10、第四阀门13，依次开启干泵12、第一分子泵9、第二分子泵11对3D-MOT腔体4和超高真空稳压室14持续抽气；并且对3D-MOT腔体4、超高真空稳压室14、第一阀门6、第二阀门8、第三阀门10、第四阀门13进行烘烤除气；同时控制非蒸散型吸气剂泵7启动激活程序进行高温烘烤并保温一定时间后完成激活，关闭第二阀门8；对3D-MOT腔体4、超高真空稳压室14、第一阀门6、第二阀门8、第三阀门10、第四阀门13连续烘烤保温，而后以特定降温速率进行降温，待降温至室温后停止烘烤；然后，打开第二阀门8，利用激活的非蒸散型吸气剂泵7将3D-MOT腔体4和超高真空稳压室14抽至极高真空10

步骤2，将待测气体通入3D-MOT腔体：

关闭第四阀门13，打开第五阀门15，将待测的混合气体通入超高真空稳压室14，待至压力稳定后，依次关闭第五阀门15、第一阀门6、第二阀门8，打开第四阀门13将待测气体通入3D-MOT腔体4中，并用电离真空计5监测3D-MOT腔体4内压力稳定达到平衡后，关闭第四阀门13；

步骤3、将冷原子装载至3D-MOT：

加热碱金属原子源1生成热原子束，在永磁体2D-MOT 2中进行准直与预冷却，预冷后的原子束在推送光束的作用下经过差分管3转移至3D-MOT 4中并被陷俘为冷原子团，完成3D-MOT 4的装载后关闭碱金属原子源1；

步骤4、获取不同MOT阱深条件的损失率Γ(U)：

测量出MOT的势阱深度，并利用荧光技术记录冷原子团内原子数目随时间呈指数型衰减的曲线，同时求出相应的损失率；调节MOT激光强度、失谐量和磁场梯度，改变MOT阱深，重复步骤3、步骤4，循环数次，记录好不同阱深条件下的损失率Γ(U)；

步骤5、利用多变量线性回归方程组求解混合气体中的成分种类及分压力：

基于不同阱深条件U

为简便运算将公式(3)写成矩阵形式，展开如下：

为保证该方程组有解，需要j≥i，即测量次数(所选取阱深的总数)j不小于混合气体成分数i；并且每组阱深条件(如U

通过求解方程(4)，即可得到待测混合气体中各类气体粒子的密度n

步骤6，根据步骤5求解的各气体粒子的密度，基于理想气体状态方程P＝nk

为了获得更大范围的阱深条件，所述步骤4中，采用MOT阱深和MT阱深组合的方式，即还包括步骤41和步骤42：

步骤41、构建MT，将MOT陷俘的冷原子转移至MT中并冷却陷俘：

在步骤3完成冷原子在MOT中装载的基础上，调谐激光频率，将装载入MOT的冷原子团内原子态全部转移为单一的磁阱束缚态；熄灭抽运光的同时增加磁场梯度建立磁阱；

步骤42、获取MT阱深条件的损失率Γ(U)：

设定MT势阱深度，冷原子在MT中自由碰撞演化一定时间后，再打开MOT计数剩余冷原子数目，得到原子衰减曲线N(t)＝N

基于不同MT阱深条件的损失率Γ(U)和不同3D-MOT阱深条件的损失率Γ(U)的组合，带入方程(4)中进行求解。

为了使测量过程所选阱深条件范围足够大，在势阱的选择上采用深势阱(磁光阱)和浅势阱(磁阱或光学偶极阱)配合的方案，深、浅势阱间可以通过调节磁光阱设备参数而相互转换；但是，在MT中提取不同阱深条件的冷原子损失率的操作程序较在MOT的复杂，且MT阱深可调节范围较小，因此在MOT中构建的方程个数多于在MT中的；此外，还可以在深、浅势阱中共同选取几组阱深条件进行实验；也可以分别在各自的势阱中实验，之后再相互验证，以此提高测量准确度。

实施例1

首先，利用烘烤及抽气系统将3D-MOT腔体、超高真空稳压室抽真空至10

求解该方程的极小范数最小二乘解，得到混合气体中He、Ar和N

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。