一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置及方法

技术领域

本发明涉及原子束预减速技术，具体是一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置及方法。

背景技术

在制备基态钠铯分子时，为了将钠原子和铯原子装载到磁光阱（MOT）中实现量子简并，需要利用原子束预减速装置将钠原子束和铯原子束进行预减速。在现有技术条件下，原子束预减速装置由两台塞曼减速器组成，其中一台塞曼减速器用于将钠原子束进行预减速，另一台塞曼减速器用于将铯原子束进行预减速。然而在实际应用中，现有原子束预减速装置由于自身结构所限，存在如下问题：其一，两台塞曼减速器会大量占用与之连接的真空腔的光学窗口，由此妨碍其它光学实验的正常进行。其二，两台塞曼减速器会导致制备系统的结构复杂化，由此导致制备系统的故障率高。基于此，有必要发明一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置及方法，以解决现有原子束预减速装置妨碍其它光学实验的正常进行、导致制备系统的故障率高的问题。

发明内容

本发明为了解决现有原子束预减速装置妨碍其它光学实验的正常进行、导致制备系统的故障率高的问题，提供了一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置，包括第一真空管、波纹管、第二真空管；

其中，第一真空管采用无磁不锈钢制成，其外径为2.5cm、长度为70cm；波纹管的内径为2cm、长度为7.5cm；第二真空管采用无磁不锈钢制成，其外径为2.5cm、长度为25cm；

第一真空管的左端固定连接有第一法兰接口；第一真空管的右端固定连接有第二法兰接口；波纹管的左端固定连接有第三法兰接口，且第三法兰接口与第二法兰接口同轴对接；波纹管的右端固定连接有第四法兰接口；第二真空管的左端固定连接有第五法兰接口，且第五法兰接口与第四法兰接口同轴对接；第二真空管的右端固定连接有第六法兰接口；

第一真空管的外侧面套设有第一螺线管组；

所述第一螺线管组包括由内向外依次层叠的十二层螺线管A；十二层螺线管A的左端面均齐平；第一层螺线管A的匝数为188匝；第二层螺线管A的匝数为178匝；第三层螺线管A的匝数为168匝；第四层螺线管A的匝数为156匝；第五层螺线管A的匝数为139匝；第六层螺线管A的匝数为126匝；第七层螺线管A的匝数为110匝；第八层螺线管A的匝数为90匝；第九层螺线管A的匝数为70匝；第十层螺线管A的匝数为50匝；第十一层螺线管A的匝数为32匝；第十二层螺线管A的匝数为17匝；

第二真空管的外侧面分别套设有第二螺线管组和第三螺线管组，且第三螺线管组位于第二螺线管组的右方；

所述第二螺线管组包括由内向外依次层叠的五层螺线管B；五层螺线管B的右端面均齐平；第一层螺线管B的匝数为33匝；第二层螺线管B的匝数为24匝；第三层螺线管B的匝数为15匝；第四层螺线管B的匝数为10匝；第五层螺线管B的匝数为7匝；

所述第三螺线管组包括由内向外依次层叠的五层螺线管C；五层螺线管C的左端面均齐平；第一层螺线管C的匝数、第二层螺线管C的匝数、第三层螺线管C的匝数、第四层螺线管C的匝数均为6匝；第五层螺线管C的匝数为4匝；

十二层螺线管A的绕制方向、五层螺线管B的绕制方向、五层螺线管C的绕制方向均一致；

十二层螺线管A的导线、五层螺线管B的导线、五层螺线管C的导线均采用宽度为0.3175cm、内径为0.155cm的正方形空心铜导线。

还包括第一控制电路、第二控制电路、第三控制电路；

所述第一控制电路包括第一直流电源、第一场效应管、第一霍尔电流传感器、第一PID控制器、第一PC机；

由十二层螺线管A首尾串接而成的串联支路一端与第一直流电源的正输出端连接，另一端与第一场效应管的漏极连接；第一场效应管的源极与第一直流电源的负输出端连接；第一霍尔电流传感器安装于第一场效应管的源极和第一直流电源的负输出端之间；第一PID控制器的第一输入端与第一PC机的输出端连接；第一PID控制器的第二输入端与第一霍尔电流传感器的输出端连接；第一PID控制器的输出端与第一场效应管的栅极连接；

所述第二控制电路包括第二直流电源、第二场效应管、第二霍尔电流传感器、第二PID控制器、第二PC机；

由五层螺线管B、第一层螺线管C、第二层螺线管C、第三层螺线管C首尾串接而成的串联支路一端与第二直流电源的正输出端连接，另一端与第二场效应管的漏极连接；第二场效应管的源极与第二直流电源的负输出端连接；第二霍尔电流传感器安装于第二场效应管的源极和第二直流电源的负输出端之间；第二PID控制器的第一输入端与第二PC机的输出端连接；第二PID控制器的第二输入端与第二霍尔电流传感器的输出端连接；第二PID控制器的输出端与第二场效应管的栅极连接；

所述第三控制电路包括第三直流电源、第三场效应管、第三霍尔电流传感器、第三PID控制器、第三PC机；

由第四层螺线管C、第五层螺线管C首尾串接而成的串联支路一端与第三直流电源的正输出端连接，另一端与第三场效应管的漏极连接；第三场效应管的源极与第三直流电源的负输出端连接；第三霍尔电流传感器安装于第三场效应管的源极和第三直流电源的负输出端之间；第三PID控制器的第一输入端与第三PC机的输出端连接；第三PID控制器的第二输入端与第三霍尔电流传感器的输出端连接；第三PID控制器的输出端与第三场效应管的栅极连接。

第一法兰接口、第二法兰接口、第三法兰接口、第四法兰接口、第五法兰接口、第六法兰接口均采用CF34法兰接口。

一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速方法（该方法是基于本发明所述的一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤一：将钠原子束进行预减速：

将第一法兰接口与钠原子源连接；将第六法兰接口与真空腔连接；将十二层螺线管A中的电流均设定为+19A；将五层螺线管B、第一层螺线管C、第二层螺线管C、第三层螺线管C中的电流均设定为-15A；将第四层螺线管C、第五层螺线管C中的电流均设定为+73A；然后，将钠原子源加热到260℃，来自钠原子源的钠原子束以900m/s的速度进入第一真空管；在十二层螺线管A、五层螺线管B、五层螺线管C共同产生的磁场作用下，钠原子束依次经第一真空管、波纹管、第二真空管进行减速、自旋翻转、减速后进入真空腔，而后装载到磁光阱中；

步骤二：将铯原子束进行预减速：

将第一法兰接口与钠原子源断开，并将第一法兰接口与铯原子源连接；将十二层螺线管A中的电流均设定为+2.5A；将五层螺线管B、第一层螺线管C、第二层螺线管C、第三层螺线管C中的电流均设定为-3A；将第四层螺线管C、第五层螺线管C中的电流均设定为+6A；然后，将铯原子源加热到65℃，来自铯原子源的铯原子束以216m/s的速度进入第一真空管；在十二层螺线管A、五层螺线管B、五层螺线管C共同产生的磁场作用下，铯原子束依次经第一真空管、波纹管、第二真空管进行减速、自旋翻转、减速后进入真空腔，而后装载到磁光阱中。

十二层螺线管A中的电流采用如下步骤进行设定：

第一PC机将设定值发送至第一PID控制器；第一霍尔电流传感器实时测量第一场效应管的源极电流，并将测量值实时发送至第一PID控制器；第一PID控制器将设定值和测量值进行比较，并根据比较结果调节第一场效应管的电阻值，使得测量值与设定值一致，由此使得十二层螺线管A中的电流达到设定值。

五层螺线管B、第一层螺线管C、第二层螺线管C、第三层螺线管C中的电流采用如下步骤进行设定：

第二PC机将设定值发送至第二PID控制器；第二霍尔电流传感器实时测量第二场效应管的源极电流，并将测量值实时发送至第二PID控制器；第二PID控制器将设定值和测量值进行比较，并根据比较结果调节第二场效应管的电阻值，使得测量值与设定值一致，由此使得五层螺线管B、第一层螺线管C、第二层螺线管C、第三层螺线管C中的电流达到设定值。

第四层螺线管C、第五层螺线管C中的电流采用如下步骤进行设定：

第三PC机将设定值发送至第三PID控制器；第三霍尔电流传感器实时测量第三场效应管的源极电流，并将测量值实时发送至第三PID控制器；第三PID控制器将设定值和测量值进行比较，并根据比较结果调节第三场效应管的电阻值，使得测量值与设定值一致，由此使得第四层螺线管C、第五层螺线管C中的电流达到设定值。

与现有原子束预减速装置相比，本发明所述的一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置及方法不再采用两台塞曼减速器将钠原子束和铯原子束进行预减速，而是基于全新的结构和原理，实现了在同一装置内将钠原子束和铯原子束进行预减速，由此具备了如下优点：其一，本发明只需少量占用与之连接的真空腔的光学窗口，由此有效保证了其它光学实验的正常进行。其二，本发明有效简化了制备系统的结构，由此有效降低了制备系统的故障率。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有原子束预减速装置妨碍其它光学实验的正常进行、导致制备系统的故障率高的问题，适用于基态钠铯分子制备。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中第一控制电路的结构示意图。

图3是本发明中第二控制电路的结构示意图。

图4是本发明中第三控制电路的结构示意图。

图中：1-第一真空管，2-波纹管，3-第二真空管，4-第一法兰接口，5-第二法兰接口，6-第三法兰接口，7-第四法兰接口，8-第五法兰接口，9-第六法兰接口，10-螺线管A，11-螺线管B，12-螺线管C，13-第一直流电源，14-第一场效应管，15-第一霍尔电流传感器，16-第一PID控制器，17-第一PC机，18-第二直流电源，19-第二场效应管，20-第二霍尔电流传感器，21-第二PID控制器，22-第二PC机，23-第三直流电源，24-第三场效应管，25-第三霍尔电流传感器，26-第三PID控制器，27-第三PC机。

具体实施方式

一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置，包括第一真空管1、波纹管2、第二真空管3；

其中，第一真空管1采用无磁不锈钢制成，其外径为2.5cm、长度为70cm；波纹管2的内径为2cm、长度为7.5cm；第二真空管3采用无磁不锈钢制成，其外径为2.5cm、长度为25cm；

第一真空管1的左端固定连接有第一法兰接口4；第一真空管1的右端固定连接有第二法兰接口5；波纹管2的左端固定连接有第三法兰接口6，且第三法兰接口6与第二法兰接口5同轴对接；波纹管2的右端固定连接有第四法兰接口7；第二真空管3的左端固定连接有第五法兰接口8，且第五法兰接口8与第四法兰接口7同轴对接；第二真空管3的右端固定连接有第六法兰接口9；

第一真空管1的外侧面套设有第一螺线管组；

所述第一螺线管组包括由内向外依次层叠的十二层螺线管A10；十二层螺线管A10的左端面均齐平；第一层螺线管A10的匝数为188匝；第二层螺线管A10的匝数为178匝；第三层螺线管A10的匝数为168匝；第四层螺线管A10的匝数为156匝；第五层螺线管A10的匝数为139匝；第六层螺线管A10的匝数为126匝；第七层螺线管A10的匝数为110匝；第八层螺线管A10的匝数为90匝；第九层螺线管A10的匝数为70匝；第十层螺线管A10的匝数为50匝；第十一层螺线管A10的匝数为32匝；第十二层螺线管A10的匝数为17匝；

第二真空管3的外侧面分别套设有第二螺线管组和第三螺线管组，且第三螺线管组位于第二螺线管组的右方；

所述第二螺线管组包括由内向外依次层叠的五层螺线管B11；五层螺线管B11的右端面均齐平；第一层螺线管B11的匝数为33匝；第二层螺线管B11的匝数为24匝；第三层螺线管B11的匝数为15匝；第四层螺线管B11的匝数为10匝；第五层螺线管B11的匝数为7匝；

所述第三螺线管组包括由内向外依次层叠的五层螺线管C12；五层螺线管C12的左端面均齐平；第一层螺线管C12的匝数、第二层螺线管C12的匝数、第三层螺线管C12的匝数、第四层螺线管C12的匝数均为6匝；第五层螺线管C12的匝数为4匝；

十二层螺线管A10的绕制方向、五层螺线管B11的绕制方向、五层螺线管C12的绕制方向均一致；

十二层螺线管A10的导线、五层螺线管B11的导线、五层螺线管C12的导线均采用宽度为0.3175cm、内径为0.155cm的正方形空心铜导线。

还包括第一控制电路、第二控制电路、第三控制电路；

所述第一控制电路包括第一直流电源13、第一场效应管14、第一霍尔电流传感器15、第一PID控制器16、第一PC机17；

由十二层螺线管A10首尾串接而成的串联支路一端与第一直流电源13的正输出端连接，另一端与第一场效应管14的漏极连接；第一场效应管14的源极与第一直流电源13的负输出端连接；第一霍尔电流传感器15安装于第一场效应管14的源极和第一直流电源13的负输出端之间；第一PID控制器16的第一输入端与第一PC机17的输出端连接；第一PID控制器16的第二输入端与第一霍尔电流传感器15的输出端连接；第一PID控制器16的输出端与第一场效应管14的栅极连接；

所述第二控制电路包括第二直流电源18、第二场效应管19、第二霍尔电流传感器20、第二PID控制器21、第二PC机22；

由五层螺线管B11、第一层螺线管C12、第二层螺线管C12、第三层螺线管C12首尾串接而成的串联支路一端与第二直流电源18的正输出端连接，另一端与第二场效应管19的漏极连接；第二场效应管19的源极与第二直流电源18的负输出端连接；第二霍尔电流传感器20安装于第二场效应管19的源极和第二直流电源18的负输出端之间；第二PID控制器21的第一输入端与第二PC机22的输出端连接；第二PID控制器21的第二输入端与第二霍尔电流传感器20的输出端连接；第二PID控制器21的输出端与第二场效应管19的栅极连接；

所述第三控制电路包括第三直流电源23、第三场效应管24、第三霍尔电流传感器25、第三PID控制器26、第三PC机27；

由第四层螺线管C12、第五层螺线管C12首尾串接而成的串联支路一端与第三直流电源23的正输出端连接，另一端与第三场效应管24的漏极连接；第三场效应管24的源极与第三直流电源23的负输出端连接；第三霍尔电流传感器25安装于第三场效应管24的源极和第三直流电源23的负输出端之间；第三PID控制器26的第一输入端与第三PC机27的输出端连接；第三PID控制器26的第二输入端与第三霍尔电流传感器25的输出端连接；第三PID控制器26的输出端与第三场效应管24的栅极连接。

第一法兰接口4、第二法兰接口5、第三法兰接口6、第四法兰接口7、第五法兰接口8、第六法兰接口9均采用CF34法兰接口。

一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速方法（该方法是基于本发明所述的一种专用于基态钠铯分子制备的原子束预减速装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤一：将钠原子束进行预减速：

将第一法兰接口4与钠原子源连接；将第六法兰接口9与真空腔连接；将十二层螺线管A10中的电流均设定为+19A；将五层螺线管B11、第一层螺线管C12、第二层螺线管C12、第三层螺线管C12中的电流均设定为-15A；将第四层螺线管C12、第五层螺线管C12中的电流均设定为+73A；然后，将钠原子源加热到260℃，来自钠原子源的钠原子束以900m/s的速度进入第一真空管1；在十二层螺线管A10、五层螺线管B11、五层螺线管C12共同产生的磁场作用下，钠原子束依次经第一真空管1、波纹管2、第二真空管3进行减速、自旋翻转、减速后进入真空腔，而后装载到磁光阱中；

步骤二：将铯原子束进行预减速：

将第一法兰接口4与钠原子源断开，并将第一法兰接口4与铯原子源连接；将十二层螺线管A10中的电流均设定为+2.5A；将五层螺线管B11、第一层螺线管C12、第二层螺线管C12、第三层螺线管C12中的电流均设定为-3A；将第四层螺线管C12、第五层螺线管C12中的电流均设定为+6A；然后，将铯原子源加热到65℃，来自铯原子源的铯原子束以216m/s的速度进入第一真空管1；在十二层螺线管A10、五层螺线管B11、五层螺线管C12共同产生的磁场作用下，铯原子束依次经第一真空管1、波纹管2、第二真空管3进行减速、自旋翻转、减速后进入真空腔，而后装载到磁光阱中。

十二层螺线管A10中的电流采用如下步骤进行设定：

第一PC机17将设定值发送至第一PID控制器16；第一霍尔电流传感器15实时测量第一场效应管14的源极电流，并将测量值实时发送至第一PID控制器16；第一PID控制器16将设定值和测量值进行比较，并根据比较结果调节第一场效应管14的电阻值，使得测量值与设定值一致，由此使得十二层螺线管A10中的电流达到设定值。

五层螺线管B11、第一层螺线管C12、第二层螺线管C12、第三层螺线管C12中的电流采用如下步骤进行设定：

第二PC机22将设定值发送至第二PID控制器21；第二霍尔电流传感器20实时测量第二场效应管19的源极电流，并将测量值实时发送至第二PID控制器21；第二PID控制器21将设定值和测量值进行比较，并根据比较结果调节第二场效应管19的电阻值，使得测量值与设定值一致，由此使得五层螺线管B11、第一层螺线管C12、第二层螺线管C12、第三层螺线管C12中的电流达到设定值。

第四层螺线管C12、第五层螺线管C12中的电流采用如下步骤进行设定：

第三PC机27将设定值发送至第三PID控制器26；第三霍尔电流传感器25实时测量第三场效应管24的源极电流，并将测量值实时发送至第三PID控制器26；第三PID控制器26将设定值和测量值进行比较，并根据比较结果调节第三场效应管24的电阻值，使得测量值与设定值一致，由此使得第四层螺线管C12、第五层螺线管C12中的电流达到设定值。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。