利用补偿线圈提高塞曼减速器效率的理论及实验研究

研究了用于锶原子光晶格光钟原子冷却的塞曼减速器,应用增添补偿线圈的方法可以延长减速器的有效减速距离和增大减速器末端的磁场梯度,进而增加一级冷却俘获锶原子的数目,理论分析采用该方法实现的塞曼减速器较使用单一线圈塞曼减速器可以增加31.17%的俘获原子数目;飞行时间法测量了减速前后原子束中原子的速度分布,原子的最可几速度由380m/s降为43m/s,分布线宽相应变窄。荧光法测量俘获原子数目表明在相同实验条件下,应用补偿线圈后磁光阱俘获原子数目从1.26×106提高到1.81×106,增加30.4%。

^(87)Sr原子束的塞曼减速器磁场的研究

应用塞曼效应和多普勒冷却的理论,结合实验条件计算了87Sr原子束塞曼减速器的磁场。数值模拟给出了磁场线圈的层数、圈数、供电电流和其他参数,并据此制作了纺锤状线圈。测量结果表明,研制的纺锤状线圈的轴向磁场满足87Sr光晶格钟实验的要求。

用于锶原子光钟永磁体塞曼减速器设计

研究用于锶原子光钟的永磁体塞曼减速器,根据实验条件计算88Sr原子束塞曼减速器的磁场分布,将起始速度为410 m/s的锶原子减速至50 m/s,经过横向磁场的原子通量为7.9×105。基于永磁体制作的塞曼减速器,可靠性高、体积小、重量轻,磁场分布可调,而且无需高电流和水冷装置,实现了永磁体塞曼减速器的小型化。

一种用于氪原子的环形永磁体塞曼减速器

基于激光冷却与囚禁原理的原子阱痕量分析技术,可以对氪的放射性同位素进行高灵敏度检测,在地球物理与环境科学领域具有广泛应用。塞曼减速器可用于产生连续低速的原子束流,是原子阱痕量分析系统中的关键部件之一。采用永磁体设计的塞曼减速器组装和调试方便,磁场强度稳定,且不需要恒流电源和冷却装置,因此获得了越来越多的关注和研究。文中基于环形永磁体设计了一种用于氪原子的塞曼减速器,通过有限元分析得到了减速器磁场的空间分布,根据设计参数制造了环形永磁体塞曼减速器,测量了轴线上的磁场分布。减速器长度51.2 cm,有效减速区域长度46.9 cm,实测磁场与理论减速磁场最大偏差小于3.6 G,平均偏差1.3 G。进一步模拟了原子束流在设计磁场和实测磁场下的减速过程,并分析了磁场的径向变化对于原子束流减速的影响规律,结果表明:当原子束流直径小于20 mm时,该塞曼减速器可将初速度最大为250 m/s的氪原子减速至50 m/s。

基于多普勒测速法的永磁体塞曼减速器研究

为实现锶原子光钟的空间应用,采用永磁体塞曼减速器,可有效规避塔状线圈造成的高功耗和体积占比大的问题,利于光钟的空间化发展。基于永磁体构建锶光钟的环状和柱状塞曼减速器,在减速原理、磁场构建和样品研制方面各有优劣,利用多普勒测速法可对两种减速器的减速效率进行测量,可将两种减速器的减速分布曲线累计分布后对比。实验结果表明:两种永磁体塞曼减速器都达到一定减速效果,但环状永磁体塞曼减速器在体积和减速效果上,相较单x方向的柱状永磁体塞曼减速器,体积减少了60%,重量减少了80%,减速效果部分区域效率高一倍,因此优势更为显著。进一步采用环状永磁体塞曼减速器俘获锶原子的三种同位素,完成了小型化锶原子光钟的一级俘获,满足零功耗、体积小的紧凑化光钟设计需求。

锶原子光晶格钟塞曼减速器的设计与实现

介绍了一种以电脑程序模拟计算线圈分布的方法,以精确匹配作为锶原子光晶格钟中作为冷却装置的塞曼减速器的理论塞曼磁场。说明了优化设计程序的算法结构及基本流程,并对实验中的实际塞曼磁场和锶原子光晶格钟磁光阱信号进行测量。这种设计方法完全基于电脑程序的模拟运算,可以根据实际情况改变物理参数和磁场模型,并迅速有效地计算出与之匹配的线圈分布。计算磁场相对于理论磁场的均方根(RMS)达到2.17×10^(-4)T,实现了较高的磁场匹配度。

利用塞曼扫频法实现对减速锶原子束速度分布的直接测量

应用塞曼扫频的方法对减速前后锶原子束的速度分布进行了测量,减速前锶原子束的最可几速度为420m/s,减速后锶原子束的最可几速度为60m/s,速度分布线宽相应压窄.塞曼扫频法实验装置简单,操作方便,原子束的速度分布源自对原子束荧光的直接观测,测量精度较高.

用于原子干涉仪实验的锂原子的塞曼减速与磁光囚禁

为了制备适于原子干涉仪实验的低温锂原子样品,开展了锂原子的塞曼减速及与磁光阱囚禁相关的实验研究.设计并实现了一种结构紧凑的腔体内冷式多级线圈叠加的塞曼减速器,将速度小于600 m/s的7Li原子减速到60 m/s,磁光阱装载速率为5×108/s,囚禁原子数目1×109个,原子团的最低温度约为220±30μK.研究了光学黏胶中7Li原子的寿命与囚禁光频率失谐量的关系.这些结果为进一步开展7Li原子亚多普勒冷却、光势阱蒸发冷却以及原子干涉仪实验奠定了基础.

射频放电方法产生亚稳态氪原子束流技术研究

基于激光冷却与囚禁原理的原子阱痕量检测方法,可以对氪的长寿命低丰度放射性同位素进行高灵敏度检测,在地球物理与环境科学领域具有广泛应用。亚稳态氪原子束流主要采用射频气体放电方法产生,是原子阱痕量检测方法的关键技术之一。搭建了亚稳态氪原子束流系统,测量了不同放电参数下的亚稳态氪原子束流强度,研究了射频频率、射频功率和放电腔气压对于亚稳态氪原子束流强度的影响规律。研究结果表明,该束流系统中最佳射频频率为233MHz,射频饱和功率为36W,最优气压为7×10^(-3)Pa,对应亚稳态氪原子束流强度为1.58×10^(14)s^(-1)sr^(-1)。

利用Doppler测速法实现小发散角锶原子速度分布的测量

锶光钟小型化系统中,利用Doppler测速法对小发散角锶原子的速度分布进行了测量。从锶炉喷出原子束的最可几速率为440 m/s,经过永磁体塞曼减速器减速后原子的速度最低可降低至80 m/s。验证了在原子行进过程中设置的减速磁场即永磁体塞曼减速器,能够对原子进行有效减速,进而提高俘获冷原子的数目。实验中采用的Doppler测速法装置简单,易于操作,可直接探测原子束的速度分布曲线。