專利名稱：一種可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對原子或分子的不同磁量子態(tài)進行選擇和分離的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氫原子由一個原子核(質(zhì)子)和一個核外電子組成。當氫原子處于基態(tài)時，電子占據(jù)最內(nèi)層軌道，具有自旋量子數(shù)為1/2，而質(zhì)子也具有自旋，量子數(shù)也為1/2。由于質(zhì)子和電子的磁相互作用，電子占據(jù)的內(nèi)層軌道劈裂為兩個超精細能級。這兩個能級的劈裂程度非常小，在無外部磁場和電磁作用下，其超精細轉(zhuǎn)變頻率為I. 42GHz，且非常穩(wěn)定，電子幾乎在這兩個超精細能級上平均分布。為了把電子占據(jù)不同能級軌道的氫原子分離開來，可以利用Zeeman效應(yīng)，即給氫原子施加外磁場，使其能級進一布分裂，形成氫原子的四個超精細磁能級，即氫原子的四個量子態(tài)。在外部梯度磁場的作用下，氫原子的運動軌跡會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而當電子占據(jù)不同量子軌道時，其原子運動軌跡會由于受磁力作用方向的不同而有所差異，基于該原理就可以實現(xiàn)原子的量子態(tài)選態(tài)分離。量子選態(tài)系統(tǒng)對原子頻標和加速器的增益產(chǎn)生決定性影響。以氫原子頻標為例， 高效的氫原子量子選態(tài)系統(tǒng)可以增加躍遷，降低電子自旋交換，減小原子的退相干和馳豫率，直接決定著頻標的穩(wěn)定度和準確度。為了實現(xiàn)原子或分子的選態(tài)，美國人Peters發(fā)明了一種磁選態(tài)器(US4381490, Magnetic state selector, 1981),可以通過微調(diào)磁尖間距離，達到需要的選態(tài)尺寸。在當時機械加工精度不是很高的情況下，該方法可以較好地解決磁選態(tài)器的結(jié)構(gòu)不對稱問題， 但該方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，每次調(diào)節(jié)都需要重新束流對準和高真空制備，費時費力，且這些操作可能導(dǎo)致前后狀態(tài)發(fā)生變化，達不到預(yù)期的效果。當今，機械制造技術(shù)高度發(fā)展，磁選態(tài)器的加工精度完全可以保證，不再需要繁瑣的調(diào)節(jié)。為了提高原子的磁選態(tài)效率，美國的Smithsonian發(fā)明了單選態(tài)系統(tǒng) (E. M. Mattison, et al. , Single-state selection system for hydrogen masers,40th Annual Frequency Control Symposium, P422,1986);法國研究人員研制了雙聚焦選態(tài)系統(tǒng)(CLAUDE AUDOIN et al. , Design of a Double Focalization in a Hydrogen Maser, IEEE Transactions on IM 17，1968，P351);日本無線電研究實驗室的研究人員設(shè)計了螺線管線圈選態(tài)系統(tǒng)(SHINJI URABE et al. , Improvement in a Hydrogen Maser by a New State Selection, IEEE Transactions on IM 33,1984, P117)。這些選態(tài)系統(tǒng)可適當提高量子選擇效率，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，使用不便，在實際工程中很難推廣應(yīng)用。目前，非常需要一種不需要破壞真空、不需要重新準直、量子選態(tài)效率高的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)。本發(fā)明提供的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)包括磁透鏡、波紋管、調(diào)節(jié)螺桿、準直器、原子源、真空管接口、原子檢測系統(tǒng)、限流管、第一支撐件和第二支撐件。所述波紋管兩端分別與所述第一支撐件和所述第二支撐件焊接固定，所述波紋管、所述第一支撐件和所述第二支撐件構(gòu)成密閉的真空腔室，所述真空腔室內(nèi)設(shè)有所述磁透鏡，所述磁透鏡的一端固定在所述第二支撐件上，其另一端為自由端，環(huán)繞所述波紋管的外側(cè)設(shè)有至少三個所述調(diào)節(jié)螺桿，所述調(diào)節(jié)螺桿的兩端分別與所述第一支撐件和所述第二支撐件連接，所述準直器置于所述原子源與所述磁透鏡之間，所述第一支撐件中心設(shè)有所述限流管，所述限流管分別與所述真空腔室和所述原子檢測系統(tǒng)相連通，所述限流管的中心、所述磁透鏡的中心和所述準直器的中心與所述原子源的出口在一條直線上，所述第二支撐件上設(shè)有所述真空管接口。優(yōu)選地，所述磁透鏡為圓筒形，所述磁透鏡包括四個或六個相同的永磁體、與永磁體數(shù)目相同的針形軟磁體、和由無磁材料制成的圓筒，所述永磁體和所述軟磁體固定在所述圓筒內(nèi)，所述四個或六個永磁體首尾相接構(gòu)成一個方形空腔，且每一個所述永磁體的S 極或N極與相鄰的所述永磁體的同名磁極相接，與所述永磁體數(shù)目相同的所述軟磁體均勻分布，其尖端朝向所述圓筒的中心且兩兩相對，兩個正對的所述軟磁體的尖端的磁極相同。優(yōu)選地，正對的兩個所述軟磁體的尖端之間的距離為O. 9-1. 5mm，其尖端的表面磁場大于或等于I特斯拉。優(yōu)選地，所述磁透鏡的總長度為55_69mm。優(yōu)選地，所述永磁體的材質(zhì)為鐵氧體、Nd2Fe14B, AlNiCo或Sm2Co17。優(yōu)選地，所述軟磁體的材質(zhì)為鐵、FeCo合金或FeNi合金。優(yōu)選地，所述圓筒的材質(zhì)為無磁不銹鋼、鈦、銅、鋁、塑料、鈦合金或鋁合金。優(yōu)選地，通過所述調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)所述波紋管的長度，所述波紋管在無外力作用時的自然長度為120mm，所述波紋管的長度的可調(diào)范圍為±15mm。優(yōu)選地，所述準直器為光纖多孔準直器或玻璃準直器。優(yōu)選地，所述準直器的孔數(shù)大于或等于200，其每個孔的長度與其直徑之比為 10-20，其有孔區(qū)域的面積小于或等于4mm2本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明提供的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)不需要破壞真空，也不需要重新準直，量子選態(tài)效率高，使用方便，可以在實驗和工程上達到很好的效果。應(yīng)用所述系統(tǒng)能夠?qū)湓拥牧孔舆x態(tài)效率提高20%。


圖I為本發(fā)明提供的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)的剖面示意圖；圖2為本發(fā)明提供的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)的磁透鏡的剖面示意圖；圖3為原子的躍遷增益與其在自由飛行區(qū)的運動長度的關(guān)系曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容作進一步的描述。
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如圖I所示，本發(fā)明提供的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)包括磁透鏡I、波紋管2、調(diào)節(jié)螺桿
3、準直器4、原子源5、真空管接口 6、原子檢測系統(tǒng)7、限流管8、第一支撐件9和第二支撐件 10。所述波紋管2兩端分別與所述第一支撐件9和所述第二支撐件10焊接固定，所述波紋管2、所述第一支撐件9和所述第二支撐件10構(gòu)成密閉的真空腔室。所述真空腔室內(nèi)設(shè)有所述磁透鏡1，所述磁透鏡I的一端固定在所述第二支撐件10上，其另一端為自由端。 環(huán)繞所述波紋管2的外側(cè)設(shè)有至少三個所述調(diào)節(jié)螺桿3，所述調(diào)節(jié)螺桿3的兩端分別與所述第一支撐件9和所述第二支撐件10連接。在本實施例中，環(huán)繞所述波紋管2的外側(cè)設(shè)有例如四個所述調(diào)節(jié)螺桿3，所述調(diào)節(jié)螺桿3的一端與所述第一支撐件9例如焊接固定，其另一端與所述第二支撐件10例如螺紋連接。所述準直器4置于所述原子源5與所述磁透鏡 I之間。所述第一支撐件9中心設(shè)有所述限流管8，所述限流管8分別與所述真空腔室和所述原子檢測系統(tǒng)7相連通。所述限流管8的中心、所述磁透鏡I的中心和所述準直器4的中心與所述原子源5的出口在一條直線上。所述第二支撐件10上設(shè)有所述真空管接口 6。如圖2所示，所述磁透鏡I為圓筒形，所述磁透鏡I包括四個或六個相同的永磁體 101、與永磁體101數(shù)目相同的針形軟磁體102、和由無磁材料制成的圓筒103。所述永磁體 101和所述軟磁體102固定在所述圓筒103內(nèi)。所述四個或六個永磁體101首尾相接構(gòu)成一個方形空腔,且每一個所述永磁體101的S極或N極與相鄰的所述永磁體101的同名磁極相接。與所述永磁體101數(shù)目相同的所述軟磁體102均勻分布，其尖端朝向所述圓筒103 的中心且兩兩相對，兩個正對的所述軟磁體102的尖端的磁極相同。正對的兩個所述軟磁體102的尖端之間的距離為O. 9-1. 5mm，其尖端的表面磁場大于或等于I特斯拉。所述磁透鏡I的總長度為55_69mm。所述永磁體101的材質(zhì)為鐵氧體、Nd2Fe14B、AlNiCo或Sm2Co17。 所述軟磁體102的材質(zhì)為鐵、FeCo合金或FeNi合金。所述圓筒103的材質(zhì)為無磁不銹鋼、 鈦、銅、鋁、塑料、鈦合金或鋁合金。在本實施例中，所述磁透鏡I為圓筒形，所述磁透鏡I包括例如四個相同的永磁體 101、四個相同的針形軟磁體102和圓筒103。所述永磁體101和所述軟磁體102固定在所述圓筒103內(nèi)。所述四個永磁體101首尾相接構(gòu)成一個方形空腔，且每一個所述永磁體101 的S極或N極與相鄰的所述永磁體101的同名磁極相接。所述四個軟磁體102均勻分布，其尖端朝向所述圓筒103的中心且兩兩相對，兩個正對的所述軟磁體102的尖端的磁極相同。 正對的兩個所述軟磁體102的尖端之間的距離為例如I. 2mm，其尖端的表面磁場大于或等于I特斯拉。所述磁透鏡I的總長度為例如65mm。所述永磁體101的材質(zhì)為例如Sm2Co17。 所述軟磁體102的材質(zhì)為例如FeCo合金。所述圓筒103的材質(zhì)為例如無磁不銹鋼。通過所述調(diào)節(jié)螺桿3調(diào)節(jié)所述波紋管2的長度，所述波紋管2在無外力作用時的自然長度為120_，所述波紋管2的長度的可調(diào)范圍為±15_。所述準直器4為例如光纖多孔準直器。所述準直器4的孔數(shù)大于或等于200，其每個孔的長度與其直徑之比為10-20， 其有孔區(qū)域的面積小于或等于4_2。所述磁透鏡I自由端至所述第一支撐件9之間的區(qū)域為原子的自由運動區(qū)域。在本實施例中，原子的自由運動區(qū)域的長度可調(diào)范圍為例如30_。所述原子源5用于向所述準直器4提供原子。所述原子源5發(fā)出的原子的運動方向與所述限流管8的中心、所述磁透鏡I的中心和所述準直器4的中心所成直線之間的夾角稱為原子的出射角。所述準直器4用于使所述原子源5發(fā)出的原子的出射角趨近于零，從而提高原子的利用率。所述磁透鏡I用于使不同量子態(tài)的原子的運動軌跡產(chǎn)生差異。通過所述調(diào)節(jié)螺桿3調(diào)節(jié)所述波紋管2的長度，即改變原子的自由運動區(qū)域的長度，從而使不同量子態(tài)的原子分離，達到選態(tài)和提高選態(tài)效率的目的。所述限流孔8用于使需要的原子進入所述原子檢測系統(tǒng)7。所述原子檢測系統(tǒng)7用于對選出的原子的量子態(tài)進行檢測。所述真空管接口 6用于連接真空泵。所述系統(tǒng)工作時，所述真空腔室內(nèi)的壓強要小于或等于 I (T3Pa。在本實施例中，應(yīng)用所述系統(tǒng)對氫原子進行量子選態(tài)，結(jié)果如圖3所示，圖中橫軸 L表示氫原子的自由運動區(qū)域的長度，縱軸G表示氫原子的量子躍遷增益。當所述波紋管2 的長度為自然長度即120mm時，氫原子的量子躍遷增益約為I. 65dB ;當所述波紋管2的長度為108mm時，氫原子的量子躍遷增益約為2. OdB，量子選態(tài)的效率提高了 20%。應(yīng)當理解，以上借助優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說明書的基礎(chǔ)上可以對各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括磁透鏡(I)、波紋管(2)、調(diào)節(jié)螺桿 (3)、準直器(4)、原子源(5)、真空管接口(6)、原子檢測系統(tǒng)(7)、限流管(8)、第一支撐件(9)和第二支撐件(10)；所述波紋管(2)兩端分別與所述第一支撐件(9)和所述第二支撐件(10)焊接固定，所述波紋管(2)、所述第一支撐件(9)和所述第二支撐件(10)構(gòu)成密閉的真空腔室，所述真空腔室內(nèi)設(shè)有所述磁透鏡(I)，所述磁透鏡(I)的一端固定在所述第二支撐件(10)上，其另一端為自由端，環(huán)繞所述波紋管(2)的外側(cè)設(shè)有至少三個所述調(diào)節(jié)螺桿(3)，所述調(diào)節(jié)螺桿(3)的兩端分別與所述第一支撐件(9)和所述第二支撐件(10)連接，所述準直器(4)置于所述原子源(5)與所述磁透鏡(I)之間，所述第一支撐件(9)中心設(shè)有所述限流管(8)，所述限流管(8)分別與所述真空腔室和所述原子檢測系統(tǒng)(7)相連通，所述限流管(8)的中心、所述磁透鏡(I)的中心和所述準直器(4)的中心與所述原子源(5)的出口在一條直線上，所述第二支撐件(10)上設(shè)有所述真空管接口(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所述磁透鏡(I)為圓筒形，所述磁透鏡⑴包括四個或六個相同的永磁體(101)、與永磁體(101)數(shù)目相同的針形軟磁體(102)、和由無磁材料制成的圓筒(103),所述永磁體(101)和所述軟磁體(102)固定在所述圓筒(103)內(nèi)，所述四個或六個永磁體(101)首尾相接構(gòu)成一個方形空腔，且每一個所述永磁體(101)的S極或N極與相鄰的所述永磁體(101)的同名磁極相接，與所述永磁體(101)數(shù)目相同的所述軟磁體(102)均勻分布，其尖端朝向所述圓筒(103)的中心且兩兩相對，兩個正對的所述軟磁體(102)的尖端的磁極相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，正對的兩個所述軟磁體 (102)的尖端之間的距離為O. 9-1. 5mm，其尖端的表面磁場大于或等于I特斯拉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所述磁透鏡(I)的總長度為 55_69mm0
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體(101)的材質(zhì)為鐵氧體、Nd2Fe14B, AlNiCo 或 Sm2Co17。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所述軟磁體(102)的材質(zhì)為鐵、FeCo合金或FeNi合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所述圓筒(103)的材質(zhì)為無磁不銹鋼、鈦、銅、鋁、塑料、鈦合金或鋁合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，通過所述調(diào)節(jié)螺桿(3)調(diào)節(jié)所述波紋管(2)的長度，所述波紋管(2)在無外力作用時的自然長度為120mm，所述波紋管(2)的長度的可調(diào)范圍為±15mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所述準直器(4)為光纖多孔準直器或玻璃準直器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所述準直器(4)的孔數(shù)大于或等于200，其每個孔的長度與其直徑之比為10-20，其有孔區(qū)域的面積小于或等于 4mm2 ο
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括磁透鏡(1)、波紋管(2)、調(diào)節(jié)螺桿(3)、準直器(4)、原子源(5)、真空管接口(6)、原子檢測系統(tǒng)(7)、限流管(8)、第一支撐件(9)和第二支撐件(10)。本發(fā)明提供的可調(diào)制量子選態(tài)系統(tǒng)不需要破壞真空，也不需要重新準直，量子選態(tài)效率高，使用方便，可以在實驗和工程上達到很好的效果。應(yīng)用所述系統(tǒng)能夠?qū)湓拥牧孔舆x態(tài)效率提高20％。
文檔編號H01S1/06GK102610356SQ201210050608
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者周鐵中, 張繼紅, 李晶, 楊仁福, 陳強, 陳海波, 高連山 申請人:北京無線電計量測試研究所