ЗАМЕДЛИТЕЛЬ ЗЕЕМАНА АТОМНОГО ПУЧКА Российский патент 2019 года по МПК H01S1/06 G21K1/93 H05H3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, устройствам для генерирования неоднородного профиля магнитного поля, и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты с пучками, например, стронция, рубидия или цезия.

Принцип действия замедлителя Зеемана атомного пучка (ЗЗ) основывается на замедлении теплового атомного пучка, проходящего по оси ЗЗ, встречным лазерным пучком. Эффективность замедления обеспечивается степенью монотонности неоднородного магнитного поля и воздействия лазерного пучка, встречного атомному пучку, что ведет к компенсации доплеровского сдвига путем компенсации изменением зеемановского сдвига. Т.е. профиль резонансного магнитного поля вдоль ЗЗ должен соответствовать градиенту доплеровского сдвига.

Существует два способа получения резонансного профиля магнитного поля: - с использованием катушки с током, - с использованием постоянных магнитов.

В первом способе используется простая в реализации металлическая катушка из провода с током, которая наматывается на трубу ЗЗ, и, которая, наряду с магнитным полем, имеет достаточно большое энергопотребление и тепловыделение, что не соответствует требованиям современной технологии атомной спектроскопии и атомно-лучевых стандартов частоты, в которых для уменьшения неопределенности частоты, существует тенденция уменьшения тепловыделения, окружающих атомное облако частей (ЗЗ, окон и стенок вакуумной камеры). Катушки имеют число витков от 600-700 и более, которые наматываются на трубу ЗЗ по специальному профилю продольного сечения с точным соблюдением позиции витков. При пропускании по ним электрического тока выделяют тепловую мощность более 25-30 Вт, что приводит к повышению температуры участка вакуумной системы, окружающей атомы, что в свою очередь, приводит к смещению часового резонанса в атомно-лучевых стандартах частоты.

Второй способ основывается на размещении постоянных магнитов вокруг трубы ЗЗ. В данном случае тепловыделение отсутствует. Но существует необходимость размещения магнитов по специальному профилю. Важным преимуществом применения постоянных магнитов является то, что отсутствует энергопотребление и тепловыделение. При низком тепловыделении отсутствует перегрев участка вакуумной системы, что не приводит к смещению часового резонанса в оптических стандартах частоты и улучшению метрологических характеристик стандартов, а именно, частичному улучшению неопределенности стандартов.

Из-за дискретности магнитов необходим специальный каркас, в котором размещаются магниты. А из-за неопределенности магнитного момента магнитов от партии к партии, необходим легко модифицируемый каркас, при помощи, которого можно построить необходимый по величине профиль неоднородного поля ЗЗ.

Известен ЗЗ (Патент №: US 5,014,032, Date of Patent: 14 Apr. 1989), содержащий набор колец из склеенных постоянных магнитов, представляющих собой две кольцевые структуры, расположенные вдоль вакуумной трубы, имеющие радиальные и противоположно направленные намагниченности. Кольцевые структуры обеспечивают результирующее неоднородное по величине магнитное продольное поле на оси.

Однако в указанном ЗЗ используется склеивание магнитов каждого отдельного кольца, также склеивание колец влечет за собой невозможность модифицирования профиля магнитного поля на оси, а также отсутствует возможность изменять количество постоянных магнитов или колец без изъятия из вакуумной системы участка размещения ЗЗ.

Кроме того, известно ЗЗ (Patent No: US 8,710,428 B1, Date of Patent: Apr. 29, 2014), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее четыре вырезанных постоянных магнита, расположенных симметрично параллельно оси ЗЗ, и, размещенных внутри вакуумной трубы, ось неоднородного магнитного поля геометрически совпадает с осью одного из замедляющих лазерных пучков, дополнительно к основному замедляющему пучку через систему зеркал, расположенных в вакуумной трубе, через систему зеркал подсоединены два радиальных поджимающих пучка на выходе ЗЗ.

Однако в указанном устройстве используется размещение магнитов ЗЗ внутри вакуумной трубы, а также четыре постоянных магнита изготовлены распиловкой по специальному профилю из цельного большего постоянного магнита. Что обеспечивает повышенную сложность перестройки или оптимизации, модифицирования профиля магнитного поля на оси, а также отсутствует возможность изменять количество постоянных магнитов или колец без изъятия из вакуумной системы участка размещения ЗЗ.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение тепловыделения и повышение возможности настройки замедлителя Зеемана.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве замедлителя Зеемана атомного пучка, содержащего, расположенные вдоль оси распространения атомного пучка, источник атомного пучка и блок формирования неоднородного профиля магнитного поля, а также последовательно включенные источник встречного оптического излучения, заключающееся в том, что в него введены торцевой соединитель, лопасть с постоянными магнитами при том, разъемный каркас из немагнитного материала, в лопасти которого помещены матрицы из постоянных магнитов, которые соединены торцевыми соединителями в двух половинках ЗЗ, а половинки ЗЗ, в свою очередь, соединены торцевыми соединителями вокруг вакуумной трубы ЗЗ.

Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 приведен чертеж торцевого соединителя лопастей ЗЗ, на Фиг. 2 приведен чертеж лопасти ЗЗ с матрицей из постоянных магнитов, на Фиг. З приведен чертеж сборочной половинки ЗЗ с взаимным размещением лопастей и торцевых соединителей, на Фиг. 4 (помещается в реферат) приведен чертеж ЗЗ в сборе с участком вакуумной трубы.

ЗЗ (Фиг. 1) содержит: 1 - торцевой соединитель для лопастей и половинок ЗЗ из немагнитного материала.

ЗЗ (Фиг. 2) содержит: 2 - матрица постоянных магнитов, 3 - часть каркаса для размещения матрицы постоянных магнитов (лопасть),

ЗЗ (Фиг. 3) содержит: 1 - торцевой соединитель для лопастей и половинок ЗЗ из немагнитного материала, 2 - матрица постоянных магнитов, 3 - часть каркаса для размещения матрицы постоянных магнитов (лопасть), 4 - половинка ЗЗ в сборе.

ЗЗ (Фиг. 4) содержит: 1 - торцевой соединитель для лопастей и половинок ЗЗ из немагнитного материала, 2 - матрица постоянных магнитов, 3 - часть каркаса для размещения матрицы постоянных магнитов (лопасть), 4 - половинка ЗЗ в сборе, 5 - вакуумная труба для атомного и встречного ему лазерного пучков, 6 - вход атомного пучка (выход лазерного пучка), 7 - вход лазерного пучка (выход атомного пучка).

При этом центр входа лазерного пучка 7 совпадает с выходом атомного пучка 7, а также с осью ЗЗ, а матрица постоянных магнитов 2 соединена с внутренней частью лопасти 3, так что результирующее поле магнитов 2 направлено коллинеарно или совпадает с линией вход лазерного пучка 7 - вход атомного пучка 6, группа лопастей 3 при помощи торцевых соединителей 1 соединяются в половинку ЗЗ 4, половинки ЗЗ 4 объединяются вокруг трубы ЗЗ 7 при помощи торцевых соединителей 1.

Торцевой соединитель 1 может быть выполнен из немагнитного материала типа березовая или сосновая фанера, а также алюминиевых сплавов, матрица магнитов 2 выполняется в виде сборки постоянных магнитов, например из псевдосплава NdFeB (неодим-железо-бор) типа N38-N50, лопасть 3 может быть выполнена из немагнитного материала типа березовая или сосновая фанера, а также алюминиевых сплавов, труба 5 может быть выполнена из титановых или нержавеющих сплавов.

Устройство работает следующим образом, атомы, попадая в зону неоднородного магнитного поля, начинают замедляться с некоторым ускорением вследствие рассеяния при воздействии встречного лазерного пучка. Верхнее ограничение для данного ускорения составляет где k - волновой вектор, Г - ширина линии охлаждающего перехода, m - масса атома.

При этом скорость атомов, на входе ЗЗ и на некотором расстоянии от входа описывается выражением где v₀ - скорость атомов на входе ЗЗ, z - положение атомов, - расстояние замедления (расстояние на котором скорость атомов v₀ снижается до некоторого заданного значения). Допплеровский сдвиг, возникающий в данном процессе, должен быть скомпенсирован Зеемановским сдвигом от магнитного поля. Профиль неоднородного магнитного поля, соответствующий условию замедления атомов описывается выражением

В случае ЗЗ на постоянных магнитах, соответствующее поле можно получить, применяя метод суперпозиции магнитных полей отдельных магнитов ЗЗ. Поле вдоль оси на определенном расстоянии от магнита описывается выражением где μ0 - магнитная постоянная, М0 - магнитный момент одного элемента (магнита), (х, у, z) - координаты магнита.

Неоднородное магнитное поле вдоль оси ЗЗ есть сумма вкладов каждого элемента (магнита), которые расположены в определенных позициях в матрице и размещены вокруг оси ЗЗ, где N - общее количество магнитов в матрице ЗЗ, G - общее количество матриц магнитов в лопастях ЗЗ.

Таким образом, посредством использования постоянных магнитов, размещенных матрицами в лопастях из немагнитного материала, количество которых может изменяться от 0 до G (предусмотренных конструкцией) и возможностью снятия ЗЗ с трубы вакуумной системы, за счет применения постоянных магнитов обеспечивается уменьшение энергопотребления и тепловыделения и повышение возможности настройки неоднородности магнитного поля замедлителя Зеемана изменения количества лопастей с матрицами магнитов.

Изобретение относится к квантовой электронике, к устройствам для генерирования неоднородного профиля магнитного поля. Замедлитель Зеемана (ЗЗ) атомного пучка содержит расположенные вдоль оси распространения атомного пучка источник атомного пучка и блок формирования неоднородного профиля магнитного поля. ЗЗ также содержит последовательно включенные источник встречного оптического излучения и источник теплового пучка атомов. В ЗЗ введен разъемный каркас из немагнитного материала, в лопасти которого помещены матрицы из постоянных магнитов, которые соединены торцевыми соединителями в двух половинках ЗЗ, а половинки ЗЗ, в свою очередь, соединены торцевыми соединителями вокруг вакуумной трубы ЗЗ. Технический результат заключается в уменьшении тепловыделения и в повышении возможности настройки замедлителя Зеемана. 4 ил.

Замедлитель Зеемана (ЗЗ) атомного пучка, содержащий расположенные вдоль оси распространения атомного пучка источник атомного пучка и блок формирования неоднородного профиля магнитного поля, а также последовательно включенные источник встречного оптического излучения и источник теплового пучка атомов, отличающийся тем, что в него введен разъемный каркас из немагнитного материала, в лопасти которого помещены матрицы из постоянных магнитов, которые соединены торцевыми соединителями в две половинки ЗЗ, а половинки ЗЗ, в свою очередь, соединены торцевыми соединителями вокруг вакуумной трубы ЗЗ.