Замедлитель Зеемана атомного пучка Российский патент 2021 года по МПК H01S1/06 H05H3/02 G21K1/93 

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.

Основным на сегодня является способ реализации резонансного профиля магнитного поля с использованием соленоида с током, предварительно размещенного до отжига и откачки сверхвакуумной системы на трубе - части данной вакуумной системы.

В данном способе используется простой в реализации соленоид из провода с током, которая размещается на трубе ЗЗ, входящей в состав сверхвакуумной системы, например, атомного спектроскопа. Соленоид имеет сравнительно небольшое число витков - 200-400, которые представляют собой многослойную структуру, способ намотки которых обеспечивает необходимый градиент и направление магнитного поля. Данный градиент невозможно реализовать без точного соблюдения продольного сечения с точным соблюдением позиций витков. Поскольку любой соленоид, создающий градиентное магнитное поле, можно разбить на последовательность секций прямоугольного сечения, можно ввести тонкие переборки между данными секциями и осуществлять намотку прямоугольных катушек без нарушения сверхвысокого вакуума, что существенно сокращает трудоемкость сборки, и контроль количества витков, а также соответствие позиций витков расчетным. Следовательно, необходим специальный сборный каркас, который будет позволять легко размещать витки соленоида вокруг вакуумной трубы без нарушения сверхвысокого вакуума. Реализация соленоида с использованием каркаса с реализацией намотки «на месте» по принципу веретена без изъятия секции трубы позволит ускорить процесс создания вакуумного спектроскопа и атомных часов в целом.

Известен ЗЗ (Патент №: RU (11) 2490836 (13) C1, Date of Patent: 12.05.2012), являющийся аналогом предлагаемого изобретения, содержащий блок формирования неоднородного магнитного поля состоит из соленоида, предназначенного для формирования неоднородного магнитного поля, и источника его питания, работающего в непрерывном режиме. Источник атомного пучка и соленоид блока формирования неоднородного магнитного поля располагаются в вакуумированном объеме, необходимая степень давления в котором поддерживается вакуумным насосом.

Однако в указанном ЗЗ используется размещение блока формирования профиля неоднородного магнитного поля непосредственно в вакуумированном объеме, что влечет за собой сложность его размещения, невозможность модификации ЗЗ без серьезного нарушения сверхвысокого вакуума рабочей установки.

Кроме того, известно ЗЗ (Patent No: ЕР 1871149 А1, Date of Patent: Dec. 26, 2007), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее соленоид, размещенный на вакуумной трубе, внутренний канал имеет поперечное сечение перпендикулярно продольной оси, при этом площадь поперечного сечения внутреннего канала увеличивается монотонно по продольной оси в части секции охлаждения.

Однако в указанном устройстве используется размещение соленоида с током ЗЗ на вакуумной трубе, что обеспечивает повышенную сложность перестройки или оптимизации, модифицирования профиля магнитного поля на оси, а также отсутствует возможность изменять структуру соленоида без изъятия секции ЗЗ из вакуумной системы.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является упрощение размещения соленоида ЗЗ с током на вакуумной части установки без нарушения сверхвысокого вакуума, обеспечивает строгое соблюдение расчетных величин профилей магнитных полей и гибкость настройки ЗЗ.

Поставленный технический результат достигается тем, что замедлитель Зеемана атомного пучка включает в себя трубу сверхвысокого вакуума с направленными по ее оси атомным и встречным ему лазерным пучками и закрепленный на трубе блок формирования неоднородного профиля магнитного поля. Блок формирования состоит из разъемных полуоснований с переборками, плоскости которых перпендикулярны оси атомного пучка, при том, разъемные полуоснования с переборками выполнены из немагнитного материала. Между переборками, при помощи вращения полуоснований вокруг вакуумной трубы, намотаны секции соленоида. При том, шаг размещения переборок определяется длиной секций прямоугольного сечения намотки соленоида блока формирования профиля магнитного поля, которые соединяют полуоснования в законченную конструкцию замедлителя.

Изобретение поясняется чертежами.

На ФИГ. 1 приведен чертеж полуоснования ЗЗ с переборками.

на ФИГ. 2 приведен чертеж полуоснования ЗЗ с переборками с примером размещения намоток частей соленоида с током.

на ФИГ. 3 приведен чертеж полу оснований ЗЗ с переборками.

на ФИГ. 4 (помещается в реферат) приведен чертеж ЗЗ в сборе с участком вакуумной трубы.

ЗЗ (ФИГ. 1) содержит: 1 - полуоснование ЗЗ из немагнитного материала, 2 - переборки.

ЗЗ (ФИГ. 2) содержит: 1 - полуоснование ЗЗ из немагнитного материала, 2 - переборки, 3 - секции соленоида, намотанные медным проводом.

ЗЗ (ФИГ. 3) содержит: 1 - полуоснование ЗЗ из немагнитного материала, 2 - переборки.

ЗЗ (ФИГ. 4) содержит: 1 - полуоснование ЗЗ из немагнитного материала, 2 - переборки, 3 - секции соленоида, намотанные медным проводом, 4 - труба свервысокого вакуума для атомного и встречного ему лазерного пучков, 5 - вход атомного пучка (выход лазерного пучка), 6 - вход лазерного пучка (выход атомного пучка).

При этом центр входа лазерного пучка 6 совпадает с выходом атомного пучка 5, а также с осью ЗЗ, а части соленоида 3 соединены с полуоснованиями 1, так что результирующее поле соленоида 3 направлено коллинеарно или совпадает с линией вход лазерного пучка 6 - вход атомного пучка 5, полуоснования 1 с переборками 2 при помощи секций соленоида 3 соединяются в целый ЗЗ вокруг вакуумной трубы 4.

Полуоснование 1 с переборками 2 могут быть выполнены из немагнитного материала типа ВТ-1, а также алюминиевых сплавов АМГ-6, -5, соленоид 3 из провода эмалированного ПЭТВ-2 (d=1 мм).

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 катушки с проводом, соответствующее поле можно получить, применяя метод суперпозиции магнитных полей отдельных витков катушки ЗЗ. Поле вдоль оси витка с током описывается выражением где μ0 - магнитная постоянная, I - сила тока в витках соленоида, R - радиус витка с током, z - расстояние от центра витка с током до расчетной точки.

Неоднородное магнитное поле вдоль оси ЗЗ есть сумма вкладов каждого элемента (витка с током), которые расположены в определенных позициях и размещены вокруг оси ЗЗ, где М - общее количество слоев намотки соленоида, L - количество элементарных витков в слое намотки соленоида ЗЗ.

Таким образом, посредством вращения полуоснований с переборками и одновременной намоткой медного провода, на вакуумной трубе обеспечивается возможность размещения соленоида с током ЗЗ без нарушения сверхвысокого вакуума системы, уменьшение временных затрат и повышение возможности настройки неоднородности магнитного поля замедлителя Зеемана.

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. Замедлитель Зеемана (ЗЗ) атомного пучка включает в себя трубу сверхвысокого вакуума с направленными по ее оси атомным и встречным ему лазерным пучками и закрепленный на трубе блок формирования неоднородного профиля магнитного поля и отличается тем, что блок формирования состоит из разъемных полуоснований с переборками, плоскости которых перпендикулярны оси атомного пучка, при этом разъемные полуоснования с переборками выполнены из немагнитного материала, между переборками, при помощи вращения полуоснований вокруг вакуумной трубы, намотаны секции соленоида для обеспечения необходимого градиента и направления магнитного поля, при этом шаг размещения переборок определяется длиной секций прямоугольного сечения намотки соленоида блока формирования профиля магнитного поля, которые соединяют полуоснования в законченную конструкцию замедлителя. Технический результат - упрощается размещение соленоида ЗЗ с током на вакуумной части установки без нарушения сверхвысокого вакуума, обеспечивается строгое соблюдение расчетных величин профилей магнитных полей и гибкость настройки ЗЗ. 4 ил.

Замедлитель Зеемана атомного пучка, включающий в себя трубу сверхвысокого вакуума с направленными по ее оси атомным и встречным ему лазерным пучками и закрепленный на трубе блок формирования неоднородного профиля магнитного поля, отличающийся тем, что блок формирования состоит из разъемных полуоснований с переборками, плоскости которых перпендикулярны оси атомного пучка, при этом разъемные полуоснования с переборками выполнены из немагнитного материала, между переборками, при помощи вращения полуоснований вокруг вакуумной трубы, намотаны секции соленоида для обеспечения необходимого градиента и направления магнитного поля, при этом шаг размещения переборок определяется длиной секций прямоугольного сечения намотки соленоида блока формирования профиля магнитного поля, которые соединяют полуоснования в законченную конструкцию замедлителя.