УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И СОРТИРОВКИ АТОМНОГО ПУЧКА Советский патент 1996 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к области квантовой радиофизики и ядерной физики, применяющей технику атомных пучков для анализа свойств квантовых состояний частиц и может быть использовано для формирования и сортировки атомных пучков, например, в квантовых стандартах частоты.

Известны устройства для формирования и сортировки атомного пучка, содержащие многокапиллярные сотовые коллиматоры и сортирующие магниты с неоднородным магнитным полем. Многокапиллярные сотовые коллиматоры предназначены для формирования пучков частиц с предельно узким угловым расстоянием. Режим их работы выбирают так, чтобы средняя длина их свободного пробега частиц до столкновения между собой была как можно больше по сравнению с диаметром капилляров. Это условие выполняют выбором достаточно низкого давления газа на входе коллиматора, а требуемый поток получают за счет увеличения числа капилляров, что соответственно увеличивает общий диаметр коллиматора. Сформированный узконаправленный пучок пропускают затем через неоднородное магнитное поле сортирующего магнита для сортировки частиц по квантовым состояниям.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для формирования и сортировки атомного пучка, содержащее многокапиллярный коллиматор и магнит с неоднородным магнитным полем.

Из-за большого пространства с сильным магнитным полем, в котором пропускается пучок, сортирующий магнит имеет большие размеры, массу и протяженные поля рассеяния.

Целью изобретения является повышение интенсивности выходного сигнала и уменьшение габаритов устройства.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве многокапиллярный коллиматор выполнен в виде пакета намагниченных перфорированных пластин из магнитотвердого материала, при этом соседние намагниченные сформированные пластины расположены одноименными полюсами одна к другой. Между намагниченными перфорированными пластинами проложены перфорированные пластины из магнитомягкого материала, причем перфорации в пакете образуют сквозные капилляры.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 в увеличенном масштабе отдельный капилляр, структура магнитного поля в нем и траектории атомов.

Устройство для формирования и сортировки пучка атомов состоит из перфорированных пластин 1 с отверстиями 2. Перфорированные пластины набраны в пакет так, что их отверстия 2 совмещаются и образуют сквозные капилляры 3, а их магнитные поля ориентируются навстречу друг другу, как показано на фиг. 2 буквами N, S. Внутри капилляров 3 возникает сильное неоднородное магнитное поле 4. Для концентрации магнитной энергии материала пластин 1 в объеме капилляров 3 и уменьшения взаимного размагничивающего действия пластин 1 друг на друга из-за встречной ориентации их магнитных полей 4 между пластинами 1 размещены пластины 5 из магнитомягкого материала. Для облегчения процесса сборки пластины из магнитомягкого материала выполняют, например, гальваническим нанесением на пластину, из магнитотвердого материала, после чего производят перфорацию. На фиг. 1 набор пластин условно показан без элементов фиксации. Ими могут служить клей, стеклоцемент, легкоплавкий припой или механические фиксаторы.

Атом на верхнем энергетическом уровне, попадая в капилляр 3, под произвольным, но не превышающим угол μ В_макс /кТ (μ- магнитный момент атома, В_макс поле на поверхности капилляра, к постоянная Больцмана, Т абсолютная температура), отклоняется полем 4 капилляра 3 и совершает поперечные колебательные движения в виде траектории 6 без столкновений со стенкой. Атом на нижнем уровне отклоняется в область сильного поля к стенке и, ударяясь о поверхность, отлетает от неидеальной поверхности по закону диффузного отражения (траектория 7). Устройство может эффективно работать при условии, что средняя длина свободного пробега атомов в капилляре превышает длину последнего. Это условие легко выполняется, благодаря тому, что в устройстве нет принципиальных ограничений числа капилляров за счет увеличения диаметра пучка. Это позволяет уменьшить рабочее давление газа или пара на выходе предлагаемого устройства до получения требуемой длины свободного пробега частиц при требуемом потоке.

Так как диаметр капилляров мал, то масса предлагаемого устройства составляет приблизительно 10 мг, что в 10⁴ раз меньше массы известных сортирующих магнитов. Устройство в десятки раз уменьшает протяженность магнитных полей расстояния по сравнению с существующими магнитами благодаря тому, что наружный диаметр устройства практически равен требуемому диаметру пучка частиц, равному нескольким миллиметрам. Последнее преимущество позволяет, например, в квантовых стандартах частоты приблизить источник пучка к области электромагнитного взаимодействия атомов в слабом поле и увеличить интенсивность полезного сигнала. Устройство может быть эффективно использовано для формирования и сортировки пучка атомарного водорода из-за способности последнего рекомбинировать в молекулу с большой вероятностью при соударении с металлической поверхностью. При этом устраняются преимущественно атомы нижнего состояния, а образующийся молекулярный водород является в большинстве случаев не мешающем работе буферным газом. Торцевая металлическая поверхность, обращенная в область повышенной плотности атомарного водорода, покрывается тонкой пленкой вещества, препятствующего рекомбинации, например стеклом.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И СОРТИРОВКИ АТОМНОГО ПУЧКА, содержащее многокапиллярный коллиматор и магнит с неоднородным сортирующим полем, отличающееся тем, что, с целью повышения интенсивности выходного сигнала и уменьшения габаритов устройства, многокапиллярный коллиматор выполнен в виде пакета намагниченных перфорированных пластин из магнитотвердого материала, при этом соседние намагниченные перфорированные пластины расположены одноименными полюсами одна к другой, а между намагниченными перфорированными пластинами проложены перфорированные пластины из магнитомягкого материала, причем перфорации в пакете образуют сквозные капилляры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на пластины из магнитотвердого материала нанесен слой магнитомягкого материала, по крайней мере, с одной стороны.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И СОРТИРОВКИ АТОМНОГО ПУЧКА, содержащее многокапиллярный коллиматор и магнит с неоднородным сортирующим полем, отличающееся тем, что, с целью повышения интенсивности выходного сигнала и уменьшения габаритов устройства, многокапиллярный коллиматор выполнен в виде пакета намагниченных перфорированных пластин из магнитотвердого материала, при этом соседние намагниченные перфорированные пластины расположены одноименными полюсами одна к другой, а между намагниченными перфорированными пластинами проложены перфорированные пластины из магнитомягкого материала, причем перфорации в пакете образуют сквозные капилляры. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на пластины из магнитотвердого материала нанесен слой магнитомягкого материала, по крайней мере, с одной стороны.