一种量子态反转装置及二次选态系统

1.本实用新型涉及氢原子选态技术领域，更具体地涉及一种量子态反转装置及二次选态系统。


背景技术：

2.近年来随着氢原子钟电子学系统的不断发展，其短期频率稳定度持续提高，但受限于现有氢原子钟选态系统经选态后还有50％以上的f＝1,mf＝-1态无效氢原子进入储存泡，使得氢原子钟的中长期频率稳定度指标难以再提高。为了进一步改善氢原子钟的中长期频率稳定度，需要设计一种量子态反转装置，可以使得一级选态磁铁筛除不了的f＝1,mf＝1态氢原子在通过该装置后实现量子态反转，变为f＝1,mf＝-1态，进入二级选态磁铁后被偏转，最终仅有f＝1,mf＝0态有效氢原子进入储存泡。
3.上世纪80年代日本的shinji urabe,koji nakagiri等人就已经利用磁场快速翻转技术完成了关于氢原子频标的量子态反转实验，原理为利用一对反向亥姆霍兹线圈构建了磁场快速翻转区，翻转区前后的磁场方向相反，原子在穿过翻转区时会发生majorana跃迁，量子态从f＝1,mf＝1直接跃迁到f＝1,mf＝-1。如图1所示，现有的量子态反转装置包括线圈1’、线圈2’、线圈3’、圆柱形屏蔽4’和屏蔽盘5’，其位于磁铁6’和磁铁7’之间，氢源8’发射的氢原子依次经过磁铁6’、线圈1’、线圈2’、线圈3’和磁铁7’后进入储存泡9’中。
4.但是，该装置需要严苛的无磁环境，且反转区内磁场强度必须小于1mg，由于装置外存在非常强的偏转磁场，仅依靠外部磁屏蔽和装置中单个辅助线圈难以满足要求；而且其反转磁场梯度必须很大，这不但要求线圈1’与2’上的电流大小相同方向相反，两线圈间距也必须为线圈半径，在工程方面实现的难度较高；再者由于其偏转磁铁尺寸和场强较为特殊，所需要的选态磁铁长度以及磁铁场强与现有氢钟不匹配，因此不适用于现有的氢脉泽。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种量子态反转装置及二次选态系统，以实现氢原子量子态的翻转，其结构简单，在工程上容易实现。
6.本实用新型一方面提供一种量子态反转装置，包括主体，由两个对称的半主体拼合而成；所述主体的外侧绕设有梯度场线圈，所述主体内设置有容置孔，所述容置孔内设置有线桩，所述线桩内设置有一通孔，所述线桩的外侧绕设有两交变线圈，分别位于所述通孔的上方和下方；所述主体内还设置有分别向所述主体两端延伸的两原子束槽，两原子束槽位于所述通孔的两端并与所述通孔连通。
7.进一步地，所述主体的两端分别设置有第一延伸管和第二延伸管，所述第一延伸管和第二延伸管的一端分别与两所述原子束槽连通，另一端则伸出所述主体外。
8.进一步地，所述主体的两端开设有阶梯孔，所述第一延伸管和第二延伸管分别插入所述主体两端的阶梯孔中。
9.进一步地，所述主体为圆台，所述圆台的顶部形成前端，所述圆台的底部形成后端。
10.进一步地，所述圆台的高度为2-4cm。
11.进一步地，所述圆台的高度为3cm。
12.进一步地，所述梯度场线圈的绕制方式为前密后疏。
13.进一步地，两所述半主体的其中一个上设置有销，另一个则设置有与所述销配合的销孔。
14.进一步地，所述容置孔的内壁开设有贯通所述主体一端的线圈孔，所述交变线圈通过所述线圈孔引出至所述主体外。
15.本实用新型的量子态反转装置通过梯度场线圈和两组交变线圈可以方便地产生圆偏振磁场，从而利用绝热快通道技术较好地实现对于氢原子量子态的反转；通过两个半主体拼合成一主体，并在主体内设置线桩，主体和线桩上缠绕的线圈无特殊尺寸要求，通过控制疏密程度和电流大小即可制备所需的磁场，结构简单，在工程上容易实现。
16.本实用新型另一方面提供一种二次选态系统，包括一级选态磁铁、直流电源、信号发生器、二级选态磁铁和如上所述的量子态反转装置，所述量子态反转装置的梯度场线圈与所述直流电源电连接，所述信号发生器与所述量子态反转装置的交变线圈电连接，所述一级选态磁铁、量子态反转装置和二级选态磁铁依次设置且所述量子态反转装置的第一延伸管与所述一级选态磁铁连通，所述量子态反转装置的第二延伸管与所述二级选态磁铁连通。
17.本实用新型的二次选态系统，采用上述量子态反转装置实现氢原子的量子态反转，从而实现氢原子的二次选态，具有广泛使用的价值。
附图说明
18.图1为现有技术中的量子态反转装置示意图；
19.图2为根据本实用新型实施例的量子态反转装置的结构示意图；
20.图3为图2的半剖示意图；
21.图4为根据本实用新型实施例的量子态反转装置的分解示意图；
22.图5为根据本实用新型另一实施例的二次选态系统的拓扑图；
23.图6为根据本实用新型实施例的量子态反转装置的原理图。
具体实施方式
24.下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。
25.如图2所示，本实用新型实施例提供一种量子态反转装置，包括主体1，其由两个对称的具有梯形截面的半主体11拼合而成一圆台状结构，沿该主体1的外侧面绕设有梯度场线圈2，用于产生梯度磁场；其中，圆台状结构也可以替换成圆柱；如图3所示，主体1内横向设置有容置孔12，该容置孔12内设置有一线桩3，沿该线桩3的径向设置有一贯穿通孔31，线桩3的外侧面则绕设有两组交变线圈32，其分别位于通孔31的上方和下方，用于产生径向均匀的交变磁场，交变线圈32也可以设置为四组、六组或八组，只要是偶数组且在旋转坐标系内磁场强度是恒定的即可，其中，两组交变线圈为实现量子态反转的最简单结构；主体1内
还设置有自线桩3沿轴向分别向两端延伸的原子束槽13，该槽可以如图所示对称挖在两半主体上，也可以全部位于其中一半上(图未示)，该原子束槽13分别位于通孔31的两端且与通孔31连通，主体1的两端分别设置有第一延伸管4和第二延伸管5，其一端分别与主体1内的两原子束槽13连通，另一端则伸出主体1的上、下底面，这样，第一延伸管4、两原子束槽13、通孔31和第二延伸管5将形成一连通的原子束通道。由于选态磁铁出射的原子束是发散的，距离选态磁铁出口越远原子束直径越大，对原子的利用率越低，第一延伸管4和第二延伸管5相当于减小了量子态反转装置与选态磁铁间的距离，从而减小了原子束发散，从而提高了原子利用率，并有利于原子束光学的对准。
26.优选地，圆台的上底面作为前端，第一延伸管4设置于前端上，圆台的下底面作为后端，第二延伸管5设置于后端上。采用圆台形主体的设计可便于梯度场线圈2的绕制且在较短的距离内产生梯度较大的磁场，这样可以使量子态反转区的长度越小，越有利于构建交变场，从而使量子态反转效果更好。圆台的高度可为2-4cm，优选为3cm，这样既可以方便交变线圈的安装，又可以使量子态反转区不会过长而影响反转效果。
27.主体1、第一延伸管4和第二延伸管5的材料采用铝合金或钛合金或其他不导磁材料。
28.梯度场线圈2的绕制方式为前密后疏，即在靠近主体1的第一延伸管4所在的一端时，绕制的较密，在靠近主体1的第二延伸管5所在的一端时，绕制的较疏，以增加磁场的梯度。
29.如图4所示，两个半主体11可通过销接固定，其中一个半主体11上设置有多个销111，另外一个半主体11上则相应设置有多个销孔112，在拼合时，销111与销孔112对齐后并插入销孔112中，从而实现拼接，拼接后在表面绕制梯度场线圈2，从而保证两个半主体11不会分开。这样，可以方便地对该量子态反转装置进行拆卸。当然，此处的销接方式也可以替换成卡接、螺接等，本实用新型对此不做限定。
30.主体1的两端分别开设有阶梯孔(图未示)，第一延伸管4和第二延伸管5分别插入阶梯孔中，并与原子束槽13连通，从而当两个半主体11拼合后，压紧第一延伸管4和第二延伸管5，防止掉落。
31.容置孔12的内壁上开设有贯通主体1一个底面的线圈孔(图未示)，交变线圈32可通过该线圈孔引出至主体1之外。
32.本实用新型的量子态反转装置通过梯度场线圈2和两组交变线圈32可以方便地产生圆偏振磁场，从而利用绝热快通道技术较好地实现对于氢原子量子态的反转；通过两个半主体拼合成一主体，并在主体内设置线桩，主体和线桩上缠绕的线圈无特殊尺寸要求，通过控制疏密程度和电流大小即可制备所需的磁场，结构简单，在工程上容易实现。
33.如图5所示，本实用新型实施例的量子态反转装置通常用于二次选态系统中，在该二次选态系统中，所述量子态反转装置分别与一级选态磁铁101、直流电源102、信号发生器103以及二级选态磁铁104相连，其中，量子态反转装置的梯度场线圈2与直流电源102电连接，由于梯度场线圈2直径的变化将产生梯度磁场，通过调节通入的直流电流大小可调节磁场的大小；而量子态反转装置的交变线圈32则与信号发生器103电连接，信号发生器103可输出不同频率的正弦波，通过调节信号发生器的输出电压可调节交变磁场的场强，通过调节正弦波的频率可调节交变磁场的频率。该系统在应用时，将量子态反转装置沿原子束流
的方向居于一级选态磁铁101和二级选态磁铁104之间，量子态反转装置的第一延伸管4与一级选态磁铁101连通，接收经过一级选态器101筛选后的f＝1,mf＝1态与f＝1,mf＝0态氢原子束流，并将束流引入量子态反转装置的主体1内，使f＝1,mf＝1态氢原子束流转换为f＝1,mf＝-1态，由第二延伸管5接收f＝1,mf＝-1态和f＝1,mf＝0态氢原子束流，再经与第二延伸管5连通的二级选态磁铁104，使f＝1,mf＝-1态氢原子偏转，从而只剩下f＝1,mf＝0态氢原子。
34.为了进一步说明本实用新型的效果，下面先详细描述实现量子态反转的绝热快通道技术的原理。
35.一个具有角动量的原子在磁场中会获得一个净磁矩，磁矩大小由下式决定：
36.μ＝γg
37.其中μ为磁偶极矩，g为原子的角动量，γ为旋磁比，由原子本身的性质决定。对于单个自由氢原子，其磁矩μb为玻尔磁子，总角动量为玻尔磁子，总角动量为约化普朗克常数，所以氢原子的旋磁比
38.而对于由相同旋磁比氢原子组成的束流，其总磁矩为m为单个氢原子磁矩的矢量合成：m＝γg。
39.又因为f＝1,mf＝1态的氢原子磁矩的大小方向均相同，且平行于外磁场。所以氢原子束流的总磁矩也平行于外磁场，即可以将束流看作顺磁物质，这将使得绝热快通道中对氢原子的分析变得容易。
40.将磁偶极子置于磁场h中时，其运动方程为：
[0041][0042]
这表明磁矩μ在磁场h中会绕磁场h进动，进动频率ω
l
＝-γh。
[0043]
对于氢原子束流也可以得到：
[0044][0045]
其中m＝χ0h，χ0为顺磁物质的磁化率，用于表示总磁矩与磁场呈线性关系。
[0046]
建立相对于磁场轴以角速度ω旋转的坐标系，经过坐标变换在此坐标系中原子能感受到的有效磁场h
′
为：
[0047][0048]
其中h
*
＝-ω/γ，其表示由于坐标变换产生的磁场，显然当ω＝ω
l
时有效场h
′
为0。
[0049]
如图6所示，本实用新型的量子态反转装置即利用上述绝热快通道技术，构造了一个梯度磁场h和正弦交变磁场h1正交叠加的复合场，氢原子束流在经过线桩3的通孔31时，会受到梯度磁场h与正弦交变磁场h1叠加而成的复合场作用。
[0050]
在此复合场的入口处(即图中最左边箭头处)，令h＝2h
*
＝-2ω/γ，复合场中心处(即图中中间箭头处)，令h＝h
*
＝-ω/γ，复合场末端(即图中最右边箭头处)，令h接近0，以
上可通过调节直流电流的大小来实现，其具体过程此处不再赘述；由此在以角速度ω绕梯度磁场方向旋转的旋转坐标系中，入口处有效梯度场h
′
＝-h
*
，场中心h
′
＝0，场末端h
′
＝h
*
。
[0051]
令与h场正交的磁场h1以角速度ω绕h场旋转，则在旋转坐标系中原子受到的有效磁场h
eff
为h
′
与h1的矢量叠加，当h1远小于h
*
，有效磁场h
eff
与场h1的夹角会从入口处的接近90
°
变化到中心处0
°
，再变化到出口处的接近-90
°
，全过程中复合场方向变化接近180
°
。又由于氢原子束流总磁矩与复合场方向一致，所以全过程中束流总磁矩方向也变化了接近180
°
，相应束流中原子磁矩也由此反转。对于氢原子而言磁矩由量子态的磁量子数决定，磁矩的反转也意味着磁量子数的反转，即从f＝1,mf＝1态转换为f＝1,mf＝-1态，实现了量子态反转。量子态反转后的f＝1,mf＝-1态经过二级选态磁铁后发生偏转，从而只剩下f＝1,mf＝0态氢原子。
[0052]
对于绝热快通道技术中要求的以ω旋转的圆偏振磁场h1，本实用新型采用线偏振磁场分解的方式产生，当h1＝2h
1x
cosωt时在以ω旋转的坐标系中h1＝h
1x
，与绝热快通道技术中要求的一致，从而使本实用新型的量子态反转装置可采用绝热快通道技术实现量子态反转。
[0053]
本实用新型的二次选态系统，采用上述量子态反转装置实现氢原子的量子态反转，然后通过二级选态磁铁对反转后的氢原子进行二次选态，具有广泛使用的价值。
[0054]
以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化，例如，圆偏正磁场还可以通过两组正交的线偏振正弦交变场产生，即在十字形交变场线圈绕线柱上绕制四组线圈。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。