一种高精度粒子数差制备平台

1.本实用新型涉及原子结构领域，尤其涉及一种高精度粒子数差制备平台。


背景技术：

2.随着光谱学的发展，光谱学的研究提供了大量有关原子结构的数据，大大地推动了原子物理学的进展。但是如果要了解原子等微观粒子内部更加细微的结构和变化，光谱学的研究由于受到仪器分辨率和谱线线宽的限制，往往得不到满意的结果。为此发展了波谱学的研究方法，比如直接观测原子超精细子能级间的微波或射频共振，以获得原子内部更加细微的结构和变化情况。以铷原子为例，处于基态f＝1和基态f＝2的原子数相差很小，因此微波或射频共振所涉及的能量很小，不便于观测，导致无法准确的进行原子内部更加细微的结构和变化的研究。


技术实现要素：

3.本实用新型提供了一种高精度粒子数差制备平台，能够高精度地实现增大粒子集居数差，便于对原子超精细子能级间微波或射频共振的观测，方便进行原子内部细微结构和变化的研究。
4.本实用新型实施例的提供了一种高精度粒子数差制备平台，包括：
5.光源模块，用于使原子受激辐射产生抽运光；
6.选态制备模块：用于采集所述原子的同位素原子，过滤聚焦后所述抽运光中的两个超精细结构成分；
7.磁场模块：提供外加磁场，用于将原子基态超精细结构发生分裂形成量子化轴；
8.辐射场模块：用于原子基态超精细结构发生共振跃迁；
9.粒子数差制备模块：用于将所述选态制备模块过滤后的所述抽运光照射下，将处于基态f＝1能态的原子抽运到基态f＝2能态；
10.检测模块：通过量子纠偏，使得输出信号频率锁定于粒子数差制备模块中原子谱线的中心频率；
11.所述选态制备模块和粒子数差制备模块依次设于所述光源模块产生的所述抽运光的光路上。
12.具体地，还包括：
13.场强计，用于测量磁场场强；
14.中央处理器，获取场强计的测量数据。
15.具体地，所述检测模块包括探测系统、慢扫频源、低频率信号发生器和补偿检测模块；
16.所述探测系统用于产生原子探测信号作用于粒子数差制备模块；
17.所述慢扫频源用以产生变化的频率信号施加给探测系统，使原子探测信号发生变化；
18.所述低频率信号发生器，用于产生两路同频信号，其中第一路对探测信号进行调制，第二路作为补偿检测模块的同步参考信号；
19.所述补偿探测模块用于将得到的量子纠偏信号作用于慢扫频源，使所述慢扫频源输出频率发生变化，从而使探测系统输出的探测信号频率锁定于粒子数差制备中的原子谱线中心频率。
20.具体地，所述补偿检测模块包括选放模块和相检模块，
21.所述选放模块对鉴频信号进行选频放大，获得与参考信号同频的检测信号，输入至相检模块；
22.所述相检模块对选放模块输入的信号进行同步鉴相。
23.具体地，所述光源模块为放置有玻璃泡的高频振荡器的线圈，所述玻璃泡中充有所述原子。
24.具体地，所述磁场模块，采用双层线圈绕制的方式。
25.具体地，所述粒子数差制备模块包括：微波腔和放置在微波腔内的吸收泡。
26.具体地，所述粒子数差制备模块的外壳设置了磁屏。
27.具体地，所述选态制备模块包括从充有所述原子的同位素的滤光泡。
28.具体地，所述原子为铷原子。
29.由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
30.(1)本实用新型一种高精度粒子数差制备平台，包括光源模块用于使原子受激辐射产生抽运光；选态制备模块用于采集所述原子的同位素原子，过滤聚焦后所述抽运光中的两个超精细结构成分；磁场模块提供外加磁场，用于将原子基态超精细结构发生分裂形成量子化轴；辐射场模块用于原子基态超精细结构发生共振跃迁；粒子数差制备模块用于将所述选态制备模块过滤后的所述抽运光照射下，将处于基态f＝1能态的原子抽运到基态f＝2能态；检测模块：通过量子纠偏，使得输出信号频率锁定于粒子数差制备模块中原子谱线的中心频率；本实用新型提供的方法能够高精度地实现增大粒子集居数差，便于对原子超精细子能级间微波或射频共振的观测，方便进行原子内部细微结构和变化的研究。
附图说明
31.图1是本实用新型提供的一种高精度粒子数差制备平台的结构图；
32.图2是本实用新型实施例提供的光谱线对比示意图；
33.图3是本实用新型实施例提供的过滤后的光谱示意图；
34.图4是本实用新型实施例提供的磁场线圈绕制示意图；
35.图5是本实用新型实施例提供的加热丝绕线示意图；
36.图6是本实用新型实施例提供的通电螺线管线圈剖面示意图；
37.图7是本实用新型实施例提供的辐射场模块中dds的输出相噪图；
38.图8是本实用新型实施例提供的辐射场模块中dds外围电路原理图；
39.图9是本实用新型实施例提供的辐射场模块中dds串行通讯时序示意图；
40.图10是本实用新型实施例提供的量化频率与粒子数差制备光检信号的强度关系图；
41.图11是本实用新型实施例提供的辐射场模块中dds芯片散热片安装机械示意图；
42.图12是本实用新型实施例提供的检测模块的结构图。
具体实施方式
43.本实用新型实施例提供了一种高精度粒子数差制备平台，能够高精度地实现增大粒子集居数差，便于对原子超精细子能级间微波或射频共振的观测，方便进行原子内部细微结构和变化的研究。
44.本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
45.如图1是本实用新型实施例提供的一种高精度粒子数差制备平台的结构图，具体包括：
46.光源模块101，用于使原子受激辐射产生抽运光；
47.光源模块为放置有玻璃泡的高频振荡器的线圈，所述玻璃泡中充有所述原子，光源是一个无极放电灯，它由一个充了
87
rb的小玻璃泡放在一个高频(约100mhz)功率振荡器的线圈制成。
87
rb原子从52p
3/2
和52p
1/2
态回到基态被辐射出的d1线和d2线。因每条都含有a,b线，故共有四条谱线。
48.所述选态制备模块102和粒子数差制备模块105依次设于所述光源模块101产生的所述抽运光的光路上。
49.选态制备模块102：选态制备模块包括从充有所述原子的同位素的滤光泡；用于采集所述原子的同位素原子，过滤聚焦后所述抽运光中的两个超精细结构成分；
50.选态制备模块102中充有
85
rb。
85
rb的光谱线同样有d1线和d2线，且每条线包含有两条超精细成分a和b。如图2是本实用新型实施例提供的光谱线对比示意图；对比
87
rb和
85
rb的光谱线可知：d1线和d2线情况基本一样，a，a线相距较近，b，b相距较远：
51.如图3是本实用新型实施例提供的过滤后的光谱示意图，故当
87
rb光源的抽运光经过
85
rb选态制备后，d1、d2线中的a线已被
85
rb滤光泡吸收掉，基本上只会剩下两条b线；
52.磁场模块103：提供外加磁场，用于将原子基态超精细结构发生分裂形成量子化轴；
53.所述磁场模块103，采用双层线圈绕制的方式。如图4，本实用新型实施例提供的磁场线圈绕制示意图，401为接电源出线口；402为磁感应线圈筒；403为外层漆包线线圈，404为内层漆包线线圈；为了使原子能级产生分裂产生弱磁场，且为更好的线圈统一从出线口出线，采用双层线圈绕制方式，由于通电导线上会产生磁场，这样由于控温作用会引起加热丝电流变化，即通电的加热丝会产生变化的磁场，影响上述磁感应线圈产生的弱磁场对原
子能级分裂的作用，故对加热丝采用双线拧麻花的绕线方式，以抵消通电电流产生的磁场，如图5是本实用新型实施例提供的加热丝绕线示意图；
54.系统统所需磁场的制法是采用螺旋管电流方式，根据右手螺旋定则，电流产生的磁场方向可以方便地给出。其大小可用下列公式计算：
[0055][0056]
上式为通电螺线管内磁场计算公式，
[0057]
其中，n为线圈单位长度匝数，i为通电电流，为一常数值10
－7
[0058]
通电螺线管轴线上离中心点x处点a，如图6所示：
[0059][0060]
对于线圈单位长度匝数n，假设实际磁场绕线的圈数为m，绕线的半径为r，则相应的n计算公式为
[0061][0062]
采用国际单位制，各参数的单位如下：
[0063]
磁感应强度b特斯拉，电流强度i安培，长度单位米，需要指出的是，平常所提及的磁感应强度b，往往用“高斯”作单位，转换关系是：1特斯拉＝104高斯。
[0064]
辐射场模块104：用于原子基态超精细结构发生共振跃迁；
[0065]
在频率变换器件中，100hz和1khz处的相噪是比较关键的技术指标，对用dds做成的综合器而言，它取决于dds输出信号的相噪、滤波环路的性能以及放大电路的附加相噪等，其后两项是根据实际设计的滤波及放大电路决定的，对于第一项则取决于实际采用的芯片种类；如图7为一款dds的输出相噪图；由图7可见采用内部倍频的方式在偏离1khz，输出5mhz时相噪为
‑
140dbc/hz；若直接采用300mhz的时钟时，相噪的性能在偏离1khz时为
‑
142dbc/hz。因此，为了提高dds输出信号的相噪性能，采用外部倍频法是一个比较好的选择，即把输入时钟信号在外部进行n倍频后加到dds上。
[0066]
dds在使用时，要通过微处理器或cpld对其信号、数据进行管理控制来实现具体应用中所需要的若干功能，如图8为本实用新型实施例选用的一款dds芯片外围电路示意图；
[0067]
其中，mclk引脚接外部时钟源，使dds的iout引脚输出端频率信号的稳定度与外部时钟源一致。对于内部没有pll倍频环节的dds芯片，通常mclk端输入时钟源的频率应高于iout端输出信号频率的4倍，如输出信号频率为5.3125mhz,那么mclk时钟端的信号频率应该大于20mhz，以期望得到更好的相位噪声，通过外部滤波电路后，可得到比较纯净的信号谱。fselect为键控调频信号输入端，也就是调制方波79hz信号输入端，实施例中使用的dds内部有两个频率控制寄存器，通过编程的方式将预先设置好的频率值f0、f1保存在寄存器中，当fselect端有有方波信号输入时(即电平上升沿或下降沿转换)，dds的iout端将会随之分别从频率控制寄存器中读出f1或f0的值作为输出，并且会保障频率信号在切换时相位
无变化。psel1、psel0为两路信号频率f1、f0的相位调节端，在应用中，如果需要保持f1、f0在切换时的相位连续，需要在设计中直接将psel1、psel0接地。dds与外界通讯的时序是通过引脚fsync、sclk、sdata来完成的，其串行通讯的时序如图9所示；当fsync为高电平时，sclk，sdata引脚为高阻状态。当fsync为低电平时，dds将处于通讯状态，此时引脚sclk有一下降沿的脉冲时，将使挂在数据总线sdata上的data写入dds数据缓冲区，直至最终一个data写入时，dds将根据引脚fselect上的状态选择f1或f0作为iout端的输出。
[0068]
实施例中选用的dds芯片内部有2个32位频率控制寄存器(f0、f1)，对照图9的串行通讯时序，在sdata端实际需要通信的data位就是32位。假设mclk外部输入时钟频率为20mhz，dds的最小的频率分辨率为：
[0069][0070]
iout输出20mhz时(实际上是不可能的，或是输出的信号谱将非常差)，对应的32位频率控制寄存器的值全为1；输出5.3125mhz时，对应数值为(5.3125mhz/20mhz)*2
32
，将所得到的十进制值转化为二进制对应32位频率控制寄存器的值。根据图9的串行时序，通过微处理器将相应的32位值写入dds缓冲区后，在iout引脚端将会产生5.3125mhz正弦波频率信号的输出。其峰峰值在50欧姆负载的情况下为1v左右，具体的峰谷、峰尖的电平可以通过引脚fsadjust端的外接电阻值进行调节。
[0071]
在具体的实际应用中，对输出的5.3125mhz正弦波信号，需要经过滤波、整形、放大等处理后才能引入到其它电路环节中。在设计时，为得到比较纯净的信号谱，在iout端输出后通常考虑接一带通滤波器或低通滤波器；当开始时，微处理器将频率信号5.3125mhz和0hz的值通过控制字命令写入dds的f0和f1寄存器中，同时通过键控调频fsk给dds的fselect引脚施加占空比为1：1的方波信号，以控制dds以fselect引脚键控调频fsk方波信号的周期切换内部寄存器的f0、f1频率信号，并且保持着相位无变化。同时，微处理器将产生一路与键控调频fsk方波信号同频同相的工作时序，当键控调频fsk方波信号为高电平1时，dds取寄存器f1中的5.3125mhz频率输出，同时，控制工作时序为1使能辐射场模块工作；同样当键控调频fsk方波信号为低电平0时，dds取寄存器f0中的0hz频率输出。同时，控制辐射场模块工作时序为0禁止辐射场模块工作。这样，在后续微波电路中，将得到脉冲式的相干微波探询信号。
[0072]
相干微波脉冲信号作用于粒子数差制备后，会得到一个光检信号输出至检测模块；然后微处理器改变dds相应的频率值f0、f1，再重复上述步骤。如果以二维坐标记录，x轴代表dds相应的频率值f0、f1(此时f0＝f1)经后续电路得到的微波控询信号的量化频率，y轴代表伺服记录的粒子数差制备光检信号的强度，则可得到图10；图10中，f0就是粒子数差制备模块中原子基态超精细结构0
‑
0跃迁的标准频率，
△
f1为粒子数差制备本身的自然线宽，而
△
f2为经过间隔脉冲作用的相干谱线线宽，显然
△
f2<
△
f1，由于压缩了线宽一方面可以提高系统的稳定度，另一方面，在原子中心频率f0及
△
f2之间的线型对称度要好。
[0073]
在微波辐射场作用下，原子是在上下两能级间振荡的，因而辐射能量周期地在吸收或发射，这是原子系统的驰豫过程造成的。当宏观物体处在热平衡时，各能级上的原子数遵从玻耳兹曼颁布，显然，在达到平衡以前，系统内必存在某种相互作用，使原子不同能级间跃迁，最终达到平衡分布，这种相互作用就是驰豫作用。驰豫的具体机制，对不同原子频
标是不一样的，而通常用驰豫跃迁几率来定义驰豫过程的快慢速率。
[0074]
而实际系统中，用能级寿命来反映驰豫时间，根据测不准关系，能级寿命决定了谱线宽度的极限。但实际上另外一些原因常使原子的能级寿命缩短，从而使谱线增宽。在现有的物理系统中，原子与微波场相互作用的时间决定于原子穿过微波场区域的时间，它往往比真正的能级寿命短得多，这里相互作用的时间t取代了原子能级寿命，决定了线宽。相互作用时间t越长，线宽越窄。通过微处理器产生的方波信号来控制辐射场模块工作及dds输出，从而产生脉冲式的微波辐射场，这相当于原子先后通过两个相位相同的微波辐射场，并与它们发生相干的相互作用，这样有效相互作用时间延长到这个间歇时间，而这时间可以不受物理系统谐振腔体体积的限制，从而有效压缩了线宽。
[0075]
为了实现同步，需要产生相互之间相位关系明确可调的一路79hz调制信号和二路79hz同步参考信号，这些信号的产生由一个微处理器或cpld通过相应的时钟中断或硬件分频技术来实现的。
[0076]
79hz的键控调频信号a是一个占空比1:1的方波信号；用于伺服环路同步鉴相用的信号b和c是矩形脉冲，与a路信号有固定的相位关系，且占空比不是1:1。
[0077]
在设计时，采用单片机内部16位定时器实现上述各路信号，实际选用的单片机的机器周期为0.2μs。对于16位定时器来说，最大定时时长为2
16
×
0.2μs，这远远小于79hz的周期，解决的方法是定义一个变量t、进行循环来实现。在单片机相应的引脚上(如p2.0)实现图5中方波a，只需在相应的16位定时器溢出中断响应函数中将p2.0引脚电平取反。同样的道理，可以在单片机另两个引脚上(p2.2、p2.3)实现b和c两路方波信号，只是b和c是在相位上与p2.0有一定的移相，占空比不是1:1的方波。实现的方法是“延时”，即数字移相。“延时”在单片机中是通过固定的机器执行周期语句来实现的。
[0078]
上述提及的机器周期是由加在单片机时钟端的外部时钟信号的频率决定的，其实在每一条语句的执行中也会涉及执行周期，不同的语句根据所执行命令行为的不同可分别为1个、2个、4个机器周期，但是同一个语句执行的周期是固定的，这就为“延时”机制提供了保障。
[0079]
需要指出的是：在单片机执行的过程中，由于在定时器中断函数中插入了许多功能语句，如“沿的判断”、“赋值”等，这将导致每一次定时器中断函数响应的时候，所需要执行的语句不一致，即所经历的机器周期总数不一致，从稳定度角度讲，这势必造成产生的79hz信号不稳定，但是由于伺服鉴相参考脉冲(p2.2、p2.3)与键控调频信号(p2.0)在产生程序上是密切关联的，即使79hz信号频率有所变化，但同步鉴相参考脉冲与79hz方波调制信号的相位关系始终是稳定的。这一点对于伺服电路是相当重要的。
[0080]
为了便于观察锁定信号，修改整机频率，在设计中设置了一个串口，与微处理器通信。当然这里需要有一个eeprom寄存器来保存修改后的参数，否则系统重新上电后，又会恢复到原先的设置。
[0081]
在串行通讯中，需要设置相应的协议，包括波特率、数据位、停止位、流控制等。调试时通过pc机串口发送相关命令字，即要在微处理器与pc机之间建立通讯，这就存在着rs
‑
232电平转换的问题，常用的单片机内部资源中一般是不提供的，需要外接诸如max232等芯片实现此功能。
[0082]
在实际应用中dds时钟频率比较高时，芯片会发烫，必须考虑dds的散热。但现有的
dds芯片不便安装散热片，在实际操作中，采取了简洁的方法实现了散热片的良好散热安装，保证了dds芯片的工作稳定。具体的安装机械示意图如图11所示。
[0083]
粒子数差制备模块105：用于将所述选态制备模块过滤后的所述抽运光照射下，将处于基态f＝1能态的原子抽运到基态f＝2能态；
[0084]
所述粒子数差制备模块包括：微波腔和放置在微波腔内的吸收泡，充有
87
rb，外加磁场使原子基态超精细结构发生分裂形成量子化轴。所加辐射场用于原子的共振吸收。
[0085]
经过选态制备被吸收掉a线的抽运光到达粒子数差制备模块后，粒子数差制备模块中的
87
rb原子若处在基态f＝1的能级上就会被b线抽运到52p
3/2
或52p
1/2
能级上去，但激发态生命很短，它们很快又会自发辐射返回基态。由于在激发态期间，碰撞使得激发态充分混杂，返回基态时落到f＝2能级及f＝1能级的几率几视为相等。但由于抽运光的存在，只要落到f＝1能级上又会被b线抽运到52p
3/2
或52p
1/2
能级上去；而由于没有抽运光的激发,落在f＝2能级上的原子却是稳定地停在这个能级上。由于这个过程的存在，抽运光作用的最后结果必然是把原子全部抽运到f＝2能级上(实际是全部的原子均匀分布在f＝2的五个能级上，每个子能级的原子数是全部原子数的1/5)，f＝1的能级被抽空。这样，f＝2和f＝1能级的经过光抽运粒子数差约增加了1000倍。
[0086]
为防止外界地磁对系统的影响，在粒子数差制备模块中外壳还设置了一个磁屏，通过中央处理器对场强计测量结果访问获得相应数据，对图的原始数据，是将同一测量设备在同一地点分别进行的测试，从中可以得出，地磁大小改变，经过磁屏后，进入到系统内的磁场将大大减小。
[0087]
检测模块106：通过量子纠偏，使得输出信号频率锁定于粒子数差制备模块中原子谱线的中心频率；
[0088]
如图12为检测模块106的结构图，探测系统1201用于产生原子探测信号作用于粒子数差制备。
[0089]
慢扫频源1202用以产生变化的频率信号施加给探测系统，使其原子探测信号发生变化。低频率信号发生器1203产生两路同频信号，其中一路对探测信号进行调制，产生探测信号两个对称边带频率f1、f2。另一路作为补偿检测模块的同步参考信号。
[0090]
补偿探测模块1204在同步参考作用下对鉴频信号进行同步鉴相，得到量子纠偏信号作用于慢扫频源，使其输出频率发生变化，从而最终使探测系统输出的探测信号频率锁定于粒子数差制备中的原子谱线中心频率，同时慢扫频率源给出标准频率输出。
[0091]
综上，本实用新型一种高精度粒子数差制备平台，能够高精度地实现增大粒子集居数差，便于对原子超精细子能级间微波或射频共振的观测，方便进行原子内部细微结构和变化的研究。
[0092]
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0093]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包
含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。