一种应用于离子光钟的端帽型离子阱装置及其装配方法 |
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| 申请号 | CN202311375019.X | 申请日 | 2023-10-23 | 公开(公告)号 | CN117423602A | 公开(公告)日 | 2024-01-19 |
| 申请人 | 中国计量科学研究院; | 发明人 | 戴少阳; 房芳; 王潮巍; 左娅妮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出一种应用于离子光钟的端帽型 离子阱 装置及其装配方法，该装置包括射频载体、一对帽 电极 、一对射频电极、熔融 石英 隔离件及熔融石英 定位 环；射频载体用于传导高压射频 信号 ；一对帽电极对称布置于所述射频载体内；熔融石英隔离件设置于帽电极与射频载体之间，以使帽电极与射频载体之间绝缘；一对射频电极对称设置，且一对射频电极穿设于相应的帽电极与射频载体之间，射频电极的顶端凸出于帽电极，高压 射频信号 经过一对射频电极，并在一对射频电极的顶端中心处形成高压射频场；熔融石英定位环套设于射频电极与帽电极之间，以使射频电极与帽电极之间绝缘。本发明保证了离子阱的对称性以及电极固定的 稳定性 ，保证离子囚禁的长期稳定。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种应用于离子光钟的端帽型离子阱装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种应用于离子光钟的端帽型离子阱装置及其装配方法技术领域[0001] 本发明涉及时间计量技术领域，尤其涉及一种应用于离子光钟的端帽型离子阱装置及其装配方法。 背景技术[0002] 光钟是实现下一代秒定义的复现装置，代表着最高的时间频率不确定度指标和稳定度指标，离子光钟则是其中最为重要的一类。通常将离子囚禁于离子阱内，通过激光冷却以及激光探测离子跃迁的方法，实现激光频率的稳定。 [0003] 离子光钟的离子阱主要有环形阱、线性阱以及端帽型阱三种，其中环形阱的对称性以及导热性较差，不利于离子光钟的黑体辐射；线性阱多用于多离子囚禁中；而端帽型离子阱则具有较大的荧光收集角，有利于提升单离子光钟的信噪比，但是由于端帽型离子阱尺寸较小并且对加工精度要求较高。 [0004] 因此，如何设计一种加工精度高、稳定性高且可以应用于离子光钟的端帽型离子阱仍是本领域待解决的技术问题。 发明内容[0006] 本发明第一方面提出的一种应用于离子光钟的端帽型离子阱装置，该装置包括：射频载体，所述射频载体的截面呈U型的半开口结构，用于传导高压射频信号；一对帽电极，一对所述帽电极对称布置于所述射频载体内；熔融石英隔离件，设置于所述帽电极与所述射频载体之间，以使所述帽电极与所述射频载体之间绝缘；一对射频电极，一对所述射频电极对称设置，且一对所述射频电极穿设于相应的所述帽电极与所述射频载体之间，所述射频电极的顶端凸出于所述帽电极，所述高压射频信号经过一对所述射频电极，并在一对所述射频电极的顶端中心处形成高压射频场；熔融石英定位环，套设于所述射频电极与所述帽电极之间，以使所述射频电极与所述帽电极之间绝缘。 [0007] 进一步的，该装置还包括：射频载体固定件，射频载体固定件用于连接所述射频载体和其他电极。 [0008] 进一步的，所述帽电极包括第一端部和第二端部，所述第一端部固定连接所述射频载体，且所述第一端部与所述射频载体之间设置有所述熔融石英隔离件；所述射频电极穿设于所述第二端部与所述射频载体之间，且所述第二端部与所述射频电极同轴设置。 [0010] 进一步的，所述帽电极的第二端部呈圆锥状，且所述帽电极的第二端部具有锥面，所述锥面与所述帽电极的第二端部的轴线方向之间的夹角为锐角。 [0011] 进一步的，所述帽电极的第二端部朝向离子阱中心一侧的边缘设置有圆弧倒角。 [0012] 进一步的，该装置还包括：帽电极电场导出件，所述帽电极电场导出件与所述熔融石英隔离件相垂直设置，且所述帽电极电场导出件设于所述熔融石英隔离件与所述帽电极之间，所述帽电极电场导出件用于链接所述帽电极和外接直流电压，以给所述帽电极加载直流电压。 [0013] 本发明第二方面提供一种端帽型离子阱装置的装配方法，该方法包括：对一对射频电极的顶端进行一次抛光；对射频载体、一对射频电极、一对帽电极、熔融石英定位环、熔融石英隔离件1及帽电极电场导出件进行清洗及烘烤；对一对射频电极的顶端进行二次抛光；对一对射频电极和一对帽电极进行镀金；将一对帽电极固定在射频载体内，且在帽电极与射频载体之间依次设置帽电极电场导出件和熔融石英隔离件；将熔融石英定位环套设在射频电极上；射频电极从射频载体外侧插入相应的帽电极，且射频电极的顶端凸出帽电极；测量并调整一对射频电极之间的间距、以及射频电极的顶端与帽电极之间的距离。 [0014] 进一步的，采用金刚石砂轮对射频电极的顶端进行一次抛光；采用离子束溅射对射频电极的顶端进行二次抛光。 [0017] 为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中： [0018] 图1是本发明实施例提供的应用于离子光钟的端帽型离子阱装置的结构示意图； [0019] 图2是本发明实施例提供的射频载体的结构示意图； [0020] 图3是本发明实施例提供的射频电极的结构示意图； [0021] 图4是本发明实施例提供的帽电极的结构示意图； [0022] 图5是本发明实施例提供的熔融石英定位环的结构示意图； [0023] 图6是本发明实施例提供的帽电极电场导出件的结构示意图。 [0024] 其中，101、射频载体，1011、支撑臂，1012、连接臂，1013、帽电极固定孔，1014、射频电极安装孔，1015、内螺纹，102、射频电极，1021、外螺纹，103、帽电极，1031、第一端部，1032、第二端部，1033、安装孔，1034、锥面，104、熔融石英定位环，1041、内孔，105、熔融石英隔离件，106、帽电极电场导出件，1061、通孔，107、紧固件，108、射频载体固定件，1081、连接孔。 具体实施方式[0025] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0026] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0027] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。 [0028] 图1是本发明实施例提供的应用于离子光钟的端帽型离子阱装置的结构示意图。下面结合附图，对本发明提出的端帽型离子阱装置进行详细说明。 [0029] 请参阅图1，本发明实施例提出一种应用于离子光钟的端帽型离子阱装置，该端帽型离子阱装置用于导入射频电场，使得射频电场经过一对射频电极，在一对射频电极的顶端中心形成离子囚禁场。 [0030] 请继续参阅图1，该端帽型离子阱装置包括射频载体101、一对射频电极102、一对帽电极103、熔融石英定位环104和熔融石英隔离件105。 [0031] 射频载体101为截面呈U型的半开口结构，用于传导高压射频信号。一对帽电极103对称布置于射频载体101内，帽电极103与射频载体101之间设置有熔融石英隔离件105，以实现帽电极103与射频载体101之间的绝缘。一对射频电极102对称设置，且一对射频电极102穿设于相应的帽电极103与射频载体101之间，且射频电极102的顶端凸出于帽电极103，高压射频信号经过一对射频电极102并在一对射频电极102的顶端中心处形成高压射频场。 射频电极102与帽电极103之间套设有熔融石英定位环104，以实现射频电极102与帽电极 103之间的绝缘。 [0033] 请参阅图2，射频载体101包括两对称设置的支撑臂1011以及连接于两支撑臂1011之间的连接臂1012，通过两支撑臂1011传导高压射频信号。射频载体101的两支撑臂1011上分别形成有帽电极固定孔1013和射频电极安装孔1014，其中，帽电极固定孔1013用于固定帽电极103；射频电极安装孔1014用于安装射频电极102，能够保证一对射频电极102的同轴性。 [0034] 本发明的射频载体101的两支撑臂1011对称设置，以保证最终离子阱电极装配后的对称性。 [0035] 请参阅图2，射频载体101的边缘处设有圆弧倒角，以减小离子阱中杂散电场。 [0036] 本发明采用U型的射频载体101，射频载体101是一次加工成型，采用一次成型的加工方法，可以保证一对支撑臂1011上的射频电极固定孔1013的同轴性，从而保证一对射频电极102以及一对帽电极的同轴，保证射频囚禁场的一致性和稳定性。 [0037] 本发明可以通过增加射频载体101的两支撑臂1011的横截面，增加射频载体101的导热性，降低射频电极102的温度，从而减小离子光钟的黑体辐射频移。 [0038] 请参阅图1，在一些实施例中，该端帽型离子阱装置100还包括射频载体固定件108，射频载体固定件108连接于射频载体101的连接臂1022，射频载体固定件108还用于连接其他电极，如真空法兰电极，以实现端帽型离子阱装置的固定。 [0039] 射频载体101通过射频载体固定件108与其他电极相连，实现射频电场的导入，射频电场经过一对射频电极102，在一对射频电极102的顶端中心处形成离子囚禁场。 [0040] 请参阅图1，射频载体固定件108上设置有两个连接孔1081，用于连接其他电极，如真空法兰电极，以实现端帽型离子阱装置的固定。 [0041] 图4是本发明实施例提供的帽电极的结构示意图。请参阅图4，帽电极103包括第一端部1031和第二端部1032，第一端部1031固定连接射频载体101的支撑臂1011，且第一端部1031与射频载体101的支撑臂1011之间设置有熔融石英隔离件105，通过熔融石英隔离件 105实现帽电极103与射频载体101之间的绝缘。射频电极102穿设于第二端部1032与射频载体101之间，使得高压射频信号经过射频电极102以在一对射频电极102的中心处形成高压射频场。帽电极103的第二端部1032与射频电极102同轴设置。 [0042] 请参阅图1，在一些实施例中，该端帽型离子阱装置100还包括紧固件107，通过紧固件107将帽电极103的第一端部1031固定连接射频载体101的支撑臂1011的帽电极固定孔1013上。示例性的，该紧固件107可为紧固螺丝。 [0043] 请参阅图4，帽电极103的第二端部1032设有安装孔1033，射频电极102的末端连接射频载体101，射频电极102的顶端穿设于安装孔1033并凸出于安装孔1033。 [0044] 在一些实施例中，帽电极103采用钼金属材质。帽电极103的第二端部1032呈圆锥状，且帽电极103的第二端部1032具有锥面1034，该锥面1034经过抛光后采用溅射法或者蒸发法镀金，该锥面1034能够增加通光角度。该锥面1034与帽电极103的第二端部1032的轴线方向之间的夹角为锐角，如40°。 [0045] 在一些实施例中，帽电极103的第二端部1032朝向离子阱中心一侧的边缘设置有圆弧倒角。由于圆弧倒角的辐射的杂散电场会比尖角要小很多，本发明将帽电极103朝向离子阱中心的棱角均使用圆弧倒角处理，能够减少辐射的杂散电场。 [0046] 图3是本发明实施例提供的射频电极的结构示意图。请参阅图3，射频电极102的末端设有外螺纹1021，射频载体101的射频电极安装孔1014内设置有与外螺纹1021相配合的内螺纹1015，以实现射频电极102的末端与射频载体101的螺纹连接。射频电极102的顶端呈圆柱状，且射频电极102的顶端采用10000目以上金刚石砂轮抛光后，再采用离子束溅射抛光，最终对该端表面采用溅射法或者蒸发法镀金。 [0047] 在一些实施例中，射频电极102采用钼金属材质。 [0048] 图5是本发明实施例提供的熔融石英定位环的结构示意图。请参阅图5，熔融石英定位环104呈圆环柱体状，熔融石英定位环104套设于射频电极102与帽电极103之间，能够保证射频电极102和帽电极103的同轴性，同时实现帽电极103和射频电极102之间的绝缘。 [0049] 熔融石英定位环104的内孔与射频电极102的中部紧配合，熔融石英定位环104的外径与帽电极103紧配合，确保了射频电极102和帽电极103的同轴设置。 [0050] 熔融石英定位环104的内孔1041边缘设有倒角，保证熔融石英定位环104可以与射频电极102和帽电极103紧密贴合。 [0051] 装配时，固定好一对帽电极103后，分别将熔融石英定位环104套设在射频电极102上，然后从射频载体101的两支撑臂外侧插入熔融石英定位环104和射频电极102，最终需要保证帽电极103套在熔融石英定位环104上，拧动射频电极102调整射频电极102位置，最终保证两个射频电极102顶端之间距离达到要求，如1mm等。 [0052] 请参阅图1，在一些实施例中，该端帽型离子阱装置100还包括帽电极电场导出件106，帽电极电场导出件106与熔融石英隔离件105相垂直设置，且帽电极电场导出件106设于熔融石英隔离件105与帽电极103的第一端部1031之间，帽电极电场导出件106用于链接帽电极103和外接直流电压，以给帽电极103加载直流电压。 [0053] 熔融石英隔离件105设于射频载体101和帽电极电场导出件106之间，用于支撑帽电极103固定，并实现帽电极103与射频载体101之间的绝缘。 [0054] 在一些实施例中，熔融石英隔离件105材质为熔融石英或者金刚石。 [0055] 图6是本发明实施例提供的帽电极电场导出件106的结构示意图。请参阅图6，帽电极电场导出件106设有两个通孔1061，其中，一个通孔1061用于连接帽电极103，另外一个通孔1061用于外接直流电压。示例性的，一个通孔1061通过陶瓷螺丝连接帽电极103，另外一个通孔1061通过螺丝外接直流电压。 [0056] 本发明的帽电极电场导出件106设于帽电极103和熔融石英隔离件105之间，用于支撑帽电极103固定，并作为帽电极103与直流电极的连接端口。 [0057] 在一些实施例中，帽电极电场导出件106和射频载体固定件108采用无氧铜材质。 [0058] 本发明实施例还提供一种端帽型离子阱装置的装配方法。该端帽型离子阱装置的装配方法包括以下步骤： [0059] 对一对射频电极102的顶端进行一次抛光； [0060] 对射频载体101、一对射频电极102、一对帽电极103、熔融石英定位环104、熔融石英隔离件105及帽电极电场导出件106进行清洗及烘烤； [0061] 对一对射频电极102的顶端进行二次抛光； [0062] 对一对射频电极102和一对帽电极103进行镀金； [0063] 将一对帽电极103固定在射频载体101内，且在帽电极103与射频载体101之间依次设置帽电极电场导出件106和熔融石英隔离件105； [0064] 将熔融石英定位环104套设在射频电极102上；射频电极102从射频载体101外侧插入相应的帽电极103，且射频电极102的顶端凸出帽电极103； [0065] 测量并调整一对射频电极102之间的间距、以及射频电极102的顶端与帽电极103之间的距离； [0066] 经射频载体101导入的射频电场经过一对射频电极102，在一对射频电极102的顶端中心形成离子囚禁场。 [0067] 本实施例中，采用10000目以上金刚石砂轮对射频电极102的顶端进行一次抛光。采用离子束溅射对射频电极102的顶端进行二次抛光。 [0068] 本发明通过采用离子束溅射的方法，使得射频电极102的顶端表面粗糙度降低，降低了杂散电场对离子加热的影响。 [0069] 本实施例中，对端帽型离子阱装置的所有零件(包括射频载体101、一对射频电极102、一对帽电极103、熔融石英定位环104和熔融石英隔离件105、帽电极电场导出件106)进行清洗，并分材质真空烘烤，无氧铜材质零件烘烤温度不能过高，防止高温引起的形变。 [0070] 本实施例中，采用溅射法或者蒸发法对一对射频电极102和一对帽电极103进行镀金。 [0071] 在本实施例中，将一对帽电极103分别采用紧固件107固定在射频载体101内，帽电极103与射频载体101之间依次放置帽电极电场导出件106和熔融石英隔离件105，紧固件107不拧紧。待所有零件装配完成后，拧紧紧固件107，保证帽电极103装配的稳定。 [0072] 在本实施例中，将一对射频电极102分别通过射频载体101的一对支撑臂1011插入帽电极103，顺时针拧射频电极102，使得射频电极102的顶端从帽电极的锥面上的通孔1033内穿出。 [0073] 在本实施例中，在成像测量显微镜下，测量一对射频电极102之间的间距，以及射频电极102的顶端与帽电极103的锥面1033顶端距离，拧动射频电极102以调整一对射频电极102之间的间距，以及射频电极102的顶端与帽电极103的锥面1033顶端距离，确保离子阱的对称性。 [0074] 本发明通过紧固件107将帽电极103固定在射频载体101内，并在帽电极103与射频载体101之间依次放置帽电极电场导出件106和熔融石英隔离件105，其中，帽电极电场导出件106用于链接帽电极103和外接直流电压，熔融石英隔离件105用于保证帽电极103和射频载体101之间的绝缘；在初步固定好一对帽电极103之后，分别将熔融石英定位环104套在射频电极102上，在从射频载体101的两臂外侧插入熔融石英定位环104和射频电极102，最终需要保证帽电极103套在熔融石英定位环104上，拧动射频电极102调整电极位置，最终两个射频电极102的顶端之间距离满足要求；然后拧紧紧固螺丝107，确保帽电极103的稳定；射频载体101通过射频载体固定件108与其他电极相连，实现射频电场的导入，射频电场经过射频电极102，在一对射频电极102的顶端中心形成离子囚禁场。 [0075] 上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。 |
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