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一种磁屏蔽冷腔及其在超高精度光钟制造中的应用
申请号	CN202111349468.8	申请日	2021-11-15	公开(公告)号	CN114047681B	公开(公告)日	2023-06-09
申请人	华东师范大学;			发明人	徐信业; 金涛韫; 谯皓; 周敏;
摘要	本发明公开了一种磁屏蔽冷腔，所述磁屏蔽冷腔为空心圆柱体结构，圆柱体上下平面中间分别有一个通光孔，圆柱体侧面两侧沿母线方向对称地设置有两个凹糟，所述凹槽安装有温度探头测量冷腔温度。所述磁屏蔽冷腔选用低温高磁导率材料；所述低温高磁导率材料包括掺铜的铁镍合金、掺钼和铜的铁镍合金、掺锰和铜的铁镍合金等。所述磁屏蔽冷腔内壁做涂层处理，内壁表面的辐射吸收率在贡献黑体辐射的波长处>90％。所述磁屏蔽冷腔的冷源为脉冲管制冷机。本发明还公开了上述磁屏蔽冷腔在冷原子钟跃迁探测时抑制和消除黑体辐射和外界磁场对钟跃迁不稳定度影响及超高精度光钟制造中的应用。本发明还公开了包含上述磁屏蔽冷腔的超高精度光钟。
权利要求	1.一种磁屏蔽冷腔，其特征在于，所述磁屏蔽冷腔为空心圆柱体结构，圆柱体上下平面中间分别有一个通光孔，用以通过移动光晶格将原子移动至冷腔中进行钟探询；圆柱体侧面两侧沿母线方向对称地设置有两个凹槽；所述凹槽安装有温度探头测量冷腔温度；所述温度探头选自铂电阻温度计、热敏电阻、热电偶中的一种或几种；所述温度探头用EPOXY150超高真空兼容型环氧树脂紧密固定于凹槽中；所述温度探头为四线制高精度测量；所述磁屏蔽冷腔选用低温高磁导率材料，所述低温是指10K量级的温度，所述高磁导率 4 5 是指相对磁导率为10 ‑10 ；所述低温高磁导率材料包括掺铜的铁镍合金、掺钼和铜的铁镍合金、掺锰和铜的铁镍合金；所述磁屏蔽冷腔的冷源为脉冲管制冷机，采用一根热缓冲管。 2.如权利要求1所述的磁屏蔽冷腔，其特征在于，所述磁屏蔽冷腔内壁做涂层处理，所述涂层的辐射吸收率在贡献黑体辐射的波长处>90％；所述贡献黑体辐射的波长为1‑30μm。 3.如权利要求2所述的磁屏蔽冷腔，其特征在于，所述涂层处理为将内表面事先打磨清洗处理，然后使用热控电解法，化学镀膜或热喷涂法方法让内壁附上辐射吸收率>90％的涂层。 4.如权利要求3所述的磁屏蔽冷腔，其特征在于，所述涂层材料为氧化铜、黑镍、黑铬或铝‑氮材料。 5.如权利要求1所述的磁屏蔽冷腔，其特征在于，所述冷腔和脉冲管制冷机通过可传递温度的低温底座连接；所述低温底座中心有适配冷腔形状的开槽，所述冷腔和所述低温底座完全贴合，依靠重力和3个螺钉实现紧密接触，保证温度的良好传递性和均温性。 6.如权利要求1‑5之任一项所述的磁屏蔽冷腔在冷原子钟跃迁探测时抑制和消除黑体辐射和外界磁场对钟跃迁不稳定度影响中的应用。 7.如权利要求1‑5之任一项所述的磁屏蔽冷腔在超高精度光钟制造中的应用。 8.一种包含如权利要求1‑5之任一项所述的磁屏蔽冷腔的超高精度光钟。
说明书全文	一种磁屏蔽冷腔及其在超高精度光钟制造中的应用技术领域 [0001] 本发明属于精密光谱与精密测量技术领域，涉及一种磁屏蔽冷腔及其在超高精度光钟制造中的应用。背景技术 [0002] 当前实验上基于超冷中性原子和单个囚禁离子的光频标测量，其不稳定度和不确‑18定度都已达到了10 量级，尤其基于多原子探测的中性原子光钟，其精度更已可以达到10‑19 量级，远高于目前最好的铯原子频标的性能。在计量学、守时、全球定位及深空导航系统等方面展现出了巨大的作用，同样也在基础物理研究领域表现出了非常重大的应用价值。在原子钟的性能评估中，不确定度和不稳定度是两个最重要的指标。受环境，原子与激光作用等多方面的影响，会引入各式各样的频移，而黑体辐射和磁场又是影响原子钟性能的两个很重要因素。 [0003] 在原子光钟实验中，对于黑体辐射引起的频移，目前采用的方式，一般为用温度探头直接测量原子位置的温度，或者测量原子周围真空腔体的温度，然后通过仿真模拟获得原子处温度，通过精确测量获得黑体辐射引起的频移值。然而直接测量的方式无法在实验过程中进行，间接测量的方式获得的温度则与原子处实际温度存在一定差异，并容易产生较大的不确定度。同时也有对原子周围温度进行主动稳定的方式，以使黑体辐射频移具有较小的不确定度，然而这种方法实现起来复杂，装置庞大，不利于光钟小型化。除此之外，还有在真空腔中放置冷腔，将原子移入冷腔中进行钟探询，以减弱黑体辐射对钟跃迁的影响，由于黑体辐射频移与温度关系满足：为静态极化率，T为温度，这种方式将可以极大的减小环境温度对原子的影响。 [0004] 为了抑制外界磁场对原子钟跃迁稳定度的影响，采用的通常为外加分裂磁场，将原子塞曼子能级分裂，然后进行双峰探测的方法。在弱磁场下，原子塞曼子能级分裂满足Δ2 v＝αB+βB +…，其中B为外界磁场，α和β为一阶和二阶塞曼系数。对于磁量子数相反的塞曼子能级，其一阶塞曼分裂大小相同，方向相反，因此对分裂后双峰频率相加，将可以消除一阶塞曼效应对钟跃迁能级的影响。然而对于二阶塞曼效应，双峰探测的方法将不能进行消除。同时，由于外界磁场会随时间发生变化，在双峰探测两次时间内，磁场将会不同，从而产生剩余一阶塞曼频移。为了减小外界磁场起伏对原子稳定度的影响，目前也有采用主动磁场补偿技术，通过在原子附近放置高精度磁场计探测背景磁场起伏，然后通过原子附近的线圈，进行主动补偿，但这种方法具有较大的延时性，无法对高频磁场进行较好补偿；同时磁场计探测位置磁场无法完全代表原子所在处磁场，原子处仍将会有一定的剩余磁场存在。发明内容 [0005] 为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种磁屏蔽冷腔及其在超高精度光钟中的应用，即将更低温度的冷腔和磁屏蔽材料进行结合，同时抑制多种频移，实现所述磁屏蔽冷腔在超高精度光钟制造中的应用。 [0006] 黑体辐射频移和磁场引起的塞曼频移是限制目前光钟精度的两个重要方面，也是本发明需要解决的两个主要问题。 [0007] 首先是黑体辐射频移。钟探询原子所处的真空腔作为一个封闭的黑体，其腔体温度就会引起黑体辐射频移，而要想确定该频移就需要精确测量原子团所处环境的温度，目前采用的方法基本为在真空腔表面布置温度探头，从而模拟出腔中心处的温度，或者直接用腔内温度探头进行测量。对温度的精确测量确实可以降低黑体辐射的不确定度，但是腔体本身所处的室温(～300K)限制了其不确定度的极限，即使更精确的测量也难以将黑体辐射不确定度进一步降低。 [0008] 磁场方面，环境磁场的起伏所造成的的谱线杂乱问题是困扰光钟实验的重要问题，它极大影响了钟跃迁谱线的稳定性以及光钟实验的可复现性。为了获得更稳定的钟跃迁谱线，光钟实验中一般是利用三个正交方向的类亥姆霍兹线圈补偿线圈对环境磁场及Zeeman减速器在腔中心产生的剩余磁场进行补偿，以使得原子所处位置的剩余磁场为零。但这样的系统过于庞大，不利于光钟小型化，并且每次实验调节补偿磁场大小也是一个很浪费时间的过程，不利于光钟的长期运行。 [0009] 本发明的核心为，在真空腔内内置一具有磁屏蔽作用的冷腔，既起到了降温的作用，又起到了磁屏蔽的作用。 [0010] 本发明提供了一种磁屏蔽冷腔，所述磁屏蔽冷腔为空心圆柱体结构，圆柱体上下平面中间分别有一个通光孔，圆柱体侧面两侧沿母线方向对称地设置有两个凹槽。 [0011] 所述凹槽安装有温度探头测量冷腔温度；所述温度探头为四线制高精度铂电阻温度计，正负极引脚各接两根导线构成四线制测量，并且用EPOXY 150超高真空兼容型环氧树脂将电阻紧密固定于凹槽中，该真空胶在低温下有高导热率，低放气率，低温固化等性质。所述铂电阻温度计也可以用热敏电阻、热电偶等替代。 [0012] 所述磁屏蔽冷腔选用低温高磁导率材料，所述低温是指10K量级的温度，所述高磁4 5 导率是指相对磁导率为10‑10 ；所述低温高磁导率材料包括掺铜的铁镍合金、掺钼和铜的铁镍合金、掺锰和铜的铁镍合金等，优选地，为掺钼和铜的铁镍合金。 [0013] 所述磁屏蔽冷腔内壁做涂层处理，所述内壁表面的辐射吸收率在贡献黑体辐射的波长处>90％；所述贡献黑体辐射的波长为1‑30μm，尤其是10μm处。所述涂层处理是指通过将内表面事先打磨清洗，然后使用热控电解法、化学镀膜或者热喷涂法等方法，使得内壁附上辐射吸收率>90％的涂层。 [0014] 所述涂层材料为氧化铜、黑镍、黑铬或氮化铝。 [0015] 所述磁屏蔽冷腔的冷源为脉冲管制冷机，能够提供相比于现有光钟冷腔更低的冷腔温度。 [0016] 所述冷腔和脉冲管制冷机通过可传递温度的低温底座连接；所述冷腔与脉冲管制冷机传递温度的低温底座的连接如图1(d)所示，所述低温底座中心有适配冷腔形状的开槽，所述冷腔和所述低温底座完全贴合，依靠重力和3个螺钉实现紧密接触，保证温度的良好传递性和均温性。 [0017] 冷腔结构中涉及数值参数是考虑到到磁屏蔽效果，黑体辐射频移不确定度，移动光晶格以及光束直径，以及和真空腔的几何关系得到的较优参数。其中高度和内外半径均可有1mm内的调整空间，厚度和通光孔径有0.1mm的调整空间。 [0018] 在具体应用过程中，在光钟实验中，冷原子所处环境必须是超高真空，并且冷腔需要具有很好的均温性。低温下的辐射漏热和接触热阻的复杂性，为均温的实现增加了挑战。本发明冷腔的冷却采用脉冲管制冷机为冷源满足实验要求。脉冲管制冷机是利用高压气体在脉管空腔中的绝热放气膨胀过程获得制冷效应，回热器用于累计循环中所得的冷量，并传递给下一次循环的入流气体，以提高制冷效率，是继斯特林制冷机之后出现的一种新型小型低温制冷机。脉冲管制冷机与斯特林制冷机相比，采用一根热缓冲管(金属薄壁管)替代了斯特林制冷机冷端排出器，消除了低温下唯一的运动部件，结构更简单，可靠性、稳定性和寿命得到进一步的提升，并且效率很高，适合作为真空腔内的制冷装置，可以将冷腔冷却到更低的温度。 [0019] 为了获得冷腔内温度，在冷腔侧面对称切削了两个凹槽，用于安装四线制铂电阻温度计，实时检测冷腔内部的温度变化。冷腔成空心圆柱体，上下方有两个小孔，在实际工作中，冷原子从上方小孔进出冷腔，实现移动控制，进行相关的量子物理实验。所述凹槽的尺寸为长4mm，宽1mm，深0.5mm。 [0020] 本发明的冷腔圆柱体高度为10±1mm，内外半径分别为2±0.1mm和3±0.1mm，即厚度1±0.1mm，上下有0.25±0.05mm半径的通光孔。 [0021] 关于冷腔内壁的问题，冷原子需要外界的辐射对它的影响越小越好的环境，所以内壁表面的吸收率要在贡献黑体辐射的波长(1‑30μm，尤其是10μm)处尽可能高，减小反射的影响，一般需要吸收率在贡献黑体辐射的波长处>90％。 [0022] 其次，对于其磁屏蔽效果，冷腔则采用磁导率较大且耐超低温(低温指的是约10K量级的温度)的材料制作而成(如掺铜的铁镍合金、掺钼和铜的铁镍合金、掺锰和铜的铁镍合金等，在液氮温度下仍然有很高的磁导率)，从而保证在具有抑制黑体辐射效果的同时也对环境磁场具有好的屏蔽效果。 [0023] 本发明还提供了上述的磁屏蔽冷腔在冷原子钟跃迁探测时抑制和消除黑体辐射和外界磁场对钟跃迁不稳定度影响中的应用。 [0024] 本发明还提供了上述的磁屏蔽冷腔在超高精度光钟制造中的应用。 [0025] 本发明还提供了一种包含上述的磁屏蔽冷腔的超高精度光钟。 [0026] 在光钟中应用本发明所述的磁屏蔽冷腔，即让原子在真空低温磁屏蔽的环境中被‑18探测，能够在不使用外部控温和磁场补偿的情况下达到优于5×10 的黑体辐射频移不确定度和对谱线0.01Hz量级的磁场塞曼分裂影响。 [0027] 如图5所示，原子通过冷原子系统和激光系统被冷却并囚禁在真空腔中心，磁屏蔽冷腔位于腔中心原子团下方，腔外的脉冲管制冷机通过低温底座等温度传递结构可将腔内的冷腔温度降低到10mK量级。实验中通过移动光晶格将原子团移动到冷腔中进行钟探询，让原子处于低温磁屏蔽的良好环境之下。 [0028] 有益效果：本发明在真空腔内内置一温度极低的冷腔(＜60K)，远低于室温(～300K)，这样能够将黑体辐射频移的不确定度降低一个量级。而冷腔采用磁屏蔽材料，这样该冷腔既起到了降温的作用，抑制黑体辐射频移，又起到了磁屏蔽的作用，从而能够省去笨重的补偿线圈，更利于系统小型化，由此达到简化系统体积的同时，降低了光钟的频移不确定度，增加了光钟实验的稳定性和复现性。这就是本发明所解决的问题和创新点，该发明也为未来高精度的可移动光钟提供了技术支持。附图说明 [0029] 图1是本发明磁屏蔽冷腔以及温度探头的结构图。图1(a)为冷腔结构示意图，图1(b)为温度探头结构示意图，图1(c)为温度探头装配在冷腔上的结构示意图，图1(d)为冷腔装配在低温底座上的结构示意图。 [0030] 图2为退磁因子N随着轴径比P的变化趋势图。 [0031] 图3为轴向屏蔽系数SA和轴径比P的关系图。 [0032] 图4为温度为300K时静能态密度ρλ与波长λ的关系曲线。 [0033] 图5为冷腔在光钟实验真空腔中的结构示意图。具体实施方式 [0034] 结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。 [0035] 本发明提供了一种磁屏蔽冷腔，所述磁屏蔽冷腔为空心圆柱体结构，圆柱体上下平面中间分别有一个通光孔，圆柱体侧面两侧沿母线方向对称地设置有两个凹槽。 [0036] 所述凹槽安装有温度探头测量冷腔温度；所述温度探头为四线制高精度铂电阻温度计。正负极引脚各接两根导线构成四线制测量，并且用高真空低温胶将电阻紧密固定于凹槽中，该真空胶在低温下有高导热率。 [0037] 所述磁屏蔽冷腔选用低温高磁导率材料，所述低温是指10K量级的温度，所述高磁4 5 导率是指相对磁导率为10‑10 ；所述低温高磁导率材料包括掺铜的铁镍合金、掺钼和铜的铁镍合金、掺锰和铜的铁镍合金等。 [0038] 所述磁屏蔽冷腔内壁做涂层处理，所述内壁表面的辐射吸收率在贡献黑体辐射的波长处>90％；所述贡献黑体辐射的波长为1‑30μm。 [0039] 所述磁屏蔽冷腔的冷源为脉冲管制冷机。 [0040] 本发明磁屏蔽冷腔的具体技术特征如下： [0041] 1磁屏蔽 [0042] 1.1磁屏蔽材料 [0043] 磁屏蔽装置通常由高磁导率的软磁材料制备而成。软磁材料具有较小的矫顽力和较高的磁导率，可迅速响应外部磁场的变化，易被磁化，又易退磁。本发明选用的是超低温磁屏蔽用软磁合金材料，选用掺铜的铁镍合金，随着温度降低磁导率会提高，能够在极低温5 度下有较高的磁导率。其相对磁导率μr为10 量级，饱和磁通密度Bs约为0.9T，矫顽力约为 0.5A/m，本发明使用这种材料作为磁屏蔽材料。 [0044] 1.2磁屏蔽效果 [0045] 磁屏蔽系数S为磁屏蔽装置外磁场Hout和内磁场Hin的比值： [0046] [0047] 1.2.1 单层球形磁屏蔽装置 [0048] 单层球形屏蔽装置的磁屏蔽系数可表示为： [0049] [0050] 其中μr为相对磁导率，Rin和Rout为内外半径，d＝Rout‑Rin为厚度。当μr＞＞1且d＜＜R(R为Rin和Rout的平均值)时，上式可简化为： [0051] [0052] 若取R＝2.5mm，d＝1mm，μr＝1×105，则S球＝2.7×104。 [0053] 1.2.2单层圆柱形磁屏蔽装置 [0054] 相比于其他形状的屏蔽装置，圆柱形结构因其易于加工和固定，常被用于作为磁屏蔽装置的设计结构。当相对磁导率μr＞＞1时，屏蔽筒的横向磁屏蔽系数可表示为： [0055] [0056] 同样的，当d＝Rout‑Rin＜＜R时，公式可简化为： [0057] [0058] 与圆柱体长度无关，若取R＝2.5mm，d＝1mm，μr＝1×105，则ST＝2×104。 [0059] 而长度为L的单层圆柱筒中心处的轴向屏蔽系数表达式为： [0060] [0061] 其中N为退磁因子，其表达式为： [0062] [0063] 其中，p＝L/2R为轴径比。根据退磁因子公式可得出N随着P的变化趋势，如2图所示。 [0064] 图3为轴向屏蔽系数SA和轴径比P的关系。 [0065] 若轴径比P＝2，即R＝2.5mm，L＝10mm，则轴向磁屏蔽系数也能达到104量级，与横向相当，也与R＝2.5mm的球形屏蔽效果相当。 [0066] 考虑到该屏蔽结构还要作为冷腔使用，考虑到冷腔与低温底座的安装紧密以及充分接触性，加工固定的稳定程度，以及温度探头在冷腔上的放置问题，可选圆柱形作为磁屏4 蔽冷腔形状。采用之前所述参数可以让各方向磁屏蔽系数达到10 ，若环境磁场为0.1G量级，则腔中心磁场可达＜0.01mG量级，对于光钟实验的谱线影响＜0.01Hz，在1Hz量级的线宽下是一个很小的影响，可以免去调节磁场的过程。 [0067] 2冷腔对黑体辐射的抑制 [0068] 黑体表现为将投射在它上面的辐射全部吸收而无反射。在实验中，本发明的冷腔就是一个黑体，具有黑体辐射效应。根据普朗克黑体辐射方程，黑体辐射能量密度ρλ满足： [0069] [0070] 其中ρλdλ是黑体内波长在λ到λ+dλ之间的辐射能量密度，c是光速，kB是玻尔兹曼常量，T是黑体的热力学温度，h是普朗克常量。如图4所示，室温下波长为10μm左右时的能态密度最大，说明该波长下的辐射能量最强。 [0071] 对于光钟实验，黑体辐射会对钟跃迁上下能级产生影响从而造成频移。黑体辐射频移产生的根本原因为剩余电荷形成的电场，因此考虑电场引起的能级移动分为静态动态两部分。 [0072] [0073] 其中，h是普朗克常量，Δα是上下能级极化率的差值。T是温度T下BBR辐射的均2 4 方电场，可以算出为(831.9V/m) (T/300K) ，Δνdyn(T)是动态极化率项。最终黑体辐射频移可以表达成这个式子： [0074] [0075] 其中Δνstat和Δνdyn分别是静态项和动态项，T0＝300K是室温，可以看到，BBR频移和原子团所处环境温度T有很大的关系，能够降低实验中原子团所处环境温度便能有效降低频移和不确定度。 [0076] 若采用上文提到冷腔的结构，上下采用0.25mm半径的通光孔，则以最常见的Sr，Yb‑18光钟为例，若冷腔温度为60K，可以到达mHz量级的频移和优于5×10 的频移不确定度(室‑17 温下为Hz量级的频移和10 量级的频移不确定度)。 [0077] 与现有冷腔相关技术相比，制冷效果大约能够降低20K，以Sr，Yb光钟为例，黑体辐射产生的频移值可降低一半。若均不采用线圈补偿，磁场对冷腔内原子的影响可降低4个量级。 [0078] 本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

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