专利名称：一种氢原子超精细结构能级测试方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于量子物理领域，适用于量子物理实验及教学。亦可作为原子频标研制中束光学系统相关部件测试装置。
背景技术：
在近代物理中，为了描述原子核外电子运动，丹麦物理学家波尔(Niels HenrikDavid Bohr，1885 1962)在1931年指出原子核外电子运动的半径和能量是量子化的，并提出了主量子数η的概念。薛定谔(Erwin Schrodinger，1887年 1961年)，在1925年底到1926年初，从经典力学和几何光学间的类比，提出了对应于波动光学的波动力学方程，即薛定愕方程(Schrodinger wave equation)。在解薛定愕方程过程中，完整描述电子状 态，必须要三个量子数，主量子数η、角量子数I、磁量子数m，从实验事实出发自旋磁量子数ms被提出，自此奠定了量子物理的基础。在原子光谱学方面，20世纪著名的斯特恩-盖拉赫实验(Stern-Gerlach experiment),它证实了原子的磁矩在外场中取向是量子化的，即角动量在空间的取向是量子化的。在四个量子数的作用下，原子的精细结构从光谱中找到，考虑原子核的自旋磁矩，发现了原子的超精细结构。目前还没有公认的成熟方法和仪器能够直观地测试出氢原子超精细结构能级结构的分布状况，而在量子物理实验研究和教学中迫切需要直接观测原子超精细结构能级分裂的装置。
发明内容
技术问题本发明提出一种基于由氢分子电离而成的高、低能态氢原子在一定梯度的磁场中发生不同方向的偏转的原理，利用氢原子的热性能，采用热敏性传感器构成成像靶的氢原子超精细结构能级测试(显示)方法及装置。技术方案本方法的研究原理说明如下基态氢原子在微弱磁场(磁场强度为H)中具有四个超精细结构能级,其能量可表示为￡ = —+±^~(l + 2mFx + :t2p"(I)式(I)中，F= I 时，mF = 0，±1，取“ +，，，F = O 时，mF=0，取;h 为普朗克常
数；u为跃迁信号的频率；μΒ为玻尔磁子，F为主量子数；对于基态氢原子gf2. 002284,
gl=0. 003042，X =〃。由式(I)得到各个能态氢原子能量随外磁场强度变化的关
系，如图I所示。如图2所示的四极偏转磁铁由四个磁极组成，沿磁铁长度方向上磁势是均匀的，且每个磁极占据60°时，其磁势V和磁场强度H分别为
权利要求
1.一种氢原子超精细结构能级测试方法，其特征是本方法基于氢原子核自旋和电子自旋的耦合使氢原子具有磁矩；使具有磁矩的氢原子在磁场中受到磁场的作用力If = 1，mF=0>和|F= I,mF=l>两能态原子为负磁矩态氢原子,受到向心力；|F= l,mF=-l>和|F =O，mF=0>两能态原子为正磁矩态氢原子，受到散射力；便产生了负磁矩态氢原子被聚焦，而正磁矩态氢原子被散射的不同运动轨迹；在成像靶平面内，高、低能态氢原子呈现不同的分布；基于电离氢原子的热效应，使用热敏性传感器制成的成像靶感应电离氢原子，并采集热传感器的测试数据，进行数据分析得到氢原子的分布规律；所述F为基态氢原子角量子数，mF为磁量子数。
2.一种实现权利要求I所述测试方法的装置，其特征是包括氢源系统、电离系统、微泄流孔准直器、偏转磁铁、成像靶、真空系统、距离调节波纹管、数据采集装置和计算机分析系统； 所述氢源系统包括储氢装置和氢气提纯装置，所述储氢装置的氢气经氢气提纯装置再注入到电离系统； 所述电离系统包括电离泡及高频电离电源；所述电离泡为石英玻璃材质的圆柱体泡；来自氢源系统的氢气在电离泡中电离，高频电离电源提供给电离所需能量； 所述微泄流孔准直器上的泄流孔的孔深径比> 10 ;所述偏转磁铁形成的中心孔隙具有磁场梯度；溢出电离泡的氢原子通过泄流孔进入偏转磁铁中心孔隙，最后打到成像靶的靶平面上； 在偏转磁铁和成像靶之间设有距离调节波纹管，偏转磁铁和成像靶分别安装在距离调节波纹管两端，偏转磁铁和成像靶之间的距离可调； 所述成像靶由瓷片板构成靶基板，靶基板上有多根钼电阻丝构成的热电阻传感器阵列；数据采集装置采集传感器阵列上的电阻值，最后把采集到的电阻值数据传给计算机分析系统。
3.根据权利要求2所述的的装置，其特征是储氢装置包括储气瓶、钯银合金提纯器和可调加热器；流出储气瓶的氢气经过钯银合金提纯器提纯，可调加热器对钯银合金提纯器进行加热； 氢气提纯装置是采用80L的机械-分子泵组合泵组实现从大气压到KT3Pa低真空抽气，再采用100L溅射离子泵将气压从KT3Pa降至10_6Pa。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征是电离电源采用皮尔斯振荡电路构成感应耦合电离系统；本电离系统采用Olmm直径的漆包线环绕4圈制作成平面盘绕渐开式馈能天线；天线在皮尔斯振汤电路中充当振汤电路中的振汤电感，振汤器功率管选用40W的超闻频大功率管，电离源振荡频率为80MHz IOOMHz，功率约为IOW ； 高频电流流过馈能天线产生高频电磁场，石英玻璃制成的电离泡中的氢气中存在的少量自由电子(约103/cm3)在高频电场的作用下加速而获得平均动能；高速电子与氢分子发生非弹性碰撞产生能量转移，氢分子获得能量而离解成两个氢原子，且放出光子和热。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述微泄流孔准直器的泄流孔是通过机械加工而成的孔径Φ0. 1mm、孔深Imm微孔。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述偏转磁铁设计为四极偏转磁铁，磁铁长度为80mm,相对N、S极之间的半径A为I. 2mm,磁极顶点的磁感应强度Btl为O. 9T,磁场梯度为 I. 8±0· 18T/mm ； 四极偏转磁铁由两对磁极组成，沿磁铁长度方向上磁势是均匀的，且每个磁极占据60°，其磁势V和磁场强度H分别下式表示 式中，Htl为磁极顶点的磁场强度；Γ(ι为磁极半径；r为场点半径，Θ为场点极距角。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述成像靶由瓷片板构成靶基板，由36根Φ25ιιπκ长22mm的钼丝按O. 5mm的间距焊接安装成为热电阻传感器阵列，用于测量靶位处垂直平面内22X18mm面积上的温度分布；成像靶装在靶室内。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述距离调节装置采用不锈钢波纹管，用来连接移动成像靶和偏转磁铁；所述不锈钢波纹管为V型不锈钢波纹管，采用单波焊工艺连接而成，其伸张度为50% ;通过旋转把手带动不锈钢波纹管实现距离的调节。
全文摘要
本发明公开了一种氢原子超精细结构能级测试方法及显示装置，该装置适用于量子物理专业实验研究和教学中，用以测试并显示氢原子超精细结构能级。根据量子力学原理，纯净氢气经过电离后离解为氢原子，产生的基态氢原子具有四个超精细能态，即|F＝1，mF=＋1>、|F＝1，mF=0>(高能态)和|F＝1，mF=-1>、|F＝0，mF=0>(低能态)，其中F为基态氢原子角量子数，mF为磁量子数。该装置基于基态氢原子通过一定梯度的磁场后呈现高能态氢原子向中心聚焦而低能态氢原子向边缘偏转的原理制成，由氢源系统、电离系统、微泄流孔准直器、偏转磁铁、成像靶、真空系统、距离调节装置及支撑架、数据采集和分析软件等组成。
文档编号G01J3/02GK102928080SQ20121042781
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者李建清, 邱实, 王勇, 尹航, 汪俊 申请人:东南大学