矩形磁场线圈装置制造方法
【专利摘要】一种用于原子芯片干涉仪的矩形磁场线圈装置，特征在于其构成包括一对矩形亥姆霍兹线圈组成的矩形转移线圈对，一对矩形反亥姆霍兹线圈组成的MOT线圈对，由矩形亥姆霍兹线圈构成的x向偏置线圈对、y向偏置线圈对、z向偏置线圈对，该装置的主要作用是为原子的冷却、囚禁和转移过程提供各类空间磁场，并为原子芯片磁阱提供所需的外部偏置磁场。本发明装置的特点是：磁场线圈均采用矩形结构，结构更为紧凑、稳定和小型；该装置兼顾了原子干涉仪研究中对冷却光、反抽运光、抽运光、探测光、分束光等多路激光束的通光要求。
【专利说明】矩形磁场线圈装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及矩形线圈，特别是一种用于原子芯片干涉仪的矩形磁场线圈装置，该装置的磁场线圈均采用矩形结构，结构更为紧凑、稳定和小型；该装置可兼顾原子干涉仪研究中对冷却光、反抽运光、抽运光、探测光、分束光等多路激光束的通光要求。
【背景技术】
[0002]冷原子研究中用到的外部磁场线圈主要有两种结构:圆形磁场线圈和矩形磁场线圈。目前主要采 用的是圆形磁场线圈。如德国的Hctnsh小组利用真空腔外的一对圆形反亥姆霍兹线圈产生的磁四极讲，来装载原子(参见义献1M.Greiner, 1.Bloch, T.ff.Hansch, and T Esslinger, Magnetic transport of trapped cold atoms over alarge distance, Phys.Rev.A, 2001, 63 (3), 031401) ? 美国的 E.A.Cornell 小组利用一对圆形的反向亥姆霍兹线圈，通过机械的移动磁场线圈实现了磁阱的转移(参见文献 2H.Lewandowski, D.Harber,D Whitaker, and E.Cornell, Simplified system forcreating a Bose-Einstein condensate, J.Low Temp.Phys., 2003, 132, 309-367)。在其实验中仅涉及冷原子的制备、囚禁或转移，所用到的线圈功能单一、结构简单。而目前原子芯片的研究日趋主流，在原子芯片上实现紧束缚的微磁阱一般都需要外围偏置场的参与，从而增加了外围的磁场线圈数量。冷原子制备完成后，通常还需要将宏观磁阱中的冷原子转移到原子芯片微磁阱或其它实验区域进行操纵，磁阱转移方法中转移线圈的加入也增大了圆形磁场系统紧凑性和稳定性的设计难度。
[0003]原子芯片干涉仪系统涉及原子的冷却、囚禁、输运、芯片磁阱装载和环形磁导引等过程，需要构建的各类外围磁场涉及三个维度共五对线圈。加之芯片上的各类磁场以及地磁屏蔽场，使得系统的磁场线圈结构较为复杂。
[0004]上述两个国外机构均采用圆形线圈产生磁场的方案。虽然圆形线圈绕制简单，但当所需磁场的方向不唯一，线圈的数量较多，且空间有限时就需要考虑多个方向的多对线圈之间的结构关系和固定方式，以及紧凑性的要求。此时圆形线圈会带来结构复杂、系统松散庞大、固定困难等诸多问题，在实现技术上较困难，降低了磁场系统的可靠性、紧凑性和可行性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有多对圆形线圈系统中存在的以下不足:
[0006](I)多对圆形线圈的固定困难,不易定位。
[0007](2)多对圆形线圈之间容易相互阻挡，为使其不相互阻挡就不可避免的需要改变线圈的距离，导致偏置磁场的均匀性变差、磁阱梯度降低。
[0008](3)多对圆形线圈系统的体积庞大、结构松散且易阻挡光路。提供一种用于原子芯片干涉仪的矩形磁场线圈装置，该装置的主要作用是为原子的冷却、囚禁和转移过程提供各类空间磁场，并为原子芯片磁阱提供所需的外部偏置磁场。该装置的特点是:磁场线圈均采用矩形结构，利用部分嵌套兼一体化的设计，实现了多维度、多线圈之间的组合与固定，使得结构更为紧凑、稳定，便于集成化和小型化；通过对线圈电流的控制可实现磁阱零点位置的移动，转移过程精确可控且避免了机械转移方式中固有震动的干扰；同时该装置兼顾了原子干涉仪研究中对冷却光、反抽运光、抽运光、探测光、分束光等多路激光束的通光要求。
[0009]本发明的技术解决方案如下:
[0010]一种用于原子芯片干涉仪的矩形磁场线圈装置，特点在于其构成包括一对矩形亥姆霍兹线圈组成的矩形转移线圈对，一对矩形反亥姆霍兹线圈组成的MOT线圈对，由矩形亥姆霍兹线圈构成的X向偏置线圈对、y向偏置线圈对、z向偏置线圈对，所述的矩形转移线圈绕在矩形转移线圈骨架上，所述的MOT线圈对绕在MOT线圈骨架上，所述的X向偏置线圈绕在X向偏置线圈骨架上，所述的y向偏置线圈对绕在y向偏置线圈骨架上，z向偏置线圈对绕在z向偏置线圈骨架上，所述的X向矩形偏置线圈骨架与MOT线圈的骨架一体化为X向偏置线圈骨架，X向偏置线圈骨架为盒状，
[0011]所述的矩形转移线圈与X向偏置线圈同向放置，所述的矩形转移线圈骨架嵌套在X向偏置线圈骨架的内部，X向偏置线圈骨架与矩形转移线圈骨架的顶面相贴合的部分被向内掏空0.1—2mm ；x向偏置线圈骨架与矩形转移线圈骨架侧面相贴合的部分开缺口，所述的矩形转移线圈骨架的两外侧边分别设有外侧边凸台，该外侧边凸台上有螺纹孔，螺纹孔的位置与X向偏置线圈骨架上的定位槽相一致，通过两根螺纹支杆对矩形转移线圈进行定位和固定；
[0012]所述的X向矩形偏置线圈对与MOT线圈对紧贴，所述的X向矩形偏置线圈骨架与MOT线圈的骨架为一体化的X向偏置线圈骨架，在X向偏置线圈骨架的正面开有一个绕线孔和两个下挡板固定孔，绕线孔的半径大于绕线的半径，挡板是绕线过程中的辅助工具，绕线完成之后作为线圈的热沉；
[0013]所述的y向偏置线圈的骨架的竖直边的侧面分别设有两个侧边通孔凸台，该侧边通孔凸台上开有通孔，在该骨架的下边内侧分别开有4个MOT线圈骨架的定位槽；
[0014]所述的z向偏置线圈的骨架的两条边的内侧分别设有两对内侧边凸台，每对内侧边凸台的间距正好供所述的y向偏置线圈骨架插入，每个内侧边凸台上均设有两个相互垂直的螺纹孔，通过支杆将上下两个线圈连接固定，支杆的一端为正螺纹，另一端为反螺纹；所述的三对偏置线圈的中心重合；
[0015]所述的MOT线圈与X向偏置线圈同向放置且紧贴，其竖直边的侧面分别设有两个侧边凸台，侧边凸台上有螺纹孔，该螺纹孔的位置与所述的y向偏置线圈骨架上的固定孔相配合，用螺钉通过通孔和侧边凸台上的螺纹孔将MOT线圈与X向矩形偏置线圈固定，该X向矩形偏置线圈骨架的外侧面上开有一个绕线孔。
[0016]所有骨架上的绕线孔均为半盲孔，即绕线孔的圆心与骨架内部的骨架芯平面共面。
[0017]本发明的技术效果:
[0018]1、本发明提供的装置利用矩形线圈产生可转移的磁阱和三维偏置磁场的装置。该装置结构紧凑，固定方便，便于多个磁场线圈的集成。
[0019]2、MOT线圈和偏置线圈的一体式设计，以及将矩形转移线圈嵌套在偏置线圈的内部，使得整个系统结构更加紧凑牢靠。极大的减小了磁场系统的体积，提高了磁场的各项参数指标。
[0020]3、矩形偏置线圈和反向亥姆霍兹线圈的梯度与矩形的边长和两线圈的距离之比有关，通过软件编程可算出最佳的距离值使得产生的磁场梯度达到最优。本发明中用到的z轴向放置的偏置线圈其在边长为258.3mm时算得最佳距离为128.5mm，在此边长与距离的关系下所产生的磁场在距离中心位置IOmm处的磁场梯度计算值为7.7 X l(T7mT/cm/A,实验测得的磁场梯度小于0.005mT/cm/A，极大的提高了磁场的均匀性。本发明中用到的MOT线圈其在边长为103.2mm时算得最佳距离为185.6mm，在此边长与距离的关系下所产生的磁场梯度计算值为0.68mT/cm/A,实验测得的磁场梯度达到0.725mT/cm/A。
[0021]4、通过控制矩形转移线圈与矩形MOT线圈的电流比可以实现非机械的、速度可控的和稳定的磁阱转移。矩形转移线圈尺寸较小，置于偏置线圈的内部既节省空间使结构紧凑，又能增加磁阱深度，提高转移效率，降低控制电路和线圈的发热量，增加系统的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明矩形磁场线圈骨架系统的装置示意图
[0023]图2是矩形转移线圈骨架结构图
[0024]图3是X轴向矩形偏置线圈与MOT线圈的一体骨架结构图
[0025]图4是矩形转移线圈骨架与MOT线圈的一体骨架的嵌套关系图
[0026]图5是y轴向矩形偏置线圈骨架结构图
[0027]图6是z轴向矩形偏置线圈骨架及其支杆和底座结构图
[0028]图7是本发明矩形磁场线圈的位置关系图
[0029]其中:1.真空玻璃池；2.转移线圈；2.1.底部通光口 ；2.2.导线出口 ；2.3.导线入口 ；2.4.转移线圈骨架与X轴向偏置线圈骨架相贴合处的缺口 ；2.5.保护真空玻璃池的缺口 ；2.6.外侧边凸台；2.7.支杆卡口 ；2.8.支杆；2.9.支杆凸台；3.x轴向的偏置线圈和MOT线圈的一体骨架；3.1.骨架上挡板；3.2.骨架侧挡板；3.3.侧边凸台；3.4.下挡板固定孔；3.5.侧挡板固定孔；3.6.上挡板固定孔；3.7.MOT线圈绕线孔；3.8.MOT线圈绕线槽；
3.9.保护真空玻璃池上部的缺口 ；3.10.轴向偏置线圈绕线孔；3.11.凹槽；3.12.定位槽；
3.13.保护真空玻璃池的缺口 ；4.y轴向偏置线圈；4.1.侧边通孔凸台；4.2.轴向偏置线圈骨架卡槽；4.3.通光口；4.4.MOT线圈骨架卡槽；4.5.侧边通孔凸台上的固定孔；4.6.绕线孔；4.7.绕线槽；5.z轴向偏置线圈；5.1.内侧边凸台侧面的螺纹孔；5.2.内侧边凸台；5.3.内侧边凸台正面螺纹孔；5.4.绕线孔；5.5.绕线槽；5.6.通光口；6.线圈底座；7.z轴向线圈螺纹支杆;7.1.支杆卡口 ；8.转移线圈对；9.x轴向偏置线圈对；10.MOT线圈对；
11.y轴向偏置线圈对；12.z轴向偏置线圈对。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应该以此限制本发明的变化范围。
[0031]参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7。图1是本发明矩形磁场线圈骨架系统的装置示意图，图2是矩形转移线圈骨架结构图，图3是X轴向矩形偏置线圈与MOT线圈的一体骨架结构图，图4是矩形转移线圈骨架与MOT线圈的一体骨架的嵌套关系图，图5是y轴向矩形偏置线圈骨架结构图，图6是z轴向矩形偏置线圈骨架及其支杆和底座结构图，图7是本发明矩形磁场线圈的位置关系图。由图可见，本发明矩形磁场线圈装置，包括一对矩形亥姆霍兹线圈组成的矩形转移线圈对8，一对矩形反亥姆霍兹线圈组成的MOT线圈对10，由矩形亥姆霍兹线圈构成的X向偏置线圈对9、y向偏置线圈对11、z向偏置线圈对12,所述的矩形转移线圈8绕在矩形转移线圈骨架2上，所述的MOT线圈对10绕在MOT线圈骨架上，所述的X向偏置线圈9绕在X向偏置线圈骨架3上，所述的y向偏置线圈对11绕在y向偏置线圈骨架4上，z向偏置线圈对12绕在z向偏置线圈骨架5上，所述的X向矩形偏置线圈骨架与MOT线圈的骨架一体化为X向偏置线圈骨架3，X向偏置线圈骨架3为盒状，
[0032]所述的矩形转移线圈8与X向偏置线圈9同向放置，所述的矩形转移线圈骨架2嵌套在X向偏置线圈骨架3的内部，X向偏置线圈骨架3与矩形转移线圈骨架2的顶面相贴合的部分3.11被向内掏空0.1—2mm ；x向偏置线圈骨架3与矩形转移线圈骨架2侧面相贴合的部分开缺口 2.4，所述的矩形转移线圈骨架2的两外侧边分别设有外侧边凸台2.6，该外侧边凸台上有螺纹孔，螺纹孔的位置与X向偏置线圈骨架3上的定位槽3.12相一致，通过两根螺纹支杆2.8对矩形转移线圈8进行定位和固定；
[0033]所述的X向矩形偏置线圈对9与MOT线圈对10紧贴，所述的x向矩形偏置线圈骨架与MOT线圈的骨架为一体化的X向偏置线圈骨架3，在X向偏置线圈骨架3的正面开有一个绕线孔3.10和两个下挡板固定孔3.4，绕线孔的半径大于绕线的半径，挡板是绕线过程中的辅助工具，绕线完成之后作为线圈的热沉；
[0034]所述的y向偏置线圈的骨架4的竖直边的侧面分别设有两个侧边通孔凸台4.1，该侧边通孔凸台上开有通孔4.5，在该骨架4的下边内侧分别开有4个MOT线圈骨架的定位槽
4.2、4.4 ；
[0035]所述的z向偏置线圈的骨架5的两条边的内侧分别设有两对内侧边凸台5.2，每对内侧边凸台的间距正好供所述的y向偏置线圈骨架4插入，每个内侧边凸台上均设有两个相互垂直的螺纹孔5.1、5.3，通过支杆7将上下两个线圈连接固定，支杆的一端为正螺纹，另一端为反螺纹；所述的三对偏置线圈的中心重合；
[0036]所述的MOT线圈10与X向偏置线圈9同向放置且紧贴，其竖直边的侧面分别设有两个侧边凸台3.3，该侧边凸台上有螺纹孔，该螺纹孔的位置与所述的y向偏置线圈骨架4上的固定孔4.5相配合，用螺钉通过通孔4.5和侧边凸台3.3上的螺纹孔将MOT线圈与x向矩形偏置线圈9固定，该X向矩形偏置线圈骨架3的外侧面上开有一个绕线孔3.10。
[0037]下面是实施例进一步说明:
[0038]所述的转移线圈8与X轴向的偏置线圈9同向放置且嵌套于其内部。该转移线圈的最小边长为29.2mm,两线圈相距47.2mm,由1.2mm直径的铜线绕制15阻15层而得。该线圈与X轴向的偏置线圈9为嵌套设计，其骨架2为盒状设计，在其骨架与X轴向线圈骨架相贴合的部分3.11被向内掏空0.5mm,以保证转移线圈的稳固，并在骨架的另一面开有宽45mm高30mm的缺口 2.4，使转移线圈与x轴向偏置线圈紧密贴合，提高系统的紧凑性。骨架底部开有宽15_的通光口 2.1。骨架的两侧边分别设有外侧边凸台2.6，外侧边凸台上有螺纹孔，螺纹孔的位置与X轴向放置的偏置线圈骨架上的定位槽3.12相一致，通过两个螺纹支杆2.8进行定位和固定转移线圈。该骨架的外侧面上开有一个绕线的进线槽2.3和出线槽2.2。
[0039]所述的偏置线圈由一对X轴向放置的偏置线圈9和一对y轴向放置的偏置线圈11以及一对z轴向放置的偏置线圈12组成。该X轴向放置的偏置线圈9最小边长为103.2mm,两线圈相距47.2mm，由1.2mm直径的铜线绕制15匝15层而得。其与MOT线圈10紧贴，其骨架3与MOT线圈10的骨架3为一体化设计。在骨架3的上边开有15mm开口 3.9，在其下边开有45mm的开口 3.13，这些开口用来为真空玻璃池I预留空间，保证骨架不会碰到真空玻璃池。在其骨架下边的内侧开有两个宽3mm深Imm的定位槽3.12，骨架上边的内侧开有长75mm宽20mm深Imm的固定槽3.11。且其正面开有一个绕线孔3.10和两个挡板固定孔3.4。挡板的作用是在绕线的过程中辅助工具，在绕线完成之后也不需将其拆下，作为线圈的热沉。该y轴向放置的偏置线圈11与X轴向放置的偏置线圈9垂直，最小边长为204.3mm,两线圈相距98mm,由1.3mm直径的铜线绕制10阻20层而得。该线圈的骨架4竖直边的外侧分别设有两个侧边通孔凸台4.1，侧边通孔凸台上开有通孔4.5，用以固定MOT线圈。且在其骨架的底边内侧分别开有5个缺口，其中4个是MOT线圈10的定位槽4.2、
4.4，另一个缺口 4.3是保证激光束不受骨架的遮挡。该z轴向放置的偏置线圈12最小边长为258.3mm，两线圈相距128.5mm,由1.3mm直径的铜线绕制20匝20层而得。该线圈的骨架5的其中两条边的内侧分别设有两对内侧边凸台5.2，每对内侧边凸台的间距正好可将y轴向放置的线圈骨架4插入。每个内侧边凸台上均设有两个相互垂直的螺纹孔5.1、
5.3，其中水平的螺纹孔5.1通过螺钉固定y轴向放置的线圈骨架4。底部线圈骨架内侧边凸台上的垂直螺纹孔5.3用以固定底座6，以固定整个线圈结构。骨架内侧边凸台上的螺纹孔通过支杆7将上下两个z轴向的线圈支撑和固定，其中支杆的一端为正螺纹，另一端为反螺纹。所述的三对偏置线圈中心重合。
[0040]所述的MOT线圈10与X轴向的偏置线圈9同向放置且紧贴。该MOT线圈10的最小边长为103.2mm，两线圈相距85.6mm,由1.3mm直径的铜线绕制20匝20层而得。该线圈骨架3与X轴向放置的偏置线圈骨架3为一体化设计，其竖直边的侧面分别设有两个侧边凸台3.3，侧边凸台上有螺纹孔，螺纹孔的位置与y轴向放置的偏置线圈骨架4上的通孔相一致，用以固定MOT线圈10以及X轴向的偏置线圈9和转移线圈8。骨架3的外侧面上开有一个绕线孔3.10、一个绕线槽3.8，六个挡板固定孔3.5、3.6。
[0041]为使绕线时导线更好的贴合骨架，所有线圈骨架的绕线孔3.7、3.10、4.6、5.4的设计均采用半盲孔的设计方式，即绕线孔的圆心与骨架内部的骨架芯平面共面。
[0042]本发明提出了一套嵌套式、一体化的矩形磁场线圈装置，使得整体结构更为紧凑、稳定。磁场线圈均采用矩形结构，利用部分嵌套设计，实现了多维度、多线圈之间的固定与组合，使得整个结构更为紧凑、稳定，便于集成化和小型化。亥姆霍兹线圈对产生的偏置磁场均匀性好，反向亥姆霍兹线圈对产生的磁阱阱深大，束缚能力强。通过对线圈电流的控制可实现磁阱零点位置的移动，转移过程精确可控且避免了机械移动方式中存在的固有震动。兼顾冷原子干涉仪研究中对冷却光、反抽运光、抽运光、探测光、分束光等多路激光束的通光要求。
【权利要求】
1.一种用于原子芯片干涉仪的矩形磁场线圈装置，特征在于其构成包括一对矩形亥姆霍兹线圈组成的矩形转移线圈对(8)，一对矩形反亥姆霍兹线圈组成的MOT线圈对(10)，由矩形亥姆霍兹线圈构成的X向偏置线圈对(9)、y向偏置线圈对(11)、z向偏置线圈对(12)，所述的矩形转移线圈⑶绕在矩形转移线圈骨架⑵上，所述的MOT线圈对(10)绕在MOT线圈骨架上，所述的X向偏置线圈(9)绕在X向偏置线圈骨架⑶上，所述的y向偏置线圈对(11)绕在I向偏置线圈骨架⑷上，z向偏置线圈对(12)绕在z向偏置线圈骨架(5)上，所述的X向矩形偏置线圈骨架与MOT线圈的骨架一体化为X向偏置线圈骨架(3)，X向偏置线圈骨架(3)为盒状， 所述的矩形转移线圈(8)与X向偏置线圈(9)同向放置，所述的矩形转移线圈骨架(2)嵌套在X向偏置线圈骨架(3)的内部，X向偏置线圈骨架(3)与矩形转移线圈骨架(2)的顶面相贴合的部分(3.11)被向内掏空0.1—2mm ；x向偏置线圈骨架(3)与矩形转移线圈骨架(2)侧面相贴合的部分开缺口(2.4)，所述的矩形转移线圈骨架(2)的两外侧边分别设有外侧边凸台(2.6)，该外侧边凸台上有螺纹孔，螺纹孔的位置与X向偏置线圈骨架(3)上的定位槽(3.12)相一致，通过两根螺纹支杆(2.8)对矩形转移线圈(8)进行定位和固定；所述的X向矩形偏置线圈对(9)与MOT线圈对(10)紧贴，所述的X向矩形偏置线圈骨架与MOT线圈的骨架为一体化的X向偏置线圈骨架(3)，在X向偏置线圈骨架(3)的正面开有一个绕线孔(3.10)和两个下挡板固定孔(3.4)，绕线孔的半径大于绕线的半径，挡板是绕线过程中的辅助工具，绕线完成之后作为线圈的热沉； 所述的y向偏置线圈的骨架(4)的竖直边的侧面分别设有两个侧边通孔凸台(4.1)，该侧边通孔凸台上开有通孔(4.5)，在该骨架(4)的下边内侧分别开有4个MOT线圈骨架的定位槽(4.2)、(4.4)； 所述的z向偏置线圈的骨架(5)的两条边的内侧分别设有两对内侧边凸台(5.2)，每对内侧边凸台的间距正好供所述的y向偏置线圈骨架(4)插入，每个内侧边凸台上均设有两个相互垂直的螺纹孔(5.1),(5.3)，通过支杆(7)将上下两个线圈连接固定，支杆的一端为正螺纹，另一端为反螺纹；所述的三对偏置线圈的中心重合； 所述的MOT线圈(10)与X向偏置线圈(9)同向放置且紧贴，其竖直边的侧面分别设有两个侧边凸台(3.3)，侧边凸台上有螺纹孔，该螺纹孔的位置与所述的y向偏置线圈骨架(4)上的固定孔(4.5)相配合，用螺钉通过通孔(4.5)和侧边凸台(3.3)上的螺纹孔将MOT线圈与X向矩形偏置线圈(9)固定，该X向矩形偏置线圈骨架(3)的外侧面上开有一个绕线孔(3.10)。
2.根据权利要求1所述的矩形磁场线圈装置，其特征在于所有骨架上的绕线孔均为半盲孔，即绕线孔的圆心与骨架内部的骨架芯平面共面。
【文档编号】H01F5/00GK103985497SQ201410238353
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】陈钰水, 张海潮, 许忻平, 王育竹 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所