专利名称：基于微重力环境下的原子谱线探测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于原子物理技术领域，特别涉及一种基于微重力环境下的原子谱线探测
>J-U装直。
背景技术：
传统的原子谱线探测装置中，由于原子速度过快，导致测量过程中有太多引起频率移动的因素。同时，应用非均匀磁场囚禁原子，也导致了非均匀谱线展宽等诸多问题。而在微重力条件下，可使用极慢速度的原子(比原子传统技术中速度减慢10-100倍)，可使谱线降至0.05-0. IHz0慢原子还有利于进一步减小很多引起频率移动的因素，如:剩余多普勒频移，谱线牵引频移，剩余二次塞曼效应，相对论效应和碰撞频移等。在微重力条件下原子处于自由悬浮状态，无须用非均匀磁场囚禁原子，有利于消除非均匀谱线展宽。同时，在远离地面的空间，将无震动引入的噪声干扰，电磁场干扰也比地面为小。所以，微重力环境是一个理想的进行精密物理测量的实验场地。这就使得设计出一种应用于微重力环境下的原子谱线探测装置成为了一种新的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于微重力环境下的原子谱线探测装置，并且具有结构简单、测量精确的特点。为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置，包括光源、中央处理器、用于调节磁场的磁场控制模块、用于量子跃迁的原子共振吸收模块、用于给所述原子共振吸收模块提供能量的微波源、用于对所述原子共振吸收模块处理后的光信号进行检测的光检测单元及用于对系统工作温度进行检测的温度检测单元；所述光源与所述原子共振吸收模块连接；所述磁场控制模块依次与所述原子共振吸收模块、所述温度检测单元、所述中央处理器连接；所述微波源依次与所述原子共振吸收模块、所述中央处理器连接；所述光检测单元依次与所述原子共振吸收模块、所述中央处理器连接；所述温度检测单元与所述原子共振吸收模块连接。进一步地，所述原子共振吸收模块包括共振吸收单元、谐振腔；所述谐振腔是TElll模式的微波谐振腔，所述共振吸收单元置于所述谐振腔内部；所述共振吸收单元中原子基态超精细0-0跃迁频率是原子谱线检测的中心参考频率；所述共振吸收单元中的工作物质由一种元素及其同位素组成；所述共振吸收单元内壁设置有一层防护层，用于减小所述共振吸收单元内部原子与内壁碰撞而产生的频移。进一步地，所述谐振腔包括圆柱腔体、耦合环、调谐器件及磁场线圈；所述共振吸收单元置于所述圆柱腔体内部；所述耦合环一端与外部电缆芯线固定连接，另一端通过螺纹紧固机构与所述圆柱腔体腔盖固定连接；所述磁场线圈横向密绕在所述圆柱腔体外壁上；所述调谐器件是螺钉，与所述圆柱腔体固定连接，通过改变所述螺钉在所述圆柱腔体中的长度来对腔频进行调节。
进一步地，所述元素是87Rb,所述同位素是85Rb ;所述87Rb含量是27. 8%，所述85Rb含量是72. 2%。进一步地，所述防护层是石蜡。进一步地，所述原子共振吸收模块还包括温控电阻、至少一块光电池；所述温控电阻通过电路板设置在所述谐振腔上方用于监控所述圆柱腔体的工作温度；所述光电池设置在所述圆柱腔体中心轴线的两侧。进一步地，通过改变系统的工作环境温度，测量获得原子谱线的中心频率值，进而获得由于温度变化而造成的原子中心频率变化的关系A，及通过所述磁场控制模块改变所述谐振腔外磁场强度，获得不同磁场电流与所造成的原子中心频率变化的关系B，并将所述关系A、所述关系B保存至所述中央处理器中。进一步地，所述温度检测单元通过测得系统中工作温度值C，并传输至所述中央处理器，所述中央处理器根据所述关系A、所述关系B调节所述磁场控制模块中磁场电流，进而通过改变原子中心频率来补偿由于温度变化而造成的原子中心频率变化，最终控制原子中心频率维持不变。进一步地，所述中央处理器控制所述微波源频率输出，所述微波源输出频率在所述原子基态超精细0-0跃迁频率附近，用于完成整个原子谱线的扫频。进一步地，所述光源用于辐射光束的元素是87Rb。本发明提供的一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置，包括光源、中央处理器、磁场控制模块、原子共振吸收模块、微波源、光检测单元及温度检测单元。工作过程中，通过光源辐射出光束至原子共振吸收模块，原子共振吸收模块通过共振吸收单元、谐振腔完成量子跃迁过程，并将处理后的光信号传输至光检测单元，光检测单元对所传输的光信号进行检测，并将检测结果传输至中央处理器。其中，共振激励微波源为原子共振吸收模块量子跃迁提供能量。共振激励微波源受中央处理器控制改变其频率输出，共振激励微波源输出频率在原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近，以完成整个原子谱线的扫频。磁场控制模块完成原子共振吸收模块中的原子分裂及量子化轴所需要的磁场，其强度受中央处理器控制。温度检测单元探测到原子共振吸收模块的工作环境温度后，传输至中央处理器，中央处理器根据内部存储的参数数据A、B，对磁场控制模块中磁场电流进行调节控制，进而通过改变原子中心频率来补偿由于温度变化而造成的原子中心频率变化，最终控制原子中心频率维持不变。且具有结构简单、测量精确的特点。
图I为本发明实施例提供的基于微重力环境下的原子谱线探测装置原理结构框图。图2为本发明实施例提供的基于微重力环境下的原子谱线探测装置中原子共振吸收模块结构示意图。其中，I-圆柱腔体，2-腔壁，3-耦合环，4-螺钉，5-磁场线圈，6-共振吸收单元，7-石腊，8-温控电阻，9-光电池，10-腔盖，201-光源，202-原子共振吸收模块，203-温度检测单元，204-磁场控制模块，205-微波源，206-光检测单元，207-中央处理器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的具体实施方式
作进一步详细说明。
参见图1，本发明实施例提供的一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置，包括光源201、中央处理器207、用于调节磁场的磁场控制模块204、用于量子跃迁的原子共振吸收模块202、用于给原子共振吸收模块202提供能量的共振激励微波源205、用于对所述原子共振吸收模块处理后的光信号进行检测的光检测单元206及用于对系统工作温度进行检测的温度检测单元203。其中，光源201与原子共振吸收模块202连接。磁场控制模块 204依次与原子共振吸收模块202、温度检测单元203、中央处理器207连接。共振激励微波源205依次与原子共振吸收模块202、中央处理器207连接。光检测单元206依次与原子共振吸收模块202、中央处理器207连接。温度检测单元203与原子共振吸收模块202连接。
参见图2，本实施例中，原子共振吸收模块202包括共振吸收单元、谐振腔。共振吸收单元置于谐振腔内部。
优选地，谐振腔是TElll模式的微波谐振腔。谐振腔主要作用是为原子基态精细结构的微波跃迁提供合适的微波场，其共振频率选择在原子基态精细结构0-0跃迁中心频率上。同时，谐振腔也起着为共振吸收单元提供热环境的作用。
本实施例中，微波谐振腔主要由圆柱腔体I、耦合环3、调谐器件、磁场线圈5构成。 微波谐振腔采取的耦合方式是环耦合(即磁耦合)方式，为了提高耦合度，耦合环3 —端与固定良好的同轴电缆芯线固定连接，另一端通过螺纹紧固机构固定于腔盖10的中心轴线上。 由于机械加工误差，实际腔频与计算结果有一定差异，通过改变调谐器件在腔中的长度来对腔频进行微调(微调范围大概有50MHz左右)。
优选地，调谐器件是螺钉，螺纹紧固机构是螺钉连接。
同时，原子共振吸收模块202还包括温控电阻、至少一块光电池。其中，温控电阻通过电路板设置在微波谐振腔上方，用于监控腔体的工作环境温度。磁场线圈5采用横向的方式密绕在圆柱腔体I外壁上,通过中央处理器207对磁场控制模块204的磁场电流进行调整，并作用于密绕在圆柱腔体I外壁上的磁场线圈5上，进而使圆柱腔体I产生不同强度的磁场，使位于共振吸收单兀中的原子基态发生分裂与量子化轴。微波磁场的纵向分量的强度在耦合环两侧最强，所以在工作状态下原子共振跃迁信号最强的地方在腔体两边。 优选地，光电池数量是2，并对称地设置于圆柱腔体I中心轴线的两侧。
本实施例中，优选地，共振吸收单元是由透明玻璃材料制成的泡状结构。共振吸收单元中原子的基态超精细0-0跃迁频率即是原子谱线检测的中心参考频率。共振吸收单元中的工作物质由一种元素及其同位素组成。例如天然铷87Rb、85Rb。其中87Rb含量是 27. 8%, 85Rb含量是72. 2%。优选地，光源201辐射光束的元素是87Rb,光源201发出的光传送到原子共振吸收模块202中，如图2所示，假如光线从下往上通过，那么共振吸收单元的前半部分主要起滤光作用，后半部分主要起共振作用。由于本发明实施例必须应用于微重力环境，在共振吸收单元中并没有充制能够减小线宽、提高光抽运(“荧光烊灭”和“激发能级混杂”)效率用的惰性气体。而在微重力条件下，原子处于自由悬浮状态，由于没有惰性气体的存在，每个原子运动速度都是一样的，而且很慢，所以每个原子经受的平均磁场就是一样的，这样就会减小因为磁场不均匀而带来的诸如微波功率频移的影响。但正因为没有充制惰性气体，会造成原子与共振吸收单元内壁碰撞的机率增加，会增大“频率壁移效应”(因原子与共振吸收单元内壁碰撞而产生的频移)，所以在共振吸收单元的内壁，设置一层防护层。优选地，防护层是石蜡7，用来减小原子与共振吸收单元内壁碰撞产生的频移。
在实际工作工程中，通过改变微波源205频率来扫频得到原子谱线中心频率值， 但这个值会受外界温度的变化，以及涂石蜡层7造成的温度变化频率壁移效应而影响。所以本发明实施例在实际应用之前，通过人工改变系统的工作环境温度，测量获得原子谱线的中心频率值，进而获得由于温度变化而造成的原子中心频率变化的关系A，比如每变化I 摄氏度原子中心频率变化1E-10。同时，通过磁场控制模块204改变谐振腔外磁场强度，获得不同磁场电流与所造成的原子中心频率变化的关系B，比如每变化ImA原子中心频率变化1E-10。并将A、B保存至中央处理器207中。然后再实际测量应用中，通过温度检测单元203探测到原子共振吸收模块202的工作温度，一旦发生变化，将其转化成为具体的工作温度值C后，通过中央处理器207查询内部存储关系A、关系B，调节磁场控制模块204中磁场电流，进而通过改变原子中心频率来补偿由于温度变化而造成的原子中心频率变化，最终控制原子中心频率维持不变。
本发明提供的一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置，包括光源201、中央处理器207、用于调节磁场的磁场控制模块204、用于量子跃迁的原子共振吸收模块202、用于给所述原子共振吸收模块提供能量的共振激励微波源205、用于对所述原子共振吸收模块处理后的光信号进行检测的光检测单元206及用于对系统工作温度进行检测的温度检测单元203。工作过程中，通过光源201辐射出光束至原子共振吸收模块202，原子共振吸收模块202通过共振吸收单元、谐振腔完成量子跃迁过程，并将处理后的光信号传输至光检测单元206，光检测单元206对所传输的光信号进行检测，并将检测结果传输至中央处理器 207。其中，共振激励微波源205为原子共振吸收模块202量子跃迁提供能量。共振激励微波源205受中央处理器207控制改变其频率输出，共振激励微波源205输出频率在原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近，以完成整个原子谱线的扫频。磁场控制模块204 完成原子共振吸收模块202中的原子分裂及量子化轴所需要的磁场，其强度受中央处理器 207控制。温度检测单元203探测到原子共振吸收模块202的工作环境温度后，传输至中央处理器207，中央处理器207根据内部存储的参数数据A、B，对磁场控制模块中磁场电流进行调节控制，进而通过改变原子中心频率来补偿由于温度变化而造成的原子中心频率变化，最终控制原子中心频率维持不变。
最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置，包括光源(201)、中央处理器(207)， 其特征在于，还包括用于调节磁场的磁场控制模块(204)、用于量子跃迁的原子共振吸收模块(202)、用于给所述原子共振吸收模块(202)提供能量的微波源(205)、用于对所述原子共振吸收模块(202)处理后的光信号进行检测的光检测单元(206)及用于对系统工作温度进行检测的温度检测单元(203)；所述光源(201)与所述原子共振吸收模块(202)连接；所述磁场控制模块(204)依次与所述原子共振吸收模块(202)、所述温度检测单元 (203)、所述中央处理器(207)连接；所述微波源(205 )依次与所述原子共振吸收模块(202 )、所述中央处理器(207 )连接； 所述光检测单元(206 )依次与所述原子共振吸收模块(202 )、所述中央处理器(207 )连接;所述温度检测单元(203)与所述原子共振吸收模块(202)连接。
2.根据权利要求I所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于，所述原子共振吸收模块(202)包括共振吸收单元、谐振腔；所述谐振腔是TElll模式的微波谐振腔，所述共振吸收单元置于所述谐振腔内部；所述共振吸收单元中原子基态超精细0-0跃迁频率是原子谱线检测的中心参考频率； 所述共振吸收单元中的工作物质由一种元素及其同位素组成；所述共振吸收单元内壁设置有一层防护层，用于减小所述共振吸收单元内部原子与内壁碰撞而产生的频移。
3.根据权利要求2所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于，所述谐振腔包括圆柱腔体(I)、耦合环(3)、调谐器件及磁场线圈(5)；所述共振吸收单元置于所述圆柱腔体(I)内部；所述耦合环(3) —端与外部电缆芯线固定连接，另一端通过螺纹紧固机构与所述圆柱腔体(I)腔盖(10)固定连接；所述磁场线圈(5)横向密绕在所述圆柱腔体(I)外壁上；所述调谐器件是螺钉(4)，与所述圆柱腔体(I)固定连接，通过改变所述螺钉(4)在所述圆柱腔体(I)中的长度来对腔频进行调节。
4.根据权利要求2-3所述任一项基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于所述元素是87Rb,所述同位素是85Rb ；所述87Rb含量是27. 8%，所述85Rb含量是72. 2%。
5.根据权利要求4所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于所述防护层是石蜡(7)。
6.根据权利要求5所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于，所述原子共振吸收模块还包括温控电阻(8)、至少一块光电池(9)；所述温控电阻(8)通过电路板设置在所述谐振腔上方，用于监控所述圆柱腔体(I)的工作温度；所述光电池(9 )设置在所述圆柱腔体(I)中心轴线的两侧。
7.根据权利要求6所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于通过改变系统的工作环境温度，测量获得原子谱线的中心频率值，进而获得由于温度变化而造成的原子中心频率变化的关系A，及通过所述磁场控制模块(204)改变所述谐振腔外磁场强度，获得不同磁场电流与所造成的原子中心频率变化的关系B，并将所述关系 A、所述关系B保存至所述中央处理器(207)中。
8.根据权利要求7所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于所述温度检测单元(203)通过测得系统中工作温度值C，并传输至所述中央处理器 (207)，所述中央处理器(207)根据所述关系A、所述关系B调节所述磁场控制模块(204)中磁场电流，进而通过改变原子中心频率来补偿由于温度变化而造成的原子中心频率变化， 最终控制原子中心频率维持不变。
9.根据权利要求8所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于所述中央处理器(207 )控制所述微波源(205 )频率输出，所述微波源(205 )输出频率在所述原子基态超精细0-0跃迁频率附近，用于完成整个原子谱线的扫频。
10.根据权利要求6-9任一项所述基于微重力环境下的原子谱线探测装置，其特征在于所述光源(201)用于辐射光束的元素是87Rb。
全文摘要
本发明公开了一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置，包括光源201、中央处理器207、磁场控制模块204、原子共振吸收模块202、微波源205、光检测单元206及温度检测单元203。其中，光源201与原子共振吸收模块202连接；磁场控制模块204依次与原子共振吸收模块202、温度检测单元203、中央处理器207连接；微波源205依次与原子共振吸收模块202、中央处理器207连接；光检测单元206依次与原子共振吸收模块202、中央处理器207连接；温度检测单元203与原子共振吸收模块202连接。本发明能够实现在微重力环境下对原子谱线的测量操作，且在共振吸收单元内壁增设石蜡层能够减小原子与壁碰撞产生的频移。同时，本发明结构简单、测量精确。
文档编号G01J3/28GK102980656SQ20121046006
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者雷海东 申请人:江汉大学