检验第五种力V的制作方法

检验第五种力v
4+5
的基于serf原子磁场测量方法及装置
技术领域
1.本发明涉及检验第五种力的实验方法和装置技术领域，特别涉及一种检验第五种力的基于serf原子磁场测量方法及装置。


背景技术：

2.基于serf原子自旋超高灵敏极弱磁测量装置是当今世界上最灵敏的磁强计之一，其磁场理论灵敏度最高能达到 量级，目前实测最高磁场灵敏度已达到量级。与自旋相关的相互作用利用无量纲的耦合常数来刻画，探测系统越精密，耦合常数的上限就越低。此外，serf系统使用的是热的碱金属原子，实验手段简单，容易制备，还可以被小型化设计，结构紧凑，成本低廉。
3.因此，相比较别的物理实验体系，利用量子精密测量的serf系统来探测第五种力具有巨大的优势，有望在大于m的力程范围内将探测第五种力的灵敏度有量级的提升。
4.由于形式的第五种力，其相互作用大小与距离呈指数衰减，因此本发明设计了一款serf联合原子磁强计来缩短原子磁强计中的原子池和晶体之间的距离，大大增强了电子自旋和核自旋相互作用的大小，本发明将为检验超出标准模型的新物理领域提供新的实验手段。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种检验第五种力的基于serf原子磁场测量方法及装置，以克服现有技术中的不足。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明公开了一种检验第五种力的基于serf原子磁场测量方法，包括以下步骤：s1：将泵浦光路和检测光路共线入射到原子磁强计表头内的碱金属原子池中，使得内部碱金属原子处于serf态；s2：在原子磁强计附近放置晶体，利用步进电机控制晶体做旋转运动，使得晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间产生相对运动；s3：利用原子磁强计探测由于晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间相互作用产生的磁场信号；
s4：通过对测量数据进行数据处理，将微弱的磁场信号从背景噪声中提取出来，获得形式第五种力产生的等效磁场，根据等效磁场对第五种力的相互作用强度系数随着相互作用自由程的变化给出实验测量精度限定范围，从而检验第五种力。
7.可优选的，所述步骤s2中，碱金属原子池内的电子自旋和晶体内核自旋之间存在的形式第五种力可表示为；其中，为相互作用强度系数，是极化粒子的自旋量子数，r是晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间的距离，为相互作用自由程，v是晶体和碱金属原子池的相对运动速度，是普朗克常数，c是真空中光速；这种新型相互作用会导致碱金属原子池中的极化电子能级移动为；其中，是碱金属原子的旋磁比，是第五力产生的等效磁场，是极化粒子的自旋量子数，是普朗克常数。
8.可优选的，所述步骤s2中，所述晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间相互作用指的是，原子池内所有极化的碱金属原子的电子自旋和晶体内所有核自旋的相互作用总和，晶体的旋转运动速度保持恒定时，晶体内核自旋与碱金属原子池内电子自旋之间相互作用力恒定，当晶体的旋转运动速度周期变化时，第五种力引起的等效磁场也会周期性变化。
9.可优选的，碱金属原子池内电子自旋的极化方向和泵浦光的方向一致，并且只考虑被极化的碱金属原子参与相互作用。
10.本发明还公开了一种检验第五种力的基于serf原子磁场测量装置，包括与光学平台固定连接的原子磁强计模块，所述原子磁强计模块内固定设有激光器，在所述激光器发射的激光路径上依次固定布置有准直透镜、线偏振器、圆偏振器、反射棱镜、原子池机械支撑件和光电管，所述原子池机械支撑件内固定有碱金属原子池，所述原子磁强计模块内固定设有精细调节磁场线圈，所述精细调节磁场线圈外层固定设有磁场线圈，所述原子
磁强计模块上侧设有与光学平台固定连接的旋转定位机构，所述旋转定位机构控制设有可在垂直于泵浦光路的平面做旋转运动的晶体。
11.可优选的，所述旋转定位机构包括伺服电机，所述伺服电机控制设有塑料转轴，所述塑料转轴上垂直固定设有铜针，所述铜针附近安装有光电开关，所述塑料转轴远离所述伺服电机端通过塑料样品台固定连接所述晶体。
12.可优选的，所述光学平台上固定设有第一磁屏蔽罩和第二磁屏蔽罩，所述伺服电机固定设在所述第一磁屏蔽罩内，所述光电开关与所述第一磁屏蔽罩内壁固定连接，所述第二磁屏蔽罩内固定设有铁氧体，所述塑料转轴贯穿所述铁氧体且可在铁氧体内转动，所述原子磁强计模块通过塑料支撑件固定连接在所述铁氧体内，并通过供电及信号传输线缆与外部光学仪器连接，所述原子磁强计模块内设有第三磁屏蔽罩包围内部所有部件。
13.可优选的，所述晶体为非极化晶体，且材料本身不引入背景磁场噪声，所述塑料转轴和塑料样品台不引入背景磁场噪声。
14.可优选的，所述碱金属原子池和所述晶体的间距小于1cm，所述碱金属原子池内具体可用金属钾原子。
15.可优选的，所述激光器具体为795nm激光器并采用失谐的激光。
16.本发明的有益效果如下：（1）本发明使用的serf磁强计使用的是热的碱金属原子，实验手段简单，容易制备，还可以被小型化设计，结构紧凑，成本低廉。
17.（2）本发明使用的原子池中的k原子提供高密度极化电子的自旋源，且极化电子对形式的第五种力敏感，实验结构简单简化了实验的复杂度。
18.（3）本发明使用的晶体核自旋密度非常高，且是非极化晶体不引入背景磁场噪声。
19.（4）本发明设计的serf联合原子磁强计结构紧凑，缩短原子磁强计中的原子池和晶体之间的距离，大大增强了电子自旋和核自旋相互作用的大小。
20.本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
21.图1是本发明实施例的结构示意图；图2是本发明实施例原子磁强计模块内部结构示意图；图中：伺服电机
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1、第一磁屏蔽罩
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2、第二磁屏蔽罩
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3、铁氧体
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4、铜针
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5、光电开关
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6、塑料转轴
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7、塑料样品台
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8、晶体
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9、k原子池
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10、原子磁强计模块
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11、塑料支撑件
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12、供电及信号传输线缆
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13、激光器
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14、准直透镜
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15、线偏振器
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16、圆偏振器
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17、反射棱镜
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18、原子池机械支撑件
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19、通光光路
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20、光电管
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21、第三磁屏蔽罩
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22、精细调节磁场线圈
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23、磁场线圈
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24。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
23.参阅图1
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图2，本发明实施例提供了一种检验第五种力的基于serf原子磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将泵浦光路和检测光路共线入射到原子磁强计表头内的k原子池中，使得内部k原子处于serf态；s2：在原子磁强计附近放置晶体，利用步进电机控制晶体做旋转运动，使得晶体内核自旋与k原子池内电子自旋之间产生相对运动；s3：利用原子磁强计探测由于晶体内核自旋与k原子池内电子自旋之间相互作用产生的磁场信号；s4：通过对测量数据进行数据处理，将微弱的磁场信号从背景噪声中提取出来，获得形式第五种力产生的等效磁场，根据等效磁场对第五种力的相互作用强度系数随着相互作用自由程的变化给出实验测量精度限定范围，从而检验第五种力。
24.所述步骤s2中，k原子池内的电子自旋和晶体内核自旋之间存在的形式第五种力可表示为；其中，为相互作用强度系数，是极化粒子的自旋量子数，r是晶体内核自旋与k原子池内电子自旋之间的距离，为相互作用自由程，v是晶体和k原子池的相对运动速度，是普朗克常数，c是真空中的光速；这种新型相互作用会导致k原子池中的极化电子能级移动为；其中，是k原子的旋磁比，是第五力产生的等效磁场，是极化粒子的自旋量子数，是普朗克常数。
25.所述步骤s2中，所述晶体内核自旋与k原子池内电子自旋之间相互作用指的是，原子池内所有极化的k原子的电子自旋和晶体内所有核自旋的相互作用总和，晶体的旋转运动速度保持恒定时，晶体内核自旋与k原子池内电子自旋之间相互作用力恒定，当晶体的旋转运动速度周期变化时，第五种力引起的等效磁场也会周期性变化。
26.所述k原子池内电子自旋的极化方向和泵浦光的方向一致，并且只考虑被极化的k原子参与相互作用。
27.本发明实施例还提供了一种检验第五种力的基于serf原子磁场测量装置，其特征在于：包括与光学平台固定连接的原子磁强计模块11，所述原子磁强计模块11内固定设有激光器14，在所述激光器14发射的激光路径上依次固定布置有准直透镜15、线偏振器16、圆偏振器17、反射棱镜18、原子池机械支撑件19和光电管21，所述原子池机械支撑件19内固定有k原子池10，所述原子磁强计模块11内固定设有精细调节磁场线圈23，所述精细调节磁场线圈23外层固定设有磁场线圈24，所述原子磁强计模块11上侧设有与光学平台固定连接的旋转定位机构30，所述旋转定位机构30控制设有可在垂直于泵浦光路的平面做旋转运动的晶体9。
28.所述旋转定位机构30包括伺服电机1，所述伺服电机1控制设有塑料转轴7，所述塑料转轴7上垂直固定设有铜针5，所述铜针5附近安装有光电开关6，所述塑料转轴7远离所述伺服电机1端通过塑料样品台8固定连接所述晶体9。
29.所述光学平台上固定设有第一磁屏蔽罩2和第二磁屏蔽罩3，所述伺服电机1固定设在所述第一磁屏蔽罩2内，所述光电开关6与所述第一磁屏蔽罩2内壁固定连接，所述第二磁屏蔽罩3内固定设有铁氧体4，所述塑料转轴7贯穿所述铁氧体4且可在铁氧体4内转动，所述原子磁强计模块11通过塑料支撑件12固定连接在所述铁氧体4内，并通过供电及信号传输线缆13与外部光学仪器连接，所述原子磁强计模块11内设有第三磁屏蔽罩22包围内部所有部件。
30.所述晶体9为非极化晶体，且材料本身不引入背景磁场噪声，所述塑料转轴7和塑料样品台8不引入背景磁场噪声。
31.所述k原子池10和所述晶体9的间距小于1cm。
32.所述激光器14具体为795nm激光器并采用失谐的激光。
33.所述k原子池10内不局限于使用k这一种碱金属原子，还可以使用其他碱金属原子，譬如rb原子。
34.所述伺服电机1是通过控制单位脉冲的方式实现旋转运动，内置减速器，并且有精确的位置反馈。
35.本发明工作过程：
本发明检验第五种力的基于serf原子磁场测量方法及装置在工作过程中，激光器14采用失谐的激光，既作为泵浦光源，又作为检测光源，作为泵浦光源时候利用的是圆偏振成分，作为检测光源时候利用的是线偏振成分。
36.在原子磁强计模块11内，利用精细调节磁场线圈23和磁场线圈24制备一个高原子密度、低磁场的环境，使得极化的碱金属k原子处于serf态，激光器14采用失谐的激光，在原子磁强计模块11内形成通光光路20，其中通光光路20的圆偏振成分用于对k原子的泵浦，此时，原子池内的k原子的电子自旋极化的方向和泵浦光的方向一致，均沿z轴方向。由于k原子池内电子自旋和晶体9内核自旋之间的相互作用力随着距离指数衰减，因此，在放置时，晶体9和k原子池10的间距小于1cm。为了减少晶体9带来的背景磁场噪声，晶体9粘在塑料样品台8上，并且由塑料导轨5、玻璃纤维棒6、套管7连接步进电机1，塑料导轨5、玻璃纤维棒6、套管7和塑料样品台8不引入背景磁场噪声，步进电机1控制玻璃纤维棒6转动，玻璃纤维棒6带动套管7一起转动，套管7螺纹传动塑料导轨5，所述塑料导轨5带动塑料样品台8和晶体9沿z轴方向移动，并保持匀速运动。伺服电机1控制晶体9在y
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z平面匀速旋转运动，并且利用铜针5触发光电开关6来记录旋转的位置。伺服电机1产生的电磁噪声使用第一磁屏蔽罩2和第二磁屏蔽罩3进行屏蔽，减小背景磁场噪声的影响。所述的原子磁强计模块11内通光光路20中的线偏振成分用于原子进动信号的检测，测量出等效磁场，由于当晶体的速度周期性变化时，第五种力引起的等效磁场也会周期性变化，根据等效磁场可以对第五种力的相互作用强度系数随着相互作用自由程的变化给出实验测量精度限定范围，从而检验第五种力。
37.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。