一种离子阱缓冲气体参数设计方法与流程

1.本技术涉及时频技术领域，具体而言，涉及一种离子阱缓冲气体参数设计方法。


背景技术：

2.离子囚禁在超高真空的离子阱中，没有器壁的碰撞，不受外界干扰，离子与微波场作用时间不受限制，有利于提高短期稳定度，离子阱频标作为新一代高精度、高稳定度时间频率标准的前景被广泛看好。离子阱中的离子囚禁技术以及离子囚禁效果提升是离子阱频标研究的重要内容之一。
3.在离子阱频标中，为了压窄线宽就必须增加离子和微波场的作用时间，因此就必须冷却离子、延长囚禁时间。使用缓冲气体是将离子阱中的离子冷却到室温的最有效和实用的办法。缓冲气体冷却通常选用质量轻、化学性质稳定的惰性气体为缓冲气体。缓冲气体原子(分子)和囚禁离子在碰撞前后有动能交换，囚禁离子的动能不断减少，速度被冷却下来，理论上可将离子温度冷却至缓冲气体的温度。
4.由于缓冲气体的压强比较低，可以将离子阱中的气体考虑成理想气体，得到离子阱中离子的冷却运动方程。通过simion电磁仿真软件以及lua编程完成以上计算过程的仿真模拟，对离子阱内缓冲气体对离子的冷却效果进行分析比较，设计缓冲气体的最佳参数。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种离子阱缓冲气体参数设计方法，解决了实际设计中缓冲气体参数匹配度差，效率低等问题，通过本设计方法可以确定离子阱中缓冲气体的最佳设计参数，实现离子快速冷却。
6.为了实现上述目的，本技术提供了一种离子阱缓冲气体参数设计方法，包括如下步骤：步骤1：利用仿真软件创建离子阱电极阵列；步骤2：利用仿真软件创建离子阱的空间格点电势场，再设定离子阱中离子和缓冲气体各项初始参数，为离子的运动方程准备初始条件；步骤3：推导离子阱中离子在缓冲气体粘滞力作用下的运动方程；步骤4：根据运动方程编写软件程序实现离子在缓冲气体作用下的模拟控制；步骤5：模拟不同种类缓冲气体下离子的运动情况，根据离子的运动幅度设计缓冲气体的种类；步骤6：确定缓冲气体的种类，模拟在该缓冲气体不同压强下离子的运动情况，根据离子运动幅度设计该缓冲气体的压强；步骤7：模拟在该缓冲气体不同温度下离子的衰减过程，根据离子数衰减的速度设计该缓冲气体的温度；步骤8：根据得到的缓冲气体种类、缓冲气体压强以及缓冲气体温度，完成缓冲气体参数的设计。
7.进一步的，步骤1中的仿真软件为simion电磁仿真软件。
8.进一步的，在步骤1中，使用simion电磁仿真软件通过窗口或者电极定义语言编写的电极文件创建离子阱电极阵列。
9.进一步的，在步骤2中，使用simion电磁仿真软件将电极阵列带入到泊松方程，计算后创建离子阱的空间格点电势场。
10.进一步的，在步骤4中，根据运动方程编写软件程序形成.lua文件，对离子运动过程的参量和运动过程进行模拟控制，得到直观的离子运动轨迹及离子数衰减效果图。
11.本发明提供的一种离子阱缓冲气体参数设计方法，具有以下有益效果：
12.本技术采用电磁仿真软件模拟离子运动状态，对关键的缓冲气体参数进行优化，可提高缓冲气体冷却离子效果评估的可靠性，具有离子运动状态直观、缓冲气体参数优化效率高的特点，可用于离子和气体分子作用状态分析及参数优化。
附图说明
13.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
14.图1是根据本技术实施例提供的离子阱缓冲气体参数设计方法的流程图；
15.图2是根据本技术实施例提供的不同种类气体作用下离子冷却后运动轨迹的模拟图(左图为氦气、右图为氩气)；
16.图3是根据本技术实施例提供的在不同压强的氩气作用下离子冷却后运动轨迹的模拟图(深色线为3e-2pa，浅色线为2e-2pa)；
17.图4是根据本技术实施例提供的在不同温度的氩气作用下离子冷却后离子数衰减的模拟图(从左至右温度分别为380、330k、270k、100k)；
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
19.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
20.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
21.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
22.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
24.如图1所示，本技术提供了一种离子阱缓冲气体参数设计方法，包括如下步骤：
25.步骤1：利用仿真软件创建离子阱电极阵列，为了确定离子阱电场；
26.步骤2：利用仿真软件创建离子阱的空间格点电势场，再设定离子阱中离子和缓冲气体各项初始参数(包括离子数量、离子质量、离子电荷、离子初始位置和速度分布等)，缓冲气体种类和压强，为离子的运动方程准备初始条件；
27.步骤3：推导离子阱中离子在缓冲气体粘滞力作用下的运动方程；
28.步骤4：根据运动方程编写软件程序实现离子在缓冲气体作用下的模拟控制；
29.步骤5：模拟不同种类缓冲气体下离子的运动情况，根据离子的运动幅度设计缓冲气体的种类；
30.步骤6：确定缓冲气体的种类，模拟在该缓冲气体不同压强下离子的运动情况，根据离子运动幅度设计该缓冲气体的压强；
31.步骤7：模拟在该缓冲气体不同温度下离子的衰减过程，根据离子数衰减的速度设计该缓冲气体的温度；
32.步骤8：根据得到的缓冲气体种类、缓冲气体压强以及缓冲气体温度，完成缓冲气体参数的设计。
33.进一步的，步骤1中的仿真软件为simion电磁仿真软件，先使用simion电磁仿真软件通过窗口或者电极定义语言编写的电极文件创建离子阱电极阵列，再使用simion电磁仿真软件将电极阵列带入到泊松方程，计算后创建离子阱的空间格点电势场。
34.进一步的，在步骤4中，根据运动方程编写软件程序形成.lua文件，对离子运动过程的参量和运动过程进行模拟控制，得到直观的离子运动轨迹及离子数衰减效果图，然后设计缓冲气体不同的参数，根据离子运动轨迹和离子数衰减效果图选择出最优的设计参数。
35.具体的，本技术实施例提供的离子阱缓冲气体参数设计方法采用电磁仿真软件模拟离子阱中离子的运动状态，根据观察离子运动轨迹及离子数衰减过程能够对缓冲气体的参数进行优化设计，能够高效的完成缓冲气体参数的设计，实现离子快速冷却。下面以四极离子阱为例，对本技术做进一步的说明：
36.首先使用simion电磁仿真软件通过窗口或电极定义语言编写的电极文件创建离子阱电极阵列，然后通过软件将电极阵列带入到泊松方程中，计算后创建离子阱的空间格点电势场，再设定离子和缓冲气体的各项初始参数。
37.离子阱内离子与缓冲气体分子达到热平衡时，离子和缓冲气体分子碰撞能量的损失等于离子从电场中得到的能量，单位时间内电场方向平均离子动量改变量正比于电场力大小，离子受到缓冲气体分子的粘滞力fm可以表示为：
[0038][0039]
其中，fq为离子受到电场力大小，qe为离子电荷，e为等效的作用电场，vm为离子速率，离子移动率km定义为：
[0040][0041]
其中，m为离子的质量，m为缓冲气体分子的质量，n为缓冲气体分子的数密度，kb为玻尔兹曼常数，d(t
eff
)为离子与分子在某一相互作用温度t
eff
下的碰撞横截面积。
[0042]
离子受到离子阱的势场束缚和缓冲气体粘滞力的作用下，在四极离子阱中的运动方程为：
[0043][0044][0045]
其中，u0为离子阱所加交变电场的直流偏置，v0为交变电场的振幅，ω为交变电场的圆频率，r0为离子阱中心到阱电极表面最短的距离。
[0046]
根据上述运动方程，按lua语法要求编写程序文件，将离子受到的粘滞力加到离子运动方程中，并设置特定电气参数的取值范围和步进大小，对离子运动过程的参量和运动过程进行模拟控制，实现有缓冲气体作用下的离子模拟过程，模拟仿真后得到直观的离子运动轨迹及离子数衰减效果图。
[0047]
首先改变气体种类，如图2所示，以氦气和氩气为例，模拟离子运动轨迹，得到两种气体下的离子运动轨迹图，比较后发现氩气比氦气对离子运动幅度的衰减程度更大，冷却作用更强。
[0048]
选择氩气作为缓冲气体，然后设计氩气的气体压强，如图3所示，设定氩气压强为3e-2pa和2e-2pa，分别模拟离子运动轨迹后得到两种压强下的离子运动轨迹图，比较后发现更高的缓冲气体压强下离子运动幅度更小，冷却作用效果更好。
[0049]
最后设计氩气的温度，如图4所示，设定氩气温度为380k、330k、270k、100k，分别模拟离子囚禁后数量随时间衰减的过程，比较后发现更低的缓冲气体温度下离子数衰减速度更慢，囚禁效果更好，但是维持更低缓冲气体温度的费用会显著上升，因此缓冲气体的温度维持在实验室易于达到的温度即可。
[0050]
在本技术实施例中，缓冲气体的参数主要包括气体种类、气体压强以及气体温度，选择合适的数值完成缓冲气体参数的优化设计。
[0051]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。