一种激光溅射原子发生装置的制作方法

1.本发明涉及原子发生装置，尤其涉及一种激光溅射原子发生装置。


背景技术：

2.在离子阱等离子的装置中，离子的产生与装载是最重要的，其决定了后续的实验能否开展。一般的常规方法是通过对原子炉进行加热以产生原子。具体地，在真空环境下，对原子炉进行加热以使得原子炉内的固态的金属材料的表面升华以产生向四面八方发射的自由原子气体，其中一小部分原子运动至离子阱的囚禁区域，被经过离子阱中心处的激光电离后再被电场囚禁。但是，这种常规方法存在以下限制：
3.1)加热时间受限于原子炉加热的时间常数，其加热过程耗时较长，在分钟量级；
4.2)在原子炉第一次加热前，金属材料的表面常常有一层氧化层，为原子炉加热出自由的金属单质原子带来了困难；同时，由于原子炉对金属材料的加热是直接对金属材料的表面的整体加热，不具有指向性；
5.3)对于低温的离子阱系统来说，在对处于真空环境下的原子炉加热，不利于低温的离子阱系统的运行，为低温环境带来了负面影响等。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光溅射原子发生装置，其能够解决现有采用加热原子炉的方式产生原子时存在加热时间长、原子产生困难以及不利于低温环境的离子阱系统的运行等问题。
7.本发明的目的采用如下技术方案实现：
8.一种激光溅射原子发生装置，包括壳体、激光发射装置和金属材料；其中，所述壳体的顶端设有通孔，并且通孔与刀片型离子阱的囚禁区域对准；所述金属材料设于壳体内部；所述壳体内设有一通道，用于将所述激光发射装置生成的脉冲激光入射到金属材料的表面以溅射出原子，以及用于将溅射出的部分原子通过壳体顶端的通孔出射到所述刀片型离子阱的囚禁区域。
9.进一步地，还包括驱动电机和控制器；所述通孔为可变通孔；所述控制器与驱动电机电性连接，用于通过所述驱动电机控制可变通孔的孔径大小；所述控制器还与激光发射装置电性连接，用于控制出射到金属材料表面上的单位面积的激光能量。
10.进一步地，所述真空腔体的横截面为八边形。
11.进一步地，所述驱动电机固定安装于所述壳体的外部。
12.进一步地，所述壳体、刀片型离子阱、驱动电机均设于真空腔体的内部，所述激光发射装置、控制器设于所述真空腔体的外部；
13.所述激光发射装置，用于将脉冲激光通过所述真空腔体上的视窗入射到所述真空腔体内，进而通过所述壳体的通孔入射到壳体的通道内。
14.进一步地，所述控制器通过引线与驱动电机电性连接；所述引线的一端与控制器
电性连接、另一端穿过所述真空腔体上设置的馈通与所述驱动电机电性连接。
15.进一步地，所述真空腔体上设有内外贯穿的第一开口；所述第一开口上安装有第一金属法兰，通过在所述第一金属法兰上安装电气转接口以形成所述馈通。
16.进一步地，所述真空腔体上设有内外贯穿的第二开口，所述第二开口上安装有第二金属法兰，通过在所述第二金属法兰上安装光学镜片已形成所述视窗。
17.进一步地，所述刀片型离子阱的囚禁区域的中心点与壳体的通孔的垂直距离为10mm～20mm。
18.进一步地，所述壳体安装于刀片型离子阱的安装支架上。
19.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
20.本发明通过在壳体安装于刀片型离子阱的安装支架上，并且壳体的顶部设置开口，并且壳体内部设置一通道，用于将激光发生装置产生的脉冲激光通过通孔入射到壳体内，并通过通道入射到金属材料的表面以溅射出原子，并使得部分原子通过通道出射到壳体的通孔，进而出射到刀片型离子阱的囚禁区域，实现离子囚禁。本发明不需要加热即可快速产生原子，相对于现有采用加热原子炉的方式，更有利于离子阱的低温运行；同时可快速提高原子产生的速度。
附图说明
21.图1为本发明提供的一种激光溅射原子发生装置；
22.图2为图1中的壳体内金属材料、壳体与通孔的位置关系示意图。
23.图中：1、真空腔体；2、壳体；21、通孔；22、通道；23、引线；3、金属材料；4、驱动电机；5、控制器；6、刀片型离子阱；61、囚禁区域；7、激光光源。
具体实施方式
24.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
25.本发明提供一种优选的实施例，一种激光溅射原子发生装置，如图1所示，包括壳体2、金属材料3和激光发射装置。
26.其中，壳体2的顶端设有通孔21，并且通孔21与刀片型离子阱6的囚禁区域61对准。
27.金属材料3设于壳体2内部。
28.壳体2内设有一通道22。激光发射装置，用于生成脉冲激光以及将脉冲激光通过壳体2顶端的开口入射到通道22内，进而通过通道22入射到金属材料3的表面溅射出原子，实现原子的激光溅射。当金属材料3的表面被激光溅射后产生向四面八方发射出的原子气体。这样，溅射出的部分原子再通过通道22、通孔21出射到刀片型离子阱6的囚禁区域61，被经过刀片型离子阱6的囚禁区域61的中心处的激光电离并囚禁。
29.优选地，激光发射装置可根据实际的需求设定。比如，激光发射装置包括激光光源7、透镜；激光光源7将生成的脉冲激光通过透镜发射出去。
30.由于本发明不需要对金属材料3做任何的加热处理，即可实现原子的溅射，解决现有技术中采用加热原子炉的方式不利于离子阱的低温运行；同时，激光溅射的方式相对于
加热方式来说，其原子的产生速度更快。
31.优选地，在使用时，将本发明的壳体2置于距离刀片型离子阱6的囚禁装置的附近，比如将壳体2安装于刀片型离子阱6的安装支架上，并且壳体2的通孔21接近且对准刀片型离子阱6的囚禁区域61。由于通孔21对准了囚禁区域61，且距离足够近，使得飞出的原子束能够顺利进入囚禁区域61，被电场约束住。
32.优选地，本发明还包括控制器5。其中，控制器5与激光发射装置电性连接，用于控制激光发射装置生成的脉冲激光的出射方向、激光强度以及透镜焦距，实现对入射到金属材料3表面上的单位面积的激光能量，进而控制溅射出的原子数量。比如可利用可变衰减片(又叫中性密度滤光片)改变激光光强；同时，还可通过更换不同焦距的透镜，或者将一个特定焦距的透镜置于位移台上，前后移动位移台，来改变打到金属材料3上的光斑大小，进而控制打到金属材料3上的单位面积的激光能量。其中，单位面积的激光能量的单位是焦耳/平方厘米。
33.优选地，壳体2顶端的通孔21为可变通孔。通过控制可变通孔的尺寸大小来控制出射到刀片型离子阱6的囚禁区域61的原子的数量。
34.更为优选地，本发明还包括驱动电机4。控制器5与驱动电机4电性连接，用于通过驱动电机4控制可变通孔的尺寸的大小。优选地，可变通孔一般为圆形通孔或条形通孔。
35.更为具体地，可变通孔可采用电控光缆或电动针孔等方式来实现，也可以采用类比控制器5来实现。通过驱动电机4来控制可变通孔的尺寸的大小，筛选出射的原子，实现可以限制自由原子的出射方向的空间范围以及控制溅射出原子数量。
36.优选地，如图2所示，可变通孔的尺寸大小会影响出射到刀片型离子阱6的囚禁区域61的原子的速度分布范围和空间角。其中，可变通孔的直径越小，原子的速度分布的空间角越小，则出射的原子束越窄，也即出射的原子数量越少。
37.原子的速度分布的空间角为θ，可变通孔的直径为d，金属材料3的表面与可变通孔的距离为l，则tanθ＝d
÷2÷
l。
38.基于本领域技术人员可知，可变通孔出射的原子束的速度大小符合maxwell-boltzmann(thermal)distribution(麦克斯韦-玻尔兹曼热分布)，如公式(1)：
[0039][0040]
其中，是与温度有关的速度分布的标准差，kb是玻尔兹曼常数，m是原子质量，t是原子束的有效温度，νs是出射原子的质心速度。
[0041]
本发明通过设置可变通孔，可实现对金属材料的指定位置进行溅射，具有指向性。
[0042]
优选地，壳体2顶端的通孔21与刀片型离子阱6的囚禁区域61的中心点之间的垂直距离满足系统预设距离。更为具体地，系统预设距离为10mm～20mm。
[0043]
优选地，在实际的使用过程中，本发明还将壳体2、刀片型离子阱6设于真空腔体1内部，激光发射装置设于真空腔体1的外部。激光发射装置，用于将脉冲激光通过真空腔体1上的视窗入射到真空腔体1内，从而通过壳体2的通孔21入射到壳体2内的通道22内，进而入射到金属材料3的表面。
[0044]
如本实施例中的脉冲激光从垂直于真空腔体1表面入射到真空腔体1内，进而通过
壳体2的通孔21进入到通道22内，入射到金属材料3的表面溅射出原子。本实施例中的通道22，一是用于将进入到壳体2内的脉冲激光入射到金属材料3的表面、一是用于将溅射出的部分原子通过壳体2的通孔21出射到壳体2外部，进而出射到刀片型离子阱6的囚禁区域61。
[0045]
优选地，本发明所用的脉冲激光的激光光斑的直径约为几十微米，其尺寸非常小，远远小于可变通孔的孔径，可使得更多的脉冲激光入射到壳体2内部。其中，将金属材料3置于壳体2内部较深的位置，可变通孔位于壳体2的表面，距离刀片型离子阱6的囚禁区域61的中心点最近，这样，出射出的原子可直接打到刀片型离子阱6的囚禁区域61。
[0046]
优选地，控制器5设于真空腔体1的外部，驱动电机4设于真空腔体1的外部。控制器5通过引线23与位于真空腔体1内的驱动电机4电性连接，用于通过驱动电机4控制可变通孔的尺寸大小。
[0047]
更为优选地，真空腔体1上设有馈通，引线23的一端与位于真空腔体1的外部的控制器5电性连接、另一端穿过馈通延伸至真空腔体1内部与驱动电机4电性连接。
[0048]
更为具体地，真空腔体1上设有一内外贯穿的第一开口，第一开口上安装第一金属法兰。通过在第一金属法兰上安装带有密封圈或密封条的电气转接口以形成馈通。另外，对于馈通的实现方案不仅局限于本实施例所给出的实现方式，其还可为其他可实现的方式，在保证真空腔体1的密封性的前提下，实现控制器5与驱动电机4的电性连接。
[0049]
本发明通过馈通来实现驱动电机4与控制器5的电性连接，既隔绝了真空腔体1内外的气体交换，保持内部的真空度，又提供了真空腔体1内外的电气连接和交互的通道22。这样，外部的控制器5可通过引线23，经过馈通，控制内部的驱动电机4，改变可变通孔的孔径大小，定量控制自由原子大致定向的出射方向的空间范围。
[0050]
同理，真空腔体1上设有一内外贯穿的第二开口，第二开口上安装第二金属法兰。通过在第二金属法兰上设置光学镜片以形成视窗。
[0051]
优选地，真空腔体1的横截面为八边形。也即，真空腔体1为八面体。其中，馈通和视窗分别设于对应的八面体的一个面上。
[0052]
本发明通过将刀片型离子阱6和壳体2均置于真空环境下，然后将从真空腔的外部射入到真空腔的特定范围的脉冲激光聚焦到壳体2内的金属材料3的表面，以轰击金属材料3，溅射出原子；以及将溅射出的原子通过通道22、通孔21出射到刀片型离子阱6的囚禁区域61。本发明采用激光溅射的方式激光金属材料3产生原子，其金属材料3的消融时间和溅射时间更短，通常在秒量级别，相对于传统的加热原子炉在分钟量级来说，其原子产生的速度更快。同时，由于脉冲激光在很小的区域内具有很高的能量，更容易破坏金属材料3表面的氧化层，更易于溅射出原子，解决现有技术中由于金属材料3表面存在氧化层而较难激发出原子。
[0053]
由于脉冲激光具有指向性的特点，可通过改变脉冲激光入射到金属材料3表面的位置，使得金属材料3的溅射位置具有指向性。比如，传统的加热原子炉的方式来说，被加热的整个金属材料3的固体样品的表面都会逸散出自由原子。而激光溅射的方式相对于加热原子炉的方式来说，只有激光光斑(比如：打到金属材料3上的高斯光束的束腰直径可以小于80um)打到金属材料3(比如4mm
×
4mm
×
4mm的立方块)上的地方才会溅射出自由原子，没有被激光打到的位置不会溅射原子。随着溅射的时间增加时，比如1个月，金属材料3表面上这个点不管用时，则可略微微调真空腔体1外的激光发射装置的反射镜，改变打到金属材料
3表面的位置。
[0054]
本发明也不需要借助任何的加热元件进行加热，有利于刀片型离子阱6的低温运行环境，同时还可与用于电离子的激光配合做同位素选择。
[0055]
另外，本发明可控制自由原子的出射方向的空间范围，避免打到离子阱的结构上，而影响电场分布，导致离子阱囚禁离子的实验效果不理想，同时还可控制溅射出的原子数量。
[0056]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。