用于銣原子磁光阱的超高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔云濤，路想想，孔德龍，聶魯燕

(天津航海儀器研究所，天津 300131)

0 引言

1924年，德布羅意指出任何物質(zhì)都具有波粒二象性，物質(zhì)的粒子性(動(dòng)量p)和波動(dòng)性(波長(zhǎng)λ)可以通過(guò)普朗克常數(shù)h聯(lián)系起來(lái)(λ=h/p)。這種波就是德布羅意波，又被稱為物質(zhì)波。物質(zhì)波同樣具有波的屬性，可以像光波一樣產(chǎn)生干涉。實(shí)物粒子的速度越低，物質(zhì)波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其干涉效應(yīng)會(huì)越明顯。隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，原子的速度不斷被降低，使得原子物質(zhì)波的波長(zhǎng)變得很長(zhǎng)，甚至可以超過(guò)可見(jiàn)光波長(zhǎng)，超低溫原子團(tuán)的實(shí)現(xiàn)為原子物質(zhì)波干涉提供了便利條件。利用激光技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)波的分束與合束，為原子物質(zhì)波干涉提供了工具。

早在1974年，就提出了構(gòu)建原子干涉儀的方法及裝置設(shè)想。隨后，美國(guó)科學(xué)家提出了利用原子干涉儀精密測(cè)量重力加速度的設(shè)想，并在理論上預(yù)言了冷原子干涉重力儀的測(cè)量靈敏度會(huì)超過(guò)最好的光學(xué)干涉式重力儀。斯坦福大學(xué)的朱棣文小組利用受激拉曼躍遷實(shí)現(xiàn)了冷原子的速度選擇，并提出了可以利用這種雙光子受激躍遷構(gòu)建內(nèi)態(tài)原子干涉儀。受激拉曼躍遷的實(shí)現(xiàn)為構(gòu)建原子干涉儀提供了一個(gè)有力的工具，直接促進(jìn)了原子干涉儀的快速發(fā)展。1992年，世界上第一臺(tái)上拋式原子干涉重力儀誕生。冷原子干涉重力儀一經(jīng)出現(xiàn)就表現(xiàn)出極高的靈敏度、穩(wěn)定度以及潛在的高精度，這類原子重力傳感器引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注[3]。

冷原子干涉重力儀通常可以分為兩類：上拋式原子干涉重力儀和下落式原子干涉重力儀。上拋式原子干涉重力儀的工作原理是利用拉曼激光與冷原子波包的相互作用，使得原子束分束、反轉(zhuǎn)、合束從而實(shí)現(xiàn)干涉。當(dāng)原子在光場(chǎng)中發(fā)生態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，原子態(tài)的內(nèi)部將會(huì)記錄下光場(chǎng)的相位信息，可以將光場(chǎng)作為參考，提取出原子上拋時(shí)相應(yīng)的位置信息，從而可以得到重力加速度的信息。

冷原子干涉重力儀的關(guān)鍵裝置包括超高真空系統(tǒng)和光路系統(tǒng)。超高真空系統(tǒng)不僅是實(shí)現(xiàn)冷原子團(tuán)制備的基礎(chǔ)，還為原子物質(zhì)波干涉提供了必要的干涉環(huán)境。

對(duì)于處在真空中的磁光阱(有磁場(chǎng)、激光作用的真空腔室，可實(shí)現(xiàn)原子俘獲)，阱中被俘獲的原子可能被背景氣體中的大速度原子碰撞而逃出阱外。為了有效地提高阱中所俘獲原子的數(shù)量及密度，必須降低真空室中背景氣體的密度,以減小碰撞的幾率,即提高真空室的真空度。

真空系統(tǒng)為冷原子干涉重力儀提供理想的真空環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)原子的捕捉與俘獲。本文設(shè)計(jì)的超高真空系統(tǒng)主要包括二維磁光阱、三維磁光阱和干涉區(qū)組成的真空室、真空泵、真空閥門(mén)以及真空測(cè)量等幾個(gè)部分。

1 原理和結(jié)構(gòu)組成

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，Rb原子的飽和蒸氣壓為1.56×10-4Pa。飽和蒸氣壓是物質(zhì)的蒸氣與其凝聚相處于平衡狀態(tài)下的該種物質(zhì)的蒸氣壓力。即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(273K)，真空腔體內(nèi)充滿Rb原子時(shí)，真空度也僅為 10-4Pa這個(gè)量級(jí)。因此，系統(tǒng)的極限真空首先要高于10-4Pa這個(gè)量級(jí)。

根據(jù)式(1)計(jì)算，1mol標(biāo)準(zhǔn)氣體的分子數(shù)密度為2.687×1025個(gè)/m3。以此推算，在真空度為1×10-4Pa時(shí)，1cm3的空間內(nèi)，原子個(gè)數(shù)為1010個(gè)。此時(shí)，磁光阱中被俘獲的Rb原子被其他原子碰撞的概率還很高，使得被俘獲的Rb原子只能停留極短的時(shí)間；同時(shí)，真空系統(tǒng)內(nèi)高密度的Rb原子和激光束作用，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的背景熒光，對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)造成較大影響。

=2.687×1025

(1)

式中，n為1mol標(biāo)準(zhǔn)氣體的分子數(shù)密度；V為1m3；Vmol為氣體的摩爾體積，22.4L；NA為阿伏伽德羅常數(shù)，6.02×1023。

超高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體原則，首先是系統(tǒng)的極限真空度達(dá)到捕獲Rb原子的要求，本系統(tǒng)的極限真空度設(shè)計(jì)為2×10-8Pa；其次是真空系統(tǒng)要預(yù)留光學(xué)窗口，同時(shí)還要考慮真空系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性。

根據(jù)常規(guī)冷原子干涉重力儀的常見(jiàn)參數(shù)，原子干涉距離約為1.23cm,重力儀的工作帶寬為5Hz。在冷原子團(tuán)的態(tài)制備過(guò)程中，制備效率一般為1%，這意味著若要探測(cè)到105個(gè)原子，三維磁光阱俘獲的原子團(tuán)中的原子數(shù)目應(yīng)當(dāng)至少有107個(gè)原子?？紤]到原子的干涉時(shí)間為100ms，因此用于原子團(tuán)的裝載、偏振梯度冷卻、態(tài)制備和探測(cè)的時(shí)間僅為100ms。為了后續(xù)進(jìn)一步提高測(cè)量重復(fù)頻率，應(yīng)當(dāng)壓縮這部分時(shí)間。取三維磁光阱的裝載時(shí)間為20ms，則二維磁光阱的原子通量需要大于5×108atoms/s。

冷原子干涉重力儀的基本工作原理是，在真空系統(tǒng)達(dá)到指定的真空度后，向二維磁光阱中充入Rb原子，通過(guò)磁場(chǎng)和激光作用，俘獲自由運(yùn)動(dòng)的Rb原子，形成具有一定空間分布和速度分布的冷原子團(tuán)。然后，利用一束水平的推送光照射該原子團(tuán)，形成通量為1010atoms/s的冷原子束流流入三維磁光阱。通過(guò)差分管的控制，三維磁光阱中真空度較二維磁光阱低2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在三維磁光阱中能快速地進(jìn)行原子裝載，從而縮短原子團(tuán)的制備時(shí)間。此時(shí)可以獲得約108個(gè)原子，溫度約為幾十μK。調(diào)節(jié)三維磁光阱3對(duì)正交冷卻光的相對(duì)失諧，將原子團(tuán)豎直上拋，并在上拋過(guò)程中改變冷卻光的功率、頻率，進(jìn)行偏振梯度冷卻，得到溫度為幾μK的冷原子團(tuán)。此外，利用態(tài)制備激光將原子團(tuán)制備到F=1態(tài)，并施加合適的偏置磁場(chǎng)，原子繼續(xù)向上飛行，進(jìn)入干涉區(qū)域[2，6]。

對(duì)于真空系統(tǒng)，二維磁光阱的真空度優(yōu)于10-6Pa，三維磁光阱和干涉區(qū)域的真空度優(yōu)于10-8Pa。二維磁光阱的4個(gè)冷卻激光通光面積為15cm×3cm，推送光的通光孔徑為10mm；三維磁光阱的6個(gè)冷卻激光窗口的通光孔徑為44mm，8個(gè)輔助窗口的通光孔徑為32mm。二維阱和三維阱之間通過(guò)差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及不同抽速的離子泵來(lái)實(shí)現(xiàn)和維持。從廣義上講，真空系統(tǒng)還應(yīng)包括擴(kuò)束光筒、探測(cè)光筒、機(jī)械支撐件、磁場(chǎng)線圈骨架等機(jī)械部分。真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要與激光系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)密切配合，共同實(shí)現(xiàn)物理敏感尺寸。

圖1為上拋式冷原子干涉重力儀示意圖。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 真空室材料

材料的真空性能主要有氣密性、滲氣性、出氣率及蒸氣壓等。常用的真空腔體材料有不銹鋼、鈦合金、鋁合金和銅合金?？紤]到磁光阱對(duì)磁場(chǎng)的一些特殊要求，選擇鈦合金作為真空系統(tǒng)的腔體材料。

干涉區(qū)選擇的是鈦金屬骨架配大玻璃窗的設(shè)計(jì)。三維磁光阱為立方體的鍛制鈦合金切除8個(gè)角后的十四面體，對(duì)面打通，端面通過(guò)法蘭固定光學(xué)窗口。二維磁光阱是一個(gè)六面體，在4個(gè)面上配有光學(xué)窗，與三維磁光阱通過(guò)差分管連接。在加工要求上，三維磁光阱的各個(gè)面的法線交匯于十四面體的中心，且在干涉腔的中軸線上。在豎直方向上，干涉腔頂部的光學(xué)窗軸線與三維磁光阱底面光學(xué)窗的軸線重合。

鈦合金的真空管路與真空腔體之間通過(guò)焊接連接；光學(xué)窗均采用光學(xué)玻璃經(jīng)光學(xué)精密加工后,表面鍍覆增透膜，與法蘭封接而成。相對(duì)應(yīng)的所有法蘭之間均墊有經(jīng)高溫處理過(guò)的超高真空無(wú)氧銅密封墊圈,并通過(guò)鈦合金螺釘連接。約4g高純度的銣被預(yù)封裝在一個(gè)小石英玻璃泡內(nèi)，通過(guò)一個(gè)超高真空閥門(mén)與真空室連接,即構(gòu)成了真空室的銣原子源。圖2為真空系統(tǒng)效果圖。

2.2 排氣系統(tǒng)

真空室所能達(dá)到的極限真空，由式(2)決定:

(2)

式中，Pj為真空室能達(dá)到的極限真空(Pa)；P0為真空泵的極限真空(Pa)；Q0為空載時(shí)，氣體負(fù)荷(漏氣、材料表面出氣)(Pa·L/s)；Sp為泵的有效抽速(L/s)。

根據(jù)前文提到的極限真空度要求，Pj=2×10-8Pa；鈦合金經(jīng)真空工藝特殊處理后，真空室抽氣25h后的Q0=1.5×10-6Pa；有式(3)

(3)

根據(jù)式(3)，選擇極限真空度為1×10-9Pa，抽速為120L/s的安捷倫Vaclon Plus 20,作為三維阱的主泵，對(duì)真空室排氣。離子泵的啟動(dòng)工作壓力一般小于10-4Pa，因此，不能單獨(dú)使用。本排氣系統(tǒng)的前級(jí)泵，選用的是分子泵機(jī)組,其抽速為110L/s,標(biāo)稱極限壓強(qiáng)為2.7×10-6Pa。分子泵機(jī)組是一套集前級(jí)泵、分子泵、真空閥門(mén)、真空測(cè)量、冷卻系統(tǒng)于一體的新型真空排氣設(shè)備，其主要特點(diǎn)是拆卸方便、清潔度高、性能穩(wěn)定、操作維護(hù)方便等,對(duì)被抽氣體無(wú)選擇、無(wú)記憶效應(yīng)。圖3為真空系統(tǒng)原理圖。

2.3 烘烤工藝

系統(tǒng)出氣對(duì)極限真空度的影響。穩(wěn)態(tài)出氣過(guò)程中，恒定氣體獲得的平衡壓力為：

(4)

式中，Pj為平衡壓力(Pa)；Q為出氣量(Pa·L/s)；S為真空泵的有效抽速(L/s)。

事實(shí)上出氣量Q隨抽氣時(shí)間而緩慢變化。非穩(wěn)態(tài)出氣時(shí)，其瞬態(tài)方程為：

(5)

式中，P為真空室內(nèi)壓力(Pa)；Pi為真空室內(nèi)起始?jí)毫?Pa)；P0為真空泵的極限壓力(Pa)；P1為t時(shí)刻的平衡壓力(Pa)；S為真空泵的有效抽速(L/s)；t為壓力由Pi到P的時(shí)間(s)；V為真空室容積。

由式(5)可知，真空室內(nèi)的極限壓力為P0+P1；當(dāng)P0?P1，真空室內(nèi)壓力取決于出氣量。2個(gè)磁光阱及干涉腔組成的真空腔室內(nèi)部容積約4L，內(nèi)表面積0.2m2，鈦合金在不經(jīng)過(guò)處理的出氣率為8.25×10-7(Pa·L)/(s·cm2)，有式(6)

(6)

由式(6)可知，沒(méi)經(jīng)過(guò)處理的鈦合金腔體，其極限真空只能達(dá)到10-5Pa這個(gè)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到10-8Pa這個(gè)指標(biāo)要求。

鈦合金在熔煉和鑄造的過(guò)程中，氫、氧、氮和碳的氧化物會(huì)不同程度地溶于材料之中。在存放時(shí)，其表面會(huì)吸附大量氣體。在加工過(guò)程中的再污染和其材料本身的非致密性引起的滲透，構(gòu)成了在超高真空時(shí)的主要?dú)庠础?/p>

其中，金屬表面解吸的氣體，直接影響了系統(tǒng)的極限真空度。一臺(tái)金屬密封的不烘烤的真空系統(tǒng)，要達(dá)到10-7Pa需要大約108h。為加速出氣，最有效的手段是真空烘烤。

本系統(tǒng)在抽真空時(shí)，各零部件必須進(jìn)行徹底烘烤。鈦金屬的真空烘烤溫度設(shè)置為400℃，墊圈烘烤溫度為450℃，光學(xué)玻璃的烘烤溫度為260℃，離子泵的烘烤溫度為250℃。

真空系統(tǒng)加工好的各零部件,經(jīng)清洗、氦質(zhì)譜儀檢漏合格后,進(jìn)行組裝。在組裝、調(diào)試過(guò)程中,在系統(tǒng)排氣的適當(dāng)時(shí)段對(duì)真空室、過(guò)渡管道、真空泵等各部分進(jìn)行不同溫度的烘烤除氣。這樣才能達(dá)到預(yù)期的真空度。

3 結(jié)論

1)實(shí)現(xiàn)Rb原子干涉，磁光阱的真空度要優(yōu)于10-5Pa。

2)通過(guò)差分管的設(shè)計(jì)，2D-MOT和3D-MOT的真空度能夠相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3)TC4作為真空系統(tǒng)的腔體材料，可以達(dá)到無(wú)磁的效果。

4)TC4材料的真空系統(tǒng)，必須經(jīng)過(guò)真空烘烤等特殊處理才能達(dá)到10-8Pa這個(gè)量級(jí)的超高真空度。