本發(fā)明涉及外場中里德堡原子動力學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置。

背景技術(shù)：

1、在外場中里德堡原子動力學(xué)研究中，堿金屬里德堡原子的產(chǎn)生通常采用原子爐加熱的方式，具體方法是在真空環(huán)境中加熱原子爐使內(nèi)置的固態(tài)堿金屬升華產(chǎn)生熱的原子氣體擴(kuò)散至整個(gè)真空腔體，隨后在激光泵浦下激發(fā)至里德堡態(tài)形成里德堡原子。里德堡原子的探測一般是采用微通道板收集被電場電離的里德堡原子的撞擊信號，也就是所謂的飛行質(zhì)譜。然而，在這種傳統(tǒng)的堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測方法中，存在以下缺點(diǎn)：

2、一是在原子產(chǎn)生過程中加熱的堿金屬原子氣體溫度較高，原子平動速度很大，這會極大地降低電離后里德堡原子動能探測的分辨率；二是在原子探測過程中，微通道板的持續(xù)加壓會將雜亂的背景信號記錄進(jìn)探測信號中，這會嚴(yán)重降低探測信號的信噪比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述傳統(tǒng)堿金屬里德堡原子產(chǎn)生和探測方法的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種堿金屬里德堡原子的產(chǎn)生與探測裝置，該裝置通過結(jié)合超聲原子束、激光濺射以及梯度電場減速技術(shù)能夠產(chǎn)生冷的集中分布的堿金屬里德堡原子束流，并通過對探測器施加脈沖電壓實(shí)現(xiàn)間斷式探測，即只在離子碰撞探測器的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行探測，可有效克服原子爐加熱導(dǎo)致的堿金屬氣體溫度過高以及持續(xù)加壓探測所帶來的噪聲影響等缺點(diǎn)。

2、本發(fā)明公開了一種堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置包括束源腔和作用腔；

3、所述束源腔用于制備堿金屬超聲原子束流，包括有氣體噴嘴、濺射激光、堿金屬固體靶以及圓錐形漏勺；

4、所述氣體噴嘴通過進(jìn)氣桿伸入至腔體內(nèi)部，用于噴射高壓載氣產(chǎn)生絕熱膨脹的原子氣團(tuán)；所述堿金屬固體靶位于原子氣團(tuán)正對位置；所述濺射激光濺射堿金屬固體靶產(chǎn)生氣相堿金屬原子并擴(kuò)散進(jìn)入原子氣團(tuán)；所述圓錐形漏勺固定在束源腔的真空法蘭上，位于堿金屬固體靶產(chǎn)生氣相堿金屬原子并擴(kuò)散進(jìn)入原子氣團(tuán)的對應(yīng)位置，用于通過原子氣團(tuán)中心處速度分布更為集中的超聲原子束流；

5、所述作用腔包括里德堡激發(fā)區(qū)、自由飛行區(qū)以及探測器，所述里德堡激發(fā)區(qū)包括排斥電場板、激發(fā)光以及減速電場板；

6、所述排斥電場板位于作用腔與束源腔相鄰一側(cè)，排斥電場板接入正電壓，用于吹除原子束中攜帶的堿金屬離子；所述激發(fā)光從光學(xué)窗口透過射入作用腔，用于激發(fā)堿金屬原子至高里德堡態(tài)從而制備出堿金屬里德堡原子；所述減速電場板為一對平行放置的電極板，用于產(chǎn)生水平梯度電場對里德堡原子進(jìn)行減速降溫；所述自由飛行區(qū)包括兩塊接地柵網(wǎng)；所述探測器包括至少兩塊加高壓的圓形微通道板，所述微通道板被安裝在作用腔上遠(yuǎn)離束源腔的真空法蘭上，外部加壓設(shè)備可通過電極施加高壓使微通道板正常工作。

7、更近一步地，所述束源腔還包括旋轉(zhuǎn)馬達(dá)；所述堿金屬固體靶被安裝在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)上以提高濺射信號的穩(wěn)定性，所述旋轉(zhuǎn)馬達(dá)通過外部控制器控制。

8、更近一步地，所述束源腔還包括方形金屬盒，所述方形金屬盒頂部、濺射激光入射方向以及與圓錐形漏勺相鄰一側(cè)均設(shè)有開孔，所述堿金屬固體靶通過頂部開孔伸入所述方形金屬盒；

9、所述濺射激光經(jīng)過與開孔射入方形金屬盒內(nèi)部，與所述堿金屬固體靶生成氣態(tài)金屬原子，所述氣態(tài)金屬原子通過與圓錐形漏勺相鄰一側(cè)開孔出射擴(kuò)散進(jìn)入原子氣團(tuán)；

10、所述方形金屬盒用于避免所述濺射激光反射打在真空腔體產(chǎn)生干擾信號以及防止濺射產(chǎn)生的固態(tài)金屬掉落附著在真空腔體表面。

11、更近一步地，所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置還包括聚焦透鏡；

12、所述濺射激光的傳播方向與原子束方向垂直交叉，濺射激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后通過真空腔的光學(xué)窗口透射進(jìn)入腔體打在堿金屬固體靶上，在激光作用下固態(tài)堿金屬會迅速形成燒孔：

13、

14、其中，ω0為光斑束腰半徑，d為燒孔尺寸，e為激光強(qiáng)度，eth閾值強(qiáng)度。

15、更近一步地，所述濺射激光利用中性密度濾光片和四分之一波片可分別改變光強(qiáng)和偏振狀態(tài)，所述濺射激光通過圓偏振以實(shí)現(xiàn)濺射原子擴(kuò)散方向的均勻性。

16、更近一步地，所述減速電場板利用里德堡原子的大電偶極矩特性，通過水平梯度電場對里德堡原子進(jìn)行減速，原子在梯度電場中受到的力為：

17、

18、其中，μd為電偶極矩，與里德堡態(tài)主量子數(shù)成正比，為電場梯度。

19、更近一步地，所述探測器的微通道板數(shù)量為三塊，各微通道板壓在不銹鋼板之間，在不銹鋼板四個(gè)角上穿過螺桿，用絕緣材料如聚四氟乙烯將不銹鋼板壓固在螺桿上，螺桿固定在真空法蘭上；

20、加壓設(shè)備通過電極對微通道板加高壓，微通道板的高壓施加方式采用偏置電壓與脈沖電壓的組合形式，用于使堿金屬里德堡原子發(fā)生電離，以及對電離的離子加速達(dá)到微通道板響應(yīng)的能量閾值。

21、更近一步地，所述激發(fā)光為脈沖激光，頻率為10hz，脈沖寬度10ns。

22、更近一步地，所述載氣為氦氣，所述真空腔內(nèi)真空保持在10-6pa量級。

23、更近一步地，圓錐形漏勺為不銹鋼材料制成，中心圓孔直徑為30-100um，不同的小孔直徑可產(chǎn)生不同發(fā)散角的原子束流。

24、本發(fā)明達(dá)到的有益效果是：

25、本發(fā)明通過在超聲原子束流產(chǎn)生路徑上增加堿金屬材料激光濺射裝置，使得激光濺射產(chǎn)生的氣相堿金屬原子被帶入至原子束流當(dāng)中，經(jīng)過進(jìn)一步激發(fā)、梯度電場減速可制備出溫度較冷的堿金屬里德堡原子；另一方面，本發(fā)明通過施加脈沖電壓使探測器只工作在被測粒子到達(dá)探測器的時(shí)間范圍內(nèi)，消除了累計(jì)的背景噪聲。相比于以往的堿金屬里德堡原子產(chǎn)生和探測方式，本發(fā)明可大幅度提高里德堡原子動能分辨率以及探測信噪比。

技術(shù)特征：

1.一種堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置包括束源腔(1)和作用腔(2)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述束源腔(1)還包括旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(15)；所述堿金屬固體靶(12)被安裝在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(15)上以提高濺射信號的穩(wěn)定性，所述旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(15)通過外部控制器控制。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述束源腔(1)還包括方形金屬盒(13)，所述方形金屬盒(13)頂部、濺射激光(16)入射方向以及與圓錐形漏勺(14)相鄰一側(cè)均設(shè)有開孔，所述堿金屬固體靶(12)通過頂部開孔伸入所述方形金屬盒(13)；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置還包括聚焦透鏡(17)；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述濺射激光(16)利用中性密度濾光片和四分之一波片可分別改變光強(qiáng)和偏振狀態(tài)，所述濺射激光(16)通過圓偏振以實(shí)現(xiàn)濺射原子擴(kuò)散方向的均勻性。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述減速電場板(23)利用里德堡原子的大電偶極矩特性，通過水平梯度電場對里德堡原子進(jìn)行減速，原子在梯度電場中受到的力為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述探測器(26)的微通道板數(shù)量為三塊，各微通道板壓在不銹鋼板之間，在不銹鋼板四個(gè)角上穿過螺桿，用絕緣材料如聚四氟乙烯將不銹鋼板壓固在螺桿上，螺桿固定在真空法蘭上；

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述激發(fā)光(22)為脈沖激光，頻率為10hz，脈沖寬度10ns。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，所述載氣為氦氣，所述真空腔內(nèi)真空保持在10-6pa量級。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，其特征在于，圓錐形漏勺(14)為不銹鋼材料制成，中心圓孔直徑為30-100um，不同的小孔直徑用于產(chǎn)生不同發(fā)散角的原子束流。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開出了一種堿金屬里德堡原子產(chǎn)生與探測裝置，該裝置包括束源腔和作用腔，二者通過真空法蘭對接；束源腔包括用于制備堿金屬超聲原子束流的濺射激光、堿金屬固體靶材、高壓氣體噴嘴以及圓錐形漏勺；作用腔包括激發(fā)光、排斥電場板、減速電場板、柵網(wǎng)和探測器，排斥電場板及柵網(wǎng)中間留有通孔以通過原子束流。本發(fā)明通過結(jié)合超聲原子束、激光濺射以及梯度電場減速技術(shù)能夠產(chǎn)生冷的集中分布的堿金屬里德堡原子束流，并通過施加脈沖電壓實(shí)現(xiàn)間斷式探測，即只在離子碰撞探測器的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行探測，可有效克服原子爐加熱導(dǎo)致的堿金屬氣體溫度過高以及持續(xù)加壓探測所帶來的噪聲影響等缺點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：孫仁平,宋宏偉,王晨晟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中光電技術(shù)研究所（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一七研究所）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/7