[发明专利]基于微重力环境下的原子谱线探测装置

说明书

技术领域

本发明属于原子物理技术领域，特别涉及一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置。

背景技术

传统的原子谱线探测装置中，由于原子速度过快，导致测量过程中有太多引起频率移动的因素。同时，应用非均匀磁场囚禁原子，也导致了非均匀谱线展宽等诸多问题。而在微重力条件下，可使用极慢速度的原子(比原子传统技术中速度减慢10-100倍)，可使谱线降至0.05-0.1Hz。慢原子还有利于进一步减小很多引起频率移动的因素，如:剩余多普勒频移，谱线牵引频移，剩余二次塞曼效应，相对论效应和碰撞频移等。在微重力条件下原子处于自由悬浮状态，无须用非均匀磁场囚禁原子，有利于消除非均匀谱线展宽。同时，在远离地面的空间，将无震动引入的噪声干扰，电磁场干扰也比地面为小。所以，微重力环境是一个理想的进行精密物理测量的实验场地。这就使得设计出一种应用于微重力环境下的原子谱线探测装置成为了一种新的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于微重力环境下的原子谱线探测装置，并且具有结构简单、测量精确的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微重力环境下的原子谱线探测装置，包括：光源、中央处理器、用于调节磁场的磁场控制模块、用于量子跃迁的原子共振吸收模块、用于给所述原子共振吸收模块提供能量的微波源、用于对所述原子共振吸收模块处理后的光信号进行检测的光检测单元及用于对系统工作温度进行检测的温度检测单元；所述光源与所述原子共振吸收模块连接；所述磁场控制模块依次与所述原子共振吸收模块、所述温度检测单元、所述中央处理器连接；所述微波源依次与所述原子共振吸收模块、所述中央处理器连接；所述光检测单元依次与所述原子共振吸收模块、所述中央处理器连接；所述温度检测单元与所述原子共振吸收模块连接。

进一步地，所述原子共振吸收模块包括：共振吸收单元、谐振腔；所述谐振腔是TE111模式的微波谐振腔，所述共振吸收单元置于所述谐振腔内部；所述共振吸收单元中原子基态超精细0-0跃迁频率是原子谱线检测的中心参考频率；所述共振吸收单元中的工作物质由一种元素及其同位素组成；所述共振吸收单元内壁设置有一层防护层，用于减小所述共振吸收单元内部原子与内壁碰撞而产生的频移。

进一步地，所述谐振腔包括：圆柱腔体、耦合环、调谐器件及磁场线圈；所述共振吸收单元置于所述圆柱腔体内部；所述耦合环一端与外部电缆芯线固定连接，另一端通过螺纹紧固机构与所述圆柱腔体腔盖固定连接；所述磁场线圈横向密绕在所述圆柱腔体外壁上；所述调谐器件是螺钉，与所述圆柱腔体固定连接，通过改变所述螺钉在所述圆柱腔体中的长度来对腔频进行调节。

进一步地，所述元素是⁸⁷Rb，所述同位素是⁸⁵Rb；所述⁸⁷Rb含量是27.8％，所述⁸⁵Rb含量是72.2%。

进一步地，所述防护层是石蜡。

进一步地，所述原子共振吸收模块还包括：温控电阻、至少一块光电池；所述温控电阻通过电路板设置在所述谐振腔上方用于监控所述圆柱腔体的工作温度；所述光电池设置在所述圆柱腔体中心轴线的两侧。

进一步地，通过改变系统的工作环境温度，测量获得原子谱线的中心频率值，进而获得由于温度变化而造成的原子中心频率变化的关系A，及通过所述磁场控制模块改变所述谐振腔外磁场强度，获得不同磁场电流与所造成的原子中心频率变化的关系B，并将所述关系A、所述关系B保存至所述中央处理器中。

进一步地，所述温度检测单元通过测得系统中工作温度值C，并传输至所述中央处理器，所述中央处理器根据所述关系A、所述关系B调节所述磁场控制模块中磁场电流，进而通过改变原子中心频率来补偿由于温度变化而造成的原子中心频率变化，最终控制原子中心频率维持不变。

进一步地，所述中央处理器控制所述微波源频率输出，所述微波源输出频率在所述原子基态超精细0-0跃迁频率附近，用于完成整个原子谱线的扫频。

进一步地，所述光源用于辐射光束的元素是⁸⁷Rb。