[发明专利]产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法

说明书

一种产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈，该复合线圈由两个尺寸和匝数相同、彼此平行的共轴圆形线圈组成，每个圆形线圈由矩形线圈和L形线圈两部分组成，且矩形线圈内嵌在该L形线圈的L区域的凹陷部，上下两个圆形线圈的矩形线圈和L形线圈分别互相对应。本发明复合线圈分时复用：矩形线圈对和L形线圈对同时工作，通入反向电流，在低于700W功率下产生轴向梯度大于1.5mT/mm的四极磁场；所述的L形线圈对独立工作，通入同向电流，产生不均匀度小于10nT/mm的50mT量级的均匀磁场。本发明应用于空间超冷原子物理实验装置，可以产生磁光阱和四极磁阱所需要的四极磁场以及调节原子间相互作用所需要的均匀磁场。

技术领域

本发明涉及磁场，特别是一种产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法。

背景技术

20世纪后期发展起来的原子冷却与陷俘技术可以获得温度低至纳开尔文的超冷原子气体，被广泛应用于各种物理量和物理常数的精密测量，以及量子模拟、量子信息，量子动力学与量子热力学等研究领域。

目前常用的获得超冷原子气体的技术路线为：利用二维磁光阱从背景蒸汽中收集冷原子并产生冷原子束流。将冷原子束注入超高真空三维磁光阱(3D-MOT)进行预冷却，然后通过偏振梯度冷却等方式进一步降低温度，并装载到四极磁阱中。之后再将原子从四极磁阱转移到无零点的Ioffe型磁阱或者磁-光学偶极势混合阱中，进行蒸发冷却。以上实验过程中，3D-MOT和四极磁阱阶段均需要用一对通反向电流的线圈构建四极磁场。通常线圈轴向的磁场梯度要达到1.5mT/mm才能有效地囚禁原子并为蒸发冷却创造条件。利用蒸发冷却获得温度在纳开尔文量级的超冷原子之后，后续实验经常需要在光学偶极阱中通过Feshbach共振效应调节原子间的相互作用强度，实现的方式是产生特定强度的均匀磁场，通常磁感应强度达10^-2T以上。

采用同一对线圈，两只线圈通以反向电流时可以产生四极磁场，通以同向电流时可以产生均匀磁场。因此，通常采用切换电流方向的方法，可以实现同一对线圈在四极磁场与均匀磁场工作模式的切换。但对于某些特殊的应用场景，比如空间站实验柜，对功耗有严格限制。在此条件下难以同时满足对四极磁场梯度以及均匀磁场的中心强度和均匀度的要求。要产生均匀磁场，对于线圈直径与线圈间距的比值有一定的要求；而在一定功率且线圈间距确定的条件下要达到同样的轴向梯度，线圈直径较小更有利。因此二者之间存在矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种均匀磁场和四极磁场的复合线圈的制备方法，该复合线圈分时复用：矩形线圈对1和L形线圈对2同时工作，通入反向电流，在低于700W功率下产生轴向梯度大于1.5mT/mm的四极磁场；L形线圈对2独立工作，通入同向电流，产生不均匀度小于10nT/mm的50mT量级的均匀磁场。将线圈对安装在科学腔上，以满足空间超冷原子物理实验的磁场需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈，其特点在于，该复合线圈由两个尺寸和匝数相同、彼此平行的共轴圆形线圈组成，每个圆形线圈由矩形线圈和L形线圈两部分组成，且矩形线圈内嵌在该L形线圈的L区域的凹陷部，上下两个圆形线圈的矩形线圈和L形线圈分别互相对应。

所述的矩形线圈和L形线圈是选取比线圈尺寸稍大的线圈骨架，根据线圈设计参数使用漆包线在骨架上绕制而成。

通过分别控制所述的矩形线圈和L形线圈通入的电流大小和方向，产生均匀磁场和四极磁场。

上述均匀磁场和四极磁场的复合线圈的制备方法，该方法包括下列步骤：

1)所述的均匀磁场和四极磁场的复合式线圈是由在X-Z面的剖面为矩形的矩形线圈嵌入在X-Z面的剖面为L形的L形线圈内嵌合，两者共轴且平行从而组成复合线圈，Z方向的均匀磁场由一对共轴且平行的L形线圈组成的线圈对产生，所述的四极磁场由矩形线圈和L形线圈嵌合组成的共轴且平行的复合线圈对产生；