用于铷原子磁光阱的超高真空系统设计

崔云涛，路想想，孔德龙，聂鲁燕

(天津航海仪器研究所，天津 300131)

0 引言

1924年，德布罗意指出任何物质都具有波粒二象性，物质的粒子性(动量p)和波动性(波长λ)可以通过普朗克常数h联系起来(λ=h/p)。这种波就是德布罗意波，又被称为物质波。物质波同样具有波的属性，可以像光波一样产生干涉。实物粒子的速度越低，物质波的波长越长，其干涉效应会越明显。随着激光冷却技术的发展，原子的速度不断被降低，使得原子物质波的波长变得很长，甚至可以超过可见光波长，超低温原子团的实现为原子物质波干涉提供了便利条件。利用激光技术可以实现物质波的分束与合束，为原子物质波干涉提供了工具。

早在1974年，就提出了构建原子干涉仪的方法及装置设想。随后，美国科学家提出了利用原子干涉仪精密测量重力加速度的设想，并在理论上预言了冷原子干涉重力仪的测量灵敏度会超过最好的光学干涉式重力仪。斯坦福大学的朱棣文小组利用受激拉曼跃迁实现了冷原子的速度选择，并提出了可以利用这种双光子受激跃迁构建内态原子干涉仪。受激拉曼跃迁的实现为构建原子干涉仪提供了一个有力的工具，直接促进了原子干涉仪的快速发展。1992年，世界上第一台上抛式原子干涉重力仪诞生。冷原子干涉重力仪一经出现就表现出极高的灵敏度、稳定度以及潜在的高精度，这类原子重力传感器引起了科学家的广泛关注[3]。

冷原子干涉重力仪通常可以分为两类：上抛式原子干涉重力仪和下落式原子干涉重力仪。上抛式原子干涉重力仪的工作原理是利用拉曼激光与冷原子波包的相互作用，使得原子束分束、反转、合束从而实现干涉。当原子在光场中发生态转移时，原子态的内部将会记录下光场的相位信息，可以将光场作为参考，提取出原子上抛时相应的位置信息，从而可以得到重力加速度的信息。

冷原子干涉重力仪的关键装置包括超高真空系统和光路系统。超高真空系统不仅是实现冷原子团制备的基础，还为原子物质波干涉提供了必要的干涉环境。

对于处在真空中的磁光阱(有磁场、激光作用的真空腔室，可实现原子俘获)，阱中被俘获的原子可能被背景气体中的大速度原子碰撞而逃出阱外。为了有效地提高阱中所俘获原子的数量及密度，必须降低真空室中背景气体的密度,以减小碰撞的几率,即提高真空室的真空度。

真空系统为冷原子干涉重力仪提供理想的真空环境，以实现原子的捕捉与俘获。本文设计的超高真空系统主要包括二维磁光阱、三维磁光阱和干涉区组成的真空室、真空泵、真空阀门以及真空测量等几个部分。

1 原理和结构组成

在标准状态下，Rb原子的饱和蒸气压为1.56×10-4Pa。饱和蒸气压是物质的蒸气与其凝聚相处于平衡状态下的该种物质的蒸气压力。即在标准状态下(273K)，真空腔体内充满Rb原子时，真空度也仅为 10-4Pa这个量级。因此，系统的极限真空首先要高于10-4Pa这个量级。

根据式(1)计算，1mol标准气体的分子数密度为2.687×1025个/m3。以此推算，在真空度为1×10-4Pa时，1cm3的空间内，原子个数为1010个。此时，磁光阱中被俘获的Rb原子被其他原子碰撞的概率还很高，使得被俘获的Rb原子只能停留极短的时间；同时，真空系统内高密度的Rb原子和激光束作用，会产生较强的背景荧光，对实验观测造成较大影响。

=2.687×1025

(1)

式中，n为1mol标准气体的分子数密度；V为1m3；Vmol为气体的摩尔体积，22.4L；NA为阿伏伽德罗常数，6.02×1023。

超高真空系统设计的总体原则，首先是系统的极限真空度达到捕获Rb原子的要求，本系统的极限真空度设计为2×10-8Pa；其次是真空系统要预留光学窗口，同时还要考虑真空系统的可操作性和可维护性。

根据常规冷原子干涉重力仪的常见参数，原子干涉距离约为1.23cm,重力仪的工作带宽为5Hz。在冷原子团的态制备过程中，制备效率一般为1%，这意味着若要探测到105个原子，三维磁光阱俘获的原子团中的原子数目应当至少有107个原子。考虑到原子的干涉时间为100ms，因此用于原子团的装载、偏振梯度冷却、态制备和探测的时间仅为100ms。为了后续进一步提高测量重复频率，应当压缩这部分时间。取三维磁光阱的装载时间为20ms，则二维磁光阱的原子通量需要大于5×108atoms/s。

冷原子干涉重力仪的基本工作原理是，在真空系统达到指定的真空度后，向二维磁光阱中充入Rb原子，通过磁场和激光作用，俘获自由运动的Rb原子，形成具有一定空间分布和速度分布的冷原子团。然后，利用一束水平的推送光照射该原子团，形成通量为1010atoms/s的冷原子束流流入三维磁光阱。通过差分管的控制，三维磁光阱中真空度较二维磁光阱低2个数量级，因此在三维磁光阱中能快速地进行原子装载，从而缩短原子团的制备时间。此时可以获得约108个原子，温度约为几十μK。调节三维磁光阱3对正交冷却光的相对失谐，将原子团竖直上抛，并在上抛过程中改变冷却光的功率、频率，进行偏振梯度冷却，得到温度为几μK的冷原子团。此外，利用态制备激光将原子团制备到F=1态，并施加合适的偏置磁场，原子继续向上飞行，进入干涉区域[2，6]。

对于真空系统，二维磁光阱的真空度优于10-6Pa，三维磁光阱和干涉区域的真空度优于10-8Pa。二维磁光阱的4个冷却激光通光面积为15cm×3cm，推送光的通光孔径为10mm；三维磁光阱的6个冷却激光窗口的通光孔径为44mm，8个辅助窗口的通光孔径为32mm。二维阱和三维阱之间通过差分结构设计以及不同抽速的离子泵来实现和维持。从广义上讲，真空系统还应包括扩束光筒、探测光筒、机械支撑件、磁场线圈骨架等机械部分。真空系统的设计需要与激光系统、磁场系统密切配合，共同实现物理敏感尺寸。

图1为上抛式冷原子干涉重力仪示意图。

2 结构设计

2.1 真空室材料

材料的真空性能主要有气密性、渗气性、出气率及蒸气压等。常用的真空腔体材料有不锈钢、钛合金、铝合金和铜合金。考虑到磁光阱对磁场的一些特殊要求，选择钛合金作为真空系统的腔体材料。

干涉区选择的是钛金属骨架配大玻璃窗的设计。三维磁光阱为立方体的锻制钛合金切除8个角后的十四面体，对面打通，端面通过法兰固定光学窗口。二维磁光阱是一个六面体，在4个面上配有光学窗，与三维磁光阱通过差分管连接。在加工要求上，三维磁光阱的各个面的法线交汇于十四面体的中心，且在干涉腔的中轴线上。在竖直方向上，干涉腔顶部的光学窗轴线与三维磁光阱底面光学窗的轴线重合。

钛合金的真空管路与真空腔体之间通过焊接连接；光学窗均采用光学玻璃经光学精密加工后,表面镀覆增透膜，与法兰封接而成。相对应的所有法兰之间均垫有经高温处理过的超高真空无氧铜密封垫圈,并通过钛合金螺钉连接。约4g高纯度的铷被预封装在一个小石英玻璃泡内，通过一个超高真空阀门与真空室连接,即构成了真空室的铷原子源。图2为真空系统效果图。

2.2 排气系统

真空室所能达到的极限真空，由式(2)决定:

(2)

式中，Pj为真空室能达到的极限真空(Pa)；P0为真空泵的极限真空(Pa)；Q0为空载时，气体负荷(漏气、材料表面出气)(Pa·L/s)；Sp为泵的有效抽速(L/s)。

根据前文提到的极限真空度要求，Pj=2×10-8Pa；钛合金经真空工艺特殊处理后，真空室抽气25h后的Q0=1.5×10-6Pa；有式(3)

(3)

根据式(3)，选择极限真空度为1×10-9Pa，抽速为120L/s的安捷伦Vaclon Plus 20,作为三维阱的主泵，对真空室排气。离子泵的启动工作压力一般小于10-4Pa，因此，不能单独使用。本排气系统的前级泵，选用的是分子泵机组,其抽速为110L/s,标称极限压强为2.7×10-6Pa。分子泵机组是一套集前级泵、分子泵、真空阀门、真空测量、冷却系统于一体的新型真空排气设备，其主要特点是拆卸方便、清洁度高、性能稳定、操作维护方便等,对被抽气体无选择、无记忆效应。图3为真空系统原理图。

2.3 烘烤工艺

系统出气对极限真空度的影响。稳态出气过程中，恒定气体获得的平衡压力为：

(4)

式中，Pj为平衡压力(Pa)；Q为出气量(Pa·L/s)；S为真空泵的有效抽速(L/s)。

事实上出气量Q随抽气时间而缓慢变化。非稳态出气时，其瞬态方程为：

(5)

式中，P为真空室内压力(Pa)；Pi为真空室内起始压力(Pa)；P0为真空泵的极限压力(Pa)；P1为t时刻的平衡压力(Pa)；S为真空泵的有效抽速(L/s)；t为压力由Pi到P的时间(s)；V为真空室容积。

由式(5)可知，真空室内的极限压力为P0+P1；当P0≪P1，真空室内压力取决于出气量。2个磁光阱及干涉腔组成的真空腔室内部容积约4L，内表面积0.2m2，钛合金在不经过处理的出气率为8.25×10-7(Pa·L)/(s·cm2)，有式(6)

(6)

由式(6)可知，没经过处理的钛合金腔体，其极限真空只能达到10-5Pa这个量级，远远达不到10-8Pa这个指标要求。

钛合金在熔炼和铸造的过程中，氢、氧、氮和碳的氧化物会不同程度地溶于材料之中。在存放时，其表面会吸附大量气体。在加工过程中的再污染和其材料本身的非致密性引起的渗透，构成了在超高真空时的主要气源。

其中，金属表面解吸的气体，直接影响了系统的极限真空度。一台金属密封的不烘烤的真空系统，要达到10-7Pa需要大约108h。为加速出气，最有效的手段是真空烘烤。

本系统在抽真空时，各零部件必须进行彻底烘烤。钛金属的真空烘烤温度设置为400℃，垫圈烘烤温度为450℃，光学玻璃的烘烤温度为260℃，离子泵的烘烤温度为250℃。

真空系统加工好的各零部件,经清洗、氦质谱仪检漏合格后,进行组装。在组装、调试过程中,在系统排气的适当时段对真空室、过渡管道、真空泵等各部分进行不同温度的烘烤除气。这样才能达到预期的真空度。

3 结论

1)实现Rb原子干涉，磁光阱的真空度要优于10-5Pa。

2)通过差分管的设计，2D-MOT和3D-MOT的真空度能够相差2个数量级。

3)TC4作为真空系统的腔体材料，可以达到无磁的效果。

4)TC4材料的真空系统，必须经过真空烘烤等特殊处理才能达到10-8Pa这个量级的超高真空度。