用于銣原子磁光阱的超高真空系統設計

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都具有波粒二象性，物質的粒子性(動量p)和波動性(波長λ)可以通過普朗克常數h聯系起來(λ=h/p)。這種波就是德布羅意波，又被稱為物質波。物質波同樣具有波的屬性，可以像光波一樣產生干涉。實物粒子的速度越低，物質波的波長越長，其干涉效應會越明顯。隨著激光冷卻技術的發展，原子的速度不斷被降低，使得原子物質波的波長變得很長，甚至可以超過可見光波長，超低溫原子團的實現為原子物質波干涉提供了便利條件。利用激光技術可以實現物質波的分束與合束，為原子物質波干涉提供了工具。

早在1974年，就提出了構建原子干涉儀的方法及裝置設想。隨后，美國科學家提出了利用原子干涉儀精密測量重力加速度的設想，并在理論上預言了冷原子干涉重力儀的測量靈敏度會超過最好的光學干涉式重力儀。斯坦福大學的朱棣文小組利用受激拉曼躍遷實現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建內態原子干涉儀。受激拉曼躍遷的實現為構建原子干涉儀提供了一個有力的工具，直接促進了原子干涉儀的快速發展。1992年，世界上第一臺上拋式原子干涉重力儀誕生。冷原子干涉重力儀一經出現就表現出極高的靈敏度、穩定度以及潛在的高精度，這類原子重力傳感器引起了科學家的廣泛關注[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、合束從而實現干涉。當原子在光場中發生態轉移時，原子態的內部將會記錄下光場的相位信息，可以將光場作為參考，提取出原子上拋時相應的位置信息，從而可以得到重力加速度的信息。

冷原子干涉重力儀的關鍵裝置包括超高真空系統和光路系統。超高真空系統不僅是實現冷原子團制備的基礎，還為原子物質波干涉提供了必要的干涉環境。

對于處在真空中的磁光阱(有磁場、激光作用的真空腔室，可實現原子俘獲)，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。

真空系統為冷原子干涉重力儀提供理想的真空環境，以實現原子的捕捉與俘獲。本文設計的超高真空系統主要包括二維磁光阱、三維磁光阱和干涉區組成的真空室、真空泵、真空閥門以及真空測量等幾個部分。

1 原理和結構組成

在標準狀態下，Rb原子的飽和蒸氣壓為1.56×10-4Pa。飽和蒸氣壓是物質的蒸氣與其凝聚相處于平衡狀態下的該種物質的蒸氣壓力。即在標準狀態下(273K)，真空腔體內充滿Rb原子時，真空度也僅為 10-4Pa這個量級。因此，系統的極限真空首先要高于10-4Pa這個量級。

根據式(1)計算，1mol標準氣體的分子數密度為2.687×1025個/m3。以此推算，在真空度為1×10-4Pa時，1cm3的空間內，原子個數為1010個。此時，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間；同時，真空系統內高密度的Rb原子和激光束作用，會產生較強的背景熒光，對實驗觀測造成較大影響。

=2.687×1025

(1)

式中，n為1mol標準氣體的分子數密度；V為1m3；Vmol為氣體的摩爾體積，22.4L；NA為阿伏伽德羅常數，6.02×1023。

超高真空系統設計的總體原則，首先是系統的極限真空度達到捕獲Rb原子的要求，本系統的極限真空度設計為2×10-8Pa；其次是真空系統要預留光學窗口，同時還要考慮真空系統的可操作性和可維護性。

根據常規冷原子干涉重力儀的常見參數，原子干涉距離約為1.23cm,重力儀的工作帶寬為5Hz。在冷原子團的態制備過程中，制備效率一般為1%，這意味著若要探測到105個原子，三維磁光阱俘獲的原子團中的原子數目應當至少有107個原子。考慮到原子的干涉時間為100ms，因此用于原子團的裝載、偏振梯度冷卻、態制備和探測的時間僅為100ms。為了后續進一步提高測量重復頻率，應當壓縮這部分時間。取三維磁光阱的裝載時間為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，在真空系統達到指定的真空度后，向二維磁光阱中充入Rb原子，通過磁場和激光作用，俘獲自由運動的Rb原子，形成具有一定空間分布和速度分布的冷原子團。然后，利用一束水平的推送光照射該原子團，形成通量為1010atoms/s的冷原子束流流入三維磁光阱。通過差分管的控制，三維磁光阱中真空度較二維磁光阱低2個數量級，因此在三維磁光阱中能快速地進行原子裝載，從而縮短原子團的制備時間。此時可以獲得約108個原子，溫度約為幾十μK。調節三維磁光阱3對正交冷卻光的相對失諧，將原子團豎直上拋，并在上拋過程中改變冷卻光的功率、頻率，進行偏振梯度冷卻，得到溫度為幾μK的冷原子團。此外，利用態制備激光將原子團制備到F=1態，并施加合適的偏置磁場，原子繼續向上飛行，進入干涉區域[2，6]。

對于真空系統，二維磁光阱的真空度優于10-6Pa，三維磁光阱和干涉區域的真空度優于10-8Pa。二維磁光阱的4個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個冷卻激光窗口的通光孔徑為44mm，8個輔助窗口的通光孔徑為32mm。二維阱和三維阱之間通過差分結構設計以及不同抽速的離子泵來實現和維持。從廣義上講，真空系統還應包括擴束光筒、探測光筒、機械支撐件、磁場線圈骨架等機械部分。真空系統的設計需要與激光系統、磁場系統密切配合，共同實現物理敏感尺寸。

圖1為上拋式冷原子干涉重力儀示意圖。

2 結構設計

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。考慮到磁光阱對磁場的一些特殊要求，選擇鈦合金作為真空系統的腔體材料。

干涉區選擇的是鈦金屬骨架配大玻璃窗的設計。三維磁光阱為立方體的鍛制鈦合金切除8個角后的十四面體，對面打通，端面通過法蘭固定光學窗口。二維磁光阱是一個六面體，在4個面上配有光學窗，與三維磁光阱通過差分管連接。在加工要求上，三維磁光阱的各個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，干涉腔頂部的光學窗軸線與三維磁光阱底面光學窗的軸線重合。

鈦合金的真空管路與真空腔體之間通過焊接連接；光學窗均采用光學玻璃經光學精密加工后,表面鍍覆增透膜，與法蘭封接而成。相對應的所有法蘭之間均墊有經高溫處理過的超高真空無氧銅密封墊圈,并通過鈦合金螺釘連接。約4g高純度的銣被預封裝在一個小石英玻璃泡內，通過一個超高真空閥門與真空室連接,即構成了真空室的銣原子源。圖2為真空系統效果圖。

2.2 排氣系統

真空室所能達到的極限真空，由式(2)決定:

(2)

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

根據前文提到的極限真空度要求，Pj=2×10-8Pa；鈦合金經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，對真空室排氣。離子泵的啟動工作壓力一般小于10-4Pa，因此，不能單獨使用。本排氣系統的前級泵，選用的是分子泵機組,其抽速為110L/s,標稱極限壓強為2.7×10-6Pa。分子泵機組是一套集前級泵、分子泵、真空閥門、真空測量、冷卻系統于一體的新型真空排氣設備，其主要特點是拆卸方便、清潔度高、性能穩定、操作維護方便等,對被抽氣體無選擇、無記憶效應。圖3為真空系統原理圖。

2.3 烘烤工藝

系統出氣對極限真空度的影響。穩態出氣過程中，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)。

事實上出氣量Q隨抽氣時間而緩慢變化。非穩態出氣時，其瞬態方程為：

(5)

式中，P為真空室內壓力(Pa)；Pi為真空室內起始壓力(Pa)；P0為真空泵的極限壓力(Pa)；P1為t時刻的平衡壓力(Pa)；S為真空泵的有效抽速(L/s)；t為壓力由Pi到P的時間(s)；V為真空室容積。

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

(6)

由式(6)可知，沒經過處理的鈦合金腔體，其極限真空只能達到10-5Pa這個量級，遠遠達不到10-8Pa這個指標要求。

鈦合金在熔煉和鑄造的過程中，氫、氧、氮和碳的氧化物會不同程度地溶于材料之中。在存放時，其表面會吸附大量氣體。在加工過程中的再污染和其材料本身的非致密性引起的滲透，構成了在超高真空時的主要氣源。

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

本系統在抽真空時，各零部件必須進行徹底烘烤。鈦金屬的真空烘烤溫度設置為400℃，墊圈烘烤溫度為450℃，光學玻璃的烘烤溫度為260℃，離子泵的烘烤溫度為250℃。

真空系統加工好的各零部件,經清洗、氦質譜儀檢漏合格后,進行組裝。在組裝、調試過程中,在系統排氣的適當時段對真空室、過渡管道、真空泵等各部分進行不同溫度的烘烤除氣。這樣才能達到預期的真空度。

3 結論

1)實現Rb原子干涉，磁光阱的真空度要優于10-5Pa。

2)通過差分管的設計，2D-MOT和3D-MOT的真空度能夠相差2個數量級。

3)TC4作為真空系統的腔體材料，可以達到無磁的效果。

4)TC4材料的真空系統，必須經過真空烘烤等特殊處理才能達到10-8Pa這個量級的超高真空度。