[发明专利]一种用于原子干涉仪探头的磁场系统

说明书

本发明公开了一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，包括一对梯度磁场线圈、一组偏置磁场线圈、一对补偿磁场线圈，分别用于产生磁光阱所需的梯度磁场，拉曼干涉阶段所需的均匀偏置磁场，在磁光阱中心位置抵消偏置磁场的补偿磁场。其中偏置磁场线圈组只需通一个电流，与磁屏蔽装置配合，在冷却区、干涉区、探测区范围内产生的偏置磁场不均匀度小于0.24％；补偿磁场线圈对在原子冷却阶段通电，产生的磁场在磁光阱中心与偏置磁场大小相等，方向相反，使得偏置磁场得以常开，彻底解决了偏置磁场开关速度慢的问题。

技术领域

本发明涉及一种量子精密测量领域中的重力测量技术，尤其涉及一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统。

背景技术

原子干涉重力仪是量子精密测量的重点发展方向，具有潜在的高灵敏度和分辨率，在重力标定、资源勘探、惯性导航、地球物理研究等众多领域有极重要的价值。如何实现高精度可搬运原子干涉仪是目前的一个重要研究方向。

原子干涉仪测量重力的过程包括三维冷却陷俘、初态制备、拉曼干涉以及末态探测。其中三维冷却陷俘包含磁光阱过程和偏振梯度冷却过程。

磁光阱过程需要在一个特定的梯度磁场下进行，这个梯度磁场是通过一对反亥姆赫兹线圈产生的。

偏振梯度冷却过程需要在磁场为零的冷却区中心进行。我们一般把原子干涉重力仪相应部分放入磁屏蔽装置里，地磁场已由磁屏蔽装置屏蔽掉了，而磁光阱过程的梯度磁场也需要快速关闭。

初态制备和拉曼干涉过程，需要一个偏置磁场给原子提供量子化轴，方向与拉曼光或者重力方向重合。初态制备后，原子处于磁量子数为零的态，一阶塞曼频移为零，但仍存在二阶塞曼频移。若偏置磁场不稳定(干涉区同一位置的竖直方向磁场大小随时间改变)，会给测量结果带来噪声或者长漂；若偏置磁场不均匀(干涉区不同位置的竖直方向磁场大小有差异)，会给测量结果引入系统误差。对于前者，上述提到的磁屏蔽装置可避免外磁场波动的影响，再给偏置磁场线圈配以精密电流源来解决偏置磁场不稳定的问题；对于后者，由于拉曼光向上和向下激发的干涉回路在空间上不完全重叠，反转拉曼光方向的方法并不能完全消除此系统误差，特别是在大动量转移或干涉时间(T)很长的情况，更应该保证偏置磁场的均匀度。

对于自由下落式的原子干涉重力仪，为了在有限的下落距离内做到尽可能长的干涉时间，干涉区最长为冷却区中心(即磁光阱中心)到探测区中心这一段距离，相应的，偏置磁场的均匀范围也需要覆盖到这一段距离。而以往的技术中，不管是上抛式还是自由下落式的原子干涉重力仪，偏置磁场线圈往往只就着干涉管道绕制，产生的偏置磁场均匀区更是比干涉管道要短，导致在同样尺寸的真空结构下，能选的干涉区很短，即干涉时间很短，限制了重力测量灵敏度。另外，以往的技术中，偏置磁场线圈组可能需要分段，每段所通电流不同，导致所需精密电流源数量多，给系统增加了成本和体积，不利于原子干涉重力仪的小型化和可移动化。

在现有的技术中，偏置磁场是在偏振梯度冷却之后，初态制备之前开启，拉曼干涉过程之后关闭。但由于偏置磁场线圈匝数多，截面积大，导致自感很大，磁场从零到达稳定值所需时间较长，所以原子在三维冷却陷俘之后会自由下落一段时间，偏离了冷却区中心才能开始进行初态制备。由于初态制备所用激光的交汇处也在冷却区中心，这种偏离会不利于初态制备，造成不必要的原子数损失，限制了重力测量灵敏度。并且每次测量，偏置磁场都要进行开关，电流值会有微小差异，同样会对重力测量造成不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于原子干涉重力仪探头的磁场系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于原子干涉重力仪探头的磁场系统，包括一对梯度磁场线圈、一组偏置磁场线圈、一对补偿磁场线圈，原子干涉仪的真空结构包括干涉管道，所述干涉管道上设有冷却区，所述干涉管道的下端设有探测区，所述梯度磁场线圈对、偏置磁场线圈组、补偿磁场线圈对的轴线与所述干涉管道的轴线重合。