氦原子精密光譜實驗中的精密磁場設(shè)計與測量.pdf

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1、物理學(xué)報ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．12(2014)123201氦原子精密光譜實驗中的精密磁場設(shè)計與測量術(shù)馮高平孫羽十鄭昕胡水明(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室，合肥230026)(2014年1月2日收到；2014年3月8日收到修改稿)在很多精密原子光譜實驗中，雜散磁場或者磁場強度的不均勻所引入的系統(tǒng)誤差，是影響實驗不確定度的主要因素之一．為保iiE~U量精度，必須實現(xiàn)精密的磁場控制．氦原子精細結(jié)構(gòu)的精密光譜測量可用于測定精細結(jié)構(gòu)常數(shù)，同時也是檢驗多電子原子體系量子電動力學(xué)理論的一種重要方法．本文介紹所設(shè)計制

2、作的磁屏蔽系統(tǒng)和余弦線圈產(chǎn)生精密可控磁場，并利用He原子光譜對所加磁場進行了精密測定．磁屏蔽結(jié)構(gòu)可將外磁場降低到小于0．8mGs(1Gs=i0_4T)，控制磁場在20Gs范圍內(nèi)時，光譜測量區(qū)域磁場的不均勻性和控制誤差均小于i0mGs．在此實驗條件下，氦原子精細結(jié)構(gòu)精密光譜測量中磁場所導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差小于0．2kHz．關(guān)鍵詞：氦原子，精細結(jié)構(gòu)，磁屏蔽，磁場測量PACS：32．30．一r，07．55．Ge，07．55．Nk，42．62．FiDOI：10．7498／aps．63．123201精細結(jié)構(gòu)最適于在原子體系中測定精細結(jié)構(gòu)常數(shù)OL1引言和檢驗Q

3、ED理論．氦原子精細結(jié)構(gòu)躍遷的精密光譜測量實驗中，精細結(jié)構(gòu)常數(shù)是一個基本物理常數(shù)，用于表系統(tǒng)誤差的修正是需要考慮的關(guān)鍵因素．在已報征電磁相互作用的強度，也是量子電動力學(xué)理論道的實驗結(jié)果中，實驗測量精度在0．35一1．4kHzfQED)中惟一可調(diào)節(jié)參數(shù)．氦原子精細結(jié)構(gòu)的精范圍，而不同實驗結(jié)果之間的系統(tǒng)偏差甚至達到密光譜，是基于量子電動力學(xué)原理測定精細結(jié)構(gòu)常3．5kHz[4，841．其中，由于躍遷頻率對于磁場十分?jǐn)?shù)的方法之一[1-4】．該方法所得的測量結(jié)果與通過敏感，實驗中地磁場等雜散磁場帶來的影響是測量測量電子反常磁矩【】等完全不同的方法所得結(jié)

4、果誤差的主要因素之一．為了減小磁場引入的系統(tǒng)誤進行比較，在檢驗QED理論的內(nèi)在自洽性等方面差，需要盡量降低測量區(qū)域的雜散磁場強度，技術(shù)具有重要的意義．氦原子是最簡單的多電子原子，上通常采用主動補償或被動屏蔽的方法實現(xiàn)．主動其束縛態(tài)能級包含復(fù)雜的電子一電子相互作用的貢補償是通過添加與外場方向相反、大小相等的補償獻，是多體物理研究的典型．氦原子研究高精密光場，以抵消外場的影響；被動屏蔽是指采用高磁導(dǎo)譜測量可為多電子束縛態(tài)原子物理和量子力學(xué)近率合金制作磁屏蔽結(jié)構(gòu)，將雜散磁場衰減，從而降似方法提供高靈敏檢驗．低對測量的影響．磁場測量常以磁場強度的大小

5、4He原子精細結(jié)構(gòu)能級如圖1(a)所示．其中三作為度量標(biāo)準(zhǔn)．在He精細結(jié)構(gòu)的精密測量中，一重態(tài)的基態(tài)23S1為亞穩(wěn)態(tài)，壽命約7870S[6,7】；三重般需要主動添加確定的外磁場對高階塞曼效應(yīng)引態(tài)第一激發(fā)態(tài)23P．，由于存在自旋和軌道相互作用，入的誤差進行修正，因而對所加磁場的準(zhǔn)確測量，分裂為三個子能級，相應(yīng)能級間隔分別約2．291和是實現(xiàn)精密測量的前提．同時，利用原子在磁場中29．617GHz．理論認為[1-3】，23P01，2—20S1躍遷的的塞曼效應(yīng)，通過激光抽運磁共振方法測定磁場，，+國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：11304303，2122

6、5314)、中國博士后科學(xué)基金(批準(zhǔn)號2013M541828)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(批準(zhǔn)號：WK23400000421資助的課題．t通訊作者．E-mail：robert@mail．ustc．edu．ca◎2014中國物理學(xué)會ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．iphy．nc．cn123201—1f物理學(xué)報ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．12(2014)123201光譜探測區(qū)磁屏蔽設(shè)計：實驗中采用被動屏蔽系中，若Y軸正半部分的電流方向沿Z軸正方向，Y的方法對外磁場進行衰減，以減小地磁場和環(huán)境

7、中軸負半部分的電流方向沿Z軸負方向，則磁場方向雜散磁場對測量的影響．磁屏蔽通常是采用具有較沿X軸正方向．對應(yīng)的導(dǎo)線在Y軸正半部分圓周面高磁導(dǎo)率的薄壁殼體材料制成，根據(jù)實際需要，可上的排布如圖3fC)所示．由于單位電流產(chǎn)生的磁做成圓球狀、圓筒狀、長方體等各種形狀[23-27】．影場與線圈的總導(dǎo)線數(shù)目成正比，因此該方法設(shè)計的響屏蔽效果的因素主要包括屏蔽體的尺寸f長度線圈具有較大的調(diào)節(jié)范圍．、半徑R等)，屏蔽材料的厚度t、屏蔽材料的磁導(dǎo)。率，對于多層結(jié)構(gòu)還需要考慮屏蔽體的層數(shù)n、層間間距等．在磁屏蔽系統(tǒng)的加工過程中，材料的熱處理工藝對磁導(dǎo)率以及最終

8、的屏蔽效率有重要影響【28_301．影響磁性能最大的因素主要包括退火r氣氛、退火溫度和時間、冷卻速度．非真空熔煉材料‘‘采用真空退火可以獲得更好的磁性能，而真空熔煉