氦原子精密光譜實(shí)驗(yàn)中的精密磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與測(cè)量.pdf

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1、物理學(xué)報(bào)ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．12(2014)123201氦原子精密光譜實(shí)驗(yàn)中的精密磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與測(cè)量術(shù)馮高平孫羽十鄭昕胡水明(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，雜散磁場(chǎng)或者磁場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻所引入的系統(tǒng)誤差，是影響實(shí)驗(yàn)不確定度的主要因素之一．為保iiE~U量精度，必須實(shí)現(xiàn)精密的磁場(chǎng)控制．氦原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的精密光譜測(cè)量可用于測(cè)定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，同時(shí)也是檢驗(yàn)多電子原子體系量子電動(dòng)力學(xué)理論的一種重要方法．本文介紹所設(shè)計(jì)制

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

3、ED理論．氦原子精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷的精密光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是一個(gè)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(bào)征電磁相互作用的強(qiáng)度，也是量子電動(dòng)力學(xué)理論道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(xì)結(jié)構(gòu)的精范圍，而不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的系統(tǒng)偏差甚至達(dá)到密光譜，是基于量子電動(dòng)力學(xué)原理測(cè)定精細(xì)結(jié)構(gòu)常3．5kHz[4，841．其中，由于躍遷頻率對(duì)于磁場(chǎng)十分?jǐn)?shù)的方法之一[1-4】．該方法所得的測(cè)量結(jié)果與通過(guò)敏感，實(shí)驗(yàn)中地磁場(chǎng)等雜散磁場(chǎng)帶來(lái)的影響是測(cè)量測(cè)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(chǎng)引入的系統(tǒng)誤進(jìn)行比較，在檢驗(yàn)QED理論的內(nèi)在自洽性等方面差，需要盡量降低測(cè)量區(qū)域的雜散磁場(chǎng)強(qiáng)度，技術(shù)具有重要的意義．氦原子是最簡(jiǎn)單的多電子原子，上通常采用主動(dòng)補(bǔ)償或被動(dòng)屏蔽的方法實(shí)現(xiàn)．主動(dòng)其束縛態(tài)能級(jí)包含復(fù)雜的電子一電子相互作用的貢補(bǔ)償是通過(guò)添加與外場(chǎng)方向相反、大小相等的補(bǔ)償獻(xiàn)，是多體物理研究的典型．氦原子研究高精密光場(chǎng)，以抵消外場(chǎng)的影響；被動(dòng)屏蔽是指采用高磁導(dǎo)譜測(cè)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(chǎng)衰減，從而降似方法提供高靈敏檢驗(yàn)．低對(duì)測(cè)量的影響．磁場(chǎng)測(cè)量常以磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小

5、4He原子精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)如圖1(a)所示．其中三作為度量標(biāo)準(zhǔn)．在He精細(xì)結(jié)構(gòu)的精密測(cè)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(dòng)添加確定的外磁場(chǎng)對(duì)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(jìn)行修正，因而對(duì)所加磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量，分裂為三個(gè)子能級(jí)，相應(yīng)能級(jí)間隔分別約2．291和是實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的前提．同時(shí)，利用原子在磁場(chǎng)中29．617GHz．理論認(rèn)為[1-3】，23P01，2—20S1躍遷的的塞曼效應(yīng)，通過(guò)激光抽運(yùn)磁共振方法測(cè)定磁場(chǎng)，，+國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：11304303，2122

6、5314)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)2013M541828)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(批準(zhǔn)號(hào)：WK23400000421資助的課題．t通訊作者．E-mail：robert@mail．ustc．edu．ca◎2014中國(guó)物理學(xué)會(huì)ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．iphy．nc．cn123201—1f物理學(xué)報(bào)ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．12(2014)123201光譜探測(cè)區(qū)磁屏蔽設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)中采用被動(dòng)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(duì)外磁場(chǎng)進(jìn)行衰減，以減小地磁場(chǎng)和環(huán)境

7、中軸負(fù)半部分的電流方向沿Z軸負(fù)方向，則磁場(chǎng)方向雜散磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量的影響．磁屏蔽通常是采用具有較沿X軸正方向．對(duì)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(shí)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(zhǎng)方體等各種形狀[23-27】．影場(chǎng)與線圈的總導(dǎo)線數(shù)目成正比，因此該方法設(shè)計(jì)的響屏蔽效果的因素主要包括屏蔽體的尺寸f長(zhǎng)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(duì)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(guò)程中，材料的熱處理工藝對(duì)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(shí)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