一种二极型磁选态单束铯束管束光学结构的建立方法

摘要

本发明公开了一种二极型磁选态单束铯束管束光学结构的建立方法，在未考虑A磁铁和B磁铁的狭缝以及铯炉加热温度情况下，固定A磁铁位置，确定准直器相对位置、微波腔倾角和相对位置、B磁铁相对位置以及离化丝相对位置，是一个二维平面问题，使问题简化为对这5个参数进行优化计算，该方法输入输出明确清晰，简单易行；同时，本发明束光学结构的离化丝上收集的束流强度较现有的采用复杂建模优化方法得到的束流强度有显著的提高。

主权项

一种二极型磁选态单束铯束管束光学结构的建立方法，所述束光学结构包括准直器、A磁铁、微波腔、B磁铁和离化丝，铯原子束流从准直器发出，经过A磁铁、微波腔和B磁铁，最后被离化丝收集；其特征在于，不考虑A磁铁和B磁铁的狭缝以及铯炉加热温度，建立所述束光学模型，具体步骤如下：步骤1、确定所述束光学结构的输入条件，具体为：1)、确定束光学结构中各部件在X轴方向距离，即准直器、A磁铁、微波腔、B磁铁和离化丝中相邻两者之间的距离：X_s、X_m、X_b和X_c；其中，以A磁铁的开孔的法线方向为X轴Y轴方向为从A磁铁的凸极头指向凹极头的方向，且Y轴在A磁铁的端面内；2)、选定束光学模型中铯原子速度V_s；3)、束光学模型中各部件物性参数和结构参数，包括准直器的偏角α_s，准直器的宽度W_s，A磁铁和B磁铁的二线场半长a、宽度b和磁铁长度L_x以及磁场强度H₀，微波腔的束孔宽度W_m和长度L_m，离化丝的宽度W_c；步骤2、令铯原子束从准直器中心垂直射出的铯原子到达A磁铁端面时集中在Y轴向上距离X轴1.2a的点上，得到准直器在Y轴上的相对位置Y_s：Y_s＝1.2a‑X_stanα_s      (1)步骤3、沿着准直器偏角α_s，在准直器出口中间位置射出所述选中速度为V_s的铯原子，根据步骤1获得的A磁铁的物性参数和结构参数，结合线性方程组式(2)得到该铯原子在A磁铁内的运动轨迹；$\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dy}}_1}{dt}=y_2\\ \frac{{\mathrm{dy}}_2}{dt}=\frac{{\mu }_{eff}}{m}\frac{-4a^2{H}_0}{{(y_1^2+a^2)}^2}{y}_1\end{array}---\left(2\right)$其中t表示时间，y₁为铯原子Y轴向位置坐标，y₂为铯原子Y轴向速度分量，m为铯原子质量，μ_eff根据式(3)计算；${\mu }_{eFF}=\frac{ϵ+F/4}{\sqrt{1+ϵF/2+{ϵ}^2}}{\mu }_0---\left(3\right)$其中F为铯原子的子能级，根据具体束光学设计选择3或4；μ₀是玻尔磁子，为9.274e‑24。ε＝H₀/0.3268是铯原子的磁场系数；再根据获得的铯原子运动轨迹，确定铯原子在A磁铁出口处的Y轴坐标Y_ma、Y轴向速度分量v_yma和速度方向角α_ma；步骤4、令铯原子束在微波腔入口、出口处的轨迹均通过微波腔束孔中心，则微波腔夹角α_m等于铯原子在A磁铁出口处的速度方向角，即：α_m＝α_ma      (4)令铯原子从A磁铁出射后对准微波腔的束孔中心，即得到微波腔入口相对位置Y_m：$Y_m=Y_{ma}+\frac{v_{yma}}{V_s{\mathrm{cos\alpha }}_s}(X_m+L_m{\mathrm{cos\alpha }}_m-L_x)-L_m{\mathrm{sin\alpha }}_m---\left(5\right)$步骤5、令铯原子束从微波腔射出的铯原子到达B磁铁端面时集中在Y轴向上距离X轴1.2a的点上，则得到B磁铁相对Y轴的位置Y_b：$Y_b=Y_{ma}+\frac{v_{yma}}{V_s{\mathrm{cos\alpha }}_s}(X_b-L_X)-1.2a---\left(6\right)$步骤6、计算跃迁后铯原子在B磁铁内的运动轨迹，即跃迁铯原子初始位置为1.2a时求解线性方程组式(2)；根据获得的铯原子运动轨迹，获得跃迁铯原子在B磁铁出口处的Y轴坐标Y_mb和Y轴向速度分量v_ymb；步骤7、令选中的单一速度铯原子束到达离化丝表面宽度中心，由此根据式(7)获得离化丝入口中心坐标Y_c：$Y_c=Y_{mb}+\frac{v_{ymb}}{V_s{\mathrm{cos\alpha }}_s}(X_c-X_b-L_X)---\left(7\right)$步骤8、根据步骤1‑7得到的准直器相对位置Y_s，微波腔倾角α_m和相对位置Y_m，B磁铁相对位置Y_b以及离化丝相对位置Y_c，建立二极型磁选态单束铯束管束光学结构。