CN108254619B - 一种微波频标离子数量的检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微波频标离子数量的检测方法及装置，解决了现有技术检测微波频标离子数量检测精度低、难度大、对离子反应不够灵敏且不利于集成和小型化的问题。该检测方法根据四极线型离子阱内电势分布方程推算离子的慢运动频率，再确定检测信号的中心频率为慢运动频率，扫描范围为±10kHz，将检测信号加载到四极线型离子阱的端电极上，四极线型离子阱的另一个端电极接地。检测信号的输入频率在四极线型离子阱处被吸收，根据透射频谱计算离子数量。在检测时计算机控制晶体振荡器产生检测信号，检测信号经滤波放大后经分压电阻输入四极线型离子阱，输入频率被离子阱内离子吸收后输出透射信号，透射信号经滤波与检测信号锁相放大传输至计算机处理。
Description
技术领域
本申请涉及电磁场领域，尤其涉及一种微波频标离子数量的检测方法及装置。
背景技术
汞离子微波频标是一种新型频标，其采用了不同于氢、铷、铯等传统原子频标的全新工作原理。其具有基本不受实物粒子和外场的扰动，运动效应小和量子态相干时间长等内在特点，谱线宽度极窄，各种频移很小。其中一个主要的原因是通过在离子阱施加静电场、磁场或者射频场，将工作离子囚禁于超高真空的离子阱中心，使离子完全孤立，处于“完全静止状态”，不受到外界的干扰，因此可大大提高汞离子微波频标的性能指标。但现有技术对汞离子微波频标数量检测方法研究不深，一般只能通过现有仪器设备进行简单测试。这种检测方法存在检测精度低、难度大、对离子反应不够灵敏且不利于集成和小型化的问题。
因此，本申请提出一种新型微波频标离子数量的检测方法及装置，解决了目前汞离子微波频标离子数量检测方法精度低、检测难度大及系统难以小型化等问题。
发明内容
本申请实施例提供一种微波频标离子数量的检测方法及装置，用于解决现有技术检测汞离子微波频标离子数量精度低、检测难度大的等问题。该检测方法包括以下步骤：
根据四极线型离子阱内电势分布方程推算离子的慢运动频率，根据离子运动频率确定检测信号的中心频率为慢运动频率，扫描范围为±10kHz。将所述检测信号加载到四极线型离子阱的一个端电极上，另外一个端电极接地。检测信号的输入频率在四极线型离子阱处被吸收，根据透射频谱计算离子数量。
优选地，所述微波频标为汞离子微波频标。
优选地，所述根据透射频谱计算离子数量的公式为：
其中b和Γ为电路常数，d0为端电极到阱中心的距离，f为囚禁场频率，R为电阻值，1/R0为检测电路谐振导纳，Ymax和Δω分别为射频检测信号吸收曲线的峰值和半高全宽，N为离子数量。
本申请实施例还提供一种微波频标离子数量的检测装置，适用上述实施例所述的微波频标离子数量检测方法，解决了现有技术系统难以小型化的问题。
所述装置采用以下技术方案：
一种检测微波频标离子数量的装置，包括计算机、晶体振荡器、滤波放大器、分压电阻、四极线型离子阱、滤波器和锁相放大器。所述晶体振荡器用于产生检测信号，包括控制端、输出端和锁相端，计算机与晶体振荡器控制端连接，晶体振荡器的输出端与滤波放大器输入端连接。所述滤波放大器对所述检测信号进行滤波并放大；所述分压电阻的一端与滤波放大器连接，另一端与四极线型离子阱连接，所述检测信号通过分压电阻输入四极线型离子阱的端电极。所述四极线型离子阱内的离子对检测信号进行吸收，透射信号经滤波器进行滤波。所述锁相放大器与所述晶体振荡器的锁相端、滤波器和计算机连接。经过滤波器滤波后的透射信号与晶体振荡器提供的检测信号在锁相放大器内锁相放大，将得到的透过频谱通过输出端传输至计算机。所述计算机用于控制所述晶体振荡器的输出频率，以离子慢运动频率为中心频率在±10kHz范围变化，所述计算机还用于根据透射频谱计算离子数量。
优选地，所述四极线型离子阱包括柱电极和端电极。
优选地，所述柱电极的电压幅值在300V～2000V之间。
优选地，所述柱电极所需的加载频率在1MHz～6MHz之间。
优选地，端电极需加载电压幅值在5V～300V之间的直流电压。
优选地，所述计算机根据透射频谱计算离子数量的步骤是
其中b和Γ为电路常数，d0为端电极到阱中心的距离，f为囚禁场频率，R为电阻值，1/R0为检测电路谐振导纳，Ymax和Δω分别为射频检测信号吸收曲线的峰值和半高全宽，N为离子数量。
优选地，所述离子慢运动的频率为50kHz。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：上述实施例所述的检测微波频标离子数量的方法及装置精度高、对离子反应灵敏且便于集成和小型化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的微波频标离子数量的检测方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的一种四极线型离子阱的结构图。
图3为本申请实施例提供的一种微波频标离子数量的检测装置工作流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请实施例提供的微波频标离子数量的检测方法的流程图。如图1所示，本申请实施例提供的微波频标离子数量检测方法包括如下4个步骤：
步骤101、根据四极线型离子阱内电势分布方程推算离子的运动频率，可以发现离子的运动由快、慢两种运动组成。
根据公式(1)求解四极线型离子阱内电势分布
其中Vrf和ωrf分别为所加交变电场的振幅和圆频率，Udc为所加电场的直流偏置部分，r0为阱中心到阱电极表面最短的距离。
根据公式(2)求解带正电离子的平面运动方程
其中
ζ＝ωrft/2，m为离子质量，e为电子的电荷值。
根据公式(3)求解离子在四极线型离子阱内的运动频率，以x轴为例
其中
为慢运动频率，ωrf为快运动频率。
步骤102、确定检测信号的中心频率为慢运动频率，扫描范围为±10kHz：根据离子的慢运动参数ωs确定检测信号的中心频率为ωs，以±10kHz的范围进行扫频。为避免对有用信号的影响，对频率为ωrf的信号进行滤波。
步骤103、四极线型离子阱的一个端电极加载检测，另一个端电极接地：将检测信号通过真空法兰和真空导线加载到四极线型离子阱的一个端电极上，另一个端电极接地。
步骤104、检测信号被离子阱内离子吸收，根据透射频谱计算离子数量：扫描的检测信号在四极线型离子阱内被离子吸收，吸收后的透射信号频谱根据公式(4)可计算出四极线型离子阱内的离子数量
其中N为离子总数，b和Γ为电路常数，d0为端电极到阱中心的距离，f为囚禁场频率，R为电阻值，1/R0为检测电路谐振导纳，Ymax和Δω分别为射频检测信号吸收曲线的峰值和半高全宽。
本申请实施例提供的微波频标离子数量的检测方法的检测难度小、精度高。
图2为本申请实施例提供的一种四极线型离子阱的结构图。如图2所示，本申请提供的四极线型离子阱包括柱电极和端电极，其中离子阱柱电极的电压幅值在300V～2000V之间，所需的加载频率在1MHz～6MHz之间。离子阱端电极需加载电压幅值在5V～300V之间的直流电压。
图3为本申请实施例提供的一种微波频标离子数量的检测装置工作流程图。如图3所示，本申请实施例提供的一张微波频标离子数量的检测装置包括计算机1、晶体振荡器2、滤波放大器3、分压电阻4、四极线型离子阱5、滤波器6和锁相放大器7。其中晶体振荡器2用于产生检测信号，包括控制端、输出端和锁相端。计算机1与晶体振荡器2的控制端连接，晶体振荡器2的输出端与滤波放大器3输入端连接。滤波放大器3用于对晶体振荡器2输出的检测信号进行滤波并放大。分压电阻4的一端与滤波放大器3连接，另一端与四极线型离子阱5连接。经滤波放大器3处理后的检测信号通过分压电阻4输入四极线型离子阱5的端电极。四极线型离子阱5内的离子对检测信号进行吸收，透射信号经滤波器6进行滤波。锁相放大器7与晶体振荡器2的锁相端、滤波器6和计算机1连接。经过滤波器6滤波后的透射信号与晶体振荡器2提供的检测信号在锁相放大器7内锁相放大，将得到的透过频谱通过输出端传输至计算机1。计算机1用于控制所述晶体振荡器2的输出频率，以离子慢运动频率为中心频率在±10kHz范围变化。
在本申请上述实施例的一个实施方式中，计算机1控制晶体振荡器2输出中心频率为50kHz，带宽为10kHz的检测信号。检测信号由晶体振荡器2的输出端输出至滤波放大器3进行滤波放大，再经过分压电阻4将检测信号加载至四极线型离子阱5的端电极。四极线型离子阱5内的离子吸收部分检测信号后输出透射信号，滤波器6针对透射信号中的快运动频率进行滤波，然后再通过锁相放大器7进行锁相放大，最终将透射频谱传输回计算机1，由计算机1通过公式(4)进行计算，求得四极线型离子阱5内的离子数量。
Claims (7)
1.一种微波频标离子数量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据四极线型离子阱内电势分布方程推算离子的慢运动频率；
根据离子运动频率确定检测信号的中心频率为慢运动频率，扫描范围为±10kHz；
将所述检测信号加载到四极线型离子阱的一个端电极上，另外一个端电极接地；
检测信号的输入频率在四极线型离子阱处被吸收，根据透射频谱计算离子数量：
2.如权利要求1所述的微波频标离子数量的检测方法，其特征在于，所述微波频标为汞离子微波频标。
3.一种检测微波频标离子数量的装置，其特征在于，包括计算机、晶体振荡器、滤波放大器、分压电阻、四极线型离子阱、滤波器和锁相放大器；
所述四极线型离子阱包括柱电极和端电极；
所述晶体振荡器用于产生检测信号，包括控制端、输出端和锁相端，计算机与晶体振荡器控制端连接，晶体振荡器的输出端与滤波放大器输入端连接；
所述滤波放大器对所述检测信号进行滤波并放大；
所述分压电阻的一端与滤波放大器连接，另一端与四极线型离子阱连接，所述检测信号通过分压电阻输入四极线型离子阱的端电极；
所述四极线型离子阱内的离子对检测信号进行吸收，透射信号经滤波器进行滤波；
所述锁相放大器与所述晶体振荡器的锁相端、滤波器和计算机连接；
经过滤波器滤波后的透射信号与晶体振荡器提供的检测信号在锁相放大器内锁相放大，将得到的透过频谱通过输出端传输至计算机；
所述计算机用于控制所述晶体振荡器的输出频率，以离子慢运动频率为中心频率在±10kHz范围变化，所述计算机还用于根据透射频谱计算离子数量：
其中b和Γ为电路常数，d0为端电极到阱中心的距离，f为囚禁场频率，R为电阻值，1/R0为检测电路谐振导纳，Ymax和Δω分别为射频检测信号吸收曲线的峰值和半高全宽，N为离子数量，m为离子质量，e为电子的电荷值。
4.如权利要求3所述的检测微波频标离子数量的装置，其特征在于，所述柱电极的电压幅值在300V～2000V之间。
5.如权利要求3所述的检测微波频标离子数量的装置，其特征在于，所述柱电极所需的加载频率在1MHz～6MHz之间。
6.如权利要求3所述的检测微波频标离子数量的装置，其特征在于，端电极需加载电压幅值在5V～300V之间的直流电压。
7.如权利要求3所述检测微波频标离子数量的装置，其特征在于，所述离子慢运动的频率为50kHz。
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