CN1278119C - 线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置及其检测方法，涉及原子分子物理学。该装置由同源信号发生器(1)、射频功率放大器(2)、锁相放大器(3)、计算机(4)、囚禁场升压变压器(5)、线型离子阱(6)、接地点(7)、耦合电容(8)组成；用锁相放大器取代现有该检测装置的窄带放大器，用同一个振荡源信号分出了三个同源不同频率的信号，其优点在于：充分利用锁相放大器的高精度、高灵敏度、高Q值、选择性好的特点；解决了锁相放大器外参考通道和信号通道之间的同步问题，有效地提高了检测系统的灵敏度，其灵敏度比现有技术至少高出一个数量级。

Description

线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置及检测方法

技术领域：

本发明涉及原子分子物理学，更具体涉及离子阱射频共振吸收信号的检测。

背景技术：

离子阱能将离子长时间存储，可以得到一种近乎孤立的离子体系，为被研究的离子创造一种洁净的“自由空间”。为物理学基础研究提供理想的研究对象。在应用研究领域中作为新一代高精度、高稳定度离子频标的前景被广泛看好。因此离子阱物理中的离子囚禁技术以及相关的实验技术和信号探测手段是实验中的重要组成部分之一。

囚禁离子信号的检测有多种方法，其中射频共振吸收检测较易实现。其原理是：囚禁在阱中的离子以某种特定的频率运动，在外检测电路中加入一微弱的检测场，当检测场的频率与离子的微运动频率相等时囚禁在阱中的离子就会吸收检测场的能量，检测场的幅度就会下降，形成一吸收峰。吸收峰的峰高与囚禁在阱中的离子总数和检测电路的灵敏度有关。当阱体的工作点等参数确定后检测系统的灵敏度越高可检测到的离子数目就越少即信噪比越高。

现有线型离子阱中射频共振吸收信号的检测装置由500千赫兹囚禁场、50千赫兹窄带放大器、计算机、囚禁场升压变压器、线型离子阱、接地点、耦合电容C组成。射频信号发生器产生500千赫兹信号经高频变压器转换成500伏的离子阱囚禁离子的高频电场接到线型离子阱中用来囚禁被选择的离子。550千赫兹的正弦波信号经耦合电容到高频变压器的一个中心绕组。高频变压器的另一个中心抽头连接到接地点。实验中由被囚禁在阱中的离子由计算机控制扫描囚禁场的电压幅度，在连接到50千赫兹窄带放大器的线圈中心抽头点就会检测到50千赫兹的信号。该信号来自550千赫兹检测场和500千赫兹囚禁场的差频即50千赫兹。再由窄带放大器放大，计算机在扫描的同时采集来自放大器的信号。并显示作图。这种检测装置的不足之处在于：信号的探测与囚禁场不同步、检测灵敏度低、信噪比差、检测出的信号幅度小。

不同频率同源信号发生器可输出500千赫兹方波信号、550千赫兹正弦波信号和50千赫兹方波信号。

发明内容：

本发明的目的是，提供一种线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置，该装置用锁相放大器取代现有该检测装置的窄带放大器，用同一个振荡源信号分出了三个同源不同频率的信号，解决了锁相放大器外参考通道和信号通道之间的同步问题，有效地提高了检测系统的灵敏度。

本发明的另一目的是，提供一种线型离子阱射频共振吸收信号的检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置，该装置由同源信号发生器、射频功率放大器、锁相放大器、计算机、囚禁场升压变压器、线型离子阱、接地点、耦合电容组成。同源信号发生器输出三路信号，第一路信号为500千赫兹方波信号到射频功率放大器，第二路信号为550千赫兹的正弦波信号到耦合电容，第三路信号为50千赫兹方波到锁相放大器；射频功率放大器将接收到的第一路信号放大成正弦波信号，同时由计算机扫描控制其输出幅度；囚禁场升压变压器将来自功率放大器的信号转换成500伏的离子阱囚禁离子的高频电场；耦合电容将第二路550千赫兹的正弦波信号输出到囚禁场升压变压器的探测绕组的中心点作为共振吸收的弱检测场；锁相放大器的信号输入来自耦合电容的输出端并与第三路50千赫兹方波信号同步；放大后的信号到计算机；计算机同时产生一扫描信号致射频功率放大器控制其输出幅度；线型离子阱用来囚禁被选择的离子。

用本发明线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置检测线型离子阱囚禁离子的射频共振吸收信号的方法按下列步骤进行：

1、在线型离子阱中，用电子枪轰击气体原子，产生待测离子；

2、同源信号发生器输出500千赫兹、550千赫兹和50千赫兹三路不同频率的脉冲信号；

3、500千赫兹方波信号经射频功率放大器成正弦波，再由升压变压器成射频电压，线型离子阱在射频电压的作用下，把待测离子囚禁在线型离子阱中；

4、关闭电子枪；

5、550千赫兹正弦波信号经耦合电容输出到囚禁场升压变压器的探测绕组的中心点作为弱检测场；

6、50千赫兹方波信号至锁相放大器，作外参考信号；

7、计算机将0-5伏的模拟电压均匀分成10-100模拟电压值，逐个输出模拟电压至射频功率放大器，射频功率放大器将计算机输出的模拟电压和500千赫兹方波信号共同合成正弦波，再由升压变压器成射频电压；

8、射频电压值与离子微运动频率的关系由下列公式确定：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{q^2{V}^2}{2m^2{\mathrm{\Ω}}^2{R}^4}$

ω是囚禁在阱中离子的微运动角频率；

q是电子电荷量；

V是囚禁场的电压；

Ω是囚禁场的角频率；

m是被囚禁离子的质量；

R是离子阱的几何尺寸。

当射频电压值V正好与离子的微运动角频率对应，而这个频率与步骤5的弱检测场频率相同时，囚禁在线型阱中的离子会吸收外部弱检测场的能量，锁相放大器会检测到一吸收峰，峰值就是囚禁离子的微运动频率，这就是线型离子阱囚禁离子的射频共振吸收信号。

本发明与现有技术相比的优点为：用锁相放大器取代窄带放大器，充分利用锁相放大器的高精度、高灵敏度、高Q值、选择性好的特点；用同一个振荡源信号分出了三个同源不同频率的信号，解决了锁相放大器外参考通道和信号通道之间的同步问题，有效地提高了检测系统的灵敏度，其灵敏度比现有技术至少高出一个数量级。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

其中：1为同源信号发生器、2为射频功率放大器、3为锁相放大器、4为计算机、5为升压变压器、6为线型离子阱、7为接地点、8为耦合电容。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

由图1可知：本发明的一种线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置由同源信号发生器1、射频功率放大器2、锁相放大器3、计算机4、囚禁场升压变压器5、线型离子阱6、接地点7、耦合电容8组成。同源信号发生器1输出三路信号，第一路信号为500千赫兹方波信号到射频功率放大器2，第二路信号为550千赫兹的正弦波信号到耦合电容8，第三路信号为50千赫兹方波到锁相放大器3，作为锁相放大器3的外参考输入；射频功率放大器2将接收到的第一路信号放大成正弦波信号，同时计算机4扫描控制其输出幅度；囚禁场升压变压器5将来自功率放大器2的信号转换成500伏的离子阱囚禁离子的高频电场；耦合电容8采用1000微微法将第二路550千赫兹的正弦波信号输出到囚禁场升压变压器5的探测绕组的中心点，再连接到线型离子阱作为共振吸收的弱检测场；锁相放大器3的信号输入来自耦合电容8的输出端，经锁相放大器3放大后的信号到计算机4。计算机4同时产生一扫描信号至射频功率放大器2控制其输出幅度。线型离子阱6用来囚禁被选择的离子。550千赫兹的正弦波信号经1000微微法的耦合电容输出到囚禁场升压变压器5的探测绕组，作为弱检测场。

用本发明线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置检测线型离子阱囚禁离子的射频共振吸收信号的方法按下列步骤进行：

1、在线型离子阱6中，用电子枪轰击气体原子，产生待测离子；

2、同源信号发生器1输出500千赫兹、550千赫兹和50千赫兹三路不同频率的脉冲信号；

3、500千赫兹方波信号经射频功率放大器2成正弦波，再由升压变压器5成射频高压，线型离子阱6在射频高压的作用下，把待测离子囚禁在线型离子阱6中；

4、关闭电子枪；

5、550千赫兹正弦波信号经耦合电容8输出到囚禁场升压变压器5的探测绕组的中心点作为弱检测场；

6、50千赫兹方波信号至锁相放大器3，作外参考信号；

7、计算机4将0-5伏的模拟电压均匀分成10-100模拟电压值，逐个输出模拟电压至射频功率放大器2，射频功率放大器2将计算机输出的模拟电压和500千赫兹方波信号共同合成正弦波，再由升压变压器5成射频电压；

8、射频电压值与离子微运动频率的关系由下列公式确定：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{q^2{V}^2}{2m^2{\mathrm{\Ω}}^2{R}^4}$

ω是囚禁在阱中离子的微运动角频率；

q是电子电荷量；

V是囚禁场的电压；

Ω是囚禁场的角频率；

m是被囚禁离子的质量；

R是离子阱的几何尺寸。

当射频电压值V正好与离子微运动角频率ω对应，而这个频率与步骤5的弱检测场频率相同时，囚禁在线型离子阱6中的离子会吸收外部弱检测场的能量，锁相放大器3会检测到一吸收峰，峰值就是囚禁离子的微运动频率，这就是线型离子阱囚禁离子的射频共振吸收信号。

Claims (2)

1、线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置，其特征在于，该装置由同源信号发生器(1)、射频功率放大器(2)、锁相放大器(3)、计算机(4)、囚禁场升压变压器(5)、线型离子阱(6)、接地点(7)、耦合电容(8)组成；同源信号发生器(1)输出三路信号，第一路信号为500千赫兹方波信号到射频功率放大器(2)，第二路信号为550千赫兹的正弦波信号到耦合电容(8)，第三路信号为50千赫兹方波到锁相放大器(3)；射频功率放大器(2)将接收到的第一路信号放大成正弦波信号，同时由计算机(4)扫描控制其输出幅度；囚禁场升压变压器(5)将来自功率放大器(2)的信号转换成500伏的离子阱囚禁离子的高频电场；耦合电容(8)将第二路550千赫兹的正弦波信号输出到囚禁场升压变压器(5)的探测绕组的中心点，囚禁场升压变压器(5)连接到线型离子阱(6)，线型离子阱(6)用来囚禁被选择的离子；锁相放大器(3)的信号输入来自耦合电容(8)的输出端，并与第三路50千赫兹方波信号同步；放大后的信号到计算机(4)；计算机(4)同时产生一扫描信号至射频功率放大器(2)控制其输出幅度。

2、用权利要求1所述的线型离子阱射频共振吸收信号的检测装置检测线型离子阱囚禁离子的射频共振吸收信号的方法，按下列步骤进行：

a、在线型离子阱(6)中，用电子枪轰击气体原子，产生待测离子；

b、同源信号发生器(1)输出500千赫兹、550千赫兹和50千赫兹三路不同频率的脉冲信号；

c、500千赫兹方波信号经射频功率放大器(2)成正弦波，再由升压变压器(5)成射频电压，线型离子阱(6)在射频电压的作用下，把待测离子囚禁在线型离子阱(6)中；

d、关闭电子枪；

e、550千赫兹正弦波信号经耦合电容(8)输出到囚禁场升压变压器(5)的探测绕组的中心点作为弱检测场；

f、50千赫兹方波信号至锁相放大器(3)，作外参考信号；

g、计算机(4)将0-5伏的模拟电压均匀分成10-100模拟电压值，逐个输出模拟电压至射频功率放大器(2)，射频功率放大器(2)将计算机输出的模拟电压和500千赫兹方波信号共同合成正弦波，再由升压变压器(5)成射频电压；

h、射频电压值与离子微运动频率的关系由下列公式确定：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{q^2{V}^2}{2m^2{\mathrm{\Ω}}^2{R}^4}$ ω是囚禁在阱中离子的微运动角频率；

q是电子电荷量；

V是囚禁场的电压；

Ω是囚禁场的角频率；

m是被囚禁离子的质量；

R是离子阱的几何尺寸；

当射频电压值V正好与离子微运动角频率ω对应，而这个频率与步骤e的弱检测场频率相同时，囚禁在线型离子阱(6)中的离子会吸收外部弱检测场的能量，锁相放大器(3)会检测到一吸收峰，峰值就是囚禁离子的微运动频率，这就是线型离子阱囚禁离子的射频共振吸收信号。

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