鍶原子光鐘磁光阱磁場(chǎng)及其控制電路設(shè)計(jì)

王靖斌，陳潔，王心亮，常宏

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鍶原子光鐘磁光阱磁場(chǎng)及其控制電路設(shè)計(jì)

王靖斌1,2，陳潔1,2，王心亮1,3，常宏1,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039；3. 中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

由于鍶原子光鐘兩級(jí)冷卻對(duì)磁光阱磁場(chǎng)有不同的要求，為減少磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)原子的逃逸，需在短時(shí)間內(nèi)以一定的時(shí)序控制變換磁場(chǎng)。對(duì)反赫姆霍茲線圈設(shè)計(jì)的一般理論進(jìn)行了討論，為鍶原子光鐘的兩級(jí)冷卻設(shè)計(jì)了相應(yīng)的磁場(chǎng)，并制作了轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)的發(fā)生控制裝置。該裝置主要包括控制電路、保護(hù)電路2部分。測(cè)量得到通過(guò)線圈的電流受控于輸入信號(hào)，符合實(shí)驗(yàn)要求。

鍶原子光鐘；磁光阱；磁場(chǎng)控制

1 反赫姆霍茲線圈設(shè)計(jì)

圖1 反向赫姆霍茲線圈

實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以取反赫姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的一階近似：

在設(shè)計(jì)反赫姆霍茲線圈時(shí)應(yīng)該考慮到線圈的電感，它直接影響磁場(chǎng)的變化時(shí)間。在線圈半徑遠(yuǎn)大于銅導(dǎo)線半徑的情況下，匝環(huán)形線圈產(chǎn)生的電感可以用下式，即式（6），進(jìn)行近似計(jì)算[6]：

由式（6）可見(jiàn)，在較大、較小的情況下電感較小。

實(shí)驗(yàn)中的磁場(chǎng)線圈由漆包銅線繞制而成，銅線半徑＝1.0mm，線圈半徑＝103mm，兩組線圈之間的距離2＝164mm，線圈匝數(shù)＝430。在坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，當(dāng)＝10A時(shí)，軸向磁場(chǎng)梯度為40G/cm，徑向磁場(chǎng)梯度為-20G/cm，調(diào)節(jié)電流的大小可以改變磁場(chǎng)梯度大小。

2 二級(jí)冷卻的時(shí)序要求

對(duì)于鍶原子的二級(jí)冷卻實(shí)驗(yàn)，689nm激光入射到磁光阱中時(shí)需要一定的時(shí)序控制，即由Blue MOT階段過(guò)渡到Red MOT階段，實(shí)驗(yàn)條件改變的先后順序及其持續(xù)時(shí)間[2]。在制備Red MOT過(guò)程中，磁光阱區(qū)磁場(chǎng)梯度為40G/cm。在進(jìn)一步冷卻并俘獲原子時(shí)，應(yīng)當(dāng)同步關(guān)斷461nm一級(jí)冷卻光源、原子源，并將磁光阱區(qū)磁場(chǎng)梯度降低到5G/cm和同步打開(kāi)689nm二級(jí)冷卻主光源。在實(shí)現(xiàn)原子的進(jìn)一步冷卻俘獲后，磁場(chǎng)梯度需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上得到提高，達(dá)到10G/cm，以使俘獲的原子團(tuán)體積得到壓縮，以增大密度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷原子的壽命有限，約5ms左右，這就要求阱區(qū)的磁場(chǎng)梯度變化盡可能地快，所以對(duì)反向赫姆霍茲磁場(chǎng)梯度變化的控制和對(duì)相應(yīng)磁場(chǎng)梯度的持續(xù)時(shí)間的控制也就十分重要了。

3 控制電路設(shè)計(jì)

由式（4）和式（5）可知，在磁場(chǎng)線圈安裝固定后，反赫姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小僅由通過(guò)的電流大小決定，鍶原子光鐘二級(jí)冷卻的磁場(chǎng)控制即反赫姆霍茲線圈的電流大小和持續(xù)時(shí)間控制。

我們的電路中控制反赫姆霍茲線圈通過(guò)電流大小的核心器件是富士通公司生產(chǎn)的IGBT（insulated gate bipolar transistor），即絕緣柵雙極型晶體管，它是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET（金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）的高輸入阻抗和GTR（巨型晶體管）的低導(dǎo)通壓降2方面的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中用到的IGBT型號(hào)為1MBH60D-170。該型號(hào)內(nèi)部集成反向二極管，飽和壓降至1700V。

電路中采用運(yùn)算放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT，具體采用的型號(hào)為OP-27的運(yùn)算放大器是一款高精度、低溫漂運(yùn)算放大器，具有噪聲低、增益高的特點(diǎn)。

為了在盡可能降低磁場(chǎng)變化時(shí)間的前提下，保證線圈的感應(yīng)電壓不會(huì)造成電路損壞，需在反赫姆霍茲線圈兩端并聯(lián)保護(hù)電路。保護(hù)電路由二極管、電阻和穩(wěn)壓管組成。

圖2是反赫姆霍茲線圈驅(qū)動(dòng)電路，圖中L2是反赫姆霍茲線圈中的一個(gè)線圈，R4的作用是將線圈電流反饋到運(yùn)放負(fù)端，使電路保持穩(wěn)定，R4值為0.1Ω。R1值為200Ω。為保護(hù)IGBT不致?lián)p壞，實(shí)驗(yàn)中采用2個(gè)同型號(hào)同批次的IGBT來(lái)分別控制2個(gè)線圈。IGBT采用并聯(lián)接法，使用同一信號(hào)源驅(qū)動(dòng)2個(gè)放大器，保證了2個(gè)線圈的電流大小完全相同、方向相反。

圖2 反向赫姆霍茲線圈驅(qū)動(dòng)電路

電路中將1個(gè)100Ω和1個(gè)1kΩ的電阻串聯(lián)后與線圈并聯(lián)，通過(guò)測(cè)量小電阻上的電壓能間接得到線圈上的電壓變化，即能反映出反赫姆霍茲線圈的磁場(chǎng)變化。測(cè)量發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電壓的持續(xù)時(shí)間與控制信號(hào)吻合得較好，如圖3（a）和圖3（b）所示：當(dāng)控制信號(hào)電壓分別由1V變?yōu)?.125V和由1V變?yōu)?.25V時(shí)，檢測(cè)到的線圈電壓分別由1V變?yōu)?.12V和由1V變?yōu)?.21V。在線圈電阻固定的情況下，檢測(cè)到的線圈電壓直接反應(yīng)的是線圈上磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，符合實(shí)驗(yàn)的要求。

圖3 磁場(chǎng)線圈的控制信號(hào)電壓和線圈檢測(cè)電壓

圖4曲線是磁場(chǎng)電流受控于控制信號(hào)變化的瞬間的感應(yīng)電壓，表明反赫姆霍茲線圈從開(kāi)始變化到穩(wěn)定的時(shí)間在1ms以內(nèi)，小于磁光阱中冷原子壽命，可用于實(shí)驗(yàn)。

圖4 線圈磁場(chǎng)變化瞬間的感應(yīng)電壓

4 結(jié)語(yǔ)

本文從鍶原子光鐘的二級(jí)冷卻磁場(chǎng)要求出發(fā)，介紹了反赫姆霍茲線圈磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)方法，本文作者設(shè)計(jì)制作了磁場(chǎng)產(chǎn)生和線圈驅(qū)動(dòng)的裝置。該裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)符合鍶原子光鐘二級(jí)冷卻的要求，并能有效地防止線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)高而損傷電路。

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[6] RAMO S, WINNERY J R, DUZER T Van. Fields and Waves in Communication Electronics[M]. 3rd ed. New York: Wiley, 1994.

Design of magnetic field of magnetic-optical trapand control circuit for Sr optical lattice clock

WANG Jing-bin1,2, CHEN Jie1,2, WANG Xin-liang1,3, CHANG Hong1,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China; 3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

Owing to the different requirements to the magnetic field of magnetic-optical trap for the two different stages of cooling of Sr optical lattice clock, the magnetic field conversion needs to be controlled with a certain sequence within a short time for reducing the fleeing of the atoms in the magnetic field conversion. The theory of the anti-Helmholtz coil is discussed, a design of the magnetic field for the two-stage-cooling of Sr optical lattice clock is presented, and an occurring and controlling device for the magnetic conversion, which mainly contains control circuit and protection circuit, is manufactured. The measurement shows that the current through the coil is controlled by the input signal, meeting the experimental requirements.

Sr optical lattice clock; magnetic-optical trap; control of magnetic field

TM935.11+5;TH714.1+4

A

1674-0637(2011)02-0096-05

2011-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Y011ZK1101）；北斗青年優(yōu)秀論文基金資助項(xiàng)目（Y102QT1101）;中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”資助項(xiàng)目（O916YC1101）

王靖斌，男，碩士，主要從事鍶原子光鐘研究。