[发明专利]一种直连三区式线型离子阱及其离子交替鉴频锁定方法

说明书

本发明公开了一种直连三区式线型离子阱及其离子交替鉴频锁定方法，微波钟实现过程中，在四极阱中完成离子态制备和信号检测，在十六极阱中完成离子与微波的探寻作用；该离子交替鉴频锁定方法所囚禁的离子分为A、B两个离子云，分别囚禁和穿梭于四极阱和十六极阱的I、II区之间，最终实现离子交替鉴频锁定；本发明的方法在提高离子态制备效率、增强信号检测强度以提高微波钟信噪比的同时还可以减少离子与微波作用时由于离子间的碰撞以及离子间的库伦斥力而导致的二阶多普勒频移；可以分别独立地对微波探寻区进行较好的封闭式电磁屏蔽和对离子态制备及信号检测区进行较好的光路设计。

技术领域

本发明属于时频技术领域，具体涉及一种直连三区式线型离子阱及其离子交替鉴频锁定方法。

背景技术

在以原子或离子为工作物质的频标中，多普勒效应、Dick效应、信号测量次数以及Ramsey探测过程中离子或原子的自由演化时间等因素均是影响原子钟稳定度的重要因素。目前应用较多的基于单区式离子阱的微波钟有两方面缺点，一方面它不能同时满足微波探寻时所要求的低粒子数密度(以减小二阶多普勒效应)和态制备及信号检测时所要求的高粒子数密度(以提高态制备效率和信号检测信噪比)两方面的条件，另一方面单区式离子阱微波钟由于微波探寻和态制备及信号检测在同一个阱区内，因此用于态制备及信号检测的光路的存在将影响对微波探寻过程的磁屏蔽设计。另外，目前研究较多的基于四极-多极分区式离子阱的微波钟也存在一个缺陷，即由于在这种结构的离子阱系统中微波探寻和态制备及信号检测两个过程在时间上必须是分阶段按顺序依次进行的，而不能同时进行，这导致基于该离子阱结构的微波钟的死区时间较长，Dick效应较大，而且若延长微波探寻中离子的自由演化时间以压窄Ramsey条纹宽度，则将不得不减少信号检测次数，以降低微波钟信噪比为代价。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种直连三区式线型离子阱及其离子交替鉴频锁定方法，可以在微波钟实现过程中消除一级多普勒频移、降低二级多普勒频移，同时极大地减小甚至消除Dick效应，以及进一步压缩Ramsey条纹宽度或提高信号检测次数，而且还可以同时实现良好的磁屏蔽和光路设计，最终可实现从多个方面同时提高微波钟稳定度的目的。

一种直连三区式线型离子阱，包括三个线型Paul阱离子囚禁区域，分别为一个四极阱离子囚禁区(2)和两个十六极阱离子囚禁区；三个离子囚禁区域在空间位置上采取同轴直线连接，连接顺序依次为十六极阱离子囚禁区I(1)、四极阱离子囚禁区(2)以及十六极阱离子囚禁区II(3)。

进一步的，所述四极阱离子囚禁区(2)与两个十六极阱离子囚禁区之间还设置有阱间电极，分别为四个准直电极(5)和两个过渡电极(6)；

所述十六极阱离子囚禁区I(1)与四极阱离子囚禁区(2)之间由顺次固连在一起的第一准直电极、第一过渡电极以及第二准直电极连接；四极阱离子囚禁区(2)与十六极阱离子囚禁区II(3)之间由顺次固连在一起的第三准直电极、第二过渡电极以及第四准直电极连接；四个准直电极(5)用于离子云在四极阱离子囚禁区(2)和十六极阱离子囚禁区之间穿梭时对其进行聚焦；两个过渡电极(6)用于离子云穿梭过程中对其径向运动约束。

一种基于直连三区式线型离子阱的离子交替鉴频锁定方法，包括如下步骤：