一种氢原子超精细结构能级测试方法及装置

摘要

本发明公开了一种氢原子超精细结构能级测试方法及显示装置，该装置适用于量子物理专业实验研究和教学中，用以测试并显示氢原子超精细结构能级。根据量子力学原理，纯净氢气经过电离后离解为氢原子，产生的基态氢原子具有四个超精细能态，即：|F＝1，m

说明书

技术领域

本发明属于量子物理领域，适用于量子物理实验及教学。亦可作为原子频标 研制中束光学系统相关部件测试装置。

背景技术

在近代物理中，为了描述原子核外电子运动，丹麦物理学家波尔（Niels  Henrik David Bohr，1885~1962）在1931年指出：原子核外电子运动的半径和能 量是量子化的，并提出了主量子数n的概念。薛定谔（Erwin Schrodinger，1887 年～1961年），在1925年底到1926年初，从经典力学和几何光学间的类比，提 出了对应于波动光学的波动力学方程，即：薛定谔方程（Schrodinger wave  equation）。在解薛定谔方程过程中，完整描述电子状态，必须要三个量子数，主 量子数n、角量子数l、磁量子数m，从实验事实出发自旋磁量子数m_s被提出， 自此奠定了量子物理的基础。在原子光谱学方面，20世纪著名的斯特恩-盖拉赫 实验（Stern-Gerlach experiment），它证实了原子的磁矩在外场中取向是量子化的， 即角动量在空间的取向是量子化的。在四个量子数的作用下，原子的精细结构从 光谱中找到，考虑原子核的自旋磁矩，发现了原子的超精细结构。

目前还没有公认的成熟方法和仪器能够直观地测试出氢原子超精细结构能 级结构的分布状况，而在量子物理实验研究和教学中迫切需要直接观测原子超精 细结构能级分裂的装置。

发明内容

技术问题：本发明提出一种基于由氢分子电离而成的高、低能态氢原子在一 定梯度的磁场中发生不同方向的偏转的原理，利用氢原子的热性能，采用热敏性 传感器构成成像靶的氢原子超精细结构能级测试（显示）方法及装置。

技术方案：

本方法的研究原理说明如下：

基态氢原子在微弱磁场（磁场强度为H）中具有四个超精细结构能级，其能 量可表示为：

$E=-\frac{\mathrm{h\upsilon }}{4}+{\mu }_B{g}_I{m}_{F}H\pm \frac{\mathrm{h\upsilon }}{2}{(1+2m_{F}x+x^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式（1）中，F＝1时，m_F＝0，±1，取“+”，F＝0时，m_F=0，取“-”；h为普朗克常 数；υ为跃迁信号的频率；μ_B为玻尔磁子，F为主量子数；对于基态氢原子 g_J=2.002284，g_I=0.003042，由式(1)得到各个能态氢原子能量随 外磁场强度变化的关系，如图1所示。

如图2所示的四极偏转磁铁由四个磁极组成，沿磁铁长度方向上磁势是均匀 的，且每个磁极占据60°时，其磁势V和磁场强度H分别为

$V(r,\theta )=2V_0[{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2\cos 2\theta -\frac{1}{2}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^6\cos 6\theta +{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{10}\cos 10\theta -···]---\left(2\right)$

$H=-▿V\approx H_0\frac{r}{r_0}---\left(3\right)$

式中，H₀为磁极顶点的磁场强度；r₀为磁极半径，r为场点半径，θ为场点极距 角。由式(3)可知，四极偏转磁铁的磁场强度与r成正比，且磁场梯度约为常数， 即氢原子核自旋和电子自旋的耦合使氢原子具有磁矩μ_eff，其表达 式为

${\mu }_{\mathrm{eff}}=-\frac{\partial E_m}{\partial H}\left(\begin{array}{cc}\approx -{\mu }_B& F=1,m_F=1\\ =-\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}{\mu }_B& F=1,m_F=0\\ \approx +{\mu }_B& F=1,m_F=-1\\ =+\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}{\mu }_B& F=0,m_F=0\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，F为基态氢原子角量子数，m_F为磁量子数，μ_B为玻尔磁子。进而求得在 磁场中氢原子（氢原子束沿磁铁中心孔隙飞行）受到的磁场作用力F_m为

$F_m={\mu }_{\mathrm{eff}}▿H---\left(5\right)$

在磁场中，|F＝1，m_F=0>和|F＝1，m_F=1>两态氢原子μ_eff＜0，故称为负磁矩 态氢原子，受到向心力；|F＝1，m_F=-1>和|F＝0，m_F＝0>两态氢原子μ_eff＞0，故 称为正磁矩态氢原子，受到散射力，便产生了如图3所示的负磁矩态氢原子被聚 焦，正磁矩态氢原子被散射不同的运动轨迹。

在真空中的大量基态氢原子束经过一定梯度的四极偏转磁铁，再飞行一定的 聚焦距离后，在靶腔中的垂直平面内呈一定规律的概率分布。如图4所示，其中 高能态氢原子分布在中心，而低能态氢原子分布在边缘，按中心对称分布。该装 置将由热性能传感器组成的成像靶安装在这个平面上，再经过信号处理电路获得 检测信号，由计算机系统进行数据采集、数据处理便可以重现图4所示的分布图， 调节聚焦距离可以测试出不同聚焦距离下的分布图。

一种氢原子超精细结构能级测试装置：该装置由100L溅射离子泵1产生超 真空系统，固态氢源经过提纯后，在石英玻璃构成的电离泡2中由高频电离电源 电离成氢原子，氢原子经过Φ0.1×1mm小孔准直后进入具有一定磁场梯度的偏转 磁铁4，高能态氢原子向中心聚焦而低能态氢原子则向中心外偏离，再经过由波 纹管5形成的可变距离后，两种能态的原子打到靶腔7内的平面靶上，在平面靶 上焊接、安装铂电阻丝传感器构成的成像靶测量原子的分布。成像靶和偏转磁铁 之间距离可以调节，由波纹管5和水平移动平台6实时调整，可以测量不同聚焦 （散射）距离下高低能态原子分布。

本装置利用氢原子四个能态在磁场中的磁矩不同，在空间上区分不同能态的 氢原子。在量子物理实验研究和教学中，直接观测到氢原子在微弱磁场中的塞曼 效应和能级分裂精细结构和超精细结构非常重要。本装置可直接用于实验观测， 使实验者形象地观测到氢原子的超精细能级分裂效果。

有益效果：

采用本发明提出的氢原子超精细结构能级测试（显示）方法及装置，通过采 集到的数据进行数据处理和计算机绘图，可以直观地观测到氢原子超精细结构高、 低能态分布状况。

原子经过偏转磁铁后的聚焦（散射）距离可以通过移动平台和波纹管进行调 节，可以测定不同距离下的超精细能级分布图。

成像靶由热电阻或热电偶等热敏性传感器制成，其制造成本低廉，所采用硬 件均属于市场上常见的器件，极易获得。

该方法和装置适用于高等院校量子物理的实验教学，作为超精细能级分裂实 验的观测装置。还可应用于氢原子钟研制过程中对束光学系统进行部件测试和理 论计算验证，提高氢原子钟的稳定性指标和延长钟的使用寿命。

附图说明

图1：基态氢原子超精细分裂能级图；

图2：四级偏转磁铁结构图；

图3：高、低能态原子经过偏转磁铁后的偏转轨迹图；

图4：高、低能态原子经过偏转磁铁后在平面内的三维分布规律图；

图5：测试装置的总装结构图；

溅射离子泵1、电离泡2、支撑菩平台3、偏转磁铁4、波纹管5、靶腔7、 溅射离子泵的高压电源连接头8。

具体实施方式：

一种氢原子超精细结构能级测试方法，本方法基于氢原子核自旋和电子自旋 的耦合使氢原子具有磁矩；使具有磁矩的氢原子在磁场中受到磁场的作用力： |F＝1，m_F=0>和|F＝1，m_F=1>两能态原子为负磁矩态氢原子，受到向心力；|F＝1， m_F=-1>和|F＝0，m_F=0>两能态原子为正磁矩态氢原子，受到散射力；便产生了 负磁矩态氢原子被聚焦，而正磁矩态氢原子被散射的不同运动轨迹；在成像靶平 面内，高、低能态氢原子呈现不同的分布；基于电离氢原子的热效应，使用热敏 性传感器制成的成像靶感应电离氢原子，并采集热传感器的测试数据，进行数据 分析得到氢原子的分布规律；所述F为基态氢原子角量子数，m_F为磁量子数。 属于量子力学专业范畴。

一种实现所述测试方法的装置，包括氢源系统、电离系统、微泄流孔准直器、 偏转磁铁、成像靶、真空系统、距离调节波纹管、数据采集装置和计算机分析系 统；

所述氢源系统包括储氢装置和氢气提纯装置，所述储氢装置的氢气经氢气提 纯装置再注入到电离系统；

所述电离系统包括电离泡及高频电离电源；所述电离泡为石英玻璃材质的圆 柱体泡；来自氢源系统的氢气在电离泡中电离，高频电离电源提供给电离所需能 量；

所述微泄流孔准直器上的泄流孔的孔深径比≥10；所述偏转磁铁形成的中心 孔隙具有磁场梯度；溢出电离泡的氢原子通过泄流孔进入偏转磁铁中心孔隙，最 后打到成像靶的靶平面上；

在偏转磁铁和成像靶之间设有距离调节波纹管，偏转磁铁和成像靶分别安装 在距离调节波纹管两端，偏转磁铁和成像靶之间的距离可调；

所述成像靶由瓷片板构成靶基板，靶基板上有多根铂电阻丝构成的热电阻传 感器阵列；数据采集装置采集传感器阵列上的电阻值，最后把采集到的电阻值数 据传给计算机分析系统。

储氢装置包括储气瓶、钯银合金提纯器和可调加热器；流出储气瓶的氢气经 过钯银合金提纯器提纯，可调加热器对钯银合金提纯器进行加热；

氢气提纯装置是采用80L的机械-分子泵组合泵组实现从大气压到10^-3Pa低 真空抽气，再采用100L溅射离子泵将气压从10^-3Pa降至10^-6Pa。

电离电源采用皮尔斯振荡电路构成感应耦合电离系统；本电离系统采用 Φ1mm直径的漆包线环绕4圈制作成平面盘绕渐开式馈能天线；天线在皮尔斯振 荡电路中充当振荡电路中的振荡电感，振荡器功率管选用40W的超高频大功率 管，电离源振荡频率为80MHz~100MHz，功率约为10W；

高频电流流过馈能天线产生高频电磁场，石英玻璃制成的电离泡中的氢气中 存在的少量自由电子（约10³/cm³）在高频电场的作用下加速而获得平均动能； 高速电子与氢分子发生非弹性碰撞产生能量转移，氢分子获得能量而离解成两个 氢原子，且放出光子和热。

所述微泄流孔准直器的泄流孔是通过机械加工而成的孔径Φ0.1mm、孔深 1mm微孔。

所述偏转磁铁设计为四极偏转磁铁，磁铁长度为80mm，相对N、S极之间 的半径r₀为1.2mm，磁极顶点的磁感应强度B₀为0.9T，磁场梯度为1.8± 0.18T/mm；

四极偏转磁铁由两对磁极组成，沿磁铁长度方向上磁势是均匀的，且每个磁 极占据60°，其磁势V和磁场强度H分别下式表示：

$V(r,\theta )=2V_0[{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2\cos 2\theta -\frac{1}{2}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^6\cos 6\theta +{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{10}\cos 10\theta -···]$

$H=-▿V\approx H_0\frac{r}{r_0}$

式中，H₀为磁极顶点的磁场强度；r₀为磁极半径；r为场点半径，θ为场点极距 角。

所述成像靶由瓷片板构成靶基板，由36根Φ25um、长22mm的铂丝按0.5mm 的间距焊接安装成为热电阻传感器阵列，用于测量靶位处垂直平面内22×18mm 面积上的温度分布；成像靶装在靶室内。

所述距离调节装置采用不锈钢波纹管，用来连接移动成像靶和偏转磁铁；所 述不锈钢波纹管为V型不锈钢波纹管，采用单波焊工艺连接而成，其伸张度为 50%；通过旋转把手带动不锈钢波纹管实现距离的调节。

具体到本例中，一种氢原子超精细结构能级测试(演示)方法及装置，该装置 由氢源系统、电离系统、微泄流孔准直器、偏转磁铁、成像靶、真空系统、距离 调节装置及支撑架、数据采集和分析软件等组成。

1、氢源系统

本氢源系统采用采用常压（1.23atm）固态氢源提供系统所需的氢气，储氢 量40Lbar，其密度大、体积小、使用安全、使用期限长达5年。采用加热器加 热钯银合金提纯器，工业固态氢气流出储气瓶，调节加热器功率控制流过钯银合 金提纯器氢气流量，恒定流量的纯净氢气不断注入石英玻璃制成的电离泡中。

2、电离系统

电离系统由电离泡及高频电离电源组成。电离泡容积35mL，材料为石英玻 璃，通过吹制、熔接、密封面抛光等工艺制成圆柱体泡，经理论和实验论证该电 离泡比传统的球型的电离泡具有更高的电离效率。

系统采用高频H型电离方法，电离电源采用皮尔斯振荡电路构成感应耦合 电离系统，采用Φ1mm直径的漆包线环绕4圈制成制作成平面盘绕渐开式馈能 天线。天线在皮尔斯振荡电路中充当振荡电路中的振荡电感，振荡器功率管选用 3DA825超高频大功率管（40W），电离源振荡频率为80MHz~100MHz，功率约 为10W。高频电流流过馈能天线产生高频电磁场，石英玻璃制成的电离泡中的 氢气中存在的少量自由电子（约10³/cm³）在高频电场的作用下加速而获得较高 的平均动能；高速电子与氢分子发生非弹性碰撞产生能量转移，氢分子获得能量 而离解成两个氢原子，且放出光子和热，可观测到电离泡内呈暗玫瑰红状态。

3、微泄流孔准直器

为了减小氢原子射入磁场孔隙的发散角，氢原子束流必须尽可能平行磁铁 边沿（垂直磁场）入射。为了满足束流入射角小于3°，微泄流孔准直器的孔深 径比要求应该≥10。本系统采用的泄流孔是通过机械加工而成的Φ0.1×1mm微孔， 可以满足对氢原子束进行准直的要求。

4、偏转磁铁

偏转磁铁设计为四极偏转磁铁，如图2所示，磁铁长度为80mm，相对N、 S极之间的半径r₀为1.2mm，磁极顶点的磁感应强度B₀为0.9T，磁场梯度约为 1.8T/mm。

四极偏转磁铁由两对磁极组成，沿磁铁长度方向上磁势是均匀的，且每个磁 极占据60°，其磁势V和磁场强度H分别由式（2）和（3）表示。偏转磁铁在本 系统中的起着至关重要的作用，根据电动力学，在偏转磁铁的作用下高低能态的 原子才能分别向不同的方向飞行。氢原子通过偏转磁场（行程l₂），|F＝1，m_F=0> 和|F＝1，m_F=1>两态氢原子μ_eff＜0，负磁矩态氢原子（高能态原子），受到向心 力；|F＝1，m_F=-1>和|F＝0，m_F=0>两态氢原子μ_eff＞0，故称为正磁矩态氢原子 （低能态原子），受到散射力。当氢原子离开磁场后作用力消失，原子按经典力 学中的牛顿第一定律—惯性定律继续飞行，经过距离l₃后便产生了如图3所示的 负磁矩态氢原子被聚焦，正磁矩态氢原子被散射不同的运动轨迹。

大量的基态氢原子束（具有按高斯分布的初速度）经过一定梯度四极偏转磁 铁以及一定的聚焦距离偏转后，在垂直平面内呈一定规律的概率分布，如图4 所示。

5、成像靶

成像靶由瓷片板构成靶基板，由36根Φ25um、长22mm的铂丝按0.5mm的 间距焊接安装成为热电阻传感器阵列，用于测量靶位处垂直平面内22×18mm面 积上的温度分布。氢原子和铂电阻丝接触后与铂丝产生热量交换，不同位置的电 阻丝由于氢原子分布数量不同，故电阻变化不同，由测量电路检测各个电阻丝的 变化量即可测量出各个位置的原子数量的分布，通过计算机数据分析处理，可以 绘制出原子的二维分布图。

6、真空系统

真空系统是观测超精细结构能级的基本条件，为了减小质量最小的氢原子 与其它气体分子的碰撞散射，必须建立超真空条件，其真空度要求达到10^-6Pa 的超真空水平。本系统采用80L的机械-分子泵组合泵组实现从大气压到10^-3Pa 低真空抽气，再采用100L溅射离子泵将气压从10^-3Pa降至10^-6Pa，工作时的超 真空环境同样由溅射离子泵来维持。

7、距离调节装置及支撑架

系统的测试装备及真空泵固定安装在图5中标号（3）的基板上，为了测量 不同聚焦距离下的分布情况，装置设计了可水平移动的靶室。由于靶室内为超真 空，靶室外为常压，采用不锈钢波纹管来连接移动靶室和偏转磁铁等固定部分。 但是，一般不锈钢波纹管的伸张度不能满足本装置的要求，故本装置使用V型 不锈钢波纹管，采用单波焊工艺连接而成，其伸张度达50%，实现真空系统距离 的调节，通过旋转把手手动调节距离。

8、数据采集和分析软件

成像靶上的各个铂电阻丝传感器通过高温导线和超真空航空插头引向电桥 组成的信号处理电路，经过放大器AD620一级放大，OP07放大器二级放大，多 路电子摸拟开关AD7506切换，输入到12bit模数转换器AD574进行模数转换， 转换后得到电阻值数据数字信号，由单片机AVR Atmega128采集，最后单片机 以RS232通信接口向上位计算机输出数据，单片机同时承担采集系统要求的所 有控制功能。在上位计算机中，采用VC⁺⁺编写用户实验操作界面，给出实验步 骤，实验者得到采集数据后，通过点击按钮，处理软件自动根据采集数据和数据 处理算法，分析波谱，并绘制出原子分布图。

该装置的工作过程如下：如系统总装图5所示，首先，外接机械-分子组合 泵抽气达到10^-3Pa真空后，由100L溅射离子泵（1）产生超真空系统，固态氢 源经过提纯后，在石英玻璃构成的电离泡（2）中由高频电离电源电离成氢原子， 氢原子经过0.1mm小孔准直后进入具有一定磁场梯度的偏转磁铁（4），高能态 氢原子被聚焦而低能态氢原子被偏离中心位置，再经过由波纹管（5）形成的可 变距离后，两种能态的原子打到靶腔（7）内，在靶腔内安装铂电阻丝传感器构 成的成像靶测量原子的分布规律。成像靶上的各个铂电阻丝传感器通过高温导线 和真空航空插头引向电桥组成的信号调理电路，再经过差分放大，AD转换后得 到电阻变化数据，在计算机中处理采集数据，绘制原子分布图，最后生成实验分 析报表。