氦原子精密光谱实验中的精密磁场设计与测量.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．12(2014)123201氦原子精密光谱实验中的精密磁场设计与测量术冯高平孙羽十郑昕胡水明(中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家实验室，合肥230026)(2014年1月2日收到；2014年3月8日收到修改稿)在很多精密原子光谱实验中，杂散磁场或者磁场强度的不均匀所引入的系统误差，是影响实验不确定度的主要因素之一．为保iiE~U量精度，必须实现精密的磁场控制．氦原子精细结构的精密光谱测量可用于测定精细结构常数，同时也是检验多电子原子体系量子电动力学理论的一种重要方法．本文介绍所设计制

2、作的磁屏蔽系统和余弦线圈产生精密可控磁场，并利用He原子光谱对所加磁场进行了精密测定．磁屏蔽结构可将外磁场降低到小于0．8mGs(1Gs=i0_4T)，控制磁场在20Gs范围内时，光谱测量区域磁场的不均匀性和控制误差均小于i0mGs．在此实验条件下，氦原子精细结构精密光谱测量中磁场所导致的系统误差小于0．2kHz．关键词：氦原子，精细结构，磁屏蔽，磁场测量PACS：32．30．一r，07．55．Ge，07．55．Nk，42．62．FiDOI：10．7498／aps．63．123201精细结构最适于在原子体系中测定精细结构常数OL1引言和检验Q

3、ED理论．氦原子精细结构跃迁的精密光谱测量实验中，精细结构常数是一个基本物理常数，用于表系统误差的修正是需要考虑的关键因素．在已报征电磁相互作用的强度，也是量子电动力学理论道的实验结果中，实验测量精度在0．35一1．4kHzfQED)中惟一可调节参数．氦原子精细结构的精范围，而不同实验结果之间的系统偏差甚至达到密光谱，是基于量子电动力学原理测定精细结构常3．5kHz[4，841．其中，由于跃迁频率对于磁场十分数的方法之一[1-4】．该方法所得的测量结果与通过敏感，实验中地磁场等杂散磁场带来的影响是测量测量电子反常磁矩【】等完全不同的方法所得结

4、果误差的主要因素之一．为了减小磁场引入的系统误进行比较，在检验QED理论的内在自洽性等方面差，需要尽量降低测量区域的杂散磁场强度，技术具有重要的意义．氦原子是最简单的多电子原子，上通常采用主动补偿或被动屏蔽的方法实现．主动其束缚态能级包含复杂的电子一电子相互作用的贡补偿是通过添加与外场方向相反、大小相等的补偿献，是多体物理研究的典型．氦原子研究高精密光场，以抵消外场的影响；被动屏蔽是指采用高磁导谱测量可为多电子束缚态原子物理和量子力学近率合金制作磁屏蔽结构，将杂散磁场衰减，从而降似方法提供高灵敏检验．低对测量的影响．磁场测量常以磁场强度的大小

5、4He原子精细结构能级如图1(a)所示．其中三作为度量标准．在He精细结构的精密测量中，一重态的基态23S1为亚稳态，寿命约7870S[6,7】；三重般需要主动添加确定的外磁场对高阶塞曼效应引态第一激发态23P．，由于存在自旋和轨道相互作用，入的误差进行修正，因而对所加磁场的准确测量，分裂为三个子能级，相应能级间隔分别约2．291和是实现精密测量的前提．同时，利用原子在磁场中29．617GHz．理论认为[1-3】，23P01，2—20S1跃迁的的塞曼效应，通过激光抽运磁共振方法测定磁场，，+国家自然科学基金(批准号：11304303，2122

6、5314)、中国博士后科学基金(批准号2013M541828)和中央高校基本科研业务费(批准号：WK23400000421资助的课题．t通讯作者．E-mail：robert@mail．ustc．edu．ca◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．iphy．nc．cn123201—1f物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．12(2014)123201光谱探测区磁屏蔽设计：实验中采用被动屏蔽系中，若Y轴正半部分的电流方向沿Z轴正方向，Y的方法对外磁场进行衰减，以减小地磁场和环境

7、中轴负半部分的电流方向沿Z轴负方向，则磁场方向杂散磁场对测量的影响．磁屏蔽通常是采用具有较沿X轴正方向．对应的导线在Y轴正半部分圆周面高磁导率的薄壁壳体材料制成，根据实际需要，可上的排布如图3fC)所示．由于单位电流产生的磁做成圆球状、圆筒状、长方体等各种形状[23-27】．影场与线圈的总导线数目成正比，因此该方法设计的响屏蔽效果的因素主要包括屏蔽体的尺寸f长度线圈具有较大的调节范围．、半径R等)，屏蔽材料的厚度t、屏蔽材料的磁导。率，对于多层结构还需要考虑屏蔽体的层数n、层间间距等．在磁屏蔽系统的加工过程中，材料的热处理工艺对磁导率以及最终

8、的屏蔽效率有重要影响【28_301．影响磁性能最大的因素主要包括退火r气氛、退火温度和时间、冷却速度．非真空熔炼材料‘‘采用真空退火可以获得更好的磁性能，而真空熔炼