锶原子光钟磁光阱磁场及其控制电路设计

王靖斌，陈洁，王心亮，常宏



锶原子光钟磁光阱磁场及其控制电路设计

王靖斌1,2，陈洁1,2，王心亮1,3，常宏1,3

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院研究生院，北京 100039；3. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600）

由于锶原子光钟两级冷却对磁光阱磁场有不同的要求，为减少磁场转换时原子的逃逸，需在短时间内以一定的时序控制变换磁场。对反赫姆霍兹线圈设计的一般理论进行了讨论，为锶原子光钟的两级冷却设计了相应的磁场，并制作了转换磁场的发生控制装置。该装置主要包括控制电路、保护电路2部分。测量得到通过线圈的电流受控于输入信号，符合实验要求。

锶原子光钟；磁光阱；磁场控制

1 反赫姆霍兹线圈设计

图1 反向赫姆霍兹线圈

实际应用时可以取反赫姆霍兹线圈产生磁场的一阶近似：

在设计反赫姆霍兹线圈时应该考虑到线圈的电感，它直接影响磁场的变化时间。在线圈半径远大于铜导线半径的情况下，匝环形线圈产生的电感可以用下式，即式（6），进行近似计算[6]：

由式（6）可见，在较大、较小的情况下电感较小。

实验中的磁场线圈由漆包铜线绕制而成，铜线半径＝1.0mm，线圈半径＝103mm，两组线圈之间的距离2＝164mm，线圈匝数＝430。在坐标系的原点处，当＝10A时，轴向磁场梯度为40G/cm，径向磁场梯度为-20G/cm，调节电流的大小可以改变磁场梯度大小。

2 二级冷却的时序要求

对于锶原子的二级冷却实验，689nm激光入射到磁光阱中时需要一定的时序控制，即由Blue MOT阶段过渡到Red MOT阶段，实验条件改变的先后顺序及其持续时间[2]。在制备Red MOT过程中，磁光阱区磁场梯度为40G/cm。在进一步冷却并俘获原子时，应当同步关断461nm一级冷却光源、原子源，并将磁光阱区磁场梯度降低到5G/cm和同步打开689nm二级冷却主光源。在实现原子的进一步冷却俘获后，磁场梯度需要在现有基础上得到提高，达到10G/cm，以使俘获的原子团体积得到压缩，以增大密度。在实验过程中，冷原子的寿命有限，约5ms左右，这就要求阱区的磁场梯度变化尽可能地快，所以对反向赫姆霍兹磁场梯度变化的控制和对相应磁场梯度的持续时间的控制也就十分重要了。

3 控制电路设计

由式（4）和式（5）可知，在磁场线圈安装固定后，反赫姆霍兹线圈产生的磁场大小仅由通过的电流大小决定，锶原子光钟二级冷却的磁场控制即反赫姆霍兹线圈的电流大小和持续时间控制。

我们的电路中控制反赫姆霍兹线圈通过电流大小的核心器件是富士通公司生产的IGBT（insulated gate bipolar transistor），即绝缘栅双极型晶体管，它是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET（金属半导体场效应管）的高输入阻抗和GTR（巨型晶体管）的低导通压降2方面的优点。实验中用到的IGBT型号为1MBH60D-170。该型号内部集成反向二极管，饱和压降至1700V。

电路中采用运算放大器来驱动IGBT，具体采用的型号为OP-27的运算放大器是一款高精度、低温漂运算放大器，具有噪声低、增益高的特点。

为了在尽可能降低磁场变化时间的前提下，保证线圈的感应电压不会造成电路损坏，需在反赫姆霍兹线圈两端并联保护电路。保护电路由二极管、电阻和稳压管组成。

图2是反赫姆霍兹线圈驱动电路，图中L2是反赫姆霍兹线圈中的一个线圈，R4的作用是将线圈电流反馈到运放负端，使电路保持稳定，R4值为0.1Ω。R1值为200Ω。为保护IGBT不致损坏，实验中采用2个同型号同批次的IGBT来分别控制2个线圈。IGBT采用并联接法，使用同一信号源驱动2个放大器，保证了2个线圈的电流大小完全相同、方向相反。

图2 反向赫姆霍兹线圈驱动电路

电路中将1个100Ω和1个1kΩ的电阻串联后与线圈并联，通过测量小电阻上的电压能间接得到线圈上的电压变化，即能反映出反赫姆霍兹线圈的磁场变化。测量发现感应电压的持续时间与控制信号吻合得较好，如图3（a）和图3（b）所示：当控制信号电压分别由1V变为0.125V和由1V变为0.25V时，检测到的线圈电压分别由1V变为0.12V和由1V变为0.21V。在线圈电阻固定的情况下，检测到的线圈电压直接反应的是线圈上磁场的磁场强度，符合实验的要求。

图3 磁场线圈的控制信号电压和线圈检测电压

图4曲线是磁场电流受控于控制信号变化的瞬间的感应电压，表明反赫姆霍兹线圈从开始变化到稳定的时间在1ms以内，小于磁光阱中冷原子寿命，可用于实验。

图4 线圈磁场变化瞬间的感应电压

4 结语

本文从锶原子光钟的二级冷却磁场要求出发，介绍了反赫姆霍兹线圈磁场的设计方法，本文作者设计制作了磁场产生和线圈驱动的装置。该装置产生的磁场符合锶原子光钟二级冷却的要求，并能有效地防止线圈的感应电动势过高而损伤电路。

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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

国家自然科学基金资助项目（Y011ZK1101）；北斗青年优秀论文基金资助项目（Y102QT1101）;中国科学院“百人计划”资助项目（O916YC1101）

王靖斌，男，硕士，主要从事锶原子光钟研究。