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氦原子精密光谱实验中的精密磁场设计与测量

冯高平 孙羽 郑昕 胡水明

氦原子精密光谱实验中的精密磁场设计与测量

冯高平, 孙羽, 郑昕, 胡水明
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  • 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. 为保证测量精度,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0.8 mGs(1 Gs=10-4 T),控制磁场在20 Gs 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10 mGs. 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0.2 kHz.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11304303,21225314)、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:WK2340000042)资助的课题.
    [1]

    Schwartz C 1964 Phys. Rev. 134 A1181

    [2]

    Pachucki K, Yerokhin V A 2010 Phys. Rev. Lett. 104 070403

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    Pachucki K 2006 Phys. Rev. Lett. 97 013002

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    Smiciklas M, Shiner D 2010 Phys. Rev. Lett. 105 123001

    [5]

    Hanneke D, Hoogerheide S F, Gabrielse G 2011 Phys. Rev. A 83 052122

    [6]

    Hodgman S S, Dall R G, Byron L J, Baldwin K G H, Buckman S J, Truscott A G 2009 Phys. Rev. Lett. 103 053002

    [7]

    Lach G, Pachucki K 2001 Phys. Rev. A 64 042510

    [8]

    Pastor P C, Giusfredi G, Natale P D, Hagel G, Mauro C D, Inguscio M 2004 Phys. Rev. Lett. 92 023001

    [9]

    Pastor P C, Giusfredi G, Natale P D, Hagel G, Mauro C D, Inguscio M 2006 Phys. Rev. Lett. 97 139903

    [10]

    Giusfredi G, Pastor P C, Natale P D, Mazzotti D, Mauro C D, Fallani L, Hagel G, Krachmalnicoff V, Inguscio M 2005 Can. J. Phys. 83 301

    [11]

    George M C, Lombardi L D, Hessels E A 2001 Phys. Rev. Lett. 87 173002

    [12]

    Borbely J S, George M C, Lombardi L D, Weel M, Fitzakerley D W, Hessels E A 2009 Phys. Rev. A 79 060503(R)

    [13]

    Zelevinsky T, Farkas D, Gabrielse G 2005 Phys. Rev. Lett. 95 203001

    [14]

    Castillega J, Livingston D, Sanders A, Shiner D 2000 Phys. Rev. Lett. 84 4321

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    Keyser A R, Rice J A, Schearer L D 1961 J. Geophys. Res. 66 4163

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    Frandsen A M A, Conner B V, Amersfoort J V, Smith E J 1978 IEEE Trans. Geosci. Electron. GE-16 195

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    Yan Z C, Drake G W F 1994 Phys. Rev. A 50 R1980

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    Clairon A, Laurent P, Santarelli G, Ghezali S, Lea S N, Bahoura M 1995 IEEE Trans. Instrum. Meas. 44 128

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    Romalis M V, Griffith W C, Jacobs J P, Fortson E N 2001 Phys. Rev. Lett. 86 2505

    [37]

    Swallows M D, Loftus T H, Griffith W C, Heckel B R, Fortson E N, Romalis M V 2013 Phys. Rev. A 87 012102

    [38]

    Gustavson T L, Bouyer P, Kasevich M A 1997 Phys. Rev. Lett. 78 2046

  • [1]

    Schwartz C 1964 Phys. Rev. 134 A1181

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    [4]

    Smiciklas M, Shiner D 2010 Phys. Rev. Lett. 105 123001

    [5]

    Hanneke D, Hoogerheide S F, Gabrielse G 2011 Phys. Rev. A 83 052122

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    Pastor P C, Giusfredi G, Natale P D, Hagel G, Mauro C D, Inguscio M 2006 Phys. Rev. Lett. 97 139903

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    Gravrand O, Khokhlov A, Mouel J L L, Leger J M 2001 Earth Planets Space 53 949

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    Chen G J, Li M C, Zhou Y L 1986 Metal Soft Magnetic Materials and Heat Treatment (Beijing: China Machine Press) p47 (in Chinese) [陈国钧, 李茂昌, 周元龙 1986 金属软磁材料及其热处理 (北京: 机械工业出版社) 第47页]

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  • [1] 裴栋梁, 何军, 王杰英, 王家超, 王军民. 铯原子里德伯态精细结构测量. 物理学报, 2017, 66(19): 193701. doi: 10.7498/aps.66.193701
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    [5] 陈笋, 朱云霞, 葛自明, 贺黎明. 钠原子主线系精细结构的多体微扰计算. 物理学报, 2012, 61(15): 153104. doi: 10.7498/aps.61.153104
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    [8] 孙言, 苟秉聪, 朱婧晶. Li“洞原子”高位三激发态2 S(m)和2 D(m) (m=2—7)的能级、精细结构和Auger宽度. 物理学报, 2010, 59(6): 3878-3884. doi: 10.7498/aps.59.3878
    [9] 曹明涛, 邱淑伟, 郭文阁, 刘韬, 韩亮, 刘昊, 张沛, 张首刚, 高宏, 李福利. 铷原子蒸汽中的光偏振旋转效应. 物理学报, 2012, 61(16): 164208. doi: 10.7498/aps.61.164208
    [10] 赵杰, 唐德礼, 许丽, 李平川, 张帆, 李建, 桂兵仪. 阳极磁屏蔽对阳极层霍尔推力器内磁极刻蚀的影响. 物理学报, 2019, 68(21): 215202. doi: 10.7498/aps.68.20190654
    [11] 彭向凯, 吉经纬, 李琳, 任伟, 项静峰, 刘亢亢, 程鹤楠, 张镇, 屈求智, 李唐, 刘亮, 吕德胜. 基于人工神经网络在线学习方法优化磁屏蔽特性参数. 物理学报, 2019, 68(13): 130701. doi: 10.7498/aps.68.20190234
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-01-02
  • 修回日期:  2014-03-08
  • 刊出日期:  2014-06-20

氦原子精密光谱实验中的精密磁场设计与测量

  • 1. 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
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11304303,21225314)、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:WK2340000042)资助的课题.

摘要: 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. 为保证测量精度,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0.8 mGs(1 Gs=10-4 T),控制磁场在20 Gs 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10 mGs. 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0.2 kHz.

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