极性分子的速度滤波和缓冲气体冷却的理论和实践研究

论文摘要

本文报道了利用静电速度选择技术,分别对室温下热分子束和缓冲气体冷却的分子束进行弯曲导引的实验,获得了若干不同种类的冷分子束,并介绍了利用这些冷分子束所能进行的一些应用研究方案：包括冷分子表面弯曲导引与表面速度滤波、表面囚禁和表面存储环。最后,就本文的研究工作进行了总结,并就本方向和本小组的未来研究进行了展望。本文首先介绍了速度选择技术的原理；分析了各种极性分子的斯塔克效应；从理论上描述了四极静电场的分布,详细分析了出射分子束的速度分布、束流(即通量)和导引效率。然后,根据理想四极静电场的解析表达式(或者实际电场的有限元计算),室温下分子在各个转动态的布居,采用蒙特卡洛方法模拟了室温下各种分子束在弯曲四极静电场中运动的动力学过程,得到了被导引分子束的速度分布、温度和导引效率。研究表明：被导引分子束的温度和导引电压成正比,导引效率和导引电压的二次方成正比。介绍了早期实验装置中的配气系统、真空系统、四级杆电极、脉冲高压装置、脉冲激光和时间飞行质谱装置。在早期的一次速度滤波实验中,利用一段弯曲的四级杆电极对乙腈分子进行了静电导引,获得了冷的乙腈分子束。随后,我们对实验系统(包括分子束配气装置、四级杆电极和时序控制等)进行了一系列改进,通过二次速度滤波,并采用新的探测方法,获得了乙腈、氟甲烷、三氟甲烷、硝基甲烷和氯苯等一些样品的冷分子束。实验测量了冷分子束的通量、速度分布(即温度)与导引电压、束源压强的关系,并将实验结果与理论值进行了比较和讨论。从理论上阐释了缓冲气体冷却的工作原理。利用刚性球模型,分析了样品分子与缓冲气体(He)原子之间的碰撞,分子的冷却速率等,并对缓冲气体冷却的动力学过程进行了模拟。分析表明：缓冲气体冷却技术不依赖于分子的能级结构,与分子是否具有极性无关,因此可以用来冷却各类分子样品。如果样品分子与缓冲气体碰撞次数足够多,达到充分的热平衡,最终的分子平动温度和内部转动温度都将被冷却到缓冲气体的温度。另外,我们分析了利用这种技术,产生冷分子束的一系列条件,以及产生的冷分子束的一些性质。随后,我们开展了将缓冲气体冷却技术和速度选择技术结合起来从而获得高通量的冷分子束的实验研究。详细介绍了实验系统中的分子束配气装置、四级杆电极、真空系统、低温装置等。实验上研究了被导引分子束的速度分布和温度与导引电压、缓冲气体流量(即密度)以及样品分了流量之间的关系,并且与模拟结果进行了比较,取得了实验与理论相一致的结果。此外,通过在导引电极上施加脉冲高压,在实验上获得了脉冲分子束序列。最后,介绍了我们提出的几种利用所获得的冷分子开展应用研究的理论方案。包括表面导引方案与表面速度滤波、表面囚禁与表面储存环方案,并进行了相应的数值模拟与理论研究。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 研究背景
• 1.1 冷分子和超冷分子的应用前景和研究目的
• 1.2 极性冷分子的应用
• 1.3 冷分子的产生
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 速度滤波器的原理
• 2.1 引言
• 2.2 极性分子的直流斯塔克效应
• 2.3 四极静电场
• 2.4 速度滤波器
• 2.5 本章小结
• 第三章 速度滤波过程的模拟
• 3.1 引言
• 3.2 电场分布
• 3.3 分子内部能级布居数的计算
• 3.4 L型速度滤波过程的数值模拟及其结果
• 3.5 S型速度滤波过程的数值模拟及其结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 速度滤波的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置
• 4.3 高压老练
• 4.4 实验结果和讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 缓冲气体冷却的理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 分子-缓冲气体的碰撞
• 5.3 分子束的产生
• 5.4 本章小结
• 第六章 缓冲气体冷却和输出分子束的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验装置
• 6.3 系统测试和分子束实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 冷分子束的应用方案
• 7.1 引言
• 7.2 芯片表面的斯塔克速度滤波方案
• 7.3 芯片表面的可控制分子阱方案
• 7.4 芯片表面的分子储存环方案
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文的主要工作
• 8.2 本文的主要创新之处
• 8.3 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表与待发表的论文目录
• 致谢