低噪声电流源系统的研究及其在冷原子实验上的应用

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获得1997年诺贝尔奖的激光冷却技术打开了研究冷原子物理的大门。近二十年来冷原子物理与技术快速发展,2001年,2005年,2012年的诺贝尔奖即是冷原子相关技术的发展应用。冷原子可以实现量子存储用于量子通信和量子计算;超冷原子则可以用于量子模拟去研究凝聚态体系的演化现象。磁场会引起原子的能级劈裂,它和激光以及射频,是调控冷原子的重要手段。磁场通过在线圈中通电流产生,实现各种磁场波形需要模拟可控的电流源;磁场的精确性需要电流的噪声小;一些物理过程还需要电流源有较高的带宽。目前的通用商用电流源带宽低,噪声大,基本无法使用。但光晶格中超冷原子量子模拟实验,玻色-费米超流混合实验等冷原子实验都对磁场电流有很高的要求。因此,本文针对不同实验磁场控制对电流源的特殊需求,研制了三种低噪声电流源:(1)磁传输,射频蒸发冷却,单层原子切片,需要低噪声百安培级的大电流。为此我们研制了基于IGBT的百安培大电流调控系统:通过IGBT来调控电流,并用高精度霍尔传感器反馈,经过电路进行PI运算后控制IGBT的栅极电压,实现了电流模拟控制且噪声极低,相对稳定度6 ppm。(2)原子间偶极偶极相互作用的调节,环境磁场的动态补偿需要低噪声高带宽十安培量级的双极性电流源。为此我们研制了双极性电流源:使用功率运放实现了 16 A电流的双极性输出,且有很强的驱动能力,能驱动电感负载。使用两级结构,在功率运放输出级前加上精密运放进行PI运算,实现了输出电流极低的噪声。通过PI参数的调节,可以适应不同的电感负载,并可以调节系统的响应带宽。双极性电流源电流的噪声好于5 ppm,带宽通过PI参数可以从2 kHz到10 kHz调节。(3)小型可移动原子干涉仪系统需要低功耗,体积小的电流源系统,其中偏置场需要噪声极低,梯度场和补偿场需要快速关断。为此我们研制了干涉仪电流源系统:在双极性电流源上改进,降低工作电压以实现低功耗,简化电路结构,最终实现了 5种电流需求在一个1U小机箱中的集成。并且通过更换功率运放及检流电阻实现了更低的电流噪声及极低的漏电流,通过积分电容的开关及输出端加MOSFET实现了快速开关且无过冲,满足了干涉仪各种电流源的需求。这三种电流源系统经过仔细测试,应用到了多个实验中,消除了商业电流源存在的问题,保障了实验顺利开展,也为新实验的设计提供了更多的可选余地。
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