一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法与流程

技术特征：
1.一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于该方法的步骤包括：第一步，建立离子阱双射频囚禁模型；第二步，基于第一步中建立的离子阱双射频囚禁模型，评估低频囚禁势场对离子体系稳定囚禁参数及动力学耦合特性的影响，具体步骤如下：当用于囚禁离子的低频囚禁势场(ω
rf2
，u
rf2
)处于最佳稳定囚禁区域同时高频囚禁势场(ω
rf1
，u
rf1
)处于极弱束缚参数区域时，离子体系的双射频囚禁动力学特性使用低频囚禁势场表征；当用于囚禁离子的高频囚禁势场(ω
rf1
，u
rf1
)处于最佳稳定囚禁区域，同时高频囚禁势场下的久期运动频率(ω
rf1
)与低频囚禁势场频率之间满足ω
rf1
＝mω
rf2
/2时，m为整数，m＜n，低频囚禁势场频率需远离离子的高频囚禁势场下的久期运动频率；第三步，对轻离子高频囚禁势场与重离子低频囚禁势场的耦合匹配；第四步，对射频加热效应进行优化抑制；第五步，对双组份离子的动力学进行模式匹配；第六步，协同冷却效率的评估；基于离子的荧光线型反演离子温度或基于含时位置矢量与荧光成像比对，反演离子的平衡态温度。2.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第一步中，基于comsol等仿真软件建立离子阱双射频囚禁模型，步骤如下：双射频囚禁场中高频囚禁势场为(ω
rf1
，u
rf1
)，低频囚禁势场为(ω
rf2
，u
rf2
)，高频囚禁势场中的频率与低频囚禁势场中的频率的比值为ω
rf1
/ω
rf2
＝n；囚禁于四极线形离子阱中的离子所感受到的势场为：其中，ω
rf1
为高频囚禁势场的频率；u
rf1
为高频囚禁势场的幅值；ω
rf2
为低频囚禁势场的频率；u
rf2
为低频囚禁势场的幅值；t为时间，为势场在离子阱中的径向分布坐标；r0为离子阱径向几何中心到电极表面的最小距离；κ
z
为离子阱的轴向几何因子参数，u
end
为施加在离子阱端电极上的静态直流偏置电压，2z0为离子阱的轴向囚禁区域；z为势场在离子阱中的轴向分布坐标；在上述的势场下离子径向运动的mathieu方程为：其中r＝(x，y)，a，q，p和ξ是四个无量纲参数，分别为
其中，κ
r
为离子阱的径向几何因子参数，u
dc
为施加在rf势上的静态直流偏置电压，q和m分别为囚禁离子的电荷及质量。3.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第三步中，对轻离子高频囚禁势场与重离子低频囚禁势场的耦合匹配方法为：高频场ω
rf1
对轻离子起囚禁作用，低频场ω
rf2
对重离子起囚禁作用，要求低频囚禁场频率ω
rf2
远小于高频囚禁场频率ω
rf1
，并远离轻离子的久期运动频率，且要求低频场幅度u
rf2
远小于高频场幅度u
rf1
，抑制低频激发强度。4.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第四步中，对射频加热效应进行优化抑制方法为：在离子体系满足准绝热相互作用的前提下，提高外层离子体系的射频束缚强度有利于压缩内外层离子体系的相对距离，增强内外层离子间的相互作用、提升混合离子体系的能量交换效率。5.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第五步中，对双组份离子的动力学进行模式匹配方法为：三维低温离子体系呈现体心立方结构，在其中注入低质荷比离子过程中，轻离子分布于混合离子体系的内层，重离子分布于混合离子体系的外层，通过改变双射频势场参数调控重离子与轻离子体系的径向间距，当重离子与轻离子的径向间距大于重离子晶格尺寸时，重离子与轻离子的等效谐振行为相对独立，内外层离子间的运动及能量耦合程度较低，不利于协同冷却，当重离子与轻离子的径向相对间距小于重离子晶格尺寸时，内外层离子的等效谐振行为相互影响，重离子与轻离子的运动及能量特性紧密耦合在一起，由于重离子的囚禁强度超出了准绝热相互作用范围，重离子的射频加热效应通过内外层离子间的强耦合效应传递给轻离子，造成轻离子无法高效协同冷却，当轻离子与重离子的径向间距与晶格尺寸匹配时，轻离子填补重离子晶体的晶格空位，并被重离子三维库伦晶格稳定束缚，轻离子与重离子间的协同冷却效率达到极大。6.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第二步中，最佳稳定囚禁区域是指满足0.08≤p≤0.35，极弱束缚参数区域是指满足q＜0.08。
7.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第二步中，双射频场(ω
rf1
＝3.7148mhz，u
rf1
＝200v)、(ω
rf2
＝2.6268mhz，u
rf2
＝100v)同时处于最佳稳定囚禁参数(q＝p＝0.15)时，离子体系在单个微运动周期时间尺度内的射频(x
‑
y)势截面空间分布，离子体系的微运动视为高频小幅快速微运动与低频大幅慢速微运动相互调制的结果，离子的高频囚禁下的久期运动频率更高，进而主导离子体系的轮廓特征；在低频调制场影响下，离子体系的径向轮廓发生了延展，三维离子体系依然遵循相对固定的演化轨迹，演化过程包含了高频囚禁与低频囚禁的动力学耦合信息。8.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第三步中，分析双射频囚禁混合离子体系的势场匹配方法的步骤为：针对质荷比相差40倍的双离子体系双频囚禁，首先设置一组高频囚禁势场使得轻离子稳定囚禁q
l,rf1
＝0.14的久期运动频率为ω
l,rf1
＝4.598mhz，该高频囚禁势场中重离子q
h,rf1
＝0.0035的等效赝势深度较浅，在此基础上匹配一组低频囚禁势场，其频率ω
rf2
远小于ω
l,rf1
，不会激发轻离子产生谐振，通过调控低频囚禁势幅度u
rf2
，相对独立的改变重离子囚禁强度。9.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第五步中，第五步，对双组份离子的动力学进行模式匹配的方法为：12个轻离子从左到右的位置序列分别为l1,l2,
……
，l
12
，(l4,l9)同时满足离子阱囚禁和三维库伦晶格囚禁要求，稳定束缚于重离子晶体空位中，其他轻离子(l1～l3,l5～l8,l
10
～l
12
)在高频囚禁效应与重离子的强库伦排斥效应的共同作用下做轴向一维简谐振动，轻离子的轴向谐振运动由重离子的径向微运动通过双离子体系间的协同作用激发而产生，实现高效率模式谐振。10.根据权利要求1所述的一种混合离子体系的双射频囚禁与势场匹配方法，其特征在于：所述的第六步中，协同冷却效率的评估的步骤为：l4及l9离子稳定囚禁于三维重离子晶格中，高频囚禁效应与双组份离子协同作用实现了较好的匹配，其平衡态久期运动能量与重离子相近，均达到mk量级低温，三组l

离子(l1～l3,l5～l8,l
10
～l
12
)在重离子的协同作用激发下做轴向谐振运动，其平衡态久期运动能量比l4、l9离子明显高出一个量级，(l3，l5)、(l8，l
10
)两组离子分别与l4、l9离子位置相邻，协同冷却效率远强于l1、l2、l6、l7、l
11
、l
12
离子，协同冷却离子体系的整体温度可控制在0.1k以内，实现混合离子体系的高效协同冷却。

技术总结
本发明涉及一种混合离子体系的双射频普适性囚禁与势场匹配方法，属于冷离子频率标准技术领域。建立离子阱双射频动态束缚模型，量化分析了双射频势场下单组份离子体系的等效赝势模型、稳定束缚条件、微运动与久期运动的三维关联耦合特征，通过分析离子的微运动瞬态过程，界定第二囚禁频率的临界绝热束缚强度。匹配轻离子的高频囚禁势频率及幅度，实现轻离子的准绝热稳定囚禁。匹配重离子的低频囚禁势频率，有效抑制低频势对轻离子的谐振激发效应和微运动加热效应。在维持重离子准绝热外态操控的同时，通过提升低频势场强度，改善大质荷比差异混合三维离子体系的空间耦合强度和动力学模式匹配效率，实现外态高效协同作用、甚至振动基态冷却。至振动基态冷却。至振动基态冷却。


技术研发人员：杜丽军 蒙艳松 贺玉玲 张立新 谢军
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：2021.06.25
技术公布日：2021/11/8