原子磁強(qiáng)計(jì)中堿金屬原子氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 驥，李仔艷，康翔宇，丁思同，李 陽(yáng)

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

0 引 言

原子磁強(qiáng)計(jì)是在待測(cè)磁場(chǎng)中通過(guò)堿金屬原子與光的相互作用來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的一種裝置，隨著關(guān)注度的提高，磁強(qiáng)計(jì)正在快速發(fā)展，靈敏度已經(jīng)能達(dá)到fT級(jí)別［1］。超高靈敏度的磁場(chǎng)檢測(cè)儀器在軍事國(guó)防、生物醫(yī)療和地球勘探等領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。原子氣室是原子磁強(qiáng)計(jì)的敏感單元，在待測(cè)磁場(chǎng)中，堿金屬原子在泵浦光的作用下通過(guò)檢測(cè)原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)計(jì)算待測(cè)磁場(chǎng)大?。?］。檢測(cè)靈敏度與氣室內(nèi)原子數(shù)密度關(guān)系密切，而原子數(shù)密度與氣室溫度呈正相關(guān)［3］。因此可以通過(guò)控制氣室的工作溫度來(lái)提高磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度，所以一套溫控加熱系統(tǒng)對(duì)于磁強(qiáng)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常必要的。

對(duì)于原子氣室的加熱除了溫度控制要精準(zhǔn)之外，還要做到無(wú)磁加熱，原子氣室的無(wú)磁加熱系統(tǒng)已經(jīng)成為了原子磁強(qiáng)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。原子氣室的加熱通常有激光加熱、熱氣流加熱、電加熱和熱管加熱這幾種方式。激光加熱是通過(guò)對(duì)氣室鍍膜來(lái)吸收激光能量的方式進(jìn)行加熱的，優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且有明顯的溫度梯度；熱氣流加熱是利用管道將熱氣流導(dǎo)向氣室的方式進(jìn)行加熱的，這種加熱方式不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，但是設(shè)備龐大且加熱慢、溫度控制精度?。浑娂訜崾峭ㄟ^(guò)加熱片對(duì)氣室進(jìn)行加熱，電加熱加熱速度快、精度高且易于控制，但是容易產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾；熱管加熱是最近剛出現(xiàn)的一種加熱方式，是通過(guò)電加熱對(duì)熱管一端進(jìn)行加熱，通過(guò)熱管高效導(dǎo)熱將熱量傳入原子氣室中，即保證了加熱的高效同時(shí)還規(guī)避了磁場(chǎng)干擾。但是熱管加熱增加了額外的結(jié)構(gòu)，使得磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到限制，不利于小型化。

針對(duì)現(xiàn)有氣室加熱優(yōu)缺點(diǎn)，本文對(duì)電加熱進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化加熱膜上線圈結(jié)構(gòu)，抑制其在加熱時(shí)產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)。這樣既保留了電加熱的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)且最大程度的減小磁場(chǎng)干擾，通過(guò)這種方式達(dá)到原子磁強(qiáng)計(jì)中堿金屬原子氣室無(wú)磁電加熱的目的。

1 無(wú)磁電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使原子氣室加熱時(shí)產(chǎn)生的溫度梯度盡可能的小，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)圓柱形加熱結(jié)構(gòu)來(lái)包裹氣室，將加熱片貼在加熱結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)加熱結(jié)構(gòu)將熱量傳導(dǎo)給氣室。溫度傳感器放置在加熱結(jié)構(gòu)上，采集到的溫度信息反饋給PID控制器、通過(guò)控制器來(lái)調(diào)節(jié)加熱驅(qū)動(dòng)電路的加熱，加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

1.1 加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了讓原子氣室受熱更加均勻，根據(jù)氣室形狀和磁強(qiáng)計(jì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了氣室的加熱結(jié)構(gòu)。加熱結(jié)構(gòu)材料采用氮化硼陶瓷，加熱膜裹在加熱結(jié)構(gòu)的外壁，通過(guò)氮化硼將熱量傳遞給內(nèi)部氣室中，加熱結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖2所示。對(duì)加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱仿真，仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出加熱結(jié)構(gòu)外部和內(nèi)部溫度變化很小。

圖2 加熱結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of heating structure

圖3 烤箱和氣室加熱仿真圖Fig.3 Oven and gas chamber heating simulation diagram

1.2 加熱膜設(shè)計(jì)

電加熱要實(shí)現(xiàn)無(wú)磁加熱就得對(duì)加熱膜的材料和走線進(jìn)行設(shè)計(jì)，加熱膜采用在聚酰亞胺薄膜作為襯底，在薄膜上進(jìn)行加熱絲加工。加熱膜為兩層結(jié)構(gòu)，相鄰加熱絲之間流過(guò)的電流方向相反、大小相等，在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，大大減小加熱過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。

如圖4所示，平行放置的導(dǎo)線1和導(dǎo)線2，在空間中任意一點(diǎn)P產(chǎn)生的磁場(chǎng)為公式（1）［5］

圖4 平行導(dǎo)線在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the magnetic field generated by parallel wires in space

從公式（1）可以看出，當(dāng)平行導(dǎo)線之間的距離越小，產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)越小。為了更好地消除加熱過(guò)程中產(chǎn)生的干擾，加熱膜采用雙層結(jié)構(gòu)。雙層加熱膜的示意圖和實(shí)物圖如圖5、圖6所示。

圖5 雙層加熱膜示意圖Fig.5 Schematic diagram of double-layer heatingfilm

圖6 雙層加熱膜實(shí)物圖Fig.6 Picture of double-layer heating film

1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了使原子磁強(qiáng)計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行磁場(chǎng)檢測(cè)，需對(duì)電加熱的頻率和功率進(jìn)行控制，使加熱頻率遠(yuǎn)離磁強(qiáng)計(jì)工作的頻率的同時(shí)快速將原子氣室加熱到指定溫度。本文使用PID溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。通過(guò)計(jì)算，本文采用TPS54160這一降壓穩(wěn)壓器來(lái)提供穩(wěn)定的直流電壓，再通過(guò)全橋場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)芯片ISL83204來(lái)將直流電變?yōu)轭l率可控的交流電，其原理圖如圖7所示。

圖7 電壓產(chǎn)生電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of voltage generation circuit

圖7中輸出電壓可由變阻器RP1調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為38.4 V-56.4 V。該芯片的輸入電壓為55 V，其第7引腳產(chǎn)生一個(gè)恒定的參考電壓0.8 V，通過(guò)參考電壓和電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

由TPS54160產(chǎn)生的直流電壓，需經(jīng)過(guò)ISL83204芯片變?yōu)榻涣麟妷?，電路原理圖如圖8所示。

圖8 直流變交流電路原理圖Fig.8 DC to AC circuit schematic diagram

圖8中，芯片ISL83204的工作電壓為12 V，通過(guò)6號(hào)引腳IN+和7號(hào)引腳IN-之間的電壓大小來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵源極間電壓，當(dāng)電壓高于啟動(dòng)電壓時(shí)晶體管源極和漏極導(dǎo)通。通過(guò)這種方式控制不同晶體管的通斷來(lái)使流經(jīng)加熱膜的電流有兩個(gè)回路，如圖9所示。當(dāng)BHO和ALO高電平時(shí)電流路徑如綠色虛線所示，當(dāng)AHO和BLO高電平時(shí)電流路徑如紅色虛線所示。

圖9中，7號(hào)引腳IN-的電壓為2.5 V，由穩(wěn)壓電源TL431提供；6號(hào)引腳IN+為幅值5 V的矩形波，頻率可調(diào)。加熱膜電壓變化頻率由IN+的頻率控制，使得直流變?yōu)榻涣鹘o加熱膜供電。這種頻率和電壓幅值分開(kāi)控制的方式使得芯片的功耗不會(huì)太大，易于加熱驅(qū)動(dòng)電路板的散熱。

圖9 加熱膜交流加熱示意圖Fig.9 Schematic diagram of AC heating of heating film

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在原子磁強(qiáng)計(jì)裝置中進(jìn)行原子磁強(qiáng)計(jì)氣室的溫控實(shí)驗(yàn)，將氣室溫度設(shè)置為140°，通過(guò)記錄溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)對(duì)加熱結(jié)果進(jìn)行分析，每隔10 s鐘記錄一次溫度數(shù)據(jù)，共記錄了300組數(shù)據(jù)。加熱曲線如圖10所示。

圖10 加熱曲線Fig.10 The heating curve

如圖10所示，氣室溫度在幾分鐘內(nèi)快速升高，略微超調(diào)一點(diǎn)后緩慢回落，達(dá)到設(shè)定溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定之后氣室溫度穩(wěn)定140°，且溫度波動(dòng)在0.1°之內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在原子磁強(qiáng)計(jì)的原子氣室加熱過(guò)程中，除了溫度需要達(dá)到要求外，還得盡量減少加熱電流產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)，加熱膜加熱過(guò)程中的產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)原子磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量的靈敏度影響很大，所以對(duì)測(cè)量的影響也是加熱系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。

在磁強(qiáng)計(jì)使用前要通過(guò)亥姆赫茲線圈對(duì)磁屏蔽桶內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行歸零補(bǔ)償，通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)歸零情況。單雙層加熱膜下歸零過(guò)程中檢測(cè)輸出對(duì)比如圖11所示，圖11中黃色曲線為原子磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)光在補(bǔ)償線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)下的強(qiáng)度曲線，補(bǔ)償線圈的電壓波形如藍(lán)線所示。

圖11 單雙層加熱膜加熱時(shí)檢測(cè)光輸出對(duì)比圖Fig.11 Comparison of detection light output during heating of single and double heating films

從圖11中可以看出，單層加熱膜檢測(cè)時(shí)曲線有明顯的鋸齒波，產(chǎn)生鋸齒波的原因就是加熱膜在交流加熱時(shí)導(dǎo)致的磁場(chǎng)干擾，當(dāng)換成設(shè)計(jì)好的雙層加熱膜時(shí)，鋸齒波明顯變小，說(shuō)明雙層設(shè)計(jì)的加熱膜在電加熱過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾明顯減少。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)原子磁強(qiáng)計(jì)中原子氣室加熱的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了雙層加熱膜和圓柱形加熱結(jié)構(gòu)。使用電加熱的方式，采用電加熱的方式，通過(guò)設(shè)計(jì)的雙層加熱膜對(duì)原子氣室進(jìn)行無(wú)磁加熱，當(dāng)設(shè)置溫度設(shè)置在140℃，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后溫度的誤差在0.1℃以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在檢測(cè)光中可以看到，單層與雙層加熱膜加熱的氣室檢測(cè)出的信號(hào)有明顯的區(qū)別，雙層加熱膜的波形的磁場(chǎng)干擾明顯減小，說(shuō)明本文的結(jié)果對(duì)原子磁強(qiáng)計(jì)的氣室加熱有一定的指導(dǎo)意義。