氣室無磁加熱結構研究進展與展望

牛雪迪，劉 峰，范文峰，全 偉

（1.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院,北京100191;2.北京航空航天大學前沿科技創新研究院,北京100191）

0 引言

近幾十年,隨著現代物理的快速發展及量子力學、原子操控和現代光學等領域的飛速進步,以原子作為敏感介質的元器件已經在醫學、計量、軍事及科學研究等領域得到了廣泛應用。原子具有豐富的超精細能級結構、多樣的自旋特性以及能級躍遷的量子化等特點,相比傳統儀器可以實現更小的體積和更高的精度。原子陀螺、原子磁強計、原子鐘等原子測量儀器的不斷發展,給人類的生活和科技的發展帶來了極大的方便和深刻的變革。堿金屬氣室作為原子測量儀器的核心部件,其內部原子密度對輸出信號具有重要影響,而堿金屬原子的密度則受到氣室溫度的直接影響。因此,堿金屬氣室的加熱方法和加熱結構的優化、氣室溫度穩定性和均勻性的提升成為原子測量儀器靈敏度進一步提升的關鍵技術之一。

為適應原子測量儀器不斷小型化、集成化的發展趨勢,加熱結構也在向著小型化的方向不斷發展。在發展過程中,熱氣流加熱、無磁電加熱、激光加熱成為堿金屬氣室應用的三種加熱方法,其適用范圍和加熱結構的特點各不相同。本文從不同加熱方法的角度,針對小型化過程中加熱層、傳熱層、保溫層等組件的變化,綜述了國內外堿金屬氣室加熱結構的研究進展,并在此基礎上展望了未來的發展趨勢。

1 研究進展

在各種原子測量儀器中,原子磁強計主要針對弱磁場進行測量,原子陀螺主要進行高精度慣性測量,原子鐘用于提供最精確的時間基準。原子氣室內的原子對氣室外的干擾磁場非常敏感,氣室加熱結構需要采用無磁材料進行制作,在加熱過程中也盡量不要產生干擾磁場。傳統的加熱方法不適用于工作在近零磁場環境下的原子測量儀器,在研究過程中逐漸發展出3種無磁加熱的方法,分別是熱氣流加熱、無磁電加熱、激光加熱[1-3]。

1.1 熱氣流加熱結構研究進展

原子測量儀器加熱技術研究的早期,國內外均采用熱氣流加熱方法。通常將氣室置于雙層加熱室中,在內層和外層中間通入熱氣流,使處于內層的原子氣室受熱。這種加熱方法需要采用空氣壓縮機或鼓風機向加熱室中輸送熱氣流,存在結構體積龐大、振動大的問題,主要用于原理驗證。雙層結構用于降低熱氣流對氣室的擾動,可提高氣室溫度的均勻度。在光路和烤箱外,都采用隔熱管和隔熱裝置防止高溫對其它部件的影響。熱氣流加熱結構如圖1所示。

圖1 熱氣流加熱結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot air heating structure

美國普林斯頓大學的第一代原子自旋陀螺研究裝置針對直徑為25mm的球形玻璃氣室采用了熱氣流的加熱方法,氣室壁外側粘有用作測量氣室溫度的溫度傳感器,外層通過水冷裝置進行隔熱,熱氣流加熱裝置如圖2所示。其中,圖2（a）為堿金屬氣室, 圖2（b）為雙層結構的烤箱, 圖2（c）為烤箱的絕熱裝置[4]。

圖2 美國普林斯頓大學的熱氣流加熱裝置Fig.2 Hot air heating device developed by Princeton University

美國哈佛大學用于CPT驗證的實驗裝置采用的也是熱氣流加熱方法。2005年,美國普林斯頓大學所設計的磁強計也采用了熱氣流的加熱方法,將原子氣室溫度加熱至180℃。

美國威斯康星大學麥迪遜分校于2006年在該結構的基礎上搭建了一套基于銣（Rb）原子的SERF原子磁強計實驗研究平臺,通過一種參數調制的檢測方案有效抑制了氣流加熱引起的低頻噪聲,實現了60fT/Hz1/2的單通道磁場測量靈敏度[5-6]。

在國內,北京航空航天大學于2008年率先開展了SERF原子陀螺的研究,采用熱氣流加熱方法對方形氣室中的Cs原子進行加熱以達到SERF態所需的原子密度。加熱結構與美國普林斯頓大學的類似,包括烤箱、熱氣流管路、隔熱管和鼓風機,具體采用了特氟龍三層加熱烤箱,通過雙氣路烤箱降低堿金屬氣室的氣流擾動[7]。無磁加熱烤箱的結構如圖3所示。

圖3 北京航空航天大學的熱氣流無磁加熱烤箱結構Fig.3 Hot air heating oven structure developed by Beijing University of Aeronautics and Astronautics

2012年,哈爾濱工程大學開展了全光Cs原子磁強計的溫度特性研究,通過熱氣流的加熱方法對直徑為30mm的Cs原子氣室進行加熱,通過光纖光柵溫度傳感器進行無磁的實時測溫。其中,加熱烤箱采用無磁材料PTFE制作,通光孔處采用雙層K9光學玻璃來提高保溫性能,在加熱室外添加保溫材料 “苯板”和水冷管進行保溫隔熱,其加熱系統如圖4所示。最終使氣室溫度穩定在25℃～100℃的范圍內,短時溫度穩定性達到0.1℃[8]。

圖4 加熱系統裝置圖Fig.4 Diagram of heating system installation

熱氣流的加熱方法固然不會引入磁噪聲,但這種加熱系統比較復雜,不利于小型化、集成化,而且溫度穩定性不高、氣流擾動較大、加熱均勻性不好。

1.2 無磁電加熱結構研究進展

由于熱氣流加熱的裝置體積過于龐大,不利于原子測量儀器的小型化,而電加熱方法更容易實現溫度的高精度控制,所以后來各研究單位均采用電加熱的方法。電加熱結構主要包括高熱導率的內導熱層、通電加熱的加熱層以及與外界進行隔熱的保溫層,另外還有測量氣室溫度用的溫度傳感器以及相應的控制電路,無磁電加熱結構如圖5所示。由于電流會產生干擾磁場,因此要對其進行有效抑制。通常采用的電加熱方法有兩種:一種是間斷電加熱,在原子測量儀器加熱時不工作,停止加熱后開始工作；另一種是高頻交流電加熱,通過高頻交流電避開原子激勵躍遷頻率,通過鎖相放大器來消除交流電產生的干擾磁場。

圖5 無磁電加熱結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of non-magnetic electric heating structure

近年來,無磁電加熱的研究重點為進一步抑制電流產生的干擾磁場,同時提高氣室加熱的均勻性,各研究單位均從無磁電加熱結構的內導熱層、電加熱層、保溫層這三個部分的材料、加工工藝、布局等方面進行了逐步優化。對內導熱層,大部分研究單位都采用氮化硼陶瓷烤箱,氮化硼陶瓷是一種高熱導率的非金屬材料,它可以使電加熱層產生高溫均勻加熱的氣室。為了抑制電流的磁噪聲,電加熱層的結構逐步精細化,初期將加熱絲雙絞對繞,使加熱絲中臨近走線上通過的電流在往返路徑上產生的磁場相互抵消,盡量降低加熱絲產生的磁場大小[2,9-10]。

2011年,美國普林斯頓大學研制的SERF磁強計采用高頻交流電加熱方法,加熱層為鈦金屬導線,將電流通入高阻值的鈦金屬導線中,雙絞對繞的加熱絲纏繞在氮化硼烤箱上進行加熱[11],如圖6（a）所示。保溫層選擇了真空隔熱,進一步降低了空氣對流導致的氣室溫度波動和熱量耗散,如圖6（b）所示。但是,真空結構設計需要額外增加閥門、真空接插頭,同時對真空腔體及內部結構的材料有較為嚴格的要求,因此大大增加了系統的復雜性。美國Sandia國家實驗室設計的原子磁強計也采用相同的真空隔熱方式[12-13],如圖6（c）所示。在國內,云南大學仿照美國普林斯頓大學的加熱結構,在氮化硼烤箱外殼上S型纏繞加熱絲進行加熱,再放入真空玻璃管中進行保溫,研制了一種高頻交流電加熱的鉀原子磁強計[14],該磁強計的靈敏度為3.7pT/Hz1/2。

圖6 美國普林斯頓大學與Sandia國家實驗室的SERF原子磁強計加熱結構Fig.6 Heating structure of SERF atomic magnetometer developed by Princeton University and Sandia National Laboratories

由于對繞的加熱絲不可能完全重合,因此其磁場抵消效果有限,通常在氣室附近仍會有納特（nT）量級的磁場存在。一些研究單位開始采用電加熱片進行加熱,磁場抵消效果有所提升,而且電加熱片還提高了加熱的均勻性。與此同時,在保溫層的選擇上摒棄了復雜的真空隔熱方式,改用保溫材料進行隔熱,有助于原子測量儀器的小型化。

2016年,吉林大學采用積分分離PID控制方法以間斷加熱方式對原子氣室進行無磁電加熱。原子氣室為石英材料的正立方體,將PTC加熱片分布于氣室四周,距氣室1cm,并留出光路的間隙。采用PTC熱敏電阻加熱有以下優勢:1）PTC熱敏電阻具有正溫度系數,電阻率會隨著溫度升高而變大,有利于在接近目標溫度時進行溫度的精確控制；2）PTC材料不含有磁性,不會產生雜散磁場影響原子磁強計工作；3）PTC材料的熱學性能優異,具有熱阻小、熱轉換系數高和長期使用熱衰減低等優點。溫度傳感器Pt1000的探頭置于氣室上方緊靠氣室的位置,以便于準確測量氣室實際溫度。上述裝置置于內側尺寸為7cm×7cm×7cm、壁厚為2cm的聚四氟乙烯（PTFE）保溫層中,構成原子氣室無磁加熱系統,溫度控制范圍達80℃～190℃,溫度控制精度為±0.02℃,穩定時間為60s,間斷加熱期間產生的干擾磁場低于0.1nT[15]。同年,國防科技大學同樣采用銅絲和云母片制成了加熱片與PTFE保溫層來構成氣室加熱系統,用于研究核磁共振陀螺加熱結構對氣室溫度分布均勻性的影響[16]。2019年,中國科學院大學設計了PTC加熱片和氣凝膠保溫層構成氣室加熱系統,研制了一種探測腦磁信號的高靈敏度原子磁強計[17]。

MEMS工藝的出現和成熟使各研究單位利用該工藝將加熱絲制成了加熱膜,進一步減小了電阻絲之間的間距,實現了均勻加熱,并通過單層平行臨近分布和雙層對稱分布來抵消磁場。其中,雙層對稱分布指雙層加熱膜通過鏡像對稱使相同位置上的電阻絲之間的電流呈相反流向的分布狀態。

美國威斯康星大學麥迪遜分校2012年設計的小型化SERF原子磁強計樣機中的氣室電加熱結構就采用了上述加熱膜[10],堿金屬氣室安裝于氮化硼烤箱中,烤箱上粘貼有電加熱膜片和溫度傳感器,在烤箱外部采用氣凝膠材料作為保溫層進行隔熱,支撐層使用耐高溫塑料結構對其進行固定,使內部熱量不易擴散,加熱結構如圖7所示。

圖7 美國威斯康星大學麥迪遜分校的氣室電加熱結構Fig.7 Vapor cell electric heating structure developed by University of Wisconsin-Madison

在國內,哈爾濱工程大學在該結構的基礎上設計了差分對布線加熱膜,采用微加工膜工藝在陶瓷基板上制備了方形純銅材質的無磁加熱膜,進一步優化了無磁電加熱系統[18],如圖8（a）所示。中國科學院武漢物理與數學研究所在對稱結構加熱膜上進行了深入的研究,對比了單雙層圓形螺旋結構與方形蛇形結構加熱絲的磁場強度,確定了雙層方形蛇形結構加熱絲磁場抑制效果更佳。加熱膜通過MEMS工藝加工,同層加熱絲之間的距離為0.25mm,層間加熱絲之間的距離為0.07mm[19], 如圖 8（b）所示。 北京航空航天大學采用類似的結構設計了一套高精度的高頻無磁電加熱系統,方形堿金屬氣室外是氮化硼陶瓷,同樣設計雙層對稱結構加熱膜,用耐高溫材料作為基底,用無磁的鎳鉻合金絲作為電加熱絲,單層采用平行臨近排布,單層間距0.2mm,雙層采用對稱結構,間距為50μm,干擾磁場的抑制效果更加顯著[20], 加熱膜結構如圖 8（c）所示。

圖8 差分對布線加熱膜與雙層對稱加熱膜Fig.8 Diagram of differential pair wiring heating film and double-layer symmetric heating film

除了使用鉑電阻Pt1000作為溫度傳感器,也有單位嘗試采用其他測溫方式來提高測溫的實時性和準確性。2019年,國防科技大學嘗試用光吸收法直接測量氣室溫度進行反饋控制[21],與鉑電阻測量相比具有更好的實時性,但是該方法目前仍存在精度低的問題。

芯片級原子測量儀器如芯片原子鐘、芯片級SERF原子磁強計等,所采用的氣室電加熱方法與上述結構有所差異。對于微型氣室,通常直接采用加熱玻璃來進行加熱,不過這種加熱結構的溫度穩定性和均勻性還有待提高。

2015年,東南大學進行了芯片級SERF原子磁強計的研究,通過采用180kHz的高頻交流電將堿金屬氣室加熱至150℃,采用微硅加熱片來減少磁場,如圖9（a）所示,實現了堿金屬氣室、加熱片的微型化, 如圖9（b）所示[22-23], 并進行了芯片級SERF原子磁強計的原理驗證[24]。

圖9 東南大學研制的芯片級堿金屬氣室及硅加熱片Fig.9 Chip-scale alkali metal vapor cell and Silicon heater developed by Southeast University

2019年,中北大學設計了用于芯片原子鐘MEMS原子氣室加熱結構的數字溫控系統[25],將加熱絲改成了加熱面積大、具有良好的透光性和電熱轉換效率并且產熱均勻的氧化銦錫（ITO）加熱玻璃,外層仍然采用二氧化硅氣凝膠制成的保溫層以減小加熱體積和熱量的散失。該溫控系統在300s內將溫度穩定在了80℃±0.10℃,控溫精度達到了0.10℃。當環境溫度波動±0.15℃時,銣頻標的萬秒穩定度約為 1×10－13。

1.3 激光加熱結構研究進展

隨著氣室體積的進一步減小,微型氣室的出現讓激光加熱在堿金屬氣室加熱中的應用成為可能。激光加熱通過直接對氣室外側壁進行照射來加熱氣室,對于微型氣室來說,激光加熱不會產生磁噪聲。2000年,美國格林內爾學院物理學院用實驗驗證了激光加熱的磁噪聲遠遠低于電阻加熱的磁噪聲[26],如圖10所示。

圖10 電阻加熱和激光加熱產生的磁噪聲對比Fig.10 Comparison of magnetic noise generated by resistance heating and laser heating

2009年,美國國家標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology,NIST）利用波長為915nm的激光對體積僅為12mm3的銣原子氣室直接照射側壁進行加熱,所用激光器的功率為200mW,成功將銣原子氣室加熱至97℃,包括加熱用激光的傳輸光路在內的所有光路都是利用光纖實現的。光纖不僅能夠降低光在傳輸過程中能量的損耗,同時也能夠更好地降低光學器件的使用,從而實現小型化。微型氣室加熱結構如圖11所示[27],該磁強計的靈敏度達到2.6pT/Hz1/2。美國諾格公司以及德國的光電子研究所等研究機構均采用過激光加熱的方法對堿金屬氣室進行加熱[28-29],其中德國耶拿光子技術研究所加熱激光的總功率為2W,通過兩束波長為808nm、線寬為3nm的激光分別對2×2陣列式的原子氣室兩側側壁進行照射加熱。隨著溫度升高,堿金屬池中的Cs金屬汽化,測得實際加熱溫度最高點為79.5℃。加熱采用的激光波長遠失諧于堿金屬譜線,從而避免了加熱激光對抽運激光和檢測激光造成影響。

圖11 美國國家標準技術研究所的微型氣室激光加熱結構Fig.11 Micro-vapor cell laser heating structure developed by NIST

2014年,哈爾濱工程大學針對MEMS氣室采用激光加熱的方法進行了溫度特性研究,氣室尺寸為Φ3mm×2.4mm的圓柱。對光加熱的光斑大小、光斑數量以及光斑位置對溫度的影響進行了ANSYS仿真分析,可得出控制合適的光斑尺寸、采用多點加熱、控制功率大小在一定程度上可以提高微結構原子氣室的溫度值和溫度分布均勻性的結論[30]。

2 發展趨勢分析

堿金屬氣室加熱技術的發展依賴于新材料、新工藝的出現,在多種加熱方法中最具有研究價值的是電加熱和激光加熱,未來的研究重點主要集中在上述兩種加熱方法的改進和進一步發展。

2.1 電加熱結構發展分析

電加熱結構雖然是目前最主流的氣室加熱方法,但是它仍具有顯著的不足:1）加熱膜本身即使采用最先進的加工技術,要產生堿金屬氣室需要的熱量,加熱膜就需要一定的面積,而加熱膜的面積無法進一步縮小,會限制原子測量儀器的進一步縮小；2）因為烤箱需要給堿金屬氣室留出足夠的通光孔面積,導致在氣室的通光孔處和與烤箱接觸的位置之間存在溫度梯度,溫度梯度會使氣室內部的原子密度空間分布不均勻,一定程度上會影響原子測量儀器的靈敏度；3）目前使用的溫度傳感器為鉑電阻Pt1000,在原子測量儀器工作時,Pt1000通常放置于烤箱上,無法直接測量氣室的真實溫度,而將鉑電阻直接貼在氣室上,其本身的溫度也會導致氣室溫度分布不均勻,另外隨著氣室體積不斷減小,很難再將鉑電阻貼于氣室壁上。綜上,電加熱方法結構的發展需要加工工藝的優化,使加熱絲和烤箱進一步結合,消除加熱絲之間的間距,或者研究可透光的加熱材料使烤箱可以完全包圍氣室,促使溫度分布更加均勻。另外,還要研究新型的溫度傳感器或者溫度傳感方法,使得在不影響氣室溫度的情況下及時準確地測量氣室溫度。

2.2 激光加熱結構發展分析

目前,激光加熱沒有大范圍應用的原因是該方法的成本高、結構復雜且對加熱激光的光功率穩定性有很高的要求。首先,激光加熱的方法非常依賴激光器光源的穩定性,而且出于安全考慮,只能采用低功率的激光,難以用于加熱功率大的場合,導致目前激光加熱的溫度不超過100℃。雖然激光加熱不會產生干擾磁場,但是可能會引入散射光,可以通過對激光加熱結構進行優化來降低散射光。其次,為了避免電磁干擾,在激光加熱結構中不使用溫度傳感器,想要測量激光加熱的溫度,需要極高分辨率的紅外熱像儀進行觀察,大大增加了系統的復雜性。最后,微型氣室加工工藝的限制導致激光加熱時微硅導熱層的光吸收率較低,不利于提高溫度上限和氣室溫度場的均勻性。未來,激光加熱優化的關鍵點在于激光器輸出光源穩定性的提高,通過新的加工工藝提高微型氣室的光吸收率,簡化加熱-測溫結構,降低系統復雜性,將激光加熱部件集成到原子測量儀器之中,更進一步減小原子測量儀器的體積。

3 結論

隨著原子測量儀器微小型、高精度、集成化的發展需求,堿金屬氣室溫度均勻性對于信號輸出精度和靈敏度進一步提高的影響作用日漸突出,堿金屬氣室加熱系統的進一步優化、提高氣室溫度均勻性、研制高勻場的堿金屬氣室加熱結構迫在眉睫。在新的加熱方法和加熱材料出來之前,后續工作的重點是改進現有的加熱結構。對于電加熱而言,需要更精細化的結構以適應更小的氣室；對于激光加熱而言,需要改進激光器的輸出特性和結構,以滿足不斷發展的原子測量儀器和更高精度的應用需求。