原子磁強計中堿金屬原子氣室無磁電加熱系統設計

郭 驥，李仔艷，康翔宇，丁思同，李 陽

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海200093)

0 引 言

原子磁強計是在待測磁場中通過堿金屬原子與光的相互作用來檢測磁場的一種裝置，隨著關注度的提高，磁強計正在快速發展，靈敏度已經能達到fT級別［1］。超高靈敏度的磁場檢測儀器在軍事國防、生物醫療和地球勘探等領域都有著良好的應用前景。原子氣室是原子磁強計的敏感單元，在待測磁場中，堿金屬原子在泵浦光的作用下通過檢測原子的拉莫爾進動頻率來計算待測磁場大小［2］。檢測靈敏度與氣室內原子數密度關系密切，而原子數密度與氣室溫度呈正相關［3］。因此可以通過控制氣室的工作溫度來提高磁強計的靈敏度，所以一套溫控加熱系統對于磁強計來說是非常必要的。

對于原子氣室的加熱除了溫度控制要精準之外，還要做到無磁加熱，原子氣室的無磁加熱系統已經成為了原子磁強計的關鍵技術之一［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。激光加熱是通過對氣室鍍膜來吸收激光能量的方式進行加熱的，優點是沒有產生磁場干擾，缺點是價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向氣室的方式進行加熱的，這種加熱方式不會產生磁場干擾，但是設備龐大且加熱慢、溫度控制精度小；電加熱是通過加熱片對氣室進行加熱，電加熱加熱速度快、精度高且易于控制，但是容易產生磁場干擾；熱管加熱是最近剛出現的一種加熱方式，是通過電加熱對熱管一端進行加熱，通過熱管高效導熱將熱量傳入原子氣室中，即保證了加熱的高效同時還規避了磁場干擾。但是熱管加熱增加了額外的結構，使得磁強計結構設計受到限制，不利于小型化。

針對現有氣室加熱優缺點，本文對電加熱進行優化，通過優化加熱膜上線圈結構，抑制其在加熱時產生干擾磁場。這樣既保留了電加熱的各項優點且最大程度的減小磁場干擾，通過這種方式達到原子磁強計中堿金屬原子氣室無磁電加熱的目的。

1 無磁電加熱系統設計

為了使原子氣室加熱時產生的溫度梯度盡可能的小，本文設計了一個圓柱形加熱結構來包裹氣室，將加熱片貼在加熱結構表面，通過加熱結構將熱量傳導給氣室。溫度傳感器放置在加熱結構上，采集到的溫度信息反饋給PID控制器、通過控制器來調節加熱驅動電路的加熱，加熱系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

1.1 加熱結構設計

為了讓原子氣室受熱更加均勻，根據氣室形狀和磁強計整體結構設計了氣室的加熱結構。加熱結構材料采用氮化硼陶瓷，加熱膜裹在加熱結構的外壁，通過氮化硼將熱量傳遞給內部氣室中，加熱結構實物圖如圖2所示。對加熱結構進行了熱仿真，仿真結果如圖3所示，可以看出加熱結構外部和內部溫度變化很小。

圖2 加熱結構實物圖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 加熱膜設計

電加熱要實現無磁加熱就得對加熱膜的材料和走線進行設計，加熱膜采用在聚酰亞胺薄膜作為襯底，在薄膜上進行加熱絲加工。加熱膜為兩層結構，相鄰加熱絲之間流過的電流方向相反、大小相等，在空間中產生的磁場相互抵消，大大減小加熱過程中產生的磁場干擾。

如圖4所示，平行放置的導線1和導線2，在空間中任意一點P產生的磁場為公式（1）［5］

圖4 平行導線在空間中產生的磁場示意圖Fig.4 Schematic diagram of the magnetic field generated by parallel wires in space

從公式（1）可以看出，當平行導線之間的距離越小，產生的干擾磁場越小。為了更好地消除加熱過程中產生的干擾，加熱膜采用雙層結構。雙層加熱膜的示意圖和實物圖如圖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 雙層加熱膜實物圖Fig.6 Picture of double-layer heating film

1.3 驅動電路設計

為了使原子磁強計能夠快速準確的進行磁場檢測，需對電加熱的頻率和功率進行控制，使加熱頻率遠離磁強計工作的頻率的同時快速將原子氣室加熱到指定溫度。本文使用PID溫度控制系統實現溫度的穩定控制。通過計算，本文采用TPS54160這一降壓穩壓器來提供穩定的直流電壓，再通過全橋場效應晶體管驅動芯片ISL83204來將直流電變為頻率可控的交流電，其原理圖如圖7所示。

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

圖7中輸出電壓可由變阻器RP1調節，調節范圍為38.4 V-56.4 V。該芯片的輸入電壓為55 V，其第7引腳產生一個恒定的參考電壓0.8 V，通過參考電壓和電阻來調節輸出電壓的大小。

由TPS54160產生的直流電壓，需經過ISL83204芯片變為交流電壓，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6號引腳IN+和7號引腳IN-之間的電壓大小來控制場效應晶體管的柵源極間電壓，當電壓高于啟動電壓時晶體管源極和漏極導通。通過這種方式控制不同晶體管的通斷來使流經加熱膜的電流有兩個回路，如圖9所示。當BHO和ALO高電平時電流路徑如綠色虛線所示，當AHO和BLO高電平時電流路徑如紅色虛線所示。

圖9中，7號引腳IN-的電壓為2.5 V，由穩壓電源TL431提供；6號引腳IN+為幅值5 V的矩形波，頻率可調。加熱膜電壓變化頻率由IN+的頻率控制，使得直流變為交流給加熱膜供電。這種頻率和電壓幅值分開控制的方式使得芯片的功耗不會太大，易于加熱驅動電路板的散熱。

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

2 實驗結果與分析

在原子磁強計裝置中進行原子磁強計氣室的溫控實驗，將氣室溫度設置為140°，通過記錄溫度傳感器采集到的溫度數據對加熱結果進行分析，每隔10 s鐘記錄一次溫度數據，共記錄了300組數據。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快速升高，略微超調一點后緩慢回落，達到設定溫度。實驗結果表明，經過一段時間穩定之后氣室溫度穩定140°，且溫度波動在0.1°之內，達到設計要求。

在原子磁強計的原子氣室加熱過程中，除了溫度需要達到要求外，還得盡量減少加熱電流產生干擾磁場，加熱膜加熱過程中的產生的磁場對原子磁強計測量的靈敏度影響很大，所以對測量的影響也是加熱系統的評價標準之一。

在磁強計使用前要通過亥姆赫茲線圈對磁屏蔽桶內部磁場進行歸零補償，通過光電探測器檢測歸零情況。單雙層加熱膜下歸零過程中檢測輸出對比如圖11所示，圖11中黃色曲線為原子磁強計檢測光在補償線圈產生磁場下的強度曲線，補償線圈的電壓波形如藍線所示。

圖11 單雙層加熱膜加熱時檢測光輸出對比圖Fig.11 Comparison of detection light output during heating of single and double heating films

從圖11中可以看出，單層加熱膜檢測時曲線有明顯的鋸齒波，產生鋸齒波的原因就是加熱膜在交流加熱時導致的磁場干擾，當換成設計好的雙層加熱膜時，鋸齒波明顯變小，說明雙層設計的加熱膜在電加熱過程中產生的磁場干擾明顯減少。

3 結束語

本文針對原子磁強計中原子氣室加熱的現狀，設計了雙層加熱膜和圓柱形加熱結構。使用電加熱的方式，采用電加熱的方式，通過設計的雙層加熱膜對原子氣室進行無磁加熱，當設置溫度設置在140℃，經過一段時間后溫度的誤差在0.1℃以內，符合設計要求。同時在檢測光中可以看到，單層與雙層加熱膜加熱的氣室檢測出的信號有明顯的區別，雙層加熱膜的波形的磁場干擾明顯減小，說明本文的結果對原子磁強計的氣室加熱有一定的指導意義。