原子磁强计中碱金属原子气室无磁电加热系统设计

郭 骥，李仔艳，康翔宇，丁思同，李 阳

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

0 引 言

原子磁强计是在待测磁场中通过碱金属原子与光的相互作用来检测磁场的一种装置，随着关注度的提高，磁强计正在快速发展，灵敏度已经能达到fT级别［1］。超高灵敏度的磁场检测仪器在军事国防、生物医疗和地球勘探等领域都有着良好的应用前景。原子气室是原子磁强计的敏感单元，在待测磁场中，碱金属原子在泵浦光的作用下通过检测原子的拉莫尔进动频率来计算待测磁场大小［2］。检测灵敏度与气室内原子数密度关系密切，而原子数密度与气室温度呈正相关［3］。因此可以通过控制气室的工作温度来提高磁强计的灵敏度，所以一套温控加热系统对于磁强计来说是非常必要的。

对于原子气室的加热除了温度控制要精准之外，还要做到无磁加热，原子气室的无磁加热系统已经成为了原子磁强计的关键技术之一［4］。原子气室的加热通常有激光加热、热气流加热、电加热和热管加热这几种方式。激光加热是通过对气室镀膜来吸收激光能量的方式进行加热的，优点是没有产生磁场干扰，缺点是价格昂贵且有明显的温度梯度；热气流加热是利用管道将热气流导向气室的方式进行加热的，这种加热方式不会产生磁场干扰，但是设备庞大且加热慢、温度控制精度小；电加热是通过加热片对气室进行加热，电加热加热速度快、精度高且易于控制，但是容易产生磁场干扰；热管加热是最近刚出现的一种加热方式，是通过电加热对热管一端进行加热，通过热管高效导热将热量传入原子气室中，即保证了加热的高效同时还规避了磁场干扰。但是热管加热增加了额外的结构，使得磁强计结构设计受到限制，不利于小型化。

针对现有气室加热优缺点，本文对电加热进行优化，通过优化加热膜上线圈结构，抑制其在加热时产生干扰磁场。这样既保留了电加热的各项优点且最大程度的减小磁场干扰，通过这种方式达到原子磁强计中碱金属原子气室无磁电加热的目的。

1 无磁电加热系统设计

为了使原子气室加热时产生的温度梯度尽可能的小，本文设计了一个圆柱形加热结构来包裹气室，将加热片贴在加热结构表面，通过加热结构将热量传导给气室。温度传感器放置在加热结构上，采集到的温度信息反馈给PID控制器、通过控制器来调节加热驱动电路的加热，加热系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of system structure

1.1 加热结构设计

为了让原子气室受热更加均匀，根据气室形状和磁强计整体结构设计了气室的加热结构。加热结构材料采用氮化硼陶瓷，加热膜裹在加热结构的外壁，通过氮化硼将热量传递给内部气室中，加热结构实物图如图2所示。对加热结构进行了热仿真，仿真结果如图3所示，可以看出加热结构外部和内部温度变化很小。

图2 加热结构实物图Fig.2 Physical drawing of heating structure

图3 烤箱和气室加热仿真图Fig.3 Oven and gas chamber heating simulation diagram

1.2 加热膜设计

电加热要实现无磁加热就得对加热膜的材料和走线进行设计，加热膜采用在聚酰亚胺薄膜作为衬底，在薄膜上进行加热丝加工。加热膜为两层结构，相邻加热丝之间流过的电流方向相反、大小相等，在空间中产生的磁场相互抵消，大大减小加热过程中产生的磁场干扰。

如图4所示，平行放置的导线1和导线2，在空间中任意一点P产生的磁场为公式（1）［5］

图4 平行导线在空间中产生的磁场示意图Fig.4 Schematic diagram of the magnetic field generated by parallel wires in space

从公式（1）可以看出，当平行导线之间的距离越小，产生的干扰磁场越小。为了更好地消除加热过程中产生的干扰，加热膜采用双层结构。双层加热膜的示意图和实物图如图5、图6所示。

图5 双层加热膜示意图Fig.5 Schematic diagram of double-layer heatingfilm

图6 双层加热膜实物图Fig.6 Picture of double-layer heating film

1.3 驱动电路设计

为了使原子磁强计能够快速准确的进行磁场检测，需对电加热的频率和功率进行控制，使加热频率远离磁强计工作的频率的同时快速将原子气室加热到指定温度。本文使用PID温度控制系统实现温度的稳定控制。通过计算，本文采用TPS54160这一降压稳压器来提供稳定的直流电压，再通过全桥场效应晶体管驱动芯片ISL83204来将直流电变为频率可控的交流电，其原理图如图7所示。

图7 电压产生电路原理图Fig.7 Schematic diagram of voltage generation circuit

图7中输出电压可由变阻器RP1调节，调节范围为38.4 V-56.4 V。该芯片的输入电压为55 V，其第7引脚产生一个恒定的参考电压0.8 V，通过参考电压和电阻来调节输出电压的大小。

由TPS54160产生的直流电压，需经过ISL83204芯片变为交流电压，电路原理图如图8所示。

图8 直流变交流电路原理图Fig.8 DC to AC circuit schematic diagram

图8中，芯片ISL83204的工作电压为12 V，通过6号引脚IN+和7号引脚IN-之间的电压大小来控制场效应晶体管的栅源极间电压，当电压高于启动电压时晶体管源极和漏极导通。通过这种方式控制不同晶体管的通断来使流经加热膜的电流有两个回路，如图9所示。当BHO和ALO高电平时电流路径如绿色虚线所示，当AHO和BLO高电平时电流路径如红色虚线所示。

图9中，7号引脚IN-的电压为2.5 V，由稳压电源TL431提供；6号引脚IN+为幅值5 V的矩形波，频率可调。加热膜电压变化频率由IN+的频率控制，使得直流变为交流给加热膜供电。这种频率和电压幅值分开控制的方式使得芯片的功耗不会太大，易于加热驱动电路板的散热。

图9 加热膜交流加热示意图Fig.9 Schematic diagram of AC heating of heating film

2 实验结果与分析

在原子磁强计装置中进行原子磁强计气室的温控实验，将气室温度设置为140°，通过记录温度传感器采集到的温度数据对加热结果进行分析，每隔10 s钟记录一次温度数据，共记录了300组数据。加热曲线如图10所示。

图10 加热曲线Fig.10 The heating curve

如图10所示，气室温度在几分钟内快速升高，略微超调一点后缓慢回落，达到设定温度。实验结果表明，经过一段时间稳定之后气室温度稳定140°，且温度波动在0.1°之内，达到设计要求。

在原子磁强计的原子气室加热过程中，除了温度需要达到要求外，还得尽量减少加热电流产生干扰磁场，加热膜加热过程中的产生的磁场对原子磁强计测量的灵敏度影响很大，所以对测量的影响也是加热系统的评价标准之一。

在磁强计使用前要通过亥姆赫兹线圈对磁屏蔽桶内部磁场进行归零补偿，通过光电探测器检测归零情况。单双层加热膜下归零过程中检测输出对比如图11所示，图11中黄色曲线为原子磁强计检测光在补偿线圈产生磁场下的强度曲线，补偿线圈的电压波形如蓝线所示。

图11 单双层加热膜加热时检测光输出对比图Fig.11 Comparison of detection light output during heating of single and double heating films

从图11中可以看出，单层加热膜检测时曲线有明显的锯齿波，产生锯齿波的原因就是加热膜在交流加热时导致的磁场干扰，当换成设计好的双层加热膜时，锯齿波明显变小，说明双层设计的加热膜在电加热过程中产生的磁场干扰明显减少。

3 结束语

本文针对原子磁强计中原子气室加热的现状，设计了双层加热膜和圆柱形加热结构。使用电加热的方式，采用电加热的方式，通过设计的双层加热膜对原子气室进行无磁加热，当设置温度设置在140℃，经过一段时间后温度的误差在0.1℃以内，符合设计要求。同时在检测光中可以看到，单层与双层加热膜加热的气室检测出的信号有明显的区别，双层加热膜的波形的磁场干扰明显减小，说明本文的结果对原子磁强计的气室加热有一定的指导意义。