吳紅衛(wèi) 鄭盼盼 王遠超 顧思洪，

（1 中國科學院大學，北京，100049；2 中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所，原子頻標重點實驗室，湖北武漢，430071；3 武漢中科開物技術(shù)有限公司，湖北武漢，430074）

1 引 言

原子磁強計是通過探測磁場中的原子與光的相互作用實現(xiàn)磁場測量的儀器，在地球資源探測、材料特性研究、醫(yī)學疾病診斷和生物磁信號檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應用［1－4］。 原子氣室是原子磁強計探頭的重要組成部分，為磁強計提供較高密度的工作原子。 氣室內(nèi)原子密度正比于氣室溫度，因此需要溫控系統(tǒng)將原子氣室加熱并控制在特定溫度以獲得所要求的的原子密度。 從磁場測量精度考慮，溫控系統(tǒng)對原子氣室產(chǎn)生的干擾磁場應盡可能小，因此研究原子氣室無磁溫控技術(shù)對提高原子磁強計性能有重要意義。

高精度原子磁強計溫控系統(tǒng)對原子氣室通常采用熱氣流加熱、高頻電加熱、間斷電加熱和激光加熱四種加熱方式［5］。 熱氣流加熱方式通過將加熱后的氣流引入探頭實現(xiàn)對原子氣室的加熱，這種加熱方式的優(yōu)點是無干擾磁場，但溫度穩(wěn)定性不高，且系統(tǒng)復雜；間斷電加熱方式通過對加熱器件輸入間斷加熱電流實現(xiàn)對原子氣室的加熱，加熱與磁場測量間斷進行，這種加熱方式的優(yōu)點是加熱電流不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，但對磁場無法連續(xù)測量，且溫度的穩(wěn)定性不高；激光加熱方式優(yōu)點是無干擾磁場，但該方式成本高、結(jié)構(gòu)復雜且加熱激光的光功率穩(wěn)定性有較高要求；高頻電加熱方式加熱電流會產(chǎn)生電磁干擾，但該方式溫度穩(wěn)定性高、且結(jié)構(gòu)簡單容易集成。

用于無人機上實現(xiàn)對地磁場測量的原子磁強計要求具有小體積、高精度和高測量帶寬的特點，因此本文采用了高頻電加熱方式的原子氣室溫控系統(tǒng)，針對加熱電流產(chǎn)生的電磁干擾，設計了雙層加熱絲加熱膜結(jié)構(gòu)的加熱器件，能夠有效地抑制加熱電流磁場噪聲。 高頻電加熱方式的無磁加熱溫控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，溫度傳感器將原子氣室溫度轉(zhuǎn)換為電信號后輸入溫度采集電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）將溫度采集電路采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號然后輸入給主控制器，主控制器對溫度測量值實施濾波處理后，根據(jù)溫度測量值與設定值之間的差值計算得到需要的加熱功率并反饋控制加熱電流的幅值，功率放大電路對加熱信號的功率放大后，輸入給加熱器件實現(xiàn)對原子氣室的溫度控制。

圖1 無磁加熱溫控系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of non－magnetism heating temperature control system

2 無磁加熱溫控系統(tǒng)設計

2.1 加熱器件結(jié)構(gòu)設計

無磁加熱溫控系統(tǒng)的加熱器件采用加熱絲，將加熱絲平行靠近布置，由于相鄰的加熱絲流過的電流方向相反，大小相等，產(chǎn)生的磁場在空間上相互抵消，抑制了加熱電流引入的磁場噪聲。 距離為2a的兩根平行導線上的電流在空間P（x，y）點產(chǎn)生的磁場示意圖如圖2所示。

在圖2 中，導線1 和導線2 上分別流過大小相等的反向電流I 和－I，到P（x，y）的距離分別為l1和l2，則在P（x，y）點產(chǎn)生的磁感應強度為［6］

式中：μ0——真空磁導率。

圖2 平行電流在空間P 點產(chǎn)生的磁場示意圖Fig.2 The magnetic field generated by the parallel current at point P

由式（1）可以看出，當a 越小時，l1與l2的差值越小，則Bx與By的值越小，在空間上磁場抵消的效果更好。 通常采用手工繞制雙絞線或者四絞線的方式實現(xiàn)大小相等的反向電流，但雙絞線或四絞線的繞制精度難以得到保證，通過機械加工的方式將加熱絲平行固定到薄膜材料上，加熱絲之間的距離與手工繞制的雙絞線間距相當?shù)雀?，可以更好地抑制加熱電流產(chǎn)生的磁場，以方形螺旋結(jié)構(gòu)為例，單層結(jié)構(gòu)加熱絲加熱膜如圖3（a）所示。

為了進一步提高磁場抑制能力，將加熱絲上下對稱地分別固定在加熱膜兩面，形成雙層加熱絲結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示，雙層加熱絲加熱膜不僅利用同層平行反向電流抑制磁場噪聲，還利用層間平行反向電流進一步抵消空間磁場，磁場抑制效果更佳。

圖3 加熱膜結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Heating film structure

利用電磁場分析軟件ANSYS MAXWELL 對設計的加熱膜上流過的電流產(chǎn)生的感應磁場進行了分析。 實際應用中，加熱膜緊貼于邊長為12mm 的正方體原子氣室，氣室壁厚1mm，如圖4所示。 仿真區(qū)域設置為原子氣室內(nèi)部空間，即X 軸方向仿真范圍為（ －5，0，1）至（5，0，1），Y 軸方向仿真范圍為：（0，－5，1）至（0，5，1），Z 軸方向仿真范圍為（0，0，1）至（0，0，11），同層加熱絲之間的距離設置為0.15mm，雙層加熱絲之間的距離設置為0.07mm，加熱絲的工作電流設置為200mA。

圖4 原子氣室內(nèi)部空間磁場仿真示意圖Fig.4 Magnetic field simulation region of atomic vapor cell

流過單層和雙層方形螺旋結(jié)構(gòu)加熱絲加熱膜的電流在三個軸向產(chǎn)生的磁場仿真結(jié)果如圖5所示。 通過計算得到，流過方形螺旋單層加熱絲加熱膜的電流在原子氣室內(nèi)部X，Y，Z 三個軸向產(chǎn)生的磁場感應強度平均值分別為7.38μT，6.91μT，2.05μT，流過雙層加熱絲加熱膜的電流在原子氣室內(nèi)部X，Y，Z 三個軸向產(chǎn)生的磁場感應強度平均值分別為0.61μT，0.63μT，0.12μT，方形螺旋結(jié)構(gòu)雙層加熱絲加熱膜較單層加熱絲加熱膜在三個軸向磁場抑制性能分別提升約12.1 倍，10.97 倍，17.08 倍。

圖5 單層和雙層方形螺旋結(jié)構(gòu)加熱絲加熱膜三個軸向上磁場分布Fig.5 The magnetic field distribution in X，Y，Z axes of heating film with single-layer and double-layer square spiral structure

我們仿真了流過不同結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜的電流產(chǎn)生的感應磁場。 方形蛇形加熱絲結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，圓形螺旋加熱絲結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示，流過方形蛇形結(jié)構(gòu)和圓形螺旋結(jié)構(gòu)雙層加熱絲加熱膜的電流在三個軸向上磁場分布的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同加熱絲的結(jié)構(gòu)對比Fig.6 Comparison between Heating wires with different structures

圖7 方形蛇形結(jié)構(gòu)和圓形螺旋結(jié)構(gòu)雙層加熱絲加熱膜三個軸向上磁場分布Fig.7 The magnetic field distribution in X，Y，Z axes of double layer heating film with square serpentine structure and circular spiral structure

通過計算得到，流過方形蛇形結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜的電流在X，Y，Z 三個軸向上產(chǎn)生的磁場強度平均值分別為0.37μT，0.36μT，0.091μT，流過圓形螺旋結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜的電流在X，Y，Z 三個軸向上產(chǎn)生的磁場強度平均值分別為0. 8μT，0.82μT，0.21μT，流過方形蛇形結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜的電流較流過其它兩種結(jié)構(gòu)的加熱膜的電流產(chǎn)生的磁場更小，本系統(tǒng)無磁加熱溫控系統(tǒng)加熱器件采用方形蛇形雙層加熱絲加熱膜結(jié)構(gòu)。

2.2 滑動平均濾波器

ADC 將溫度數(shù)據(jù)送入主控制器后，先通過滑動平均濾波器對溫度數(shù)據(jù)進行濾波以減小隨機噪聲的干擾。 滑動平均濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應時間快以及抑制噪聲效果好的特點［7］，其迭代公式為

式中：x（k）——濾波前的溫度數(shù)據(jù)；y（i）——滑動平均濾波后的溫度數(shù)據(jù)；N——數(shù)據(jù)平均個數(shù)。

在隨機噪聲干擾下，溫度數(shù)據(jù)x（k）由信號s（k）和噪聲e（k）組成，可以表示為

將式（3）代入式（2），可以得到

溫度在一個采樣周期內(nèi)sN是一個緩變的物理量，可以近似認為

式中：s0——單次采樣值。

由于e（k）服從同一分布且相互獨立，則

式中：e0——單次采樣的噪聲值。

將式（6）代入式（5），可以得到

N 次采樣值的平均值sN的信噪比為

2.3 高頻加熱信號產(chǎn)生電路和幅度控制電路設計

本文設計的原子磁強計通過對磁場中87Rb原子的拉莫爾進動頻率的測量來獲得磁場的大小，用于對地磁場的測量，87Rb 原子在地磁場環(huán)境中的拉莫爾進動頻率約350kHz，為了降低溫控系統(tǒng)加熱電流產(chǎn)生的磁場噪聲，溫控系統(tǒng)高頻加熱電流的頻率設置為1MHz，遠高于350kHz。高頻信號的產(chǎn)生及幅度控制電路如圖8所示，主控制器為現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），無源濾波器將FPGA 產(chǎn)生的1MHz 方波信號轉(zhuǎn)換成正弦波后輸入衰減器HSMP－3816的RFin／out端口，數(shù)模轉(zhuǎn)換器LTC2602 將FPGA 輸出的控制信號轉(zhuǎn)換為模擬量后輸入至衰減器的Series bias 端口，從而改變衰減器的衰減率，實現(xiàn)對高頻加熱信號幅度的控制。

圖8 高頻信號產(chǎn)生及幅度控制電路圖Fig.8 High frequency signal generation and amplitude control circuit

2.4 功率放大電路

原子磁強計原子氣室工作在約65℃，經(jīng)實驗測試，將圖4所示的原子氣室溫度控制在65℃需要的高頻信號峰峰值約30V，高頻信號產(chǎn)生及幅度控制電路輸出的高頻信號峰峰值不超過3.3V，遠低于將原子氣室控制在65℃時所需要的高頻信號幅度，因此需要通過功率放大電路對高頻信號進行功率放大。 高頻信號的功率放大電路如圖9所示，放大芯片應具有高輸出電壓、高增益帶寬等特點，本文選用APEX 公司的PA96 來實現(xiàn)對高頻信號的功率放大，PA96 功放芯片輸出電壓最高達300V，最大輸出電流為1. 5A，增益帶寬積175MHz［8］。 實際應用中，我們采用±24V 電源供電，電壓放大倍數(shù)由R9和R8 確定。

圖9 功率放大電路圖Fig.9 Power amplifier

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 加熱器件磁場抑制性能測試

我們加工了方形蛇形的單層加熱絲加熱膜和雙層加熱絲加熱膜，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，如圖10所示。

圖10 方形蛇形雙層加熱絲加熱膜示意圖Fig.10 Square serpentine double-layer wire heating film

使用分辨率為1nT 的CTM －5W01B 型磁通門磁力儀分別對加工的單層加熱絲加熱膜和雙層加熱絲加熱膜加熱電流產(chǎn)生的磁場進行了測試。 將單層加熱絲加熱膜和雙層加熱絲加熱膜分別緊貼于CTM－5W01B 的探頭，并將探頭和加熱絲加熱膜置于磁屏蔽中，將加熱絲的輸入電流緩慢地由0.01A增加至0.2A，記錄CTM－5W01B 的讀數(shù)如圖11所示。 經(jīng)過線性擬合可以計算出單層加熱絲加熱膜的磁場變化率為14347.89nT／A，雙層加熱絲加熱膜的磁場變化率為881.13nT／A，方形蛇形雙層加熱絲加熱膜相比單層加熱絲加熱膜的加熱電流磁場抑制性能提高約16 倍。

圖11 方形蛇形的單層加熱絲加熱膜和雙層加熱絲加熱膜加熱電流與產(chǎn)生磁場的關(guān)系示意圖Fig.11 The relationship between heating current and magnetic field of square serpentine single-layer wire heating film and double-layer wire heating film

3.2 無磁加熱溫控系統(tǒng)溫控性能

將原子磁強計原子氣室的控制溫度設置為約65℃，同時改變原子磁強計的環(huán)境溫度來測試本文設計的無磁加熱溫控系統(tǒng)的控溫能力。 測試結(jié)果如圖12所示，其中圖12（a）為環(huán)境溫度，圖12（b）為原子氣室溫度，圖12（c）為對采集到的溫度信號實施滑動平均后的溫度數(shù)據(jù)。 實驗結(jié)果表明，環(huán)境溫度變化約2.5℃的情況下，原子氣室溫度變化約0.003℃，溫控系統(tǒng)的溫控能力達到1.2‰；通過計算，濾波前原子氣室溫度的標準差為7. 69 ×10－4℃，濾波后標準差為7.01 ×10－5℃。

圖12 原子磁強計原子氣室無磁加熱溫控系統(tǒng)溫控性能測試結(jié)果波形圖Fig.12 Temperature control performance of non-magnetism heating temperature control system for atomic vapor cell of atomic magnetometer

4 結(jié)束語

針對原子磁強計原子氣室溫控系統(tǒng)無磁加熱的需求，設計了雙層加熱絲加熱膜結(jié)構(gòu)的加熱器件，相比于單層加熱絲加熱膜結(jié)構(gòu)的加熱器件，雙層加熱絲加熱膜加熱器件利用同層平行反向電流和層間平行反向電流產(chǎn)生的磁場相互抵消，提高了加熱電流磁場噪聲抑制能力；仿真計算了方形螺旋結(jié)構(gòu)、方形蛇形結(jié)構(gòu)和圓形螺旋結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜的加熱電流產(chǎn)生的磁場，結(jié)果表明方形蛇形結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜的加熱電流磁場噪聲抑制性能優(yōu)于方形螺旋結(jié)構(gòu)和圓形螺旋結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜的加熱電流磁場噪聲抑制性能。 采用了滑動平均濾波器對溫度采集電路的隨機噪聲實施了濾波處理，結(jié)合設計的高頻加熱信號的產(chǎn)生電路、幅度控制電路和功率放大電路進行了測試，結(jié)果表明方形蛇形結(jié)構(gòu)的雙層加熱絲加熱膜與單層加熱絲加熱膜相比，加熱電流磁場噪聲抑制能力提高了約16 倍，實現(xiàn)的原子磁強計原子氣室無磁加熱溫控系統(tǒng)溫控能力達到1.2‰。