郭 驥，李仔艷，康翔宇，丁思同，李 陽

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)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(guān)注度的提高，磁強計正在快速發(fā)展，靈敏度已經(jīng)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(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?。?］。檢測靈敏度與氣室內(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(tǒng)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(tǒng)已經(jīng)成為了原子磁強計的關(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。激光加熱是通過對氣室鍍膜來吸收激光能量的方式進行加熱的，優(yōu)點是沒有產(chǎn)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(dǎo)向氣室的方式進行加熱的，這種加熱方式不會產(chǎn)生磁場干擾，但是設(shè)備龐大且加熱慢、溫度控制精度?。浑娂訜崾峭ㄟ^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(chǎn)生磁場干擾；熱管加熱是最近剛出現(xiàn)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(dǎo)熱將熱量傳入原子氣室中，即保證了加熱的高效同時還規(guī)避了磁場干擾。但是熱管加熱增加了額外的結(jié)構(gòu)，使得磁強計結(jié)構(gòu)設(shè)計受到限制，不利于小型化。

針對現(xiàn)有氣室加熱優(yōu)缺點，本文對電加熱進行優(yōu)化，通過優(yōu)化加熱膜上線圈結(jié)構(gòu)，抑制其在加熱時產(chǎn)生干擾磁場。這樣既保留了電加熱的各項優(yōu)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(tǒng)設(shè)計

為了使原子氣室加熱時產(chǎn)生的溫度梯度盡可能的小，本文設(shè)計了一個圓柱形加熱結(jié)構(gòu)來包裹氣室，將加熱片貼在加熱結(jié)構(gòu)表面，通過加熱結(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、通過控制器來調(diào)節(jié)加熱驅(qū)動電路的加熱，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

為了讓原子氣室受熱更加均勻，根據(jù)氣室形狀和磁強計整體結(jié)構(gòu)設(shè)計了氣室的加熱結(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，通過氮化硼將熱量傳遞給內(nèi)部氣室中，加熱結(jié)構(gòu)實物圖如圖2所示。對加熱結(jié)構(gòu)進行了熱仿真，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

電加熱要實現(xiàn)無磁加熱就得對加熱膜的材料和走線進行設(shè)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)生的磁場相互抵消，大大減小加熱過程中產(chǎn)生的磁場干擾。

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P產(chǎn)生的磁場為公式（1）［5］

圖4 平行導(dǎo)線在空間中產(chǎn)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(dāng)平行導(dǎo)線之間的距離越小，產(chǎn)生的干擾磁場越小。為了更好地消除加熱過程中產(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(qū)動電路設(shè)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(tǒng)實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。通過計算，本文采用TPS54160這一降壓穩(wěn)壓器來提供穩(wěn)定的直流電壓，再通過全橋場效應(yīng)晶體管驅(qū)動芯片ISL83204來將直流電變?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)生一個恒定的參考電壓0.8 V，通過參考電壓和電阻來調(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6號引腳IN+和7號引腳IN-之間的電壓大小來控制場效應(yīng)晶體管的柵源極間電壓，當(dāng)電壓高于啟動電壓時晶體管源極和漏極導(dǎo)通。通過這種方式控制不同晶體管的通斷來使流經(jīng)加熱膜的電流有兩個回路，如圖9所示。當(dāng)BHO和ALO高電平時電流路徑如綠色虛線所示，當(dāng)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(wěn)壓電源TL431提供；6號引腳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控制的方式使得芯片的功耗不會太大，易于加熱驅(qū)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(jié)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(shè)置為140°，通過記錄溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)對加熱結(jié)果進行分析，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)一點后緩慢回落，達到設(shè)定溫度。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過一段時間穩(wěn)定之后氣室溫度穩(wěn)定140°，且溫度波動在0.1°之內(nèi)，達到設(shè)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(chǎn)生干擾磁場，加熱膜加熱過程中的產(chǎn)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(tǒng)的評價標(biāo)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生鋸齒波的原因就是加熱膜在交流加熱時導(dǎo)致的磁場干擾，當(dāng)換成設(shè)計好的雙層加熱膜時，鋸齒波明顯變小，說明雙層設(shè)計的加熱膜在電加熱過程中產(chǎn)生的磁場干擾明顯減少。

3 結(jié)束語

本文針對原子磁強計中原子氣室加熱的現(xiàn)狀，設(shè)計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，通過設(shè)計的雙層加熱膜對原子氣室進行無磁加熱，當(dāng)設(shè)置溫度設(shè)置在140℃，經(jīng)過一段時間后溫度的誤差在0.1℃以內(nèi)，符合設(shè)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(qū)別，雙層加熱膜的波形的磁場干擾明顯減小，說明本文的結(jié)果對原子磁強計的氣室加熱有一定的指導(dǎo)意義。