堿金屬氣室無磁電加熱技術研究與系統設計

郝杰鵬，周斌權

(1.慣性技術國家級重點實驗室，北京 100191； 2.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

堿金屬氣室無磁電加熱技術研究與系統設計

郝杰鵬1,2，周斌權1,2

(1.慣性技術國家級重點實驗室，北京 100191； 2.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

基于量子精密測量的原子自旋陀螺儀具有高精度、小體積、低成本等優勢，被認為是未來陀螺儀的發展方向;原子自旋陀螺儀的核心部件是承載原子自旋的堿金屬氣室;堿金屬氣室加熱溫度的穩定性是決定原子自旋陀螺儀精度和靈敏度的重要因素之一;同時，原子自旋陀螺儀的高靈敏度使其對磁場噪聲極其敏感，因此要求加熱過程不能引入額外的磁場干擾;針對以上要求，對原子自旋陀螺儀的無磁電加熱技術進行了研究;設計并搭建了以Pt1000作為溫度傳感器，雙層對稱結構的加熱膜作為加熱元件，結合源測量單元、數據采集板卡、正弦波信號發生電路、驅動電路以及LabVIEW軟件平臺構成的無磁電加熱系統;通過實驗測試，本系統引入的等效干擾磁場優于15 fT/Hz1/2，氣室溫度短期穩定度優于±5 mK，長期穩定度優于±10 mK，為原子自旋陀螺儀的性能提升提供了可靠保障。

原子自旋陀螺儀；堿金屬氣室；無磁加熱；磁場噪聲；正弦波

0 引言

陀螺儀是慣性導航與制導技術的核心部件，陀螺儀的精度直接影響導航精度。近年來，隨著人類對原子自旋所具有的精細能級結構和能級躍遷量子化等特點認識的不斷深入，以原子自旋作為敏感介質的一些器件得到快速發展，人類獲得了前所未有的精密測量能力[1-2]。原子自旋陀螺儀作為原子自旋器件的重要分支，被認為是未來高精度、小體積陀螺儀的發展方向[3-5]。

堿金屬氣室不僅是原子自旋陀螺儀的核心部件之一，而且也是承載原子自旋的敏感表頭。依據原子自旋陀螺儀的工作原理，氣室內的堿金屬原子必須達到較高的密度，因此需要對氣室進行高溫加熱，以達到要求的飽和蒸汽壓[3]。不同堿金屬所需的加熱溫度不同，通常為100～200℃之間[4-5]。堿金屬氣室溫度的變化會導致原子弛豫以及檢測信號強度隨之變化，因而，為了保證原子自旋陀螺儀的性能，必須對堿金屬氣室的溫度進行精準控制。原子自旋陀螺儀具有高靈敏度，對磁場噪聲極其敏感，所以要求加熱不能引入額外的干擾磁場[6]。因此，研究堿金屬氣室低磁場噪聲，高穩定性的加熱技術對提高原子自旋陀螺儀的性能意義重大。

國內外常用的加熱方式氣流加熱、間斷式電加熱、高頻電加熱和激光加熱等4種[7]。氣流加熱方式不會引入磁場干擾，但是溫度穩定性不高，氣流擾動較大，加熱均勻性不好，且不易集成；間斷式加熱方式實現方式簡單，但是需要加熱和測量間斷進行，不能連續測量，因此會影響測量帶寬，且溫度穩定性不高；激光加熱方式也不會引入磁場干擾，但是出于安全考慮，加熱功率一般不大，不適用于加熱功率大的場合；高頻電加熱方式雖然實現方式較其它3種復雜，但其溫控精度高，溫度穩定性高，并且通過高頻驅動和磁場抵消設計可基本消除由加熱引入的磁場干擾[8]。

基于以上原因，設計的無磁電加熱系統具有溫控穩定性高，引入干擾磁場也低的特點。通過實驗測試，該系統引入的等效干擾磁場優于15 fT/Hz1/2，堿金屬氣室加熱溫度短時間(2小時)內穩定在±5 mK，長時間(20小時)內穩定在±10 mK，為原子自旋陀螺儀的性能提升提供了可靠保障。

1 堿金屬氣室無磁電加熱系統構成

根據原子自旋陀螺儀的工作要求設計的堿金屬氣室無磁電加熱系統的結構框圖如圖1所示。

工作流程如下：溫度傳感器將堿金屬氣室的溫度信號轉換為電信號；源測量單元將包含溫度信號的電信號采集并傳送至LabVIEW軟件平臺；在LabVIEW軟件平臺計算出堿金屬氣室的溫度，與設定溫度比較，經PID控制算法處理得到溫度控制量；傳送溫度控制量至多功能數據采集板卡；對應于控制量，多功能數據采集板卡輸出-5～5 V的直流電壓信號；該直流電壓信號對正弦波信號發生電路生成的高頻正弦波進行幅度調制；調制后的高頻正弦波控制信號經加熱膜驅動電路進行功率放大，驅動加熱膜實現加熱。

圖1 無磁電加熱系統結構框圖

1.1 溫度傳感器選擇與溫度測量原理

鉑熱電阻具有測量精度高、長期穩定性好、測量范圍大等諸多優點[9]，符合堿金屬氣室溫度測量對溫度傳感器的要求，因此鉑熱電阻適合作為堿金屬氣室溫度測量傳感器。使用鉑熱電阻測量溫度時必定會有電流通入，根據畢奧-薩伐爾定律(Biot-Savart Law)，導體有電流通過必然會引起磁場的變化。為了使溫度測量引入的磁場變化盡可能小，應當盡量減小通入的測量電流。工業上常用的鉑熱電阻有Pt100和Pt1000等。Pt100的電阻變化率為0.3851Ω/℃，而Pt1000的電阻變化率為3.851Ω/℃。顯然，在相同的電流激勵情況下，變化相同的環境溫度，Pt1000對應的電信號變化量遠大于Pt100。因此，在相同的測量精度下，使用電阻變化率較大的Pt1000作為溫度傳感器可以使通入的電流更小。為了避免鉑熱電阻自身剩磁引入磁場干擾，使用了定制的接線端無磁性的薄膜鉑熱電阻Pt1000作為堿金屬氣室溫度傳感器。

將鉑熱電阻的電阻值轉換為電壓信號的方式通常有兩種：電橋法和恒流源法。采用電橋法轉換得到的電壓信號與鉑熱電阻阻值的變化呈非線性關系，從而使測溫算法變得復雜。此外，電橋法需要匹配多個電阻，因而會在測量中引入系統誤差。恒流源法轉換得到的電壓信號與鉑熱電阻阻值的變化呈線性關系，從而可以實現更高的溫度測量精度[10]。除此之外，利用恒定電流測量，溫度測量過程引入的干擾磁場是一個恒定的磁場，而恒定磁場可以采用主動磁補償技術將其消除[11]?；谝陨蟽牲c原因，選用了恒流源法進行鉑熱電阻測量信號的轉換。

由前文可知，堿金屬氣室加熱溫度的穩定度直接決定了原子自旋陀螺儀的性能。為了實現加熱溫度控制的高穩定性，溫度測量部分必須有足夠高的分辨率，如此才能敏感到盡可能小的溫度變化，進而對溫度變化迅速做出調整。為了保證溫度測量的高分辨率，選用了具有高精度、高分辨率、高穩定性的源測量單元(SMU)與鉑熱電阻Pt1000構成堿金屬氣室溫度測量模塊，溫度測量模塊原理示意圖如圖2所示。

圖2 溫度測量模塊原理示意圖

使用源測量單元對鉑熱電阻阻值進行精確測量，引入誤差最小的方案是4-線感測方式。因此，需要將源測量單元配置為電流源和電壓測量(IS&VM)模式，即源測量單元的四個端子中，兩個端子配置為恒流源輸出，用以激勵鉑熱電阻；兩個端子配置為電壓測量功能，用以精確測量在恒流源激勵下的鉑熱電阻兩端的電壓值。鉑熱電阻的阻值為鉑熱電阻兩端的電壓值與恒流源電流值的比值。根據鉑熱電阻阻值與溫度的轉換函數即可計算出當前堿金屬氣室的溫度。

將源測量單元輸出的鉑熱電阻激勵電流設置為100 μA(激勵電流越小，引入的磁場干擾就越小)，將電壓測量的量程設置為1 V。此時，源測量單元電壓測量的分辨率為1 μV，對應于電阻測量的分辨率為1 μV/100 μA=0.01 Ω。因鉑熱電阻Pt1000的電阻變化率為3.851 Ω/℃，所以可以得出，采用的測溫方法的溫度測量分辨率優于2.6 mK。

1.2 加熱器設計與制作

電加熱的主要工作部件是電加熱絲，加熱電流驅動電加熱絲產生熱量。然而，在加熱電流通過電加熱絲時，勢必會引起磁場的改變，進而導致原子自旋陀螺儀物理表頭的測量靈敏度下降。為了減小由電加熱引入的干擾磁場，通常將電加熱絲布置為平行鄰近形式，并固定到耐高溫材料基底上，形成加熱薄膜，結構示意圖如圖3(a)所示。在平行并且鄰近的加熱絲中，通過的電流大小相等、方向相反，因此會產生大小相等、方向相反的磁場，從而實現磁場相互抵消，進而達到減小干擾磁場的效果。為了進一步減小干擾磁場，還可以將加熱絲對稱地固定到加熱薄膜的上下層，形成雙層結構，結構示意圖如圖3(b)所示。由于加熱膜層間距離很小，因此干擾磁場相互抵消效果明顯。雙層對稱結構的加熱膜可以實現同層磁場相消和層間磁場相消的雙重效果[12]。

圖3 雙層對稱結構電加熱膜示意圖

根據以上磁場相消原理設計并制作的雙層對稱結構的電加熱膜如圖4所示，其采用耐高溫材料作為基底，無磁的鎳鉻合金絲作為電加熱絲，加熱膜的阻值約為150 Ω。

圖4 雙層對稱結構電加熱膜

1.3 溫度控制方法與實現

無磁電加熱系統采用簡單可靠的PID控制方法，由LabVIEW軟件平臺中的PID控制工具包結合多功能數據采集板搭建而成。

無磁電加熱系統控制模塊的PID控制器由LabVIEW PID控制工具包提供的PID.vi、PID Advanced.vi、PID Autotuning.vi等虛擬儀器(VI)搭建而成。PID控制器采用Ziegler-Nichols整定方法，可以快速、精確的算出控制參數，之后只需進行微調便可得到理想的控制效果[13]。

選用的多功能數據采集板卡具有同步模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、計數器/定時器等諸多功能，用到的是其模擬輸出功能。數據采集板卡的模擬輸出范圍為-5～5 V，精度為1.526 mV，更新速率高達3.33 MS/s。

控制部分工作流程如下：源測量單元根據鉑熱電阻的測量電壓與驅動電流的比值，計算出鉑熱電阻的阻值，通過鉑熱電阻阻值與溫度的轉換函數可以得到當前堿金屬氣室的溫度，將溫度值轉換為設定工程范圍內占的百分比，作為PID模塊的系統反饋值(process variable)；堿金屬氣室的設定加熱溫度由LabVIEW前面板的輸入控件設定，同樣將溫度值轉換為設定工程范圍內占的百分比，作為PID模塊的實際期望值(setpoint)；同時，設定Kp、Ki、Kd以及微分時間等PID控制參數；將PID模塊的輸出值由百分比轉換為實際數值，此數值即為PID控制模塊的控制量，該控制量經過數據采集板卡輸出-5～5 V的直流電壓信號。

1.4 加熱信號選擇與產生電路

為了最大程度地降低由加熱引入的磁場干擾對原子自旋陀螺儀性能產生影響，采用了高頻交流電信號對加熱膜進行驅動。高頻交流加熱電流的頻率遠離氣室內堿金屬原子、惰性氣體核子的進動頻率和原子自旋陀螺儀的動態范圍，因而加熱電流產生的高頻磁場不會被原子自旋陀螺儀表頭敏感，進而避免了加熱裝置對原子源造成磁場干擾[14]。

通常，大多數加熱系統采用的加熱信號為方波信號，然而方波頻率成分復雜，含有豐富的高次諧波，因而容易對原子自旋陀螺儀的檢測信號產生串擾，增大檢測信號的噪聲，進而對原子自旋陀螺儀的精度和靈敏度造成影響。因此，對加熱信號進行了重新選擇，選用高頻正弦波信號作為加熱信號。正弦波的頻率成分單一，不會對原子自旋陀螺儀的檢測信號產生串擾，因而不會影響原子自旋陀螺儀的精度和靈敏度。

高頻正弦波信號由正弦波信號發生電路產生，該電路的核心器件為DDS芯片AD9834，輸出正弦波的頻率高達37.5 MHz，分辨率最低為4 mHz，幅度由外部信號源對其進行調制。選用的正弦波信號的頻率為80～110 kHz，幅度由數據采集板卡輸出的直流電壓控制信號對其進行調制。

1.5 加熱膜驅動電路設計

使用不同堿金屬原子源的原子自旋陀螺儀對堿金屬氣室的溫度有不同的要求，例如，使用Rb-87堿金屬的核磁共振原子自旋陀螺儀工作時堿金屬氣室的溫度約為100 ℃左右，使用K-Rb混合堿金屬的SERF原子自旋陀螺儀工作時堿金屬氣室的溫度約為200 ℃左右。經實驗測試，加熱膜將堿金屬氣室加熱到100 ℃需要正弦波的峰峰值達到80 Vpp，加熱到200℃需要正弦波的峰峰值達到140 Vpp。然而，信號發生電路輸出的正弦波的幅值在1 V以內，不足以驅動加熱膜將堿金屬氣室加熱到所需溫度。因此，信號發生器輸出的高頻正弦波信號必須經加熱膜驅動電路進行功率放大。

由于驅動加熱膜的正弦波信號電壓高達140 Vpp，頻率高達100 kHz左右，因此驅動電路的功率放大芯片需滿足高輸出電壓、高增益帶寬和高壓擺率等要求。選用了由APEX公司生產的高電壓、大帶寬的MOSFET功率放大芯片PA96。PA96功率放大芯片的輸出電壓可以高達300 V，輸出電流最大可以達到1.5 A，增益帶寬可以達到175 MHz，壓擺率可以達到250 V/μs，完全滿足要求。

加熱膜驅動電路的原理圖如圖 5所示。在運算放大器的正負輸入端接上兩對二極管，可有效鉗制住差分輸入電壓，防止差分輸入電壓過大導致輸入偏置電流變大，損毀運算放大器。輸出端反向接兩個快速恢復二極管起到過流保護和過壓保護的作用。

圖5 加熱膜驅動電路原理圖

2 測試實驗與結果

原子自旋陀螺儀對堿金屬氣室無磁電加熱系統的要求是引入干擾磁場低，溫控穩定性高，因此從加熱系統磁場噪聲和溫度性能兩方面進行了測試實驗。

2.1 堿金屬氣室無磁電加熱系統磁場噪聲測試實驗

由于采用了雙層對稱結構的電加熱膜，并且加熱信號采用高頻正弦波，因此由加熱引入的干擾磁場相當微弱，導致不能使用常規的磁力測量儀器進行測量。國內外通常采用對比電加熱裝置工作與關閉狀態下原子自旋陀螺儀性能指標的方式間接評估加熱引入的干擾磁場。在超高靈敏SERF原子自旋磁場測量平臺上進行了堿金屬氣室無磁電加熱系統磁場噪聲測試實驗。首先將測試電加熱裝置在正常工作狀態時SERF原子自旋磁場測量平臺的靈敏度，然后關閉電加熱裝置，在溫度沒有明顯降低的短時間內再次對靈敏度進行測試，對比兩者之間的差異。經過評估，采用的堿金屬氣室無磁電加熱系統引入的磁場噪聲優于15 fT/Hz1/2。

2.2 堿金屬氣室無磁電加熱系統溫度性能測試實驗

在核磁共振原子自旋陀螺儀樣機和SERF原子自旋陀螺儀樣機上進行了堿金屬氣室無磁電加熱系統溫度性能測試實驗。將核磁共振原子自旋陀螺儀的堿金屬氣室的溫度設定為100℃，將SERF原子自旋陀螺儀的堿金屬氣室的溫度設定為200℃，分別采集了兩種原子自旋陀螺儀堿金屬氣室到達設定溫度后的短時間(2小時)溫度數據和長時間(20小時)溫度數據。由圖6中的實驗數據可以看出，采用堿金屬氣室無磁電加熱系統的兩種原子自旋陀螺儀堿金屬氣室在各自的設定溫度可以實現±5 mK的短時穩定度和±10 mK的長時穩定度。

圖6 無磁電加熱系統溫度性能測試實驗結果

3 結論

以Pt1000作為溫度傳感器，雙層對稱結構的加熱膜作為加熱元件，結合源測量單元、數據采集板卡、信號發生器、驅動電路以及LabVIEW軟件平臺搭建了溫控穩定性高，引入干擾磁場低的堿金屬氣室無磁電加熱系統。通過實驗測試，本系統引入的等效干擾磁場優于15 fT/Hz1/2，氣室溫度短期穩定度優于±5 mK，長期穩定度優于±10 mK，為原子自旋陀螺儀的性能提升提供了可靠保障。

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Study on Non-magnetic Heating Technology and System for Alkali Vapor Cells

Hao Jiepeng1,2, Zhou Binquan1,2

(1.National Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing 100191,China; 2.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191,China)

The atom spin gyroscope based on quantum precision measurement has the advantages of high accuracy, small size and low cost, which is considered to be the future development direction of the gyroscope. The core component of atomic spin gyroscope is the alkali vapor cell carrying the atom spin. The stability of the alkali vapor cells heating temperature is one of the important factors to determine the accuracy and sensitivity of atomic spin gyroscope. Meanwhile, the ultra-high sensitivity of the atomic spin gyroscope makes it extremely sensitive to magnetic field noise, so it should avoid introducing additional magnetic field interference by the electronic heater. For the above requirements, the non-magnetic heating system with high stability of temperature control and low interference magnetic is designed and optimized. A non-magnetic electric heating system consisting of temperature sensor Pt1000, film heater, SMU, DAQ card, sine wave generating circuit, driving circuit and the LabVIEW software platform, is established. The test results show that the equivalent interference magnetic field is within 15 fT/Hz1/2, the short-term stability of the alkali vapor cells temperature is ±5 mK, and the long-term stability is ±10mK, which provides reliability for the performance promotion of atomic spin gyroscope.

atomic spin gyroscope; alkali vapor cells; non-magnetic heating; magnetic field noise; sine wave

2016-11-25；

2017-01-05。

國家自然科學基金資助項目(61227902，61374210，61121003)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2014AA123401)。

郝杰鵬(1990-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事原子自旋陀螺儀方向的研究。

1671-4598(2017)05-0180-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.050

V241.62

A