CN103543418B - 一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，包括一个气泵、加热管、散热环、控制器、隔热罩、圆筒和两个温度传感器。气泵的出气口与加热管的进气口通过气管连通，加热管的出气口与散热环的进气口通过气管连通；第一温度传感器和第二温度传感器的探头分别放置于圆筒中心和加热管外壁上，两个温度传感器的导线及加热管电源线与控制器相连，散热环缠绕在圆筒上，隔热罩包覆在散热环外部。其主要特征是用加热管内产生的热气流而非电流直接加热，从而消除了电加热所固有的电磁干扰，散热环占用空间小，散热效率高，加热均匀稳定，温度波动及噪声小，非常适合于激光探测核磁共振装置的加热与温控。

Description

一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置

技术领域

本发明涉及激光探测核磁共振加热领域，具体涉及一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，本发明也适用于所有类似需要对原子蒸气泡进行加热与温控的装置。

背景技术

之前我们公布了一种基于激光原子磁力计的核磁共振装置（中国发明专利申请号：201210291150.3），为了使磁力计达到要求的灵敏度，需要对原子蒸气泡进行加热并需要精密温控，加热与温控装置在整个原子磁力计系统中是必不可少的。在公开的磁力计专利中，使用到的加热方式主要有电流加热（美国专利号：US20130015850）、激光照射加热（美国专利号：US8334690）、热流体（空气或水）加热（美国专利号：WO2008127720）。每种加热方式都有各自的优缺点，可根据磁力计的结构特点决定最合适的加热方式。电流加热装置结构简单容易实现，但是其在加热时加热电流会产生较大的电磁噪声干扰，影响到磁力计的灵敏度，所以需要采取必要的屏蔽措施。激光照射加热方式，加热效率较高，占用空间最小，但装置较复杂，对光学镜片等元件要求高。热流体加热方式虽然会占用部分磁屏蔽件内空间，但它可以完全消除电磁噪声干扰，且装置相对简单易于实现，所以非常适用于磁力计中原子蒸气泡的加热。热流体加热方式中以空气为传热介质较为常见，因为空气中自旋密度比水小很多，所以引入的背景噪声更小，且空气使用起来更加方便。

I.Kominis等人在他们的磁力计(I.Kominisetal.,Nature(London)422,596(2003))中通过向包围在原子蒸气泡周围的空腔中通入热空气的方式进行加热，这是磁力计中常用的气体加热方式。这种方式需要专门定做一个散热空腔，保证热空气和原子蒸气泡的良好隔离，空腔会占用磁屏蔽件内较多的空间，不利于磁屏蔽件内其它部件（如线圈）的安放，且散热面积小，散热效率低。空腔中进气口端的气体温度大于出气口端，这样就会沿着进气口到出气口间产生一个温差，这对磁力计的信号稳定性是不利的，再者气流从气管进入空腔过程中，气体体积变化导致气压波动，会给磁力计带入噪声。本发明的散热环则消除了这种波动影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，解决了原有加热装置结构笨重、散热效率低、有电磁干扰、存在温差、气流波动大等问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，包括圆筒和磁屏蔽件，还包括缠绕在圆筒上的散热环和包覆于散热环上的隔热罩，散热环一端通过加热管与空气泵连通，另一端与大气连通，还包括用于检测设置在圆筒中心的原子蒸汽泡温度的第一温度传感器和用于检测加热管温度的第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器均与控制器连接。

如上所述的散热环由气管缠绕在圆筒上形成，整体呈螺线管型，散热环以圆筒中心横截面为界分为进气口一侧和出气口一侧，散热环进气口一侧气管缠绕密度小于出气口一侧缠绕密度。

如上所述的第一传感器为无磁的铂电阻，第二传感器为热电偶，第一温度传感器设置在圆筒中心，第二温度传感器贴放在加热管的管壁。

如上所述的控制器若检测到圆筒中心处的原子蒸气泡温度和加热管外壁温度均分别低于设定值时，控制器输出加热电流使加热管处于加热状态；控制器若检测到当原子蒸气泡温度和加热管外壁温度中任一或都高于其设定值时，控制器不输出加热电流使加热管处于不加热状态。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、利用热空气传热方式间接加热，消除了直接电加热给原子磁力计所带来的电磁干扰。

2、空气热量通过散热环散发使得热空气不与原子蒸气泡直接接触，从而消除了气流对原子蒸气泡的干扰。

3、散热环两侧气管缠绕密度不同补偿了温差的影响，使处于圆筒中心的原子蒸气泡受热更均匀。

4、散热环采用气管缠绕的整体设计，使其占用空间小，气流更加平稳，从而减小了磁力计的外部噪声。

5、采用双温度传感器串联控制方案，对加热管过温保护的同时也使加热过程更平稳，温度波动更小。

6、经计算，同体积条件下散热环散热效果远好于散热空腔，散热环效率高。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图中：1-空气泵；2-加热管；3-散热环；4-第一温度传感器；5-第二温度传感器；6-控制器；7-隔热罩；8-圆筒；9-磁屏蔽件；10-原子蒸气泡。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例来对本发明作进一步说明。

一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，包括气泵1、加热管2、散热环3、第一温度传感器4、第二温度传感器5、控制器6、隔热罩7、圆筒8。

气泵1的出气口与加热管2的进气口通过气管连通，加热管2的出气口与散热环3的进气口通过气管连通；第一温度传感器4和第二温度传感器5的探头分别放置于散热环3内部和加热管2外壁处，两个温度传感器的导线端口与控制器6相连，加热管电源线与控制器相连。

散热环3由气管缠绕在圆筒8上形成，整体呈螺线管型。原子蒸气泡10放置于圆筒8中心处，散热环3以圆筒8中心横截面为界分为进气口一侧和出气口一侧，散热环3进气口一侧气管缠绕密度小于出气口一侧缠绕密度，起到消除原子蒸气泡10两侧因散热环3进出气口间热气流温度不同导致的温差的作用。

散热环3消除温差的原理如下，热传递基本公式为：Φ＝K·A·ΔT，其中Φ为热流量，K为导热系数，A为传热面积，ΔT为热液体与冷液体间的温差。由于热量逐渐散发导致气流温度从散热环的进气口到出气口逐渐降低，即温差ΔT_{进气口一侧}＞ΔT_{出气口一侧}。如果气管是等密度的缠绕在圆筒8上，相当于原子蒸气泡10两侧的散热环3传热面积相等，由热传递公式得原子蒸气泡10两侧的热流量Φ_{进气口一侧}＞Φ_{出气口一侧}，热流量不同将会导致原子蒸气泡10两侧产生温差。为解决这一问题，本发明中使进气口一侧散热环3气管缠绕密度小于出气口一侧，这样做的目的是为了使传热面积A_{进气口一侧}＜A_{出气口一侧}，这样通过传热面积的改变便可以做到热流量Φ_{进气口一侧}＝Φ_{出气口一侧}，从而消除了原子蒸气泡10两侧因散热环3进出气口间热气流温度不同导致的温差。

散热环3采用气管缠绕的整体设计，绕制散热环3的气管延长到磁屏蔽件9外，一头直接和加热管2出气口相连，另一头为排气口与大气相连，这样的一体结构，既节省了磁屏蔽件9内空间，也减少了漏气的可能，气密性好。散热环3采用气管缠绕能做成不同的几何形状而不仅限于环形，如方形、椭圆形、不规则多边形等。隔热罩7包覆在散热环3外部，一方面是保温作用，节能的同时也使圆筒内温度更稳定，另一方面是隔热作用，使外部的磁屏蔽件9不受散热环3加热的影响，因为磁屏蔽件9由特殊的高磁导率材料（如坡莫合金或铁铝合金）组成，温度过高会减弱甚至破坏其磁屏蔽效果。

散热环3、隔热罩7、圆筒8均为无磁材料，保证磁屏蔽件9内零磁场环境不被破坏，即原子蒸气泡10不受噪声磁场的干扰。散热环3可使用塑料管、不锈钢管、纯铜管等缠绕，隔热罩7可使用气凝胶毡、泡沫塑料等保温材料，圆筒8可使用有机玻璃管、塑料管、纯铜管等。

装置加热原子蒸气泡10的基本原理为：气泵1将室温常压空气压入加热管2，室温空气在流经加热管2时被加热到一定温度（20℃-500℃），然后热空气由加热管2流入位于磁屏蔽件9内的散热环3的气管中，空气热量通过散热环3散发到周围环境，放置于圆筒8中心处的原子蒸气泡10由此被加热。气泵1出气口有压力控制开关控制气体的流量大小，流量大小范围为10mL/s-1L/s，可控制单位时间内输送到散热环3的热量，从而达到控制加热速度的目的。

第一温度传感器4监测原子蒸气泡10温度，并通过导线将电信号反馈到控制器6。第二温度传感器5监测加热管2外壁温度，并通过导线将电信号反馈到控制器6。控制器6接收第一温度传感器4和第二温度传感器5的反馈信号，通过设定的温度控制方案，决定是否输出加热电流到加热管，起到精确控制原子蒸气泡10温度和加热管过温保护的作用。即使在气泵1停止工作的时候，加热管2也不会因为干烧而过温损坏。加热管2属于管式气体加热器，利用管内的发热电阻丝对流动的气体进行加热，加热管2中加热电流由控制器6提供。

控制器6采用双温度传感器串联控制方案，具体控制方案是：当原子蒸气泡10温度和加热管2外壁温度均分别低于设定值时，控制器6输出加热电流使加热管2处于加热状态；当原子蒸气泡10温度和加热管2外壁温度中任一或都高于其设定值时，控制器6不输出加热电流使加热管2处于不加热状态。

第一温度传感器4靠近原子蒸气泡10，需要使用无磁的金属铂电阻，第二温度传感器5用于监测加热管2外壁温度，只需使用一般的热电偶即可，节约成本。

下面针对本发明应用于铯原子磁力计中这一具体例子，对本发明作更详细的说明，该说明只为让本领域的普通技术人员更好的理解，而非对本发明的应用范围造成限定。

本实例中，原子蒸气泡10温度设定范围是35℃—45℃，稳定后温度波动不超过±0.1℃。考虑到能方便装卸原子蒸气泡10，我们将圆筒8尽量做大，圆筒8直径在100mm左右，保证手能伸入到圆筒8内进行操作，圆筒8材料为有机玻璃。散热环3用外径4mm的特氟隆塑料管缠绕而成，塑料管无磁且柔软易缠绕，在加热温度不是很高的情况下是最佳的选择。

缠绕散热环3的圆筒8直径为10cm，气管外径4mm，进气口一侧气管缠绕密度约为1.2圈/cm，出气口一侧气管缠绕密度约为2圈/cm，圆筒8上缠绕气管的总长度约为10cm,散热环3缠绕总圈数16圈（进气口一侧6圈，出气口一侧10圈）。经计算，16圈气管缠绕的散热环3散热面积为640cm²，也可以考虑将圆筒8做成散热空腔，但是做成散热空腔后的圆筒的散热面积为314cm²，利用散热环3进行散热的效果在同体积条件下要远好于空腔散热方式，散热环3更有利于热量散发。

当加热温度高于本实例中设定范围时，还可以有以下选择：一般有机玻璃的最高连续使用温度在65℃-80℃之间，所以在加热温度高于65℃度时，圆筒8可以使用特氟隆塑料管。如果加热温度超过了特氟隆的熔点（327℃），则圆筒8和散热环3都需要使用金属管，如纯铜管、不锈钢管等。

气泵1使用一般的空气压缩机，出气口气压控制在0.5-1.5MPa之间，空气压缩机应确保是无油的，否则油混在空气中经加热管加热可能会发生意外。

加热管2使用OMEGA公司的空气加热管，型号为AHP-3742，功率50W。可根据加热温度的不同具体选择合适功率的加热管。

控制器6具体由两个OMRON公司的数字温度控制单元组成，型号为E5CZ。它们分别显示原子蒸气泡10和加热管2外壁的温度，控制单元控制输出端口再分别连接到两个固态继电器上，固态继电器控制输出端进行串联实现串联控制方案。

以上各零部件均能由本领域的普通技术人员制备或直接从市场购置。

以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (3)

1.一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，包括圆筒(8)和磁屏蔽件(9)，其特征在于，还包括缠绕在圆筒(8)上的散热环(3)和包覆于散热环(3)上的隔热罩(7)，散热环(3)一端通过加热管(2)与空气泵(1)连通，另一端与大气连通，还包括用于检测设置在圆筒(8)中心的原子蒸汽泡(10)温度的第一温度传感器(4)和用于检测加热管(2)温度的第二温度传感器(5)，第一温度传感器(4)和第二温度传感器(5)均与控制器(6)连接；

散热环(3)由气管缠绕在圆筒(8)上形成，整体呈螺线管型，散热环(3)以圆筒(8)中心横截面为界分为进气口一侧和出气口一侧，散热环(3)进气口一侧气管缠绕密度小于出气口一侧缠绕密度。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，其特征在于，所述的第一温度传感器(4)为无磁的铂电阻，第二温度传感器(5)为热电偶，第一温度传感器(4)设置在圆筒(8)中心，第二温度传感器(5)贴放在加热管(2)的管壁。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光探测核磁共振的加热与温控装置，其特征在于，所述的控制器(6)若检测到圆筒(8)中心处的原子蒸气泡(10)温度和加热管(2)外壁温度均分别低于设定值时，控制器(6)输出加热电流使加热管(2)处于加热状态；控制器(6)若检测到当原子蒸气泡(10)温度和加热管(2)外壁温度中任一或都高于其设定值时，控制器(6)不输出加热电流使加热管(2)处于不加热状态。