CN103576721A - 一种无磁加热温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无磁加热温度控制系统，具体涉及一种用于原子磁力仪系统中利用激光加热原子气室的无磁加热温度控制系统。本发明包括激光器、1×4光分路器、原子加热室和温度控制器，其特征在于：所述的激光器和1×4光分路器通过尾纤连接；1×4光分路器和原子加热室通过尾纤连接；温度控制器和激光器通过单芯屏蔽信号线连接。本发明激光器、温度控制器等能够产生干扰磁场的电气部分与原子加热室存在足够的跨度，避免了对原子气室工作区域产生磁场干扰；采用激光加热方式加热，同样避免引入磁噪声的影响，而且加热速度快；使用三线制的无磁铂电阻作为温度传感器，保证了测量温度的准确度，同时也避免了磁噪声的干扰。

Description

一种无磁加热温度控制系统

技术领域

本发明涉及一种无磁加热温度控制系统，具体涉及一种用于原子磁力仪系统中利用激光加热原子气室的无磁加热温度控制系统。

背景技术

原子气室温度控制系统是原子磁力仪的重要组成部分，在原子磁力仪系统中通常需要对原子气室进行加热，加热的主要目的是提高原子数密度进而提高原子磁力仪系统的灵敏度。

目前几种主要的加热方式为：电加热（包括交流电加热和间断电加热），热气流加热和光加热。交流电加热会引进磁噪声，间断电加热温度稳定性差且会产生温度梯度，热气流加热速度慢、气流波动会影响光路且系统较复杂，这三种方法或严重影响原子磁力仪系统的灵敏度，或增加了整套设备的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在原子磁力仪系统中实现对原子气室的恒温加热，温度稳定性高，还避免了磁噪声的引入，保证了原子磁力仪系统的灵敏度的利用激光加热原子气室的无磁加热温度控制系统。

本发明的目的是这样实现的：

无磁加热温度控制系统，包括激光器、1×4光分路器、原子加热室和温度控制器，所述的激光器和1×4光分路器通过尾纤连接；1×4光分路器和原子加热室通过尾纤连接；温度控制器和激光器通过单芯屏蔽信号线连接。

激光器为半导体激光器，波长为850nm，最大光功率为3W，并带有尾纤输出，最大出纤光功率为2W。

1×4光分路器的分光比为25:25:25:25，即尾纤中的四束输出光光功率相等。

尾纤的纤径均为105μm。

原子加热室为圆柱体轴向空心通透结构，外径为56mm，内径为36mm，长度为50mm，原子加热室由无磁材料碳化硅制作成，最大剩磁≤5pT。

原子加热室置于保温层的中心位置，保温层为长方体轴向空心通透结构，由聚苯乙烯泡沫塑料制作成。

原子气室为圆柱体，置于原子加热室的中心位置，保温层、原子加热室和原子气室的中心点均位于同一条直线上。

尾纤穿过保温层和原子加热室，固定在原子加热室侧壁的中间位置，四条尾纤相邻成90°环绕原子气室。

原子加热室采用三线制的无磁铂电阻作为无磁温度传感器，置于原子气室的正下方，无磁铂电阻通过高温点焊的方式焊接，最大剩磁≤5pT。

温度控制器采用神经网络人工智能PID控制激光器的输出功率，从而达到控制原子气室温度的目的，其温度精度达到0.5℃。

本发明的有益效果是：原子加热室采用耐高温无磁材料碳化硅制成，自身不产生干扰磁场，最大剩磁优于5pT；激光器、温度控制器等能够产生干扰磁场的电气部分与原子加热室存在足够的跨度，避免了对原子气室工作区域产生磁场干扰；采用激光加热方式加热，同样避免引入磁噪声的影响，而且加热速度快；采用神经网络人工智能PID作为温度控制器控制加热温度，温度稳定性好；使用三线制的无磁铂电阻作为温度传感器，保证了测量温度的准确度，同时也避免了磁噪声的干扰。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种无磁加热温度控制系统，包括激光器1、1×4光分路器3、原子加热室6和温度控制器8。激光器1为半导体激光器，波长为850nm，最大光功率为3W，并带有尾纤2输出，最大出纤光功率为2W。激光器1发出的主光束激光通过尾纤2进入1×4光分路器3，1×4光分路器3的分光比为25:25:25:25，即尾纤4中的四束次光束激光光功率相等。尾纤4穿过保温层5和原子加热室6，固定在原子加热室6侧壁的中间位置，四条尾纤相邻成90°环绕原子气室10进行加热，保证有效工作区域内温度梯度最小。原子加热室6为圆柱体轴向空心通透结构，外径为56mm，内径为36mm，长度为50mm，由无磁材料碳化硅制作成。原子加热室6置于保温层5的中心位置，保温层5为长方体轴向空心通透结构，由热导系数低的聚苯乙烯泡沫塑料制作成。原子气室10为圆柱体，并置于原子加热室6的中心位置。保温层5、原子加热室6和原子气室10的中心点均位于同一条直线上。原子加热室6中采用无磁铂电阻11作为无磁温度传感器，置于原子气室10的正下方。无磁铂电阻11通过高温点焊的方式焊接，最大剩磁优于5pT。温度控制器8通过导线7接收无磁铂电阻11采集到的温度并采用神经网络人工智能PID通过单芯屏蔽信号线9调节激光器1的输出功率，从而达到控制原子气室10温度的目的，其控温精度达到0.5℃。

如图1所示，无磁加热温度控制系统。包括激光器1、1×4光分路器3、原子加热室6和温度控制器8。激光器1为半导体激光器，波长为850nm，最大光功率为3W，并带有尾纤2输出，最大出纤光功率为2W。激光器1发出的主光束激光通过尾纤2进入1×4光分路器3，1×4光分路器3的分光比为25:25:25:25，即尾纤4中的四束次光束激光光功率相等。尾纤4穿过保温层5和原子加热室6，固定在原子加热室6侧壁的中间位置，四条尾纤相邻成90°环绕原子气室10进行加热，保证有效工作区域内温度梯度最小。原子加热室6中采用无磁铂电阻11作为无磁温度传感器，置于原子气室10的正下方，实时采集原子气室10的温度。温度控制器8通过导线7接收无磁铂电阻11采集到的温度并采用神经网络人工智能PID通过单芯屏蔽信号线9调节激光器1的输出功率，从而达到控制原子气室10温度的目的，其控温精度达到0.5℃。此时形成了闭环温控系统。

由于原子气室10需要工作在无磁环境中，因此采用无磁材料碳化硅制作原子加热室6，最大剩磁优于5pT。这种材料具有耐高温、导热性能良好、耐腐蚀等特性，同时还具有一定的机械强度，更易于加工。原子加热室6为圆柱体轴向空心通透结构，外径为56mm，内径为36mm，长度为50mm。原子气室10同为圆柱体，并置于原子加热室6的中心位置。最后，为达到更好的保温性能，在原子加热室6外层加上保温层5。保温层5为长方体轴向空心通透结构，由热导系数低的聚苯乙烯泡沫塑料制作成，保证了原子加热室6内部整体温度具有良好的均匀性。保温层5、原子加热室6和原子气室10的中心点均位于同一条直线上。

为监测原子气室10的温度，又不引入磁噪声，采用三线制的无磁铂电阻11作为无磁温度传感器。无磁铂电阻11的探头为纯铂制成，导线为纯铜，二者均为非铁磁性物质。通过高温点焊的方式焊接，最大程度地减少传感器的剩磁。实际应用时，无磁铂电阻11将当前原子气室10的实时温度作为反馈信号传递给温度控制器8显示并调整激光器1的输出功率。

Claims (10)

1.一种无磁加热温度控制系统，包括激光器（1）、1×4光分路器（3）、原子加热室（6）和温度控制器（8），其特征在于：所述的激光器（1）和1×4光分路器（3）通过尾纤（2）连接；1×4光分路器（3）和原子加热室（6）通过尾纤（4）连接；温度控制器（8）和激光器（1）通过单芯屏蔽信号线（9）连接。

2.根据权利要求1所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的激光器（1）为半导体激光器，波长为850nm，最大光功率为3W，并带有尾纤（2）输出，最大出纤光功率为2W。

3.根据权利要求1或2所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的1×4光分路器（3）的分光比为25:25:25:25，即尾纤（4）中的四束输出光光功率相等。

4.根据权利要求3所述的无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的尾纤（2）和尾纤（4）的纤径均为105μm。

5.根据权利要求4所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的原子加热室（6）为圆柱体轴向空心通透结构，外径为56mm，内径为36mm，长度为50mm，原子加热室（6）由无磁材料碳化硅制作成，最大剩磁≤5pT。

6.根据权利要求5所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的原子加热室（6）置于保温层（5）的中心位置，保温层（5）为长方体轴向空心通透结构，由聚苯乙烯泡沫塑料制作成。

7.根据权利要求6所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：还包括原子气室（10）为圆柱体，置于原子加热室（6）的中心位置，保温层（5）、原子加热室（6）和原子气室（10）的中心点均位于同一条直线上。

8.根据权利要求7所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的尾纤（4）穿过保温层（5）和原子加热室（6），固定在原子加热室（6）侧壁的中间位置，四条尾纤相邻成90°环绕原子气室（10）。

9.根据权利要求8所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的原子加热室（6）采用三线制的无磁铂电阻（11）作为无磁温度传感器，置于原子气室（10）的正下方，无磁铂电阻（11）通过高温点焊的方式焊接，最大剩磁≤5pT。

10.根据权利要求9所述的一种无磁加热温度控制系统，其特征在于：所述的温度控制器（8）采用神经网络人工智能PID控制激光器（1）的输出功率，从而达到控制原子气室（10）温度的目的，其温度精度达到0.5℃。

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