CN103699156B - 一种利用不同温度加热光抽运泡的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用不同温度加热光抽运泡的系统装置和方法，该装置包含经过加工的内空的光抽运泡托架、中央温度控制单元、温度传感器、加热器、液氮储存装置、四个管路、三个阀门组、两个氮气瓶、光抽运泡、气源。由中央温度控制单元通过温度传感器的状态控制加热器的通断，加热器的开关状态控制光抽运泡两端的温度状态。本发明结构简单，控制方便，能使光抽运泡的首位温度均衡，保证其中碱金属与惰性气体的自旋交换光抽运反应均匀，有序的进行。
Description
技术领域
本发明涉及原子分子物理装置领域，具体涉及一种利用不同温度加热光抽运泡的系统，还涉及一种利用不同温度加热光抽运泡的方法，适用于超极化惰性气体系统上，用来对光抽运泡进行加热。
背景技术
光抽运现象是Kastler1950年首次报道的[J.Phys.Radium11(1950):255-265]，在其后的时间里，利用碱金属Rb/Cs和惰性气体3He/83Kr/129Xe的自旋交换光抽运的超极化惰性气体技术逐步发展起来[RevModPhys.69(1)(1997):629-642]。自旋交换光抽运现象的其主要原理是在一定波长的激光的作用下，碱金属的最外层电子被激发到高能级态，此时，该碱金属原子的最外层电子具有高极化度，然后碱金属原子与系统中的惰性气体原子再通过碰撞的方式进行自旋交换，把碱金属原子核外电子的极化度转移到惰性气体的原子核上，从而使得惰性气体的原子核具有很高的极化度，基于自旋交换光抽运原理以用来制造超极化惰性气体3He和129Xe技术已经发展的比较成熟，国外的几个研究组，如杜克大学的Driehuys研究组[APP.Phys.Lett.69(1996):1668-1670]和德国莱布尼兹研究所的Leif[Phys.Rev.Lett.100(2008):257603-257606]研究组均已具备自己的超极化惰性气体系统。
从实际情况来看：影响光泵泡内的超极化惰性气体极化度的因素有很多方面：光抽运泡内部的气体总压力、惰性气体所占总气体的分压、光泵泡温度的高低、光泵泡内部玻璃的洁净度和是否具有硅烷涂层材料等都会极大的影响光泵泡内的超极化惰性气体的极化度。然而，目前对于光抽运泡的加热用得较多的是气体加热的方式，使得光抽运泡中碱金属融化后，让光抽运泡中充满饱和的Rb蒸汽。在这种模式中，用单一热源对光泵泡提供加热，存在加热不均的弊端，光抽运泡中的碱金属原子蒸汽的密度过大，而过多的碱金属原子蒸汽的密度也阻挡了激光完全的穿越光抽运泡，使得激光能量没有被充分的吸收，并且过多的碱金属原子蒸汽密度也增加了与已经被极化的超极化惰性气体的碰撞概率，使得已经被极化的惰性气体退极化。同时，对于光抽运泡而言，其正对热源处的温度和正对激光入射面的温度，在光抽运泡中逐步向其他方向扩散并形成一个不规则的温度场。点对点加热的结果是使得光抽运泡中的温度分布不均匀，不能得到一个具有良好极化度的惰性气体。因此如何更好地合理地对于光抽运泡进行加热，是取得一个惰性气体理想的极化度的必要方式。已经有一些研究者们改进了光抽运泡的加热方式，并取得一些有益的结果。[Proc.Intl.Soc.Mag.Reson.Med.21(2013):1478]。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种利用不同温度加热光抽运泡的系统，还提供了一种利用不同温度加热光抽运泡的方法，解决了原有加热装置结构笨重、散热效率低、有电磁干扰、存在温差大、加热不均匀、气流波动大等问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种利用不同温度加热光抽运泡的系统，包括光抽运泡，还包括中央温度控制单元、气源和液氮贮存装置，光抽运泡外部均匀包裹设置有若干个中空的固定件，固定件上开设有通气孔，各个固定件通过对应的加热控制阀门与对应的加热器的出气口连通，各个加热器的进气口与气源连通，各个加热器的控制端与中央温度控制单元连通，液氮贮存装置包括杜瓦和缠绕在杜瓦底端的杜瓦加热管道，各个加热器的出气口还通过对应的降温进气阀门与杜瓦加热管道连通，杜瓦通过对应的降温出气阀门与各个固定件连通，光抽运泡的两端分别设置有第一温度传感器和第三温度传感器，光抽运泡的中部设置有第二温度传感器。
如上所述的固定件包括固定在光抽运泡的一端的第一下托架和第一上托架，第一下托架和第一上托架连通，第一下托架和第一上托架的外形与光抽运泡的外形适配，且第一下托架和第一上托架朝向光抽运泡的一侧上开设有通气孔；
固定件还包括固定在光抽运泡的中部的第二下托架和第二上托架，第二下托架和第二上托架连通，第二下托架和第二上托架的外形与光抽运泡的外形适配，且第二下托架和第二上托架朝向光抽运泡的一侧开设有通气孔；
固定件还包括固定在光抽运泡的另一端的第三下托架和第三上托架，第三下托架和第三上托架连通，第三下托架和第三上托架的外形与光抽运泡的外形适配，且第三下托架和第三上托架朝向光抽运泡的一侧开设有通气孔；
加热器包括第一加热器、第二加热器和第三加热器，
气源分别与第一加热器的进气口、第二加热器的进气口和第三加热器的进气口连通；第一加热器的出气口通过第一加热管道与第一下托架连通；第二加热器的出气口通过第二加热管道与第二下托架连通；第三加热器的出气口通过第三加热管道与第三下托架连通；
第一加热器的出气口还通过第一降温进气管道与杜瓦加热管道连通；第二加热器的出气口还通过第二降温进气管道与杜瓦加热管道连通；第三加热器的出气口还通过第三降温进气管道与杜瓦加热管道连通；
杜瓦的出气口通过第一降温出气管道与第一下托架连通；杜瓦的出气口通过第二降温出气管道与第二下托架连通；杜瓦的出气口通过第三降温出气管道与第三下托架连通；
第一加热管道、第二加热管道、第三加热管道上依次设置有第一加热控制阀门、第二加热控制阀门、第三加热控制阀门；
第一降温进气管道、第二降温进气管道、第三降温进气管道上依次设置有第一降温进气阀门、第二降温进气阀门、第三降温进气阀门；
第一降温出气管道、第二降温出气管道、第三降温出气管道上依次设置有第一降温出气阀门、第二降温出气阀门、第三降温出气阀门。
光抽运反应中碱金属种类为金属铷Rb或金属铯Cs；惰性气体为129Xe、3He或83Kr。
一种利用不同温度加热光抽运泡的方法，用加热光抽运泡的方式获得极化的气体，包括以下步骤：
加热步骤1、中央温度控制单元发出阀门控制指令A，命令第一降温进气阀门～第三降温进气阀门、第一降温出气阀门～第三降温出气阀门关闭，第一加热控制阀门～第三加热控制阀门开启，热空气直接分别通过第一加热管道～第三加热管道到达第一下托架～第三下托架并均匀的加热光抽运泡；
加热步骤2、中央温度控制单元分别读取第一温度传感器～第三温度传感器的温度值，分别为T1、T2、T3，
加热步骤3、通过调节第二加热控制阀门控制T2在140℃—170℃内的预设初始值，
加热步骤4、通过调节第一加热控制阀门和第三加热控制阀门，使得T1、T3与T2之间相差不超过0.5℃后进入加热步骤5，
加热步骤5、记录在当前T2温度条件下的最大惰性气体极化度PN，通过调节第二加热控制阀门控制T2增加预设的增量值并返回步骤4直至T2扫描完140℃—170℃内的温度点，
加热步骤6、通过调节第二加热控制阀门使得第二温度传感器测得的温度为最大惰性气体极化度PN对应的T2，通过调节第一加热控制阀门和第三加热控制阀门，使得T1、T3与T2之间相差不超过0.5℃。
一种利用不同温度加热光抽运泡的方法，还包括以下步骤：
冷却步骤：中央温度控制单元会发出控制指令B，控制第一降温进气阀门～第三降温进气阀门、第一降温出气阀门～第三降温出气阀门开启，第一加热控制阀门～第三加热控制阀门关闭，使得热空气经过液氮贮存装置的杜瓦加热管道，并与杜瓦中的液氮发生热交换，从而使得经过气化的、低温的氮气进入第一下托架～第三下托架中并均匀的对光抽运泡进行降温。
在工作状态下，气源中的气体进入加热器被加热后进入光抽运泡的下托架与上托架中，由于光抽运泡下托架与光抽运泡上托架均中空，热气体能够在托架内充分混合并均匀地从两个托架圆弧形的内表上的圆孔中流出，这样对处于上托架和下托架中的光抽运泡来说，光抽运泡被覆盖的那部分温度是均匀的。
在实际应用时，往往可以多个加热器并联，采用并联加热的方式对于光抽运泡进行加热。具体来说，可以采用三个或者三个以上的上下托架固定光抽运泡，并各自使用加热器对光抽运泡的一部分进行分段的均匀加热。在进行光抽运反应时，开启激光器后，入射激光将会集中于光抽运泡的入射面，入射激光照射在光抽运泡的玻璃表面时玻璃会产生一定的热量，在无任何外加温度时，该热量会自发的在光抽运泡表面形成一个温度场1；此外，在光抽运泡里面的气体介质也会由于部分的吸收激光的能量，同时也与光抽运泡的玻璃内壁发生热交换而形成另外一个温度场2。我们可以认为温度场1和温度场2是在激光开启条件下，光抽运泡中的标准温度场，其来源都是入射的激光与物质的相互作用所产生的结果，其相同点都是离光源越近温度越高，离光源越远温度越低。
在传统模式下，如用单一的热气体对光抽运泡的一部分进行加热，其必然导致的结果是由热气体在光抽运泡中产生的温度场与由激光产生的标准温度场叠加形成一个新的温度场，新的温度场使得光抽运泡表面玻璃以及光抽运泡里面的气体介质的温度不均匀，从而造成光抽运泡的受热不均匀。
这种不均匀的受热直接导致的结果是，在发生光抽运反应时，光抽运泡中的碱金属出现局部的蒸发速率的不同，同时，导致局部的碱金属原子蒸汽数密度的改变。更重要的是在光抽运反应后续的自旋交换过程中，作为自旋交换中最重要的惰性气体的，在受到不均匀的温度加热时，就会出现局部的气体分子运动剧烈的程度不同。然而，惰性气体分子与碱金属原子进行有序的自旋交换，是稳定地取得超极化惰性气体的基础，因此不均匀的受热会降低惰性气体的极化度。
采用多个加热器并联加热的方式后，在光抽运泡上靠近激光照射一端因为更接近标准温度场的源头，温度更高，因此实际使用加热器的加热功率略小；在光抽运泡远离激光照射的一端，由于远离标准温度场的源头，温度稍低一点，因而实际使用加热器的加热功率略大；在光抽运泡的中间，由于其处于标准温度场的中部，加热器应以正常功率的工作，最后在光抽运泡表面温度达到一致时进入间断工作模式以用来维持光抽运泡的稳定的表面温度。
中央温度控制单元的主要作用在于：以光抽运泡中间部分的温度为标准，然后用以与两边的温度加以对比，自动调节靠近光源处的光抽运泡表面的温度使其降低，以及远离光源处的光抽运泡表面的温度使其升高。除此之外，中央温度控制单元的另外一个重要的作用是可以根据实验目的而选择实验模式，或者在同一个实验条件下，按照实验者的要求，切换实验模式。其主要的工作原理是：通过控制管道上的阀门的开关状态以此来导向热空气的走向，从而改变对于光抽运泡温度状态。如关闭旁路阀门，热空气将直接导入上下托架，对光抽运泡表面进行均匀加热；如关闭主管道阀门，将热空气导入液氮储存装置，那么从液氮储存装置中挥发的低温氮气会通过旁路管道导入上下托架，从而对光抽运泡进行降温。
目前已经报道的相关工作表明，在非流动模式下或者较低温度、较低压力模式下利用自旋交换光抽运技术，可以提高惰性气体的极化度。利用本系统，在一次实验中，先将旁路阀门关闭、主管道阀门开启，使用热空气将光抽运泡加热，并进行正常的超极化实验，待能够稳定取得超极化的惰性气体后关闭主管道阀门，开启旁路阀门，利用液氮挥发出来的低温氮气对光抽运泡进行降温，该降温的过程会使得光抽运泡中的超极化惰性气体的极化度更加进一步的提高。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、能够有效的改变传统的单一热源加热时光抽运泡受热不均匀的状况。
2、托架内表面小孔的设计加强了光抽运泡局部的受热均匀性。
3、根据实验具体需要，上下托架可以根据需要，在光抽运泡表面移动，对光抽运泡不同的位置进行移动式加热。
4、对于不同的实验环境，多个加热装置可以各自使用不同的温度对光抽运泡进行加热，使光抽运泡的不同位置区域温度不同。
5、利用加热装置温度的随意可调节性，可以平衡因激光照射在光抽运泡中存在的温度梯度场以及传统的单一热源加热方式对于光抽运泡加热的不均匀性。
6、该装置不仅可以提供热空气对光抽运泡进行加热，还可以根据实验者的需要提供低温气体对光抽运泡进行冷却，从而更进一步的提高惰性气体极化度。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的控制流程图；
图4是光抽运泡托架的仰视图；
图5是光抽运泡托架的正视图；
图6是光抽运泡托架侧盖板的图；
图中：1-光抽运泡；2A-第一加热器；2B-第二加热器；2C-第三加热器；3A-第一温度传感器；3B-第二温度传感器；3C-第三温度传感器；4-中央温度控制单元；4A-第一负载端；4B-第二负载端；4C-第三负载端；5-气源；6A-第一气源管道；6B-第二气源管道；6C-第三气源管道；7A-第一加热管道；7B-第二加热管道；7C-第三加热管道；8A-第一降温进气管道；8B-第二降温进气管道；8C-第三降温进气管道；9A-第一降温出气管道；9B-第二降温出气管道；9C-第三降温出气管道；10A-第一加热控制阀门；10B-第二加热控制阀门；10C-第三加热控制阀门；11A-第一降温进气阀门；11B-第二降温进气阀门；11C-第三降温进气阀门；12A-第一降温出气阀门；12B-第二降温出气阀门；12C-第三降温出气阀门；13A-第一下托架；13B-第二下托架；13C-第三下托架；14A-第一上托架；14B-第二上托架；14C-第三上托架；15-液氮贮存装置；16-杜瓦；17-杜瓦加热管道。
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。
如图1所示，一种利用不同温度加热光抽运泡的系统包括气源，管道系统，变温系统，温控系，光抽运泡系统。气源系统提供一定流量的空气经过管道系统在加热系统中被加热到设定的温度，从而对光抽运泡进行加热；管道系统由管道组和阀门组组成，管道系统是空气流体的载体，他们会以各种不同的连接方式将加热后的热空气直接导入光抽运泡或者利用热空气气化液氮储存装置中的液氮后，将低温的氮气导入光抽运泡；管道系统中阀门组的作用在于根据不同的实验目的利用阀门各自不同的开关状态打开与关闭一定的管道，让热空气进入不同的管道以打到实验目的；加热系统主要用于对流过管道中空气进行加热；温控系统主要用于对于光抽运泡表面不同位置的温度的监测并加以对比，同时根据光抽运泡表面不同温度的状况来控制加热系统的加热状态；光抽运泡系统主要由托架和光抽运泡组成，托架的作用主要用于固定光抽运泡，同时托架中空，并且表面分布有圆孔的设计使得热空气能够均匀地从托架中溢出。
如图2所示，一种利用不同温度加热光抽运泡的系统，包括光抽运泡1，还包括中央温度控制单元4、气源5和液氮贮存装置15，光抽运泡1外部均匀包裹设置有若干个中空的固定件，固定件上开设有通气孔，各个固定件通过对应的加热控制阀门与对应的加热器的出气口连通，各个加热器的进气口与气源5连通，各个加热器的控制端与中央温度控制单元4连通，液氮贮存装置15包括杜瓦16和缠绕在杜瓦16底端的杜瓦加热管道17，各个加热器的出气口还通过对应的降温进气阀门与杜瓦加热管道17连通，杜瓦16通过对应的降温出气阀门与各个固定件连通，光抽运泡1的两端分别设置有第一温度传感器3A和第三温度传感器3C，光抽运泡1的中部设置有第二温度传感器3B。
固定件包括固定在光抽运泡1的一端的第一下托架13A和第一上托架14A，第一下托架13A和第一上托架14A连通，第一下托架13A和第一上托架14A的外形与光抽运泡1的外形适配，且第一下托架13A和第一上托架14A朝向光抽运泡1的一侧上开设有通气孔；
固定件还包括固定在光抽运泡1的中部的第二下托架13B和第二上托架14B，第二下托架13B和第二上托架14B连通，第二下托架13B和第二上托架14B的外形与光抽运泡1的外形适配，且第二下托架13B和第二上托架14B朝向光抽运泡1的一侧开设有通气孔；
固定件还包括固定在光抽运泡1的另一端的第三下托架13C和第三上托架14C，第三下托架13C和第三上托架14C连通，第三下托架13C和第三上托架14C的外形与光抽运泡1的外形适配，且第三下托架13C和第三上托架14C朝向光抽运泡1的一侧开设有通气孔；
加热器包括第一加热器2A、第二加热器2B和第三加热器2C，
气源5分别与第一加热器2A的进气口、第二加热器2B的进气口和第三加热器2C的进气口连通；第一加热器2A的出气口通过第一加热管道7A与第一下托架13A连通；第二加热器2B的出气口通过第二加热管道7B与第二下托架13B连通；第三加热器2C的出气口通过第三加热管道7C与第三下托架13C连通；
第一加热器2A的出气口还通过第一降温进气管道8A与杜瓦加热管道17连通；第二加热器2B的出气口还通过第二降温进气管道8B与杜瓦加热管道17连通；第三加热器2C的出气口还通过第三降温进气管道8C与杜瓦加热管道17连通；
杜瓦16的出气口通过第一降温出气管道9A与第一下托架13A连通；杜瓦16的出气口通过第二降温出气管道9B与第二下托架13B连通；杜瓦16的出气口通过第三降温出气管道9C与第三下托架13C连通；
第一加热管道7A、第二加热管道7B、第三加热管道7C上依次设置有第一加热控制阀门10A、第二加热控制阀门10B、第三加热控制阀门10C；
第一降温进气管道8A、第二降温进气管道8B、第三降温进气管道8C上依次设置有第一降温进气阀门11A、第二降温进气阀门11B、第三降温进气阀门11C；
第一降温出气管道9A、第二降温出气管道9B、第三降温出气管道9C上依次设置有第一降温出气阀门12A、第二降温出气阀门12B、第三降温出气阀门12C。
光抽运反应中碱金属种类为金属铷Rb或金属铯Cs；惰性气体为129Xe、3He或83Kr。
抽运泡下托架(13A-13C)与光抽运泡上托架(14A-14C)均中空，上下底均为水平，中间为半圆弧形镂空设计，其在工作时相对放置并通过螺杆固定相连，使用时上托架与下托架相对放置，由于其外形弧度与光抽运泡的半径一致，其恰好可以对光抽运泡有支撑并且固定的作用；上下两个托架圆弧形的内表面上均有数量相等的圆孔，空气通过这些圆孔可以均匀的到达光抽运泡表面。
在工作状态下，气源中的气体进入加热器被加热后进入光抽运泡的下托架与上托架中，由于光抽运泡下托架与光抽运泡上托架均中空，热气体能够在托架内充分混合并均匀地从两个托架圆弧形的内表上的圆孔中流出，这样对处于上托架和下托架中的光抽运泡来说，光抽运泡被覆盖的那部分温度是均匀的。
在超极化惰性气体系统中，光抽运泡1一般为长度15cm，半径5cm左右的的透明的玻璃圆柱体，其柱体上连接有进气出气的管道。
所述管道7A、7B、7C均与下托架连通，下托架与上托架中均中空，热空气从下托架中进入上托架中，并从上下托架的圆弧形表面上的孔中逸出。
光抽运泡1上设置有第一温度传感器3A、第二温度传感器3B、第三温度传感器3C，第一温度传感器3A、第二温度传感器3B、第三温度传感器3C分别处于光抽运泡第一下托架13A、第二下托架13B、第三下托架13C的内侧并粘覆在光抽运泡的表面，同时，第一温度传感器3A、第二温度传感器3B、第三温度传感器3C的信号由中央温度控制单元4接收。
液氮储存装置15包含供储存液氮用的杜瓦16以及供热气体与液氮热交换的杜瓦加热管道17。在杜瓦16的顶端有出气口与第一降温出气管道9A、第二降温出气管道9B、第三降温出气管道9C相连，同时有连接液氮入口；供热交换的杜瓦加热管道17的一端连接有第一降温进气管道8A、第二降温进气管道8B、第三降温进气管道8C，其另一端直通空气。
一种利用不同温度加热光抽运泡的方法，用加热光抽运泡的方式获得极化的气体，包括以下步骤：
加热步骤1、中央温度控制单元4发出阀门控制指令A，命令第一降温进气阀门～第三降温进气阀门(11A、11B、11C)、第一降温出气阀门～第三降温出气阀门(12A、12B、12C)关闭，第一加热控制阀门～第三加热控制阀门(10A、10B、10C)开启，热空气直接分别通过第一加热管道～第三加热管道(7A、7B、7C)到达第一下托架～第三下托架(13A、13B、13C)并均匀的加热光抽运泡1；
加热步骤2、中央温度控制单元4分别读取第一温度传感器～第三温度传感器(3A、3B、3C)的温度值，分别为T1、T2、T3，
加热步骤3、通过调节第二加热控制阀门10B控制T2在140℃—170℃内的预设初始值，
加热步骤4、通过调节第一加热控制阀门10A和第三加热控制阀门10C，使得T1、T3与T2之间相差不超过0.5℃后进入加热步骤5，
加热步骤5、记录在当前T2温度条件下的最大惰性气体极化度PN，通过调节第二加热控制阀门10B控制T2增加预设的增量值并返回步骤4直至T2扫描完140℃—170℃内的温度点，
加热步骤6、通过调节第二加热控制阀门10B使得第二温度传感器3B测得的温度为最大惰性气体极化度PN对应的T2，通过调节第一加热控制阀门10A和第三加热控制阀门10C，使得T1、T3与T2之间相差不超过0.5℃。
一种利用不同温度加热光抽运泡的方法，对用加热光抽运泡的方式获得极化的气体通过降温的方式得到进一步极化的气体，包括以下步骤：
冷却步骤：中央温度控制单元4会发出控制指令B，控制第一降温进气阀门～第三降温进气阀门(11A、11B、11C)、第一降温出气阀门～第三降温出气阀门(12A、12B、12C)开启，第一加热控制阀门～第三加热控制阀门(10A、10B、10C)关闭，使得热空气经过液氮贮存装置15的杜瓦加热管道17，并与杜瓦16中的液氮发生热交换，从而使得经过气化的、低温的氮气进入第一下托架～第三下托架(13A、13B、13C)中并均匀的对光抽运泡1进行降温。
如图3所示，是本系统的控制流程图，其主要步骤是：系统在启动时默认为第一种模式，此时，中央温度控制单元4会发出阀门控制指令A，命令降温进气阀门(11A、11B、11C)、降温出气阀门(12A、12B、12C)关闭，加热控制阀门(10A、10B、10C)开启，这样热空气直接通过加热管道(7A、7B、7C)到达并下托架(13A、13B、13C)并均匀的加热光抽运泡1。在加热的过程中，中央温度控制单元4的分别读取温度传感器(3A、3B、3C)的温度值T1、T2、T3，并以T2为标准，对比T1和T3的值，T2一般设置为140℃—170℃，T2的值是惰性气体极化度的重要决定因素之一，在其他条件不变的情况下，最高极化度对应的温度值一般做为T2的选取值；由于光抽运泡的一端会靠近激光光源；另外一端会远离激光光源，正常情况下，T1>T2>T3或者T3>T2>T1，T1、T3的相对大小取决于激光入射光抽运泡的相对方向。当T1或者T3的值小于T2的时候，中央温度控制单元4会发出指令，控制光抽运泡1前端或后端对应的第一加热器2A或者第三加热器2C工作；当T1或T3的值大于或者等于T2的时候，中央温度控制单元4会控制与T1或T3相对应的第一加热器2A或第三加热器2C，使其停止工作，从而保证T1或T3的值接近于T2。中央温度控制单元4的负载端(4A、4B、4C)可以分别独立的接收三个温度传感器的温度值T1、T2、T3，并同时独立地控制加热器(2A、2B、2C)的工作状态。当T1、T2、T3的值相差不超过0.5℃时，表明光抽运泡1中的温度分布已经达到稳定，惰性气体与碱金属蒸汽的自旋交换光抽运反应可以认为已经达到稳态，此时实验者可以根据实验需要选取是否需要进行系统的第二种工作模式，即：降温模式。在降温模式中，中央温度控制单元4会发出控制指令B，控制降温进气管路(8A、8B、8C)上的降温进气阀门(11A、11B、11C)、降温出气管道(9A、9B、9C)上的降温出气阀门(12A、12B、12C)开启，加热管道(7A、7B、7C)上的加热控制阀门(10A、10B、10C)关闭，使得热空气经过液氮储存装置15的杜瓦加热管道17，并与杜瓦16中的液氮发生热交换，从而使得经过气化的、低温的氮气进入下托架(13A、13B、13C)中并均匀的对光抽运泡1进行降温作用。
上述的实施例是基于三段温度控制方法，在具体应用中，可以根据光抽运泡的长度，用多段(大于3段)精密加温的方法实现光抽运泡实时温度的控制。在多段控制中，同样可以设置一个对应气体极化度最高的温度，然后中央温度控制单元会自动调整光抽运泡前后端的表面温度，使得整个光抽运泡表面的温度达到一致，从而保证惰性气体光抽运反应的稳定性。
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 (5)
1.一种利用不同温度加热光抽运泡的系统，包括光抽运泡(1)，其特征在于，还包括中央温度控制单元(4)、气源(5)和液氮贮存装置(15)，光抽运泡(1)外部均匀包裹设置有若干个中空的固定件，固定件上开设有通气孔，各个固定件通过对应的加热控制阀门与对应的加热器的出气口连通，各个加热器的进气口与气源(5)连通，各个加热器的控制端与中央温度控制单元(4)连通，液氮贮存装置(15)包括杜瓦(16)和缠绕在杜瓦(16)底端的杜瓦加热管道(17)，各个加热器的出气口还通过对应的降温进气阀门与杜瓦加热管道(17)连通，杜瓦(16)通过对应的降温出气阀门与各个固定件连通，光抽运泡(1)的两端分别设置有第一温度传感器(3A)和第三温度传感器(3C)，光抽运泡(1)的中部设置有第二温度传感器(3B)。
2.根据权利要求1所述的一种利用不同温度加热光抽运泡的系统，其特征在于，
固定件包括固定在光抽运泡(1)的一端的第一下托架(13A)和第一上托架(14A)，第一下托架(13A)和第一上托架(14A)连通，第一下托架(13A)和第一上托架(14A)的外形与光抽运泡(1)的外形适配，且第一下托架(13A)和第一上托架(14A)朝向光抽运泡(1)的一侧上开设有通气孔；
固定件还包括固定在光抽运泡(1)的中部的第二下托架(13B)和第二上托架(14B)，第二下托架(13B)和第二上托架(14B)连通，第二下托架(13B)和第二上托架(14B)的外形与光抽运泡(1)的外形适配，且第二下托架(13B)和第二上托架(14B)朝向光抽运泡(1)的一侧开设有通气孔；
固定件还包括固定在光抽运泡(1)的另一端的第三下托架(13C)和第三上托架(14C)，第三下托架(13C)和第三上托架(14C)连通，第三下托架(13C)和第三上托架(14C)的外形与光抽运泡(1)的外形适配，且第三下托架(13C)和第三上托架(14C)朝向光抽运泡(1)的一侧开设有通气孔；
加热器包括第一加热器(2A)、第二加热器(2B)和第三加热器(2C)，
气源(5)分别与第一加热器(2A)的进气口、第二加热器(2B)的进气口和第三加热器(2C)的进气口连通；第一加热器(2A)的出气口通过第一加热管道(7A)与第一下托架(13A)连通；第二加热器(2B)的出气口通过第二加热管道(7B)与第二下托架(13B)连通；第三加热器(2C)的出气口通过第三加热管道(7C)与第三下托架(13C)连通；
第一加热器(2A)的出气口还通过第一降温进气管道(8A)与杜瓦加热管道(17)连通；第二加热器(2B)的出气口还通过第二降温进气管道(8B)与杜瓦加热管道(17)连通；第三加热器(2C)的出气口还通过第三降温进气管道(8C)与杜瓦加热管道(17)连通；
杜瓦(16)的出气口通过第一降温出气管道(9A)与第一下托架(13A)连通；杜瓦(16)的出气口通过第二降温出气管道(9B)与第二下托架(13B)连通；杜瓦(16)的出气口通过第三降温出气管道(9C)与第三下托架(13C)连通；
第一加热管道(7A)、第二加热管道(7B)、第三加热管道(7C)上依次设置有第一加热控制阀门(10A)、第二加热控制阀门(10B)、第三加热控制阀门(10C)；
第一降温进气管道(8A)、第二降温进气管道(8B)、第三降温进气管道(8C)上依次设置有第一降温进气阀门(11A)、第二降温进气阀门(11B)、第三降温进气阀门(11C)；
第一降温出气管道(9A)、第二降温出气管道(9B)、第三降温出气管道(9C)上依次设置有第一降温出气阀门(12A)、第二降温出气阀门(12B)、第三降温出气阀门(12C)。
3.根据权利要求1所述的一种利用不同温度加热光抽运泡的系统，其特征在于：
光抽运反应中碱金属种类为金属铷Rb或金属铯Cs；惰性气体为129Xe、3He或83Kr。
4.一种使用权利要求2所述系统进行利用不同温度加热光抽运泡的方法，其特征在于，用加热光抽运泡的方式获得极化的气体，包括以下步骤：
加热步骤1、中央温度控制单元(4)发出阀门控制指令A，命令第一降温进气阀门～第三降温进气阀门(11A、11B、11C)、第一降温出气阀门～第三降温出气阀门(12A、12B、12C)关闭，第一加热控制阀门～第三加热控制阀门(10A、10B、10C)开启，热空气直接分别通过第一加热管道～第三加热管道(7A、7B、7C)到达第一下托架～第三下托架(13A、13B、13C)并均匀的加热光抽运泡(1)；
加热步骤2、中央温度控制单元(4)分别读取第一温度传感器～第三温度传感器(3A、3B、3C)的温度值，分别为T1、T2、T3，
加热步骤3、通过调节第二加热控制阀门(10B)控制T2在140℃—170℃内的预设初始值，
加热步骤4、通过调节第一加热控制阀门(10A)和第三加热控制阀门(10C)，使得T1、T3与T2之间相差不超过0.5℃后进入加热步骤5，
加热步骤5、记录在当前T2温度条件下的最大惰性气体极化度PN，通过调节第二加热控制阀门(10B)控制T2增加预设的增量值并返回步骤4直至T2扫描完140℃—170℃内的温度点，
加热步骤6、通过调节第二加热控制阀门(10B)使得第二温度传感器(3B)测得的温度为最大惰性气体极化度PN对应的T2，通过调节第一加热控制阀门(10A)和第三加热控制阀门(10C)，使得T1、T3与T2之间相差不超过0.5℃。
5.根据权利要求4所述的一种利用不同温度加热光抽运泡的方法，其特征在于，对用加热光抽运泡的方式获得极化的气体通过降温的方式得到进一步极化的气体，包括以下步骤：
冷却步骤：中央温度控制单元(4)会发出控制指令B，控制第一降温进气阀门～第三降温进气阀门(11A、11B、11C)、第一降温出气阀门～第三降温出气阀门(12A、12B、12C)开启，第一加热控制阀门～第三加热控制阀门(10A、10B、10C)关闭，使得热空气经过液氮贮存装置(15)的杜瓦加热管道(17)，并与杜瓦(16)中的液氮发生热交换，从而使得经过气化的、低温的氮气进入第一下托架～第三下托架(13A、13B、13C)中并均匀的对光抽运泡(1)进行降温。
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