CN105430770A - 一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置 - Google Patents

Abstract

一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，该装置包括加热体、加热片层、绝热压板、温度传感器和待加热原子气室；加热体使用无磁高导热材料，并采用中空结构，可将原子气室放入加热体内部均匀加热；加热片层采用四层柔性薄膜型电加热片叠加而成，经过特殊的布线设计及对称反向的电流走向以实现极低的加热磁场；绝热压板采用聚四氟乙烯材料，具有良好的隔热保温作用，防止热量扩散；温度传感器利用导热硅胶粘合在加热体内部，实现对温度的实时监控。本发明与现有技术相比结构紧凑，体积小，易于装配，易实现工程化，加热均匀性好，加热效率高，加热磁场抵消能力强。

Description

一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置

技术领域

本发明涉及核磁共振陀螺仪的加热技术领域，特别涉及一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置。

背景技术

微型核磁共振陀螺具有小体积、低功耗、高性能、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。核磁共振陀螺的性能受原子核自旋宏观磁矩的影响，且直接与碱金属原子密度相关。为提高陀螺信噪比，需要将原子气室加热到100℃以上，从而获得高密度碱金属蒸汽，并通过优化加热结构抑制加热磁场给陀螺带来的负面影响。

热风加热是较好的无磁加热手段，但存在体积大、功耗高等无法克服的缺点，无法用于微型核磁共振陀螺。美国加州大学欧文分校A.Shkel课题组利用铜棒底部加热原子气室，加热温度达到130℃，但直导线引入的非均匀磁场使惰性气体宏观磁矩的横向弛豫时间减小，热均匀性差导致陀螺性变差。美国诺·格公司等人采用双向电流方式在底部加热玻璃气室，获得了高密度碱金属原子蒸汽，但仍存在气室横向磁场梯度过大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，该装置采用加热片层重合叠加的方式以及来回双线的布线结构实现原子气室的均匀无磁加热，增加加热丝电阻提高了加热功率，且绝热压板的使用起到了保温固定的作用，同时采用的温度传感器可实现温度的实时精确控制。该多层无磁加热装置结构更紧凑，更易于装配，加热均匀性更好，加热磁场抵消能力更强。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，包括加热体、加热片层、绝热压板、温度传感器和待加热原子气室；其中加热体位于加热装置的中心位置，且加热体的顶部中心位置开设有方孔；所述加热体每个侧面设置加热槽，加热片层固定放置在所述加热槽内；加热槽的中心位置分别设置透光孔；绝热压板设置在加热片层的外侧，也放置于加热槽内；加热体的顶部设置孔，温度传感器插于加热体顶部内的孔中，待加热原子气室放置在方孔中。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，加热槽槽深为2-3mm。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，透光孔在同一平面内彼此相交，直径为4-5mm，透光孔的交点与待加热原子气室的中心重合。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，方孔深度为14-16mm，边长为4-4.4mm。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，加热体上设置安装孔用于将加热体固定在外部核磁共振陀螺仪整机上。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，加热体采用无磁高导热率材料；温度传感器采用无磁材料；加热片层采用无磁材料，加热片层由n层电加热片和n+1层隔离片组成，相邻两层隔离片间放置一层电加热片，每层电加热片布线结构相同，粘合时需精确重合。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，所述n为3-5；电加热片采用柔性薄膜材料，电加热片上的加热丝采用双线对称式往复布线结构，为镂空结构。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，隔离片采用聚酰亚胺薄膜材料，隔离片在对应加热体侧壁的透光孔位置开有通光孔。

在上述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，绝热压板采用聚四氟乙烯材料；将绝热压板内侧涂抹导热硅胶后压合在加热槽内的加热片层上，绝热压板在对应加热体侧壁的透光孔位置开有通光孔，绝热压板厚度为1.3-1.7mm。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明中采用一层加热丝层一层聚酰亚胺隔离层的三明治结构，且层数为双数，并需完全重合的粘合，可使电磁很好地相抵消，实现极低的干扰磁场，甚至是无磁环境；

(2)本发明中的每层电加热片上的加热丝采用双线对称式往复布线结构，且相邻两根线丝的电流方向相反，可很好的实现单层加热层内部的电磁相抵消；

(3)本发明中加热体采用纯铝高导热率材料，并采用中空式加热结构，因此采用本发明装置可以实现热原子气室的5个面同时加热，使气室加热效率更高，加热更均匀；

(4)本发明中采用聚四氟乙烯材料制作绝热压板，其绝热性能好，一方面可以很好的绝热保温，防止热量散失，使加热时间变短，有效降低保温过程的功耗；另一方面起到固定的作用，使加热片层更好的与加热体侧面贴合，使加热更加均匀；

(5)本发明采用柔性的薄膜型加热片层，大大减小了发热器件的体积，易于组装与控制，有利于整体产品的小型化和集成化；且其形状具有更多的可塑造性，可适用于多种其他场合，如原子钟、原子磁力仪等仪器装置；

(6)本发明中在加热体内设置温度传感器，可实时监测加热体内部温度，结合外部电学反馈控制部件可实现温度的实时自动补偿与控制，提高原子气室的温度控制稳定度。提高整机系统的自动化程度。

附图说明

图1为本发明的多层无磁加热装置的示意图；

图2为本发明的多层无磁柔性薄膜加热片层的三明治结构爆炸图；

图3为本发明的电加热片的单层加热丝布线结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示的多层无磁加热装置的示意图，由图可知包括加热体1、加热片层2、绝热压板3、温度传感器4、孔5和待加热原子气室6；本发明中加热体1不限于截面为四边形的柱体结构，本实施例中采用四边形的柱体结构；其中加热体1位于加热装置的中心位置，且加热体1的顶部中心位置开设有方孔101；所述加热体1四个侧面设置加热槽102，加热片层2固定放置在所述加热槽102内；在所述加热体1四个侧面的中心位置分别设置透光孔103，共四个透光孔103；绝热压板3设置在加热片层2的外侧，也放置于加热槽102内；温度传感器4插于加热体1顶部内的孔5中，其中孔5为圆形，将温度传感器4放进孔5后在孔5中会涂满导热硅胶，待加热原子气室6放置在方孔101中。

所述加热槽102槽深为2-3mm，本实施例中加热槽102槽深为2.5mm。

所述四个透光孔103彼此垂直相交，直径为4-5mm，透光孔103的交点与待加热原子气室6的中心重合，本实施例中透光孔103直径为4.5mm。

所述方孔101深度为14-16mm，边长为4-4.4mm，本实施例中方孔101深度为15mm，边长为4.2mm。

加热体1上设置一些安装孔7用于将加热体1固定在外部核磁共振陀螺仪整机上。

所述加热体1采用无磁高导热率材料；温度传感器4采用无磁材料；加热片层2采用无磁材料，加热片层2由n层电加热片8和n+1层隔离片9组成，相邻两层隔离9片间放置一层电加热片8，每层电加热片8布线结构相同，粘合时需精确重合。

所述加热体1采用无磁高导热率材料；温度传感器4采用无磁材料。

所述绝热压板3采用聚四氟乙烯材料；将绝热压板3内侧涂抹导热硅胶后压合在加热槽102内的加热片层2上，绝热压板3在对应加热体1侧壁的透光孔103位置开有通光孔，绝热压板3厚度为1.3-1.7mm，本实施例中绝热压板3厚度为1.5mm。

其中，加热体1为中心开设有中空腔体的长方体，并且所述长方体的一侧开设有方孔101，便于将待加热的原子气室放入加热体1的中空腔体内，加热时可以实现对原子气室四个侧面和底面的同时加热，使的气室加热效率更高。本实施例中加热体1采用纯铝材料，导热率很高。根据材料热阻λ的计算公式可知，本发明中由于加热体采用了导热率高的材料，产生的热阻小，因此温度分布梯度小，热均匀性好。其中，材料热阻的计算公式如下：

λ＝l/kA_T(1)

其中，l为导热厚度，A_T为导热面积，k为导热系数。

图2所示为多层无磁柔性薄膜加热片层的三明治结构示意图，由图可知，加热片层2采用无磁材料，加热片层2由n层电加热片8和n+1层隔离片9组成，相邻两层隔离片9间放置一层电加热片8，每层电加热片8布线结构相同，粘合时需精确重合，走线具有对称性，以增大电加热片8阻值，提高加热功率，相邻两条加热丝内的电流方向相反，单片即具有一定的电磁抵消效果。所述n为3-5，本实施例中n为4；

隔离片9采用聚酰亚胺薄膜材料，隔离片9在对应加热体1侧壁的透光孔103位置开有通光孔。

本发明中采用一层加热丝层一层聚酰亚胺隔离层的三明治结构，且层数为双数，并需完全重合的粘合，可使电磁很好地相抵消，实现极低的干扰磁场，甚至是无磁环境。

图3所示为电加热片8的单层加热丝布线结构示意图，由图可知，电加热片8采用柔性薄膜材料，电加热片8上的加热丝采用双线对称式往复布线结构，为镂空结构。单层加热丝层布线采用双线来回结构，且相邻两根线丝的电流方向相反，可很好的实现单层电加热片8内部的电磁相互抵消。

在本发明中电加热片8内的加热丝采用镍铬合金，这种材料导磁率低，不会发生磁化。已知产热率与电导率之间的关系表述如下：

E＝I²ρ/A²(2)

其中，I为电流，ρ为电阻率，A为电热丝横截面积。而电流周围产生的磁场可简单表述如下：

B＝μ₀I/2R(3)

其中，μ0＝4π×10-3H/m，I为电流，R为距离导线的距离。由于加热丝的电导率高，同样的加热功率对应的加热电流小，因此根据电流与磁场的关系可见，减小了加热电流也就等于减少了加热磁场。

本发明中绝热压板3采用聚四氟乙烯材料，具有良好的隔热保温作用，防止热量扩散，加快加热过程；将绝热压板3内侧抹上导热硅胶后压在粘合在加热体1加热槽102内的加热片层2上，可使加热片层2与加热体1的加热槽102面更好的贴合，受热均匀。绝热压板3在相应位置开有通光孔。

本发明中在加热体内设置温度传感器，可实时监测加热体内部温度，结合外部电学反馈控制部件可实现温度的实时自动补偿与控制，提高原子气室的温度控制稳定度。提高整机系统的自动化程度。

本发明采用柔性的薄膜型加热片层2，大大减小了发热器件的体积，易于组装与控制，有利于整体产品的小型化和集成化；且其形状具有更多的可塑造性，可适用于多种其他场合，如原子钟、原子磁力仪等仪器装置。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：包括加热体(1)、加热片层(2)、绝热压板(3)、温度传感器(4)和待加热原子气室(6)；其中加热体(1)位于加热装置的中心位置，且加热体(1)的顶部中心位置开设有方孔(101)；所述加热体(1)每个侧面设置加热槽(102)，加热片层(2)固定放置在所述加热槽(102)内；加热槽(102)的中心位置分别设置透光孔(103)；绝热压板(3)设置在加热片层(2)的外侧，也放置于加热槽(102)内；加热体(1)的顶部设置孔(5)，温度传感器(4)插于加热体(1)顶部内的孔(5)中，待加热原子气室(6)放置在方孔(101)中。

2.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：所述加热槽(102)槽深为2-3mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：所述透光孔(103)在同一平面内彼此相交，直径为4-5mm，透光孔(103)的交点与待加热原子气室(6)的中心重合。

4.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：所述方孔(101)深度为14-16mm，边长为4-4.4mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：加热体(1)上设置安装孔(7)用于将加热体(1)固定在外部核磁共振陀螺仪整机上。

6.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：所述加热体(1)采用无磁高导热率材料；温度传感器(4)采用无磁材料；加热片层(2)采用无磁材料，加热片层(2)由n层电加热片(8)和n+1层隔离片(9)组成，相邻两层隔离片(9)间放置一层电加热片(8)，每层电加热片(8)布线结构相同，粘合时需精确重合。

7.根据权利要求6所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：所述n为3-5；电加热片(8)采用柔性薄膜材料，电加热片(8)上的加热丝采用双线对称式往复布线结构，为镂空结构。

8.根据权利要求6所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：隔离片采用聚酰亚胺薄膜材料，隔离片(9)在对应加热体(1)侧壁的透光孔(103)位置开有通光孔。

9.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的多层无磁加热装置，其特征在于：绝热压板(3)采用聚四氟乙烯材料；将绝热压板内侧涂抹导热硅胶后压合在加热槽(102)内的加热片层(2)上，绝热压板(3)在对应加热体(1)侧壁的透光孔(103)位置开有通光孔，绝热压板(3)厚度为1.3-1.7mm。