CN107844146A - 一种基于金刚石nv电子自旋的高精度无磁温控装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，由实验舱、温度调控箱和冷却压缩机组成。冷却压缩机将冷液在开关阀的控制下，将冷液流入安置于温度调控箱上下两侧的两个环形冷却管中，对温度调控箱内的循环液体进行冷却，加热网安装于两个环形冷却管之间由箱体内部两侧的固定块来进行固定，使用固定于箱体内部下方的两个潜水泵对温度调控箱内部液体进行循环，并由PT100热电阻实时检测温度调控箱内部的温度；由潜水泵将调配好温度的液体经过入液管进入安置于磁屏蔽筒中的恒温实验台，恒温实验台采用无磁导热铜块组合而成，进行高效温度传递，并由安置于恒温实验台上的无磁PT100热电阻实时检测，保证了实验台的温度恒定，采用温度动态平衡提高控制精度。

Description

一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置
技术领域
本发明属于量子无磁温控领域，涉及一种高精度无磁温控装置，更具体是涉及一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置。
背景技术
随着科技的不断前进，精密磁测量已经成为了现阶段的一个研究热点。为了得到更高灵敏度的磁信息，我们需要对各个可以实现磁信息测量的工具进行研究、对比，以得到最优化的精密测量工具并应用于各研究领域中。而现阶段，为了得到高灵敏度的磁信息检测，研究者们已经将重心转移到了利用电子自旋进行的磁信息检测的研究和控制。目前针对各种类型精密磁信息测量系统中存在的使用环境要求高，系统稳定性不高等问题，开展了利用金刚石NV色心电子自旋进行磁信息测量的基础研究，期望为未来的基于NV色心电子自旋的高灵敏度原子磁强计的应用奠定基础。
目前针对于温度对金刚石NV色心电子自旋的影响的研究也在不断推进的过程中，但温度对金刚石NV色心电子自旋的研究与无磁环境分割开了，目前针对于无磁环境下温度对金刚石NV色心的研究仍有许多空白需要补充。对于无磁高精度温度调控下金刚石NV色心电子自旋的研究受到实验条件及实验设备的限制无法做到较为精准的实验。
发明内容
本发明的目的是为了实现无磁并且温度可调控条件下金刚石NV色心电子自旋的研究而设计的一个专用实验台，提供了一个进行磁屏蔽并且在不引入磁干扰的情况下对金刚石周围温度进行精准调控的实验装置。
本发明巧妙的采用了多层坡莫合金制作而成的磁屏蔽筒、无磁导热铜块和无磁PT100热电阻结合的无磁温度反馈调节机制，在磁屏蔽的条件下对温度进行感知和调节；另一方面进行温度调节采用了间接动态调温配合外置的加热与制冷机制，在避免引入磁干扰的情况下对温度进行高精度的调控，在量子实现无磁温控领域具有开创性突破。
为了达到上述目的，本发明实现目的所采用的技术方案为：
一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，包括实验舱、温度调控箱和冷却压缩机；
所述实验舱包括2个端盖，磁屏蔽筒，实验座，舱体固定架，恒温实验台，入液管和出液管；其中所述磁屏蔽筒采用两端的端盖进行封装，并安装于其下方的2个舱体固定架的环形槽中，磁屏蔽筒由多层圆柱形坡莫合金叠加而成，实验座固定于磁屏蔽筒内层中央，恒温实验台安置于实验座中心的方形槽内；恒温实验台包括2个无磁导热铜块，密封接口，密封条和无磁PT100热电阻；所述无磁导热铜块由无磁铜块加工而成，其中心有让液体流通的槽，在槽两侧留有让密封条进行密封固定的条形槽，上下两块无磁导热铜块通过螺栓进行固定并由密封条进行密封，无磁导热铜块的两端连接密封接口，并由密封接口分别连接入液管和出液管；
所述温度调控箱包括主冷却管，环形冷却管，加热网，PT100热电阻，潜水泵，开关阀和箱体；所述主冷却管与冷却压缩机相连，并由开关阀控制冷液流入两个环形冷却管，两个环形冷却管分别安装在箱体内部上下两侧，加热网固定于两个环形冷却管之间，箱体内还固定有潜水泵用于进行箱体内部的液体循环，箱体内安装的PT100热电阻保持其箱体内部液体温度恒定，箱体外一端还安装有潜水泵，用于控制箱体内液体流入入液管进行温度调控，出液管连接在箱体上。
本发明的基于热传导与热对流的高效无磁温控装置的工作方法，具体是：
所述冷却压缩机将冷液传入开关阀，控制其流入安置于温度调控箱上下两侧的两个环形冷却管中，对温度调控箱内的循环液体进行冷却，加热网安装于两个环形冷却管之间，使用固定于箱体内部下方的潜水泵对温度调控箱内部液体进行循环，并由PT100热电阻实时检测温度调控箱内部的温度，使得其温度达到设定温度+补偿温度，以对磁屏蔽筒内的温度进行补偿并保持其恒定。再由箱体一端潜水泵将调配好温度的液体经过入液管进入安置于磁屏蔽筒中的恒温实验台，恒温实验台采用无磁导热铜块组合而成，进行高效温度传递，并由安置于恒温实验台上的无磁PT100热电阻实时检测，以此实现温度动态平衡调控，控制温度调控箱内的加热网的加热量保持流经恒温实验台的温度恒定，对其进行温度补偿以实现高精度和高稳定性的动态平衡。
上述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，恒温实验台通过安装于其两侧的4个角铁来进行螺栓固定。
上述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，在密封接口与无磁导热铜块连接处分别安装有密封垫圈。
上述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，加热网由箱体内部两侧的固定块固定。
上述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，箱体上安装有单向阀，用于控制出液管与箱体内液体流动方向。
本发明较现有技术所具有的特点和有益效果主要是：
1、本发明巧妙的将加热与制冷外置于磁屏蔽筒，避免了加热与制冷在其内部引入的磁干扰，影响设备的磁屏蔽效果。
2、本发明采用无磁导热铜块配合温度动态平衡技术，实现了实验舱内温度的动态平衡，并在磁屏蔽筒内部仅仅是热传递进行了磁屏蔽和温度高精度调控。
3、本发明采用了温度调控箱间接温度调控技术，采用了箱体内温度循环以及实验舱内部温度补偿技术，并采用加热补偿制冷平衡方式，实现了温度控制的智能化与高精度化。
4、本发明是为金刚石NV电子自旋测量实验系统所设计的一种高精度无磁温控装置，营造的无磁环境保障了实验的顺利进行，并确保了实验温度的稳定性，为金刚石NV电子自旋测量奠定了基础，并对相类似的需要无磁温控的实验提供了参考。
附图说明
图1为本发明一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置整体示意图。
图2为本发明一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置主视图。
图3为本发明一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置俯视图。
图4为本发明所设计的流体管道系统图。
图5为本发明所设计的恒温实验台示意图。
图6为本发明所设计的温度调控箱主视图。
图7为本发明所设计的温度调控箱俯视图。
图中：1-实验舱；2-温度调控箱；3-冷却压缩机。
1-1-端盖；1-2-磁屏蔽筒；1-3-实验座；1-4-舱体固定座；1-5-角铁；1-6-恒温实验台；1-7-入液管；1-8-出液管。
1-6-1-无磁导热铜块；1-6-2-密封接口；1-6-3-密封条；1-6-4-密封垫圈；1-6-5-无磁PT100热电阻。
2-1-主冷却管；2-2-环形冷却管；2-3-加热网；2-4-PT100热电阻；2-5-固定块；2-6-潜水泵；2-7-单向阀；2-8-开关阀；2-9-箱体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。
如附图1到图4所示，为本发明的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置及其流体管道系统，主要由实验舱1、温度调控箱2和冷却压缩机3构成。
所述实验舱1，由2个端盖1-1，磁屏蔽筒1-2，实验座1-3，2个舱体固定架1-4,4个角铁1-5，恒温实验台1-6，入液管1-7，出液管1-8组成。
其中所述磁屏蔽筒1-2采用两端的端盖1-1进行封装，并安装于其下方的2个舱体固定架1-4的环形槽中，磁屏蔽筒1-2由多层圆柱形坡莫合金叠加而成，实验座1-3固定于磁屏蔽筒1-2内层中央，恒温实验台1-6安置于实验座1-3中心的方形槽内，通过安装于其两侧的4个角铁1-5来进行螺栓固定，恒温实验台1-6两侧分别连接有入液管1-7和出液管1-8。
如附图5所示，为本发明所设计的恒温实验台1-6由2个无磁导热铜块1-6-1，2个密封接口1-6-2，2个密封条1-6-3，2个密封垫圈1-6-4和2个无磁PT100热电阻1-6-5组成。
所述无磁导热铜块1-6-1由无磁铜块加工而成，其中心有让液体流过的槽，在其槽两侧留有让密封条1-6-3进行密封固定的条形槽，上下两块无磁导热铜块1-6-1通过螺栓进行固定并由密封条1-6-3进行密封，无磁导热铜块1-6-1的两端各有孔用于连接密封接口1-6-2，并由密封接口1-6-2分别连接入液管1-7和出液管1-8，在密封接口1-6-2与无磁导热铜块1-6-1连接处分别安装有密封垫圈1-6-4。
液体流过无磁导热铜块，对恒温实验台进行温度补偿。使得恒温实验台流失的热能得以补充，或者由外界得到的热能得以传走，保持恒温实验台温度恒定。
如附图6和图7所示，为本发明所设计的温度调控箱2由2根主冷却管2-1，2个环形冷却管2-2，加热网2-3，多个PT100热电阻2-4，2个固定块2-5，3个潜水泵2-6，单向阀2-7，开关阀2-8，箱体2-9组成。
所述主冷却管2-1与冷却压缩机3相连，并由开关阀2-8控制冷液流入两个环形冷却管2-2，两个环形冷却管2-2分别安装在箱体2-9内部上下两侧，加热网2-3由箱体2-9内部两侧的固定块2-5固定于两个环形冷却管2-2之间。温度调控箱2使用其下方的两个潜水泵2-6进行箱体2-9内部的液体循环，配合安装的PT100热电阻2-4保持其箱体2-9内部液体温度恒定，由安装于其一端的潜水泵2-6控制其液体流入入液管1-7进行温度调控。
所述冷却压缩机产生的冷液在开关阀的控制下进入安置于温度调控箱上下两侧的两个环形冷却管中，对温度调控箱内的循环液体进行冷却，加热网安装于两个环形冷却管之间由箱体内部两侧的固定块来进行固定，使用固定于箱体内部下方的两个潜水泵对温度调控箱内部液体进行循环，并由PT100热电阻实时检测温度调控箱内部的温度，使得温度调控箱内温度为设定温度+补偿温度。温度调控箱采用间接传热方式，一方面温度调控箱采用了间接调温方式，另一方面，将加热与制冷外置于磁屏蔽筒，避免了加热制冷引入的磁干扰，提高了系统的磁屏蔽性能，且做到了实验温度的保持恒定。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，其特征在于包括实验舱（1）、温度调控箱（2）和冷却压缩机（3）；
所述实验舱（1）包括2个端盖（1-1），磁屏蔽筒（1-2），实验座（1-3），2个舱体固定架（1-4），恒温实验台（1-6），入液管（1-7）和出液管（1-8）；其中所述磁屏蔽筒（1-2）采用两端的端盖（1-1）进行封装，并安装于其下方的舱体固定架（1-4）的环形槽中，磁屏蔽筒（1-2）由多层圆柱形坡莫合金叠加而成，实验座（1-3）固定于磁屏蔽筒（1-2）内层中央，恒温实验台（1-6）安置于实验座（1-3）中心的方形槽内；恒温实验台（1-6）包括2个无磁导热铜块（1-6-1），密封接口（1-6-2），密封条（1-6-3）和无磁PT100热电阻（1-6-5）；所述无磁导热铜块（1-6-1）由无磁铜块加工而成，其中心有让液体流过的槽，在槽两侧留有让密封条（1-6-3）进行密封固定的条形槽，上下两块无磁导热铜块（1-6-1）通过螺栓进行固定并由密封条（1-6-3）进行密封，无磁导热铜块（1-6-1）的两端连接密封接口（1-6-2），并由密封接口（1-6-2）分别连接入液管（1-7）和出液管（1-8）；
所述温度调控箱（2）包括主冷却管（2-1），环形冷却管（2-2），加热网（2-3），PT100热电阻（2-4），潜水泵（2-6），单向阀（2-7），开关阀（2-8）和箱体（2-9）；所述主冷却管（2-1）与冷却压缩机（3）相连，并由开关阀（2-8）控制冷液流入两个环形冷却管（2-2），两个环形冷却管（2-2）分别安装在箱体（2-9）内部上下两侧，加热网（2-3）固定于两个环形冷却管（2-2）之间，箱体（2-9）内还固定有潜水泵（2-6）用于进行箱体（2-9）内部的液体循环，箱体（2-9）内安装的PT100热电阻（2-4）保持其箱体（2-9）内部液体温度恒定，箱体（2-9）外一端还安装有潜水泵（2-6），用于控制箱体内液体流入入液管（1-7）进行温度调控，出液管（1-8）连接在箱体（2-9）上。
2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，其特征在于恒温实验台（1-6）通过安装于其两侧的4个角铁（1-5）来进行螺栓固定。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，其特征在于在密封接口（1-6-2）与无磁导热铜块（1-6-1）连接处分别安装有密封垫圈（1-6-4）。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，其特征在于加热网（2-3）由箱体（2-9）内部两侧的固定块（2-5）固定。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于金刚石NV电子自旋的高精度无磁温控装置，其特征在于箱体（2-9）上安装有单向阀（2-7），用于控制出液管（1-8）与箱体内液体流动方向。
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