一种气室加热系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种气室加热系统及方法，该系统包括气室、加热单元和温控单元。其中，加热单元、温控单元相互连接，加热单元与气室相互连接，实现气室加热和温度闭环控制。该系统的核心是加热单元，由透明导电材料通过微纳加工工艺制作，可实现控磁均匀加热，温度梯度小，为基于气体原子的量子技术提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种气室加热系统及方法
本专利技术可用于量子传感测量领域的控磁、透光、均匀气室加热，具体涉及一种气室温控加热系统。
技术介绍
高温加热碱金属气室是原子磁强计和原子自旋陀螺仪等量子传感测量领域的敏感元件，控磁对整体装置的灵敏度提高很关键。传统的贴加热膜和烤箱加热会造成受热不均匀，热梯度大从而局部低温碱金属凝华，进而透光性下降，增加光吸收调控温度的误差，影响光学抽运和测量。这些方法包括，Quspin气室加热，加热膜和铂电阻贴片加热，烤箱加热和热吹风对流加热等方法。这些技术的主要问题，热气流加热扰动巨大，体积庞大；烤箱间断式加热，测量不连续；加热膜不均匀且控磁较复杂；激光加热功率小。
技术实现思路
本专利技术目的为：提供了一种气室加热方法及系统，利用气室的控磁加热和温控反馈技术。根据本专利技术的一个实施例，提供了一种气室加热方法及系统，该系统包括：气室、加热单元和温控单元，其中：所述气室可以为外形具有平面结构的气室，包括但不限于方形玻璃气室，可固定于支撑体上；所述加热单元，由透明导电材料通过微纳加工工艺制作于气室外表面；所述的温控单元与加热单元相连，包括测温装置和温度反馈控制装置温控反馈电路，实现温度的闭环控制，其中电路模块可以集成；其中，气室的特征在于外形含有一个或多个平面，内部可充气，包括但不限于下述组成：玻璃泡、碱金属原子填充物，其中，玻璃泡由气室和气柄组成，通过外部加热使得内部碱金属气体达到饱和蒸汽压，是利用碱金属原子自旋的精细能级结构、电子自旋极化以及核自旋与磁场耦合规律作为测量的敏感机理，该气室作为敏感元件进行精密测量。其中，加热单元的特征在于透光良好，加热均匀。加热单元包括：透明导电材料制成的电阻、透明绝缘材料、供电部分等，其中，透明导电材料包括但不限于ITO(氧化铟锡)材料，透明绝缘材料包括但不限于氮化硅或二氧化硅。透明导电材料通过包括但不限于蒸镀，光刻的微纳加工方式实现加热电阻的布置。该加热系统主要作用为利用透明导电材料的热效应，通过微纳加工工艺在气室外表面的进行导电材料的均匀布线，从而实现对气室的均匀加热，有效减小气体的温度梯度。为了控磁可以使用包括但不限于对绕方式的处理。此外利用透明导电材料的高透光率和微纳加工工艺的设计，从一定程度上解决目前由于升温后降温，碱金属凝固在通光处(该处没有加热，温度较低)造成挡光的现象，消除阻碍气室的透光率提高的主要因素。透明导电材料制成的电阻布置包括两层，两层形状相同，中间利用透明绝缘材料布置绝缘层，通过设计走线等方式实现控磁。其中，温控单元的特征在于控制气室温度稳定。温控单元包括：测温装置和温度反馈控制装置，其中测温装置包括但不限于铂电阻温度探测器，温度反馈控制装置的硬件实现包括但不限于铂电阻温度探测器，温度反馈控制装置的硬件实现包括但不限于印刷电路板(PCB)，软件算法包括但不限于PID控制算法。其中，各组成部分电路相互连接，测温装置与所述的温度反馈控制装置、加热元件和供电部分连接，该光路系统主要作用为气室的温度进行检测，并且利用负反馈电路控制电源的输出电流进行气室温度的闭环控制，保证气室温度稳定。本专利技术与现有技术相比的优点在于：通过包括但不限于图2和图3所示的两种微纳加工工艺制作的透明导电材料走线方式对气室进行控磁加热(其中的回路数量，比例不局限于此，形状尺寸仅用于示意)，透明导电材料的透光性良好，设计时不必考虑光路，使用更加简单易行。其次，能够全覆盖气室外表面进行加热，也可以特异性的改变温度空间分布，并且由于各处电流相同，透明导电材料的热效应基本一致，因而能够对内部的气体进行更均匀的加热，避免了因加热不均匀碱金属凝固在通光处，并且有效减小温度空间分布不均造成的温度梯度。利用加热丝双绞对绕和双层结构的特点，可以将透明导电材料中电流产生的磁场相反方向抵消的效果，上下层导电材料布线利用引脚标志来对齐，加热过程控制低于皮特量级，可实现气室的控磁电加热。另外，由于微纳加工工艺下透明导电材料和气室结合在一起，在进行小型化和微型化研究中应用本专利技术，由于不需要任何外部加热设备，气室的体积可以极大地缩小且加热效果突出，便于集成化装配生产。在精密测量领域使用本专利技术加热气室，提高了均匀性，降低了热梯度，提高了透光性，从而提高测量灵敏度和精度，便于集成，扩展了应用范围。附图说明图1为本专利技术一个实施例提供的一种气室加热系统的基本结构示意图；图2为本专利技术一个实施例提供的加热单元中单层透明导电材料的一种布线的示意图；图3为本专利技术一个实施例提供的加热单元中单层透明导电材料的另一种布线的示意图；图4为本专利技术一个实施例提供的气室加热单元剖面示意图；图5为本专利技术一个实施例提供的一种气室加热方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。图1为本专利技术一个实施例提供的一种气室加热系统的基本结构示意图，该系统必要技术核心包括：气室101、加热单元102，测温装置103和温度反馈控制装置104。其中，所述气室101可以为外形具有平面结构的气室，由固定装置固定于平台；所述加热单元102由透明导电材料通过微纳加工工艺制作于气室外表面。其中，加热单元包括：透明导电材料制成的电阻、透明绝缘材料、供电部分等，其中，透明导电材料包括但不限于ITO(氧化铟锡)材料，透明绝缘材料包括但不限于氮化硅或二氧化硅。透明导电材料通过包括但不限于蒸镀，光刻的微纳加工方式实现加热电阻的布置；所述的温控单元包括测温装置103和温度反馈控制装置104。其中测温装置包括但不限于铂电阻温度探测器，温度反馈控制装置的硬件实现包括但不限于铂电阻温度探测器，温度反馈控制装置的硬件实现包括但不限于印刷电路板(PCB)，软件算法包括但不限于PID控制算法；在精密测量领域使用本专利技术加热气室，提高了均匀性，降低了热梯度，提高了透光性，从而提高测量灵敏度和精度，便于集成，扩展了应用范围。作为一种选择，气室表面微纳加工透明导电材料采用加热丝双绞对绕的方式，可以将透明导电材料中电流产生的磁场进行控制。图2为本专利技术一个实施例提供的加热单元中的透明导电材料一种布线的示意图，其中A引脚201与电源正极相连，B引脚202与电源负极相连，电流沿透明导电材料一203从A引脚201单向流过后返回到B引脚202，其等效方块电阻的生热为气室加热。作为一种选择，气室表面微纳加工透明导电材料采用加热丝双绞对绕的方式，可以透明导电材料中电流产生的磁场实现控制。图3为本专利技术一个实施例提供的加热单元中的透明导电材料的另一种布线的示意图，其中C引脚301与电源正极相连，D引脚302与电源负极相连，电流沿透明导电材料二303从C引脚301单向流过后返回到D引脚302，其等效方块电阻的生热为气室加热。作为一种选择，加热单元可以用可调电阻完成电流可调的回路，将透明导电材料至于该回路作为负载，使用可调电阻与加热单元并联，控制加热电流。作为一种选择，测温装置和温度反馈控制装置组合在一起可以闭环控制气室温度，利用测温装置检测温度，然后反馈到温度反馈控制装置，提高或者降低加热元件中流过的电流。通过温度检测装置连接到PID控制模块，将输出信号放大后交流调制，驱动加热模块，最终形成上下层电流相反的闭合加热和温控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气室加热系统，其特征在于：该系统包括：气室、加热单元和温控单元，其中：所述加热单元，由透明导电材料通过微纳加工工艺制作于气室外表面；所述的温控单元与加热单元相连，包括测温装置和温度反馈控制装置，实现温度的闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种气室加热系统，其特征在于：该系统包括：气室、加热单元和温控单元，其中：所述加热单元，由透明导电材料通过微纳加工工艺制作于气室外表面；所述的温控单元与加热单元相连，包括测温装置和温度反馈控制装置，实现温度的闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种气室加热系统，其特征在于：加热单元包括：透明导电材料制成的电阻、透明绝缘材料、供电部分，其中，透明导电材料包括但不限于ITO(氧化铟锡)材料，透明绝缘材料包括但不限于氮化硅或二氧化硅，透明导电材料通过包括但不限于蒸镀，光刻的微纳加工方式实现加热电阻的布置。3.根据权利要求1或2所述的一种气室加热系统，其特征在于：透明导电材料制成的电阻布置包括两层，两层形状相同，中间利用透明绝缘材料布置绝缘层，两层电阻施加的电流方向相反，产生控磁效果。4.根据权利要求1或2所述的一种气室加热系统，其特征在于：其中测温装置包括但不限于铂电阻温度探测器，温度反馈控制装置的硬件实现包括但不限于印刷电路板(PCB)，软件算法包括但不限于PID控制算法。5.一种气室加热方法，基于权利要求1-4任一项所述的气室加热系...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁珩，姜尚韬，柳治，张宁，刘禹辰，韩志强，陈禄，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11