郝杰鵬，周斌權(quán)

(1.慣性技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191； 2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

堿金屬氣室無(wú)磁電加熱技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝杰鵬1,2，周斌權(quán)1,2

(1.慣性技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191； 2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

基于量子精密測(cè)量的原子自旋陀螺儀具有高精度、小體積、低成本等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)陀螺儀的發(fā)展方向;原子自旋陀螺儀的核心部件是承載原子自旋的堿金屬氣室;堿金屬氣室加熱溫度的穩(wěn)定性是決定原子自旋陀螺儀精度和靈敏度的重要因素之一;同時(shí)，原子自旋陀螺儀的高靈敏度使其對(duì)磁場(chǎng)噪聲極其敏感，因此要求加熱過(guò)程不能引入額外的磁場(chǎng)干擾;針對(duì)以上要求，對(duì)原子自旋陀螺儀的無(wú)磁電加熱技術(shù)進(jìn)行了研究;設(shè)計(jì)并搭建了以Pt1000作為溫度傳感器，雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)的加熱膜作為加熱元件，結(jié)合源測(cè)量單元、數(shù)據(jù)采集板卡、正弦波信號(hào)發(fā)生電路、驅(qū)動(dòng)電路以及LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)成的無(wú)磁電加熱系統(tǒng);通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)引入的等效干擾磁場(chǎng)優(yōu)于15 fT/Hz1/2，氣室溫度短期穩(wěn)定度優(yōu)于±5 mK，長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于±10 mK，為原子自旋陀螺儀的性能提升提供了可靠保障。

原子自旋陀螺儀；堿金屬氣室；無(wú)磁加熱；磁場(chǎng)噪聲；正弦波

0 引言

陀螺儀是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)的核心部件，陀螺儀的精度直接影響導(dǎo)航精度。近年來(lái)，隨著人類對(duì)原子自旋所具有的精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)和能級(jí)躍遷量子化等特點(diǎn)認(rèn)識(shí)的不斷深入，以原子自旋作為敏感介質(zhì)的一些器件得到快速發(fā)展，人類獲得了前所未有的精密測(cè)量能力[1-2]。原子自旋陀螺儀作為原子自旋器件的重要分支，被認(rèn)為是未來(lái)高精度、小體積陀螺儀的發(fā)展方向[3-5]。

堿金屬氣室不僅是原子自旋陀螺儀的核心部件之一，而且也是承載原子自旋的敏感表頭。依據(jù)原子自旋陀螺儀的工作原理，氣室內(nèi)的堿金屬原子必須達(dá)到較高的密度，因此需要對(duì)氣室進(jìn)行高溫加熱，以達(dá)到要求的飽和蒸汽壓[3]。不同堿金屬所需的加熱溫度不同，通常為100～200℃之間[4-5]。堿金屬氣室溫度的變化會(huì)導(dǎo)致原子弛豫以及檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度隨之變化，因而，為了保證原子自旋陀螺儀的性能，必須對(duì)堿金屬氣室的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。原子自旋陀螺儀具有高靈敏度，對(duì)磁場(chǎng)噪聲極其敏感，所以要求加熱不能引入額外的干擾磁場(chǎng)[6]。因此，研究堿金屬氣室低磁場(chǎng)噪聲，高穩(wěn)定性的加熱技術(shù)對(duì)提高原子自旋陀螺儀的性能意義重大。

國(guó)內(nèi)外常用的加熱方式氣流加熱、間斷式電加熱、高頻電加熱和激光加熱等4種[7]。氣流加熱方式不會(huì)引入磁場(chǎng)干擾，但是溫度穩(wěn)定性不高，氣流擾動(dòng)較大，加熱均勻性不好，且不易集成；間斷式加熱方式實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，但是需要加熱和測(cè)量間斷進(jìn)行，不能連續(xù)測(cè)量，因此會(huì)影響測(cè)量帶寬，且溫度穩(wěn)定性不高；激光加熱方式也不會(huì)引入磁場(chǎng)干擾，但是出于安全考慮，加熱功率一般不大，不適用于加熱功率大的場(chǎng)合；高頻電加熱方式雖然實(shí)現(xiàn)方式較其它3種復(fù)雜，但其溫控精度高，溫度穩(wěn)定性高，并且通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)和磁場(chǎng)抵消設(shè)計(jì)可基本消除由加熱引入的磁場(chǎng)干擾[8]。

基于以上原因，設(shè)計(jì)的無(wú)磁電加熱系統(tǒng)具有溫控穩(wěn)定性高，引入干擾磁場(chǎng)也低的特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)引入的等效干擾磁場(chǎng)優(yōu)于15 fT/Hz1/2，堿金屬氣室加熱溫度短時(shí)間(2小時(shí))內(nèi)穩(wěn)定在±5 mK，長(zhǎng)時(shí)間(20小時(shí))內(nèi)穩(wěn)定在±10 mK，為原子自旋陀螺儀的性能提升提供了可靠保障。

1 堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)原子自旋陀螺儀的工作要求設(shè)計(jì)的堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

工作流程如下：溫度傳感器將堿金屬氣室的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；源測(cè)量單元將包含溫度信號(hào)的電信號(hào)采集并傳送至LabVIEW軟件平臺(tái)；在LabVIEW軟件平臺(tái)計(jì)算出堿金屬氣室的溫度，與設(shè)定溫度比較，經(jīng)PID控制算法處理得到溫度控制量；傳送溫度控制量至多功能數(shù)據(jù)采集板卡；對(duì)應(yīng)于控制量，多功能數(shù)據(jù)采集板卡輸出-5～5 V的直流電壓信號(hào)；該直流電壓信號(hào)對(duì)正弦波信號(hào)發(fā)生電路生成的高頻正弦波進(jìn)行幅度調(diào)制；調(diào)制后的高頻正弦波控制信號(hào)經(jīng)加熱膜驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)加熱膜實(shí)現(xiàn)加熱。

圖1 無(wú)磁電加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 溫度傳感器選擇與溫度測(cè)量原理

鉑熱電阻具有測(cè)量精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)[9]，符合堿金屬氣室溫度測(cè)量對(duì)溫度傳感器的要求，因此鉑熱電阻適合作為堿金屬氣室溫度測(cè)量傳感器。使用鉑熱電阻測(cè)量溫度時(shí)必定會(huì)有電流通入，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律(Biot-Savart Law)，導(dǎo)體有電流通過(guò)必然會(huì)引起磁場(chǎng)的變化。為了使溫度測(cè)量引入的磁場(chǎng)變化盡可能小，應(yīng)當(dāng)盡量減小通入的測(cè)量電流。工業(yè)上常用的鉑熱電阻有Pt100和Pt1000等。Pt100的電阻變化率為0.3851Ω/℃，而Pt1000的電阻變化率為3.851Ω/℃。顯然，在相同的電流激勵(lì)情況下，變化相同的環(huán)境溫度，Pt1000對(duì)應(yīng)的電信號(hào)變化量遠(yuǎn)大于Pt100。因此，在相同的測(cè)量精度下，使用電阻變化率較大的Pt1000作為溫度傳感器可以使通入的電流更小。為了避免鉑熱電阻自身剩磁引入磁場(chǎng)干擾，使用了定制的接線端無(wú)磁性的薄膜鉑熱電阻Pt1000作為堿金屬氣室溫度傳感器。

將鉑熱電阻的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的方式通常有兩種：電橋法和恒流源法。采用電橋法轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)與鉑熱電阻阻值的變化呈非線性關(guān)系，從而使測(cè)溫算法變得復(fù)雜。此外，電橋法需要匹配多個(gè)電阻，因而會(huì)在測(cè)量中引入系統(tǒng)誤差。恒流源法轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)與鉑熱電阻阻值的變化呈線性關(guān)系，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度測(cè)量精度[10]。除此之外，利用恒定電流測(cè)量，溫度測(cè)量過(guò)程引入的干擾磁場(chǎng)是一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，而恒定磁場(chǎng)可以采用主動(dòng)磁補(bǔ)償技術(shù)將其消除[11]。基于以上兩點(diǎn)原因，選用了恒流源法進(jìn)行鉑熱電阻測(cè)量信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

由前文可知，堿金屬氣室加熱溫度的穩(wěn)定度直接決定了原子自旋陀螺儀的性能。為了實(shí)現(xiàn)加熱溫度控制的高穩(wěn)定性，溫度測(cè)量部分必須有足夠高的分辨率，如此才能敏感到盡可能小的溫度變化，進(jìn)而對(duì)溫度變化迅速做出調(diào)整。為了保證溫度測(cè)量的高分辨率，選用了具有高精度、高分辨率、高穩(wěn)定性的源測(cè)量單元(SMU)與鉑熱電阻Pt1000構(gòu)成堿金屬氣室溫度測(cè)量模塊，溫度測(cè)量模塊原理示意圖如圖2所示。

圖2 溫度測(cè)量模塊原理示意圖

使用源測(cè)量單元對(duì)鉑熱電阻阻值進(jìn)行精確測(cè)量，引入誤差最小的方案是4-線感測(cè)方式。因此，需要將源測(cè)量單元配置為電流源和電壓測(cè)量(IS&VM)模式，即源測(cè)量單元的四個(gè)端子中，兩個(gè)端子配置為恒流源輸出，用以激勵(lì)鉑熱電阻；兩個(gè)端子配置為電壓測(cè)量功能，用以精確測(cè)量在恒流源激勵(lì)下的鉑熱電阻兩端的電壓值。鉑熱電阻的阻值為鉑熱電阻兩端的電壓值與恒流源電流值的比值。根據(jù)鉑熱電阻阻值與溫度的轉(zhuǎn)換函數(shù)即可計(jì)算出當(dāng)前堿金屬氣室的溫度。

將源測(cè)量單元輸出的鉑熱電阻激勵(lì)電流設(shè)置為100 μA(激勵(lì)電流越小，引入的磁場(chǎng)干擾就越小)，將電壓測(cè)量的量程設(shè)置為1 V。此時(shí)，源測(cè)量單元電壓測(cè)量的分辨率為1 μV，對(duì)應(yīng)于電阻測(cè)量的分辨率為1 μV/100 μA=0.01 Ω。因鉑熱電阻Pt1000的電阻變化率為3.851 Ω/℃，所以可以得出，采用的測(cè)溫方法的溫度測(cè)量分辨率優(yōu)于2.6 mK。

1.2 加熱器設(shè)計(jì)與制作

電加熱的主要工作部件是電加熱絲，加熱電流驅(qū)動(dòng)電加熱絲產(chǎn)生熱量。然而，在加熱電流通過(guò)電加熱絲時(shí)，勢(shì)必會(huì)引起磁場(chǎng)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致原子自旋陀螺儀物理表頭的測(cè)量靈敏度下降。為了減小由電加熱引入的干擾磁場(chǎng)，通常將電加熱絲布置為平行鄰近形式，并固定到耐高溫材料基底上，形成加熱薄膜，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(a)所示。在平行并且鄰近的加熱絲中，通過(guò)的電流大小相等、方向相反，因此會(huì)產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)相互抵消，進(jìn)而達(dá)到減小干擾磁場(chǎng)的效果。為了進(jìn)一步減小干擾磁場(chǎng)，還可以將加熱絲對(duì)稱地固定到加熱薄膜的上下層，形成雙層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(b)所示。由于加熱膜層間距離很小，因此干擾磁場(chǎng)相互抵消效果明顯。雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)的加熱膜可以實(shí)現(xiàn)同層磁場(chǎng)相消和層間磁場(chǎng)相消的雙重效果[12]。

圖3 雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)電加熱膜示意圖

根據(jù)以上磁場(chǎng)相消原理設(shè)計(jì)并制作的雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電加熱膜如圖4所示，其采用耐高溫材料作為基底，無(wú)磁的鎳鉻合金絲作為電加熱絲，加熱膜的阻值約為150 Ω。

圖4 雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)電加熱膜

1.3 溫度控制方法與實(shí)現(xiàn)

無(wú)磁電加熱系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單可靠的PID控制方法，由LabVIEW軟件平臺(tái)中的PID控制工具包結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集板搭建而成。

無(wú)磁電加熱系統(tǒng)控制模塊的PID控制器由LabVIEW PID控制工具包提供的PID.vi、PID Advanced.vi、PID Autotuning.vi等虛擬儀器(VI)搭建而成。PID控制器采用Ziegler-Nichols整定方法，可以快速、精確的算出控制參數(shù)，之后只需進(jìn)行微調(diào)便可得到理想的控制效果[13]。

選用的多功能數(shù)據(jù)采集板卡具有同步模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等諸多功能，用到的是其模擬輸出功能。數(shù)據(jù)采集板卡的模擬輸出范圍為-5～5 V，精度為1.526 mV，更新速率高達(dá)3.33 MS/s。

控制部分工作流程如下：源測(cè)量單元根據(jù)鉑熱電阻的測(cè)量電壓與驅(qū)動(dòng)電流的比值，計(jì)算出鉑熱電阻的阻值，通過(guò)鉑熱電阻阻值與溫度的轉(zhuǎn)換函數(shù)可以得到當(dāng)前堿金屬氣室的溫度，將溫度值轉(zhuǎn)換為設(shè)定工程范圍內(nèi)占的百分比，作為PID模塊的系統(tǒng)反饋值(process variable)；堿金屬氣室的設(shè)定加熱溫度由LabVIEW前面板的輸入控件設(shè)定，同樣將溫度值轉(zhuǎn)換為設(shè)定工程范圍內(nèi)占的百分比，作為PID模塊的實(shí)際期望值(setpoint)；同時(shí)，設(shè)定Kp、Ki、Kd以及微分時(shí)間等PID控制參數(shù)；將PID模塊的輸出值由百分比轉(zhuǎn)換為實(shí)際數(shù)值，此數(shù)值即為PID控制模塊的控制量，該控制量經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡輸出-5～5 V的直流電壓信號(hào)。

1.4 加熱信號(hào)選擇與產(chǎn)生電路

為了最大程度地降低由加熱引入的磁場(chǎng)干擾對(duì)原子自旋陀螺儀性能產(chǎn)生影響，采用了高頻交流電信號(hào)對(duì)加熱膜進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。高頻交流加熱電流的頻率遠(yuǎn)離氣室內(nèi)堿金屬原子、惰性氣體核子的進(jìn)動(dòng)頻率和原子自旋陀螺儀的動(dòng)態(tài)范圍，因而加熱電流產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)不會(huì)被原子自旋陀螺儀表頭敏感，進(jìn)而避免了加熱裝置對(duì)原子源造成磁場(chǎng)干擾[14]。

通常，大多數(shù)加熱系統(tǒng)采用的加熱信號(hào)為方波信號(hào)，然而方波頻率成分復(fù)雜，含有豐富的高次諧波，因而容易對(duì)原子自旋陀螺儀的檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_，增大檢測(cè)信號(hào)的噪聲，進(jìn)而對(duì)原子自旋陀螺儀的精度和靈敏度造成影響。因此，對(duì)加熱信號(hào)進(jìn)行了重新選擇，選用高頻正弦波信號(hào)作為加熱信號(hào)。正弦波的頻率成分單一，不會(huì)對(duì)原子自旋陀螺儀的檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_，因而不會(huì)影響原子自旋陀螺儀的精度和靈敏度。

高頻正弦波信號(hào)由正弦波信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生，該電路的核心器件為DDS芯片AD9834，輸出正弦波的頻率高達(dá)37.5 MHz，分辨率最低為4 mHz，幅度由外部信號(hào)源對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。選用的正弦波信號(hào)的頻率為80～110 kHz，幅度由數(shù)據(jù)采集板卡輸出的直流電壓控制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。

1.5 加熱膜驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

使用不同堿金屬原子源的原子自旋陀螺儀對(duì)堿金屬氣室的溫度有不同的要求，例如，使用Rb-87堿金屬的核磁共振原子自旋陀螺儀工作時(shí)堿金屬氣室的溫度約為100 ℃左右，使用K-Rb混合堿金屬的SERF原子自旋陀螺儀工作時(shí)堿金屬氣室的溫度約為200 ℃左右。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，加熱膜將堿金屬氣室加熱到100 ℃需要正弦波的峰峰值達(dá)到80 Vpp，加熱到200℃需要正弦波的峰峰值達(dá)到140 Vpp。然而，信號(hào)發(fā)生電路輸出的正弦波的幅值在1 V以內(nèi)，不足以驅(qū)動(dòng)加熱膜將堿金屬氣室加熱到所需溫度。因此，信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻正弦波信號(hào)必須經(jīng)加熱膜驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大。

由于驅(qū)動(dòng)加熱膜的正弦波信號(hào)電壓高達(dá)140 Vpp，頻率高達(dá)100 kHz左右，因此驅(qū)動(dòng)電路的功率放大芯片需滿足高輸出電壓、高增益帶寬和高壓擺率等要求。選用了由APEX公司生產(chǎn)的高電壓、大帶寬的MOSFET功率放大芯片PA96。PA96功率放大芯片的輸出電壓可以高達(dá)300 V，輸出電流最大可以達(dá)到1.5 A，增益帶寬可以達(dá)到175 MHz，壓擺率可以達(dá)到250 V/μs，完全滿足要求。

加熱膜驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖 5所示。在運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端接上兩對(duì)二極管，可有效鉗制住差分輸入電壓，防止差分輸入電壓過(guò)大導(dǎo)致輸入偏置電流變大，損毀運(yùn)算放大器。輸出端反向接兩個(gè)快速恢復(fù)二極管起到過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)的作用。

圖5 加熱膜驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

原子自旋陀螺儀對(duì)堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)的要求是引入干擾磁場(chǎng)低，溫控穩(wěn)定性高，因此從加熱系統(tǒng)磁場(chǎng)噪聲和溫度性能兩方面進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2.1 堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)磁場(chǎng)噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)

由于采用了雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電加熱膜，并且加熱信號(hào)采用高頻正弦波，因此由加熱引入的干擾磁場(chǎng)相當(dāng)微弱，導(dǎo)致不能使用常規(guī)的磁力測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量。國(guó)內(nèi)外通常采用對(duì)比電加熱裝置工作與關(guān)閉狀態(tài)下原子自旋陀螺儀性能指標(biāo)的方式間接評(píng)估加熱引入的干擾磁場(chǎng)。在超高靈敏SERF原子自旋磁場(chǎng)測(cè)量平臺(tái)上進(jìn)行了堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)磁場(chǎng)噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先將測(cè)試電加熱裝置在正常工作狀態(tài)時(shí)SERF原子自旋磁場(chǎng)測(cè)量平臺(tái)的靈敏度，然后關(guān)閉電加熱裝置，在溫度沒(méi)有明顯降低的短時(shí)間內(nèi)再次對(duì)靈敏度進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比兩者之間的差異。經(jīng)過(guò)評(píng)估，采用的堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)引入的磁場(chǎng)噪聲優(yōu)于15 fT/Hz1/2。

2.2 堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)溫度性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在核磁共振原子自旋陀螺儀樣機(jī)和SERF原子自旋陀螺儀樣機(jī)上進(jìn)行了堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)溫度性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將核磁共振原子自旋陀螺儀的堿金屬氣室的溫度設(shè)定為100℃，將SERF原子自旋陀螺儀的堿金屬氣室的溫度設(shè)定為200℃，分別采集了兩種原子自旋陀螺儀堿金屬氣室到達(dá)設(shè)定溫度后的短時(shí)間(2小時(shí))溫度數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間(20小時(shí))溫度數(shù)據(jù)。由圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)的兩種原子自旋陀螺儀堿金屬氣室在各自的設(shè)定溫度可以實(shí)現(xiàn)±5 mK的短時(shí)穩(wěn)定度和±10 mK的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定度。

圖6 無(wú)磁電加熱系統(tǒng)溫度性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

以Pt1000作為溫度傳感器，雙層對(duì)稱結(jié)構(gòu)的加熱膜作為加熱元件，結(jié)合源測(cè)量單元、數(shù)據(jù)采集板卡、信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電路以及LabVIEW軟件平臺(tái)搭建了溫控穩(wěn)定性高，引入干擾磁場(chǎng)低的堿金屬氣室無(wú)磁電加熱系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)引入的等效干擾磁場(chǎng)優(yōu)于15 fT/Hz1/2，氣室溫度短期穩(wěn)定度優(yōu)于±5 mK，長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于±10 mK，為原子自旋陀螺儀的性能提升提供了可靠保障。

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Study on Non-magnetic Heating Technology and System for Alkali Vapor Cells

Hao Jiepeng1,2, Zhou Binquan1,2

(1.National Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing 100191,China; 2.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191,China)

The atom spin gyroscope based on quantum precision measurement has the advantages of high accuracy, small size and low cost, which is considered to be the future development direction of the gyroscope. The core component of atomic spin gyroscope is the alkali vapor cell carrying the atom spin. The stability of the alkali vapor cells heating temperature is one of the important factors to determine the accuracy and sensitivity of atomic spin gyroscope. Meanwhile, the ultra-high sensitivity of the atomic spin gyroscope makes it extremely sensitive to magnetic field noise, so it should avoid introducing additional magnetic field interference by the electronic heater. For the above requirements, the non-magnetic heating system with high stability of temperature control and low interference magnetic is designed and optimized. A non-magnetic electric heating system consisting of temperature sensor Pt1000, film heater, SMU, DAQ card, sine wave generating circuit, driving circuit and the LabVIEW software platform, is established. The test results show that the equivalent interference magnetic field is within 15 fT/Hz1/2, the short-term stability of the alkali vapor cells temperature is ±5 mK, and the long-term stability is ±10mK, which provides reliability for the performance promotion of atomic spin gyroscope.

atomic spin gyroscope; alkali vapor cells; non-magnetic heating; magnetic field noise; sine wave

2016-11-25；

2017-01-05。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61227902，61374210，61121003)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2014AA123401)。

郝杰鵬(1990-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事原子自旋陀螺儀方向的研究。

1671-4598(2017)05-0180-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.050

V241.62

A