用于銫光泵磁強(qiáng)計(jì)的無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 胤，程智勇，李小芳，王 羚，張 樊

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站，宜昌 443001）

1 引 言

光泵磁強(qiáng)計(jì)是一種基于光磁雙共振效應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量設(shè)備，光泵磁強(qiáng)計(jì)最主要的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的靈敏度，被廣泛應(yīng)用于地球磁場(chǎng)模量和模量梯度的測(cè)量［1］。 根據(jù)工作物質(zhì)的不同，光泵磁強(qiáng)計(jì)可被分為氦光泵磁強(qiáng)計(jì)與堿金屬元素光泵磁強(qiáng)計(jì)［2］。 堿金屬元素光泵可以用鉀、銣、銫作為工作物質(zhì)，這些物質(zhì)需要加熱至一定溫度，形成飽和堿金屬蒸汽才能使磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)入工作狀態(tài)，而溫度影響堿金屬元素蒸汽濃度，進(jìn)一步影響光泵磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度［3］。

此外，光泵磁強(qiáng)計(jì)是一種磁探測(cè)設(shè)備，因此要求該設(shè)備本身不會(huì)對(duì)待測(cè)磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾。 而傳統(tǒng)直流加熱方式會(huì)產(chǎn)生直流磁場(chǎng)，疊加于待測(cè)場(chǎng)，導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度降低。 高精度光泵磁強(qiáng)計(jì)通常采用的加熱方式有熱氣流加熱、激光加熱、間斷電加熱與高頻電加熱［4］。 相較于其他加熱方式高頻電加熱具有性能穩(wěn)定、易于集成、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，因此，設(shè)計(jì)了一種高頻交流電加熱的無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)，還使用了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro?Elector?Mechanical System，MEMS）工藝雙層對(duì)稱四線結(jié)構(gòu)的加熱器件減小磁干擾［5］，這一器件尺寸僅為（8 ×8） mm，在直流加熱情況下產(chǎn)生磁場(chǎng)小于0.1 nT，在目前設(shè)備小型化的趨勢(shì)下有著廣闊的應(yīng)用前景［6］。此外，采用的控制電路也相較其他交流加熱的方式進(jìn)行了優(yōu)化，無(wú)需模擬混合信號(hào)器件進(jìn)行直流交流的轉(zhuǎn)換［7］，也無(wú)需額外的高頻交流信號(hào)產(chǎn)生及幅度控制電路［8］，使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）配合數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）輸出正弦信號(hào)，可同時(shí)完成加熱電流的頻率及功率的控制。

2 無(wú)磁加熱器件

2.1 無(wú)磁加熱器件設(shè)計(jì)

無(wú)磁加熱器件采用雙層加熱設(shè)計(jì)，通過(guò)層間反向電流與同層反向電流抵消磁場(chǎng)，加熱器件實(shí)物如圖1所示。 無(wú)磁加熱器件在400 μm 厚的石英玻璃上采取一系列MEMS 工藝加工制備而成，器件為（8 ×8） mm的矩形，器件上部中心圓弧區(qū)域?yàn)榧訜犭娮?，加熱電阻外?／4 圓弧區(qū)域?yàn)闇囟葌鞲须娮?，器件加熱電阻絲和溫度傳感電阻通過(guò)引出的電極連接至器件底部。 本文中實(shí)驗(yàn)僅使用中心圓弧區(qū)域的加熱電阻進(jìn)行加熱，采用無(wú)磁PT100 進(jìn)行溫度測(cè)量。

圖1 無(wú)磁加熱器件圖Fig.1 Non?magnetic heating chip

2.2 無(wú)磁加熱器件磁場(chǎng)仿真

無(wú)磁加熱器件是通過(guò)電流加熱方式工作的，而電流會(huì)產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)，對(duì)系統(tǒng)造成不利影響，雖然采用了抵消電流磁效應(yīng)的特殊設(shè)計(jì)，但也不能完全消除加熱電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 為了驗(yàn)證方案的合理性，確保無(wú)磁加熱器件能有效降低加熱電流引起的干擾磁場(chǎng)，對(duì)無(wú)磁加熱器件產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

根據(jù)畢奧－薩伐爾定律（Biot?Savart）穩(wěn)恒電流元矢量Idl在空間一點(diǎn)P 所引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度dB為：

式中：μ0——真空磁導(dǎo)率；dl——載流導(dǎo)線上的線元沿著電流的方向；r——電流元到P 點(diǎn)的矢徑。

磁場(chǎng)的方向?yàn)檠仉娏鞣较蚴噶颗c載流導(dǎo)線指向測(cè)量點(diǎn)矢量的叉乘，總磁場(chǎng)為各電線段產(chǎn)生磁場(chǎng)的積分和。

由于原子氣室內(nèi)部有效尺寸為（3×3×3） mm，原子氣室壁厚為1 mm，因此模擬計(jì)算了沿加熱裝置法線方向1 mm 處且垂直法線的（3×3） mm 平面處的磁場(chǎng)大小分布，如圖2 所示。 由于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨距離的增大而減小，因此其他區(qū)域的磁場(chǎng)會(huì)更小。 仿真過(guò)程中選取的加熱電阻約為100 Ω，加熱電壓為1 V。

圖2 仿真區(qū)截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cross?section of the simulation area

仿真結(jié)果如圖3 所示，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，即使是在直流加熱情形下，加熱產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小均在0.1 nT 以下。 當(dāng)采用交流電流加熱的方式時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)在相應(yīng)頻率下變化，通過(guò)系統(tǒng)濾波作用，能夠?qū)⒋艌?chǎng)進(jìn)一步降低。 因此，無(wú)磁加熱器件可以有效抑制加熱電流產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)干擾。

圖3 離加熱裝置1 mm 距離（3 ×3）mm 平面區(qū)域的磁場(chǎng)分布圖Fig.3 The magnetic field distribution in a（3×3）mm plane area at the distance of 1 mm from the heating device

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)主要針對(duì)銫光泵磁強(qiáng)計(jì)，銫光泵磁強(qiáng)計(jì)是通過(guò)測(cè)量銫原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)獲得磁場(chǎng)大小的，銫光泵磁強(qiáng)計(jì)輸出的頻率范圍為（50～350） kHz，因此設(shè)計(jì)的交流加熱頻率要避開(kāi)磁強(qiáng)計(jì)本身工作頻率，否則將影響光泵磁強(qiáng)計(jì)的正常工作，無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of non?magnetic thermostatic control system

加熱器件貼附于原子氣室兩端，溫度傳感器阻值隨溫度改變，信號(hào)調(diào)理電路將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化并進(jìn)行信號(hào)放大。 ADC 采集溫度信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸至FPGA 內(nèi)部。 FPGA 使用直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）ip 核產(chǎn)生一個(gè)生成正弦波的數(shù)字信號(hào)，正弦波的頻率選定為10kHz，正弦波幅值通過(guò)比例積分微分（Proportion Integral Derivative，PID）算法進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)加熱功率。 通過(guò)DAC 將正弦波輸出，產(chǎn)生用于加熱的電信號(hào)。 因DAC 輸出功率有限，需進(jìn)行功率放大再將信號(hào)耦合到加熱器件，這樣就構(gòu)成了完整的無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)。

3.2 交流加熱信號(hào)產(chǎn)生與控制電路設(shè)計(jì)

交流加熱信號(hào)的產(chǎn)生與控制電路如圖5 所示，采用FPGA 作為主控制芯片，高速雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9767 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，AD9767輸出的（4 ～20） mA 電流信號(hào)，經(jīng)AD8047 構(gòu)成的跨導(dǎo)放大電路轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)，后續(xù)再經(jīng)過(guò)功率放大耦合到加熱器件。 選用AD9767 作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片有兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：第一，AD9767 采用14 位并行接口更新速率可達(dá)125MSPS，可以產(chǎn)生高頻率的加熱信號(hào)；第二，AD9767 有兩個(gè)獨(dú)立控制的輸出端口，可以實(shí)現(xiàn)光泵磁強(qiáng)計(jì)內(nèi)原子氣室，原子譜燈或激光器兩處溫度控制。

圖5 交流加熱信號(hào)產(chǎn)生與控制電路圖Fig.5 AC heating signal generation and control circuit

無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)是通過(guò)FPGA 輸出的14 位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的控制，當(dāng)輸出最大值為213－1 時(shí)，DAC 滿量程輸出，加熱功率最大。 通過(guò)PID 調(diào)節(jié)輸出一個(gè)系數(shù)與這14 位數(shù)據(jù)相乘實(shí)現(xiàn)功率控制，當(dāng)氣室溫度遠(yuǎn)低于設(shè)置溫度時(shí)，PID 輸出系數(shù)為1，DAC 滿量程輸出，系統(tǒng)滿功率加熱；當(dāng)氣室溫度遠(yuǎn)高于設(shè)置溫度時(shí)，PID 輸出系數(shù)為0，DAC 基本無(wú)輸出，系統(tǒng)停止加熱，如此實(shí)現(xiàn)加熱功率調(diào)節(jié)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)整體性能，對(duì)無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，內(nèi)容包括溫度控制范圍測(cè)試及加熱噪聲測(cè)試。

通過(guò)改變無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)溫度范圍的測(cè)量，從50 ℃至100 ℃每隔10 ℃取一個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)間大于5 min，如圖6 所示。 結(jié)果顯示該無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)可在室溫狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)50 ℃至100 ℃的溫度控制。

圖6 溫度范圍測(cè)試結(jié)果圖Fig.6 test result of temperature range

然后，選取50 ℃為溫度噪聲測(cè)試點(diǎn)，得到在此溫度點(diǎn)下的溫度噪聲。 測(cè)得的溫度噪聲如圖7 所示，可以看出，在200 s 的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，溫度噪聲的峰峰值約為0.02 ℃。

圖7 溫度噪聲測(cè)試結(jié)果圖Fig.7 Test result of temperature noise

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)銫光泵磁強(qiáng)計(jì)無(wú)磁加熱的需求，設(shè)計(jì)了雙層對(duì)稱四線結(jié)構(gòu)的加熱器件，利用同層反向電流與層間反向電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，抑制了電流加熱帶來(lái)的磁干擾；使用FPGA 配合DAC 的方式進(jìn)行交流加熱溫度控制也優(yōu)化了電路的設(shè)計(jì)，一方面無(wú)需額外的交流信號(hào)發(fā)生電路，另一方面便于幅度、頻率等參數(shù)的調(diào)節(jié)。 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明無(wú)磁恒溫控制系統(tǒng)可達(dá)到以下指標(biāo)：1）溫度范圍：50 ℃～100 ℃；2）溫度噪聲：0.02 ℃（峰峰值）。 介紹的無(wú)磁加熱器件與電路設(shè)計(jì)為銫光泵磁強(qiáng)計(jì)的小型化提供了方案。