摘要：碱金属气室的温度波动与磁噪声是制约无自旋交换弛豫原子自旋陀螺仪灵敏度提升的关键因素。针对这两个问题,采用激光加热方式对气室进行无磁加热,从根本上消除磁噪声,在气室加热面及相邻上下两面装载石墨烯薄膜,进行光热转换、热传导以及避免杂散光干扰;采用线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)与热管理技术相结合的方式,提高碱金属气室的控温精度与稳定度。设计基于温控系统的线性自抗扰控制器;从热传导、热对流、热辐射三方面出发设计热结构,优选石墨烯薄膜;搭建碱金属气室温控系统实验平台。研究结果表明,采用LADRC与热管理技术的碱金属气室温控系统的控温精度为±0.003℃,控温稳定度为6 mK。所得研究结果为后续原子自旋陀螺仪灵敏度的提升奠定了基础。

摘要：介绍了一种用于原子气室的无磁加热薄膜技术。原子磁力仪、原子陀螺仪、原子钟等采用热原子系综的精密测量仪器通常采用原子气室作为物理系统,为了保证足够的原子数密度,原子气室工作温度通常为80~120℃,因此无磁加热技术是热原子钟的核心技术之一。采用多物理场有限元仿真分析通电线圈在小电流(直流0.2A)条件下产生的稳态磁场分布情况,通过对比不同线圈结构产生的磁场分布,得到满足性能要求的通电线圈结构。实验结果表明,采用优化后结构的无磁加热薄膜产生的剩磁低于100nT,满足原子气室无磁加热要求。该设计对以原子气室的原子钟性能提升提供了可靠保证,并为原子钟小型化提供参考。

摘要：热原子光钟是小型化光钟的重要发展方向,原子气室作为热原子光钟的核心,其无磁温控是热原子光钟的关键技术之一,温度波动及加热引入的磁场噪声都会影响热原子光钟的稳定性。针对铷原子双光子跃迁的热原子光钟原子气室高精度无磁温控的需求,设计了一种双层无磁温控系统,采用四线制采集温度信息,模拟PID实现反馈温度控制,加热元器件使用双层蛇形加热膜设计,减小因加热电流产生的磁场扰动。实验结果表明,无磁温控制系统在原子气室的工作温度为80℃时,4小时温度稳定性可达0.004℃,磁场噪声小于100nT,满足热原子光钟的设计需求,保证热原子光钟实验顺利进行。

摘要：基于量子精密测量的原子自旋陀螺仪具有高精度、小体积、低成本等优势,被认为是未来陀螺仪的发展方向;原子自旋陀螺仪的核心部件是承载原子自旋的碱金属气室;碱金属气室加热温度的稳定性是决定原子自旋陀螺仪精度和灵敏度的重要因素之一;同时,原子自旋陀螺仪的高灵敏度使其对磁场噪声极其敏感,因此要求加热过程不能引入额外的磁场干扰;针对以上要求,对原子自旋陀螺仪的无磁电加热技术进行了研究;设计并搭建了以Pt1000作为温度传感器,双层对称结构的加热膜作为加热元件,结合源测量单元、数据采集板卡、正弦波信号发生电路、驱动电路以及LabVIEW软件平台构成的无磁电加热系统;通过实验测试,本系统引入的等效干扰磁场优于15fT/Hz1/2,气室温度短期稳定度优于±5mK,长期稳定度优于±10mK,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。

摘要：原子自旋陀螺仪作为目前最新一类陀螺仪,具有超高的理论精度。碱金属气室是原子自旋陀螺仪承载原子自旋的敏感表头。通过电加热使碱金属达到饱和蒸气压,但是电加热过程中会引入电磁干扰等噪声,进而影响原子自旋陀螺仪的精度和灵敏度。为减小碱金属气室加热的电磁噪声对原子自旋陀螺仪的影响,从加热器结构与加热驱动信号2个方面进行了电磁噪声抑制实验研究。设计了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。通过实验验证,系统的等效磁场噪声优于17fT/Hz^(1/2),气室内部的温度稳定度优于±0.006℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。

摘要：高灵敏度磁场测量技术在空间探测、军事反潜、生物磁场测量和地质探测等方面发挥着重要作用。为了提高磁力仪灵敏度同时减小磁力仪体积,本文设计了一种全光结构的原子磁场测量方案。首先基于探测光偏振调制技术,设计了原子磁力仪的总体方案。在此基础上,重点研究了小型化磁传感Rb原子气室、无磁电加热、激光器稳频和偏振调制等关键技术。目前已完成实验室测磁原理的验证。

摘要：针对铯光泵磁强计对原子气室温度高稳定性及无磁干扰的要求,设计了一种用于铯光泵磁强计的无磁恒温控制系统。该系统主要包括无磁加热器件与无磁恒温控制电路。无磁加热器件采用微机电系统工艺的双层对称四线结构,可有效抑制电流产生的磁场;无磁恒温控制电路通过交流加热进一步减小恒定磁场干扰,以现场可编程门阵列为核心,使用直接数字式频率合成技术产生高频加热信号,再经功率放大进行无磁恒温控制,减少硬件电路资源。测试结果表明,气室恒温控制的温度噪声峰峰值可达到0.02℃,满足光泵磁强计的性能要求。

摘要：针对原子磁传感器碱金属原子气室对无磁加热的需求,解决磁力仪共振谱线信号信噪比低的问题,使用了差分对的布线方法,采用微加工膜工艺,在陶瓷基板上制备了方形纯铜材质的无磁加热线圈。使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件分析了线圈在2.2 mA直流条件下产生的附加稳态磁场分布情况,结合Pro/Engineer软件构建的铜质气室固定支架及其热仿真分析结果,得到了比较理想的加热线圈固定位置。进一步分析确定了20 kHz交流加热方案,最终制作完成了具有3W加热功率和0.1℃控温精度的无磁加热器。实验结果表明:该加热器瞬时磁扰动为2.24 pT,满足原子气室无磁加热要求。其结果对原子磁传感器气室的设计及工作参数的优化改进具有一定的参考意义。