牛雪迪，刘 峰，范文峰，全 伟

（1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;2.北京航空航天大学前沿科技创新研究院,北京100191）

0 引言

近几十年,随着现代物理的快速发展及量子力学、原子操控和现代光学等领域的飞速进步,以原子作为敏感介质的元器件已经在医学、计量、军事及科学研究等领域得到了广泛应用。原子具有丰富的超精细能级结构、多样的自旋特性以及能级跃迁的量子化等特点,相比传统仪器可以实现更小的体积和更高的精度。原子陀螺、原子磁强计、原子钟等原子测量仪器的不断发展,给人类的生活和科技的发展带来了极大的方便和深刻的变革。碱金属气室作为原子测量仪器的核心部件,其内部原子密度对输出信号具有重要影响,而碱金属原子的密度则受到气室温度的直接影响。因此,碱金属气室的加热方法和加热结构的优化、气室温度稳定性和均匀性的提升成为原子测量仪器灵敏度进一步提升的关键技术之一。

为适应原子测量仪器不断小型化、集成化的发展趋势,加热结构也在向着小型化的方向不断发展。在发展过程中,热气流加热、无磁电加热、激光加热成为碱金属气室应用的三种加热方法,其适用范围和加热结构的特点各不相同。本文从不同加热方法的角度,针对小型化过程中加热层、传热层、保温层等组件的变化,综述了国内外碱金属气室加热结构的研究进展,并在此基础上展望了未来的发展趋势。

1 研究进展

在各种原子测量仪器中,原子磁强计主要针对弱磁场进行测量,原子陀螺主要进行高精度惯性测量,原子钟用于提供最精确的时间基准。原子气室内的原子对气室外的干扰磁场非常敏感,气室加热结构需要采用无磁材料进行制作,在加热过程中也尽量不要产生干扰磁场。传统的加热方法不适用于工作在近零磁场环境下的原子测量仪器,在研究过程中逐渐发展出3种无磁加热的方法,分别是热气流加热、无磁电加热、激光加热[1-3]。

1.1 热气流加热结构研究进展

原子测量仪器加热技术研究的早期,国内外均采用热气流加热方法。通常将气室置于双层加热室中,在内层和外层中间通入热气流,使处于内层的原子气室受热。这种加热方法需要采用空气压缩机或鼓风机向加热室中输送热气流,存在结构体积庞大、振动大的问题,主要用于原理验证。双层结构用于降低热气流对气室的扰动,可提高气室温度的均匀度。在光路和烤箱外,都采用隔热管和隔热装置防止高温对其它部件的影响。热气流加热结构如图1所示。

图1 热气流加热结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hot air heating structure

美国普林斯顿大学的第一代原子自旋陀螺研究装置针对直径为25mm的球形玻璃气室采用了热气流的加热方法,气室壁外侧粘有用作测量气室温度的温度传感器,外层通过水冷装置进行隔热,热气流加热装置如图2所示。其中,图2（a）为碱金属气室, 图2（b）为双层结构的烤箱, 图2（c）为烤箱的绝热装置[4]。

图2 美国普林斯顿大学的热气流加热装置Fig.2 Hot air heating device developed by Princeton University

美国哈佛大学用于CPT验证的实验装置采用的也是热气流加热方法。2005年,美国普林斯顿大学所设计的磁强计也采用了热气流的加热方法,将原子气室温度加热至180℃。

美国威斯康星大学麦迪逊分校于2006年在该结构的基础上搭建了一套基于铷（Rb）原子的SERF原子磁强计实验研究平台,通过一种参数调制的检测方案有效抑制了气流加热引起的低频噪声,实现了60fT/Hz1/2的单通道磁场测量灵敏度[5-6]。

在国内,北京航空航天大学于2008年率先开展了SERF原子陀螺的研究,采用热气流加热方法对方形气室中的Cs原子进行加热以达到SERF态所需的原子密度。加热结构与美国普林斯顿大学的类似,包括烤箱、热气流管路、隔热管和鼓风机,具体采用了特氟龙三层加热烤箱,通过双气路烤箱降低碱金属气室的气流扰动[7]。无磁加热烤箱的结构如图3所示。

图3 北京航空航天大学的热气流无磁加热烤箱结构Fig.3 Hot air heating oven structure developed by Beijing University of Aeronautics and Astronautics

2012年,哈尔滨工程大学开展了全光Cs原子磁强计的温度特性研究,通过热气流的加热方法对直径为30mm的Cs原子气室进行加热,通过光纤光栅温度传感器进行无磁的实时测温。其中,加热烤箱采用无磁材料PTFE制作,通光孔处采用双层K9光学玻璃来提高保温性能,在加热室外添加保温材料 “苯板”和水冷管进行保温隔热,其加热系统如图4所示。最终使气室温度稳定在25℃～100℃的范围内,短时温度稳定性达到0.1℃[8]。

图4 加热系统装置图Fig.4 Diagram of heating system installation

热气流的加热方法固然不会引入磁噪声,但这种加热系统比较复杂,不利于小型化、集成化,而且温度稳定性不高、气流扰动较大、加热均匀性不好。

1.2 无磁电加热结构研究进展

由于热气流加热的装置体积过于庞大,不利于原子测量仪器的小型化,而电加热方法更容易实现温度的高精度控制,所以后来各研究单位均采用电加热的方法。电加热结构主要包括高热导率的内导热层、通电加热的加热层以及与外界进行隔热的保温层,另外还有测量气室温度用的温度传感器以及相应的控制电路,无磁电加热结构如图5所示。由于电流会产生干扰磁场,因此要对其进行有效抑制。通常采用的电加热方法有两种:一种是间断电加热,在原子测量仪器加热时不工作,停止加热后开始工作；另一种是高频交流电加热,通过高频交流电避开原子激励跃迁频率,通过锁相放大器来消除交流电产生的干扰磁场。

图5 无磁电加热结构示意图Fig.5 Schematic diagram of non-magnetic electric heating structure

近年来,无磁电加热的研究重点为进一步抑制电流产生的干扰磁场,同时提高气室加热的均匀性,各研究单位均从无磁电加热结构的内导热层、电加热层、保温层这三个部分的材料、加工工艺、布局等方面进行了逐步优化。对内导热层,大部分研究单位都采用氮化硼陶瓷烤箱,氮化硼陶瓷是一种高热导率的非金属材料,它可以使电加热层产生高温均匀加热的气室。为了抑制电流的磁噪声,电加热层的结构逐步精细化,初期将加热丝双绞对绕,使加热丝中临近走线上通过的电流在往返路径上产生的磁场相互抵消,尽量降低加热丝产生的磁场大小[2,9-10]。

2011年,美国普林斯顿大学研制的SERF磁强计采用高频交流电加热方法,加热层为钛金属导线,将电流通入高阻值的钛金属导线中,双绞对绕的加热丝缠绕在氮化硼烤箱上进行加热[11],如图6（a）所示。保温层选择了真空隔热,进一步降低了空气对流导致的气室温度波动和热量耗散,如图6（b）所示。但是,真空结构设计需要额外增加阀门、真空接插头,同时对真空腔体及内部结构的材料有较为严格的要求,因此大大增加了系统的复杂性。美国Sandia国家实验室设计的原子磁强计也采用相同的真空隔热方式[12-13],如图6（c）所示。在国内,云南大学仿照美国普林斯顿大学的加热结构,在氮化硼烤箱外壳上S型缠绕加热丝进行加热,再放入真空玻璃管中进行保温,研制了一种高频交流电加热的钾原子磁强计[14],该磁强计的灵敏度为3.7pT/Hz1/2。

图6 美国普林斯顿大学与Sandia国家实验室的SERF原子磁强计加热结构Fig.6 Heating structure of SERF atomic magnetometer developed by Princeton University and Sandia National Laboratories

由于对绕的加热丝不可能完全重合,因此其磁场抵消效果有限,通常在气室附近仍会有纳特（nT）量级的磁场存在。一些研究单位开始采用电加热片进行加热,磁场抵消效果有所提升,而且电加热片还提高了加热的均匀性。与此同时,在保温层的选择上摒弃了复杂的真空隔热方式,改用保温材料进行隔热,有助于原子测量仪器的小型化。

2016年,吉林大学采用积分分离PID控制方法以间断加热方式对原子气室进行无磁电加热。原子气室为石英材料的正立方体,将PTC加热片分布于气室四周,距气室1cm,并留出光路的间隙。采用PTC热敏电阻加热有以下优势:1）PTC热敏电阻具有正温度系数,电阻率会随着温度升高而变大,有利于在接近目标温度时进行温度的精确控制；2）PTC材料不含有磁性,不会产生杂散磁场影响原子磁强计工作；3）PTC材料的热学性能优异,具有热阻小、热转换系数高和长期使用热衰减低等优点。温度传感器Pt1000的探头置于气室上方紧靠气室的位置,以便于准确测量气室实际温度。上述装置置于内侧尺寸为7cm×7cm×7cm、壁厚为2cm的聚四氟乙烯（PTFE）保温层中,构成原子气室无磁加热系统,温度控制范围达80℃～190℃,温度控制精度为±0.02℃,稳定时间为60s,间断加热期间产生的干扰磁场低于0.1nT[15]。同年,国防科技大学同样采用铜丝和云母片制成了加热片与PTFE保温层来构成气室加热系统,用于研究核磁共振陀螺加热结构对气室温度分布均匀性的影响[16]。2019年,中国科学院大学设计了PTC加热片和气凝胶保温层构成气室加热系统,研制了一种探测脑磁信号的高灵敏度原子磁强计[17]。

MEMS工艺的出现和成熟使各研究单位利用该工艺将加热丝制成了加热膜,进一步减小了电阻丝之间的间距,实现了均匀加热,并通过单层平行临近分布和双层对称分布来抵消磁场。其中,双层对称分布指双层加热膜通过镜像对称使相同位置上的电阻丝之间的电流呈相反流向的分布状态。

美国威斯康星大学麦迪逊分校2012年设计的小型化SERF原子磁强计样机中的气室电加热结构就采用了上述加热膜[10],碱金属气室安装于氮化硼烤箱中,烤箱上粘贴有电加热膜片和温度传感器,在烤箱外部采用气凝胶材料作为保温层进行隔热,支撑层使用耐高温塑料结构对其进行固定,使内部热量不易扩散,加热结构如图7所示。

图7 美国威斯康星大学麦迪逊分校的气室电加热结构Fig.7 Vapor cell electric heating structure developed by University of Wisconsin-Madison

在国内,哈尔滨工程大学在该结构的基础上设计了差分对布线加热膜,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膜,进一步优化了无磁电加热系统[18],如图8（a）所示。中国科学院武汉物理与数学研究所在对称结构加热膜上进行了深入的研究,对比了单双层圆形螺旋结构与方形蛇形结构加热丝的磁场强度,确定了双层方形蛇形结构加热丝磁场抑制效果更佳。加热膜通过MEMS工艺加工,同层加热丝之间的距离为0.25mm,层间加热丝之间的距离为0.07mm[19], 如图 8（b）所示。 北京航空航天大学采用类似的结构设计了一套高精度的高频无磁电加热系统,方形碱金属气室外是氮化硼陶瓷,同样设计双层对称结构加热膜,用耐高温材料作为基底,用无磁的镍铬合金丝作为电加热丝,单层采用平行临近排布,单层间距0.2mm,双层采用对称结构,间距为50μm,干扰磁场的抑制效果更加显著[20], 加热膜结构如图 8（c）所示。

图8 差分对布线加热膜与双层对称加热膜Fig.8 Diagram of differential pair wiring heating film and double-layer symmetric heating film

除了使用铂电阻Pt1000作为温度传感器,也有单位尝试采用其他测温方式来提高测温的实时性和准确性。2019年,国防科技大学尝试用光吸收法直接测量气室温度进行反馈控制[21],与铂电阻测量相比具有更好的实时性,但是该方法目前仍存在精度低的问题。

芯片级原子测量仪器如芯片原子钟、芯片级SERF原子磁强计等,所采用的气室电加热方法与上述结构有所差异。对于微型气室,通常直接采用加热玻璃来进行加热,不过这种加热结构的温度稳定性和均匀性还有待提高。

2015年,东南大学进行了芯片级SERF原子磁强计的研究,通过采用180kHz的高频交流电将碱金属气室加热至150℃,采用微硅加热片来减少磁场,如图9（a）所示,实现了碱金属气室、加热片的微型化, 如图9（b）所示[22-23], 并进行了芯片级SERF原子磁强计的原理验证[24]。

图9 东南大学研制的芯片级碱金属气室及硅加热片Fig.9 Chip-scale alkali metal vapor cell and Silicon heater developed by Southeast University

2019年,中北大学设计了用于芯片原子钟MEMS原子气室加热结构的数字温控系统[25],将加热丝改成了加热面积大、具有良好的透光性和电热转换效率并且产热均匀的氧化铟锡（ITO）加热玻璃,外层仍然采用二氧化硅气凝胶制成的保温层以减小加热体积和热量的散失。该温控系统在300s内将温度稳定在了80℃±0.10℃,控温精度达到了0.10℃。当环境温度波动±0.15℃时,铷频标的万秒稳定度约为 1×10－13。

1.3 激光加热结构研究进展

随着气室体积的进一步减小,微型气室的出现让激光加热在碱金属气室加热中的应用成为可能。激光加热通过直接对气室外侧壁进行照射来加热气室,对于微型气室来说,激光加热不会产生磁噪声。2000年,美国格林内尔学院物理学院用实验验证了激光加热的磁噪声远远低于电阻加热的磁噪声[26],如图10所示。

图10 电阻加热和激光加热产生的磁噪声对比Fig.10 Comparison of magnetic noise generated by resistance heating and laser heating

2009年,美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology,NIST）利用波长为915nm的激光对体积仅为12mm3的铷原子气室直接照射侧壁进行加热,所用激光器的功率为200mW,成功将铷原子气室加热至97℃,包括加热用激光的传输光路在内的所有光路都是利用光纤实现的。光纤不仅能够降低光在传输过程中能量的损耗,同时也能够更好地降低光学器件的使用,从而实现小型化。微型气室加热结构如图11所示[27],该磁强计的灵敏度达到2.6pT/Hz1/2。美国诺格公司以及德国的光电子研究所等研究机构均采用过激光加热的方法对碱金属气室进行加热[28-29],其中德国耶拿光子技术研究所加热激光的总功率为2W,通过两束波长为808nm、线宽为3nm的激光分别对2×2阵列式的原子气室两侧侧壁进行照射加热。随着温度升高,碱金属池中的Cs金属汽化,测得实际加热温度最高点为79.5℃。加热采用的激光波长远失谐于碱金属谱线,从而避免了加热激光对抽运激光和检测激光造成影响。

图11 美国国家标准技术研究所的微型气室激光加热结构Fig.11 Micro-vapor cell laser heating structure developed by NIST

2014年,哈尔滨工程大学针对MEMS气室采用激光加热的方法进行了温度特性研究,气室尺寸为Φ3mm×2.4mm的圆柱。对光加热的光斑大小、光斑数量以及光斑位置对温度的影响进行了ANSYS仿真分析,可得出控制合适的光斑尺寸、采用多点加热、控制功率大小在一定程度上可以提高微结构原子气室的温度值和温度分布均匀性的结论[30]。

2 发展趋势分析

碱金属气室加热技术的发展依赖于新材料、新工艺的出现,在多种加热方法中最具有研究价值的是电加热和激光加热,未来的研究重点主要集中在上述两种加热方法的改进和进一步发展。

2.1 电加热结构发展分析

电加热结构虽然是目前最主流的气室加热方法,但是它仍具有显著的不足:1）加热膜本身即使采用最先进的加工技术,要产生碱金属气室需要的热量,加热膜就需要一定的面积,而加热膜的面积无法进一步缩小,会限制原子测量仪器的进一步缩小；2）因为烤箱需要给碱金属气室留出足够的通光孔面积,导致在气室的通光孔处和与烤箱接触的位置之间存在温度梯度,温度梯度会使气室内部的原子密度空间分布不均匀,一定程度上会影响原子测量仪器的灵敏度；3）目前使用的温度传感器为铂电阻Pt1000,在原子测量仪器工作时,Pt1000通常放置于烤箱上,无法直接测量气室的真实温度,而将铂电阻直接贴在气室上,其本身的温度也会导致气室温度分布不均匀,另外随着气室体积不断减小,很难再将铂电阻贴于气室壁上。综上,电加热方法结构的发展需要加工工艺的优化,使加热丝和烤箱进一步结合,消除加热丝之间的间距,或者研究可透光的加热材料使烤箱可以完全包围气室,促使温度分布更加均匀。另外,还要研究新型的温度传感器或者温度传感方法,使得在不影响气室温度的情况下及时准确地测量气室温度。

2.2 激光加热结构发展分析

目前,激光加热没有大范围应用的原因是该方法的成本高、结构复杂且对加热激光的光功率稳定性有很高的要求。首先,激光加热的方法非常依赖激光器光源的稳定性,而且出于安全考虑,只能采用低功率的激光,难以用于加热功率大的场合,导致目前激光加热的温度不超过100℃。虽然激光加热不会产生干扰磁场,但是可能会引入散射光,可以通过对激光加热结构进行优化来降低散射光。其次,为了避免电磁干扰,在激光加热结构中不使用温度传感器,想要测量激光加热的温度,需要极高分辨率的红外热像仪进行观察,大大增加了系统的复杂性。最后,微型气室加工工艺的限制导致激光加热时微硅导热层的光吸收率较低,不利于提高温度上限和气室温度场的均匀性。未来,激光加热优化的关键点在于激光器输出光源稳定性的提高,通过新的加工工艺提高微型气室的光吸收率,简化加热-测温结构,降低系统复杂性,将激光加热部件集成到原子测量仪器之中,更进一步减小原子测量仪器的体积。

3 结论

随着原子测量仪器微小型、高精度、集成化的发展需求,碱金属气室温度均匀性对于信号输出精度和灵敏度进一步提高的影响作用日渐突出,碱金属气室加热系统的进一步优化、提高气室温度均匀性、研制高匀场的碱金属气室加热结构迫在眉睫。在新的加热方法和加热材料出来之前,后续工作的重点是改进现有的加热结构。对于电加热而言,需要更精细化的结构以适应更小的气室；对于激光加热而言,需要改进激光器的输出特性和结构,以满足不断发展的原子测量仪器和更高精度的应用需求。