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一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，包括一個氣泵、加熱管、散熱環(huán)、控制器、隔熱罩、圓筒和兩個溫度傳感器。氣泵的出氣口與加熱管的進氣口通過氣管連通，加熱管的出氣口與散熱環(huán)的進氣口通過氣管連通；第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的探頭分別放置于圓筒中心和加熱管外壁上，兩個溫度傳感器的導線及加熱管電源線與控制器相連，散熱環(huán)纏繞在圓筒上，隔熱罩包覆在散熱環(huán)外部。其主要特征是用加熱管內產生的熱氣流而非電流直接加熱，從而消除了電加熱所固有的電磁干擾，散熱環(huán)占用空間小，散熱效率高，加熱均勻穩(wěn)定，溫度波動及噪聲小，非常適合于激光探測核磁共振裝置的加熱與溫控。
【專利說明】—種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光探測核磁共振加熱領域，具體涉及一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，本發(fā)明也適用于所有類似需要對原子蒸氣泡進行加熱與溫控的裝置。
【背景技術】
[0002]之前我們公布了一種基于激光原子磁力計的核磁共振裝置(中國發(fā)明專利申請?zhí)?201210291150.3)，為了使磁力計達到要求的靈敏度，需要對原子蒸氣泡進行加熱并需要精密溫控，加熱與溫控裝置在整個原子磁力計系統中是必不可少的。在公開的磁力計專利中，使用到的加熱方式主要有電流加熱(美國專利號:US20130015850)、激光照射加熱(美國專利號:US8334690)、熱流體(空氣或水)加熱(美國專利號:W02008127720)。每種加熱方式都有各自的優(yōu)缺點，可根據磁力計的結構特點決定最合適的加熱方式。電流加熱裝置結構簡單容易實現，但是其在加熱時加熱電流會產生較大的電磁噪聲干擾，影響到磁力計的靈敏度，所以需要采取必要的屏蔽措施。激光照射加熱方式，加熱效率較高，占用空間最小，但裝置較復雜，對光學鏡片等元件要求高。熱流體加熱方式雖然會占用部分磁屏蔽件內空間，但它可以完全消除電磁噪聲干擾，且裝置相對簡單易于實現，所以非常適用于磁力計中原子蒸氣泡的加熱。熱流體加熱方式中以空氣為傳熱介質較為常見，因為空氣中自旋密度比水小很多，所以引入的背景噪聲更小，且空氣使用起來更加方便。
[0003]1.Kominis等人在他們的磁力計(1.Kominis etal.，Nature (London) 422，596 (2003))中通過向包圍在原子蒸氣泡周圍的空腔中通入熱空氣的方式進行加熱，這是磁力計中常用的氣體加熱方式。這種方式需要專門定做一個散熱空腔，保證熱空氣和原子蒸氣泡的良好隔離，空腔會占用磁屏蔽件內較多的空間，不利于磁屏蔽件內其它部件(如線圈)的安放，且散熱面積小，散熱效率低。空腔中進氣口端的氣體溫度大于出氣口端，這樣就會沿著進氣口到出氣口間產生一個溫差，這對磁力計的信號穩(wěn)定性是不利的，再者氣流從氣管進入空腔過程中，氣體體積變化導致氣壓波動，會給磁力計帶入噪聲。本發(fā)明的散熱環(huán)則消除了這種波動影響。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，解決了原有加熱裝置結構笨重、散熱效率低、有電磁干擾、存在溫差、氣流波動大等問題。
[0005]本發(fā)明通過下述技術方案實現:
[0006]一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，包括圓筒和磁屏蔽件，還包括纏繞在圓筒上的散熱環(huán)和包覆于散熱環(huán)上的隔熱罩，散熱環(huán)一端通過加熱管與空氣泵連通，另一端與大氣連通，還包括用于檢測設置在圓筒中心的原子蒸汽泡溫度的第一溫度傳感器和用于檢測加熱管溫度的第二溫度傳感器，第一溫度傳感器和第二溫度傳感器均與控制器連接。[0007]如上所述的散熱環(huán)由氣管纏繞在圓筒上形成，整體呈螺線管型，散熱環(huán)以圓筒中心橫截面為界分為進氣口一側和出氣口一側，散熱環(huán)進氣口一側氣管纏繞密度小于出氣口一側纏繞密度。
[0008]如上所述的第一傳感器為無磁的鉬電阻，第二傳感器為熱電偶，第一溫度傳感器設置在圓筒中心，第二溫度傳感器貼放在加熱管的管壁。
[0009]如上所述的控制器若檢測到圓筒中心處的原子蒸氣泡溫度和加熱管外壁溫度均分別低于設定值時，控制器輸出加熱電流使加熱管處于加熱狀態(tài)；控制器若檢測到當原子蒸氣泡溫度和加熱管外壁溫度中任一或都高于其設定值時，控制器不輸出加熱電流使加熱管處于不加熱狀態(tài)。
[0010]本發(fā)明與現有技術相比，具有以下有益效果:
[0011]1、利用熱空氣傳熱方式間接加熱，消除了直接電加熱給原子磁力計所帶來的電磁干擾。
[0012]2、空氣熱量通過散熱環(huán)散發(fā)使得熱空氣不與原子蒸氣泡直接接觸，從而消除了氣流對原子蒸氣泡的干擾。
[0013]3、散熱環(huán)兩側氣管纏繞密度不同補償了溫差的影響，使處于圓筒中心的原子蒸氣泡受熱更均勻。
[0014]4、散熱環(huán)采用氣管纏繞的整體設計，使其占用空間小，氣流更加平穩(wěn)，從而減小了磁力計的外部噪聲。
[0015]5、采用雙溫度傳感器串聯控制方案，對加熱管過溫保護的同時也使加熱過程更平穩(wěn)，溫度波動更小。
[0016]6、經計算，同體積條件下散熱環(huán)散熱效果遠好于散熱空腔，散熱環(huán)效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明結構示意圖。
[0018]圖中:1_空氣泵；2_加熱管；3_散熱環(huán)；4_第一溫度傳感器；5_第二溫度傳感器；6-控制器；7_隔熱罩；8_圓筒；9_磁屏蔽件；10_原子蒸氣泡。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施實例來對本發(fā)明作進一步說明。
[0020]一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，包括氣泵1、加熱管2、散熱環(huán)3、第一溫度傳感器4、第二溫度傳感器5、控制器6、隔熱罩7、圓筒8。
[0021]氣泵I的出氣口與加熱管2的進氣口通過氣管連通，加熱管2的出氣口與散熱環(huán)3的進氣口通過氣管連通；第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器5的探頭分別放置于散熱環(huán)3內部和加熱管2外壁處，兩個溫度傳感器的導線端口與控制器6相連，加熱管電源線與控制器相連。
[0022]散熱環(huán)3由氣管纏繞在圓筒8上形成，整體呈螺線管型。原子蒸氣泡10放置于圓筒8中心處，散熱環(huán)3以圓筒8中心橫截面為界分為進氣口一側和出氣口一側，散熱環(huán)3進氣口一側氣管纏繞密度小于出氣口一側纏繞密度，起到消除原子蒸氣泡10兩側因散熱環(huán)3進出氣口間熱氣流溫度不同導致的溫差的作用。[0023]散熱環(huán)3消除溫差的原理如下，熱傳遞基本公式為:Φ = K.Α.AT，其中Φ為熱流量，K為導熱系數，A為傳熱面積，AT為熱液體與冷液體間的溫差。由于熱量逐漸散發(fā)導致氣流溫度從散熱環(huán)的進氣口到出氣口逐漸降低，即溫差AT進氣口—fM>如果氣管是等密度的纏繞在圓筒8上，相當于原子蒸氣泡10兩側的散熱環(huán)3傳熱面積相等，由熱傳遞公式得原子蒸氣泡10兩側的熱流量Φ 進氣口 一側〉Φ出氣口 一側， 熱流量不同將會導致原子蒸氣泡10兩側產生溫差。為解決這一問題，本發(fā)明中使進氣口一側散熱環(huán)3氣管纏繞密度小于出氣口一側，這樣做的目的是為了使傳熱面積A 進氣口一側〈A出氣口一側， 這樣通過傳熱面積的改變便可以做到熱流量Φ 進氣口一側=Φ出氣口一側， 從而消除了原子蒸氣泡10兩側因散熱環(huán)3進出氣口間熱氣流溫度不同導致的溫差。
[0024]散熱環(huán)3采用氣管纏繞的整體設計，繞制散熱環(huán)3的氣管延長到磁屏蔽件9外，一頭直接和加熱管2出氣口相連，另一頭為排氣口與大氣相連，這樣的一體結構，既節(jié)省了磁屏蔽件9內空間，也減少了漏氣的可能，氣密性好。散熱環(huán)3采用氣管纏繞能做成不同的幾何形狀而不僅限于環(huán)形，如方形、橢圓形、不規(guī)則多邊形等。隔熱罩7包覆在散熱環(huán)3外部，一方面是保溫作用，節(jié)能的同時也使圓筒內溫度更穩(wěn)定，另一方面是隔熱作用，使外部的磁屏蔽件9不受散熱環(huán)3加熱的影響，因為磁屏蔽件9由特殊的高磁導率材料(如坡莫合金或鐵鋁合金)組成，溫度過高會減弱甚至破壞其磁屏蔽效果。
[0025]散熱環(huán)3、隔熱罩7、圓筒8均為無磁材料,保證磁屏蔽件9內零磁場環(huán)境不被破壞，即原子蒸氣泡10不受噪聲磁場的干擾。散熱環(huán)3可使用塑料管、不銹鋼管、純銅管等纏繞，隔熱罩7可使用氣凝膠氈、泡沫塑料等保溫材料，圓筒8可使用有機玻璃管、塑料管、純銅管等。
[0026]裝置加熱原子蒸氣泡10的基本原理為:氣泵I將室溫常壓空氣壓入加熱管2，室溫空氣在流經加熱管2時被加熱到一定溫度(20°C _500°C)，然后熱空氣由加熱管2流入位于磁屏蔽件9內的散熱環(huán)3的氣管中，空氣熱量通過散熱環(huán)3散發(fā)到周圍環(huán)境，放置于圓筒8中心處的原子蒸氣泡10由此被加熱。氣泵I出氣口有壓力控制開關控制氣體的流量大小，流量大小范圍為lOmL/s-lL/s，可控制單位時間內輸送到散熱環(huán)3的熱量，從而達到控制加熱速度的目的。
[0027]第一溫度傳感器4監(jiān)測原子蒸氣泡10溫度，并通過導線將電信號反饋到控制器6。第二溫度傳感器5監(jiān)測加熱管2外壁溫度，并通過導線將電信號反饋到控制器6?？刂破?接收第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器5的反饋信號，通過設定的溫度控制方案，決定是否輸出加熱電流到加熱管，起到精確控制原子蒸氣泡10溫度和加熱管過溫保護的作用。即使在氣泵I停止工作的時候，加熱管2也不會因為干燒而過溫損壞。加熱管2屬于管式氣體加熱器，利用管內的發(fā)熱電阻絲對流動的氣體進行加熱，加熱管2中加熱電流由控制器6提供。
[0028]控制器6采用雙溫度傳感器串聯控制方案，具體控制方案是:當原子蒸氣泡10溫度和加熱管2外壁溫度均分別低于設定值時,控制器6輸出加熱電流使加熱管2處于加熱狀態(tài)；當原子蒸氣泡10溫度和加熱管2外壁溫度中任一或都高于其設定值時，控制器6不輸出加熱電流使加熱管2處于不加熱狀態(tài)。
[0029]第一溫度傳感器4靠近原子蒸氣泡10，需要使用無磁的金屬鉬電阻，第二溫度傳感器5用于監(jiān)測加熱管2外壁溫度，只需使用一般的熱電偶即可，節(jié)約成本。[0030]下面針對本發(fā)明應用于銫原子磁力計中這一具體例子，對本發(fā)明作更詳細的說明，該說明只為讓本領域的普通技術人員更好的理解，而非對本發(fā)明的應用范圍造成限定。
[0031]本實例中，原子蒸氣泡10溫度設定范圍是35°C — 45°C，穩(wěn)定后溫度波動不超過±0.1°C。考慮到能方便裝卸原子蒸氣泡10，我們將圓筒8盡量做大，圓筒8直徑在IOOmm左右，保證手能伸入到圓筒8內進行操作，圓筒8材料為有機玻璃。散熱環(huán)3用外徑4_的特氟隆塑料管纏繞而成，塑料管無磁且柔軟易纏繞，在加熱溫度不是很高的情況下是最佳的選擇。
[0032]纏繞散熱環(huán)3的圓筒8直徑為10cm，氣管外徑4_，進氣口一側氣管纏繞密度約為
1.2圈/cm，出氣口一側氣管纏繞密度約為2圈/cm，圓筒8上纏繞氣管的總長度約為10cm，散熱環(huán)3纏繞總圈數16圈(進氣口一側6圈，出氣口一側10圈)。經計算，16圈氣管纏繞的散熱環(huán)3散熱面積為640cm2，也可以考慮將圓筒8做成散熱空腔，但是做成散熱空腔后的圓筒的散熱面積為314cm2，利用散熱環(huán)3進行散熱的效果在同體積條件下要遠好于空腔散熱方式，散熱環(huán)3更有利于熱量散發(fā)。
[0033]當加熱溫度高于本實例中設定范圍時，還可以有以下選擇:一般有機玻璃的最高連續(xù)使用溫度在65°C _80°C之間，所以在加熱溫度高于65°C度時，圓筒8可以使用特氟隆塑料管。如果加熱溫度超過了特氟隆的熔點(327°C )，則圓筒8和散熱環(huán)3都需要使用金屬管，如純銅管、不銹鋼管等。
[0034]氣泵I使用一般的空氣壓縮機，出氣口氣壓控制在0.5-1.5MPa之間，空氣壓縮機應確保是無油的，否則油混在空氣中經加熱管加熱可能會發(fā)生意外。
[0035]加熱管2使用OMEGA公司的空氣加熱管，型號為AHP-3742，功率50W?？筛鶕訜釡囟鹊牟煌唧w選擇合適功率的加熱管。
[0036]控制器6具體由兩個OMRON公司的數字溫度控制單元組成，型號為E5CZ。它們分別顯示原子蒸氣泡10和加熱管2外壁的溫度，控制單元控制輸出端口再分別連接到兩個固態(tài)繼電器上，固態(tài)繼電器控制輸出端進行串聯實現串聯控制方案。
[0037]以上各零部件均能由本領域的普通技術人員制備或直接從市場購置。
[0038]以上實例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，本領域的普通技術人員應當理解，本發(fā)明的技術方案進行修改或者同等替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍中。
【權利要求】
1.一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，包括圓筒(8)和磁屏蔽件(9)，其特征在于，還包括纏繞在圓筒(8)上的散熱環(huán)(3)和包覆于散熱環(huán)(3)上的隔熱罩(7)，散熱環(huán)(3)—端通過加熱管(2)與空氣泵(I)連通，另一端與大氣連通，還包括用于檢測設置在圓筒(8)中心的原子蒸汽泡(10)溫度的第一溫度傳感器(4)和用于檢測加熱管(2)溫度的第二溫度傳感器(5)，第一溫度傳感器(4)和第二溫度傳感器(5)均與控制器(6)連接。
2.根據權利要求1所述的一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，其特征在于，所述的散熱環(huán)(3)由氣管纏繞在圓筒(8)上形成，整體呈螺線管型，散熱環(huán)(3)以圓筒(8)中心橫截面為界分為進氣口一側和出氣口一側，散熱環(huán)(3)進氣口一側氣管纏繞密度小于出氣口一側纏繞密度。
3.根據權利要求2所述的一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，其特征在于，所述的第一傳感器(4)為無磁的鉬電阻，第二傳感器(5)為熱電偶，第一溫度傳感器(4)設置在圓筒(8)中心，第二溫度傳感器(5)貼放在加熱管(2)的管壁。
4.根據權利要求3所述的一種用于激光探測核磁共振的加熱與溫控裝置，其特征在于，所述的控制器(6)若檢測到圓筒(8)中心處的原子蒸氣泡(10)溫度和加熱管(2)外壁溫度均分別低于設定值時，控制器(6)輸出加熱電流使加熱管(2)處于加熱狀態(tài)；控制器(6)若檢測到當原子蒸氣泡(10)溫度和加熱管(2)外壁溫度中任一或都高于其設定值時，控制器(6)不輸出加熱電流使加熱管(2)處于不加熱狀態(tài)。
【文檔編號】G01R33/28GK103543418SQ201310519942
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權日:2013年10月29日
【發(fā)明者】周欣, 李曉峰, 劉國賓, 孫獻平, 葉朝輝, 劉買利 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所