一种热源与冷源外置的碱金属气室加热系统及方法

本发明涉及量子精密测量与传感领域，具体涉及一种热源与冷源外置的碱金属气室加热系统及方法，通过将热源与冷源外置远离碱金属气室的方式，利用相变材料的大热容和高导热率特性，以及mpc控制方法(mpc，modal predictive control，模型预测控制)，从根本上消除加热膜磁场对于原子系综的干扰，从而提升原子自旋精密测量系统的精度和稳定性，从根本上解决传统方法只依靠加热膜进行温度控制过程中，降温必须依赖自然降温所带来的迟滞问题。

背景技术：

1、超高灵敏原子自旋测量系统具有理论精度高、体积小、成本低等特点，是未来超高灵敏量子精密测量的发展方向，在导航、地质勘探、前沿科学研究等领域具有广泛的应用前景。而碱金属气室是原子自旋惯性测量系统的敏感核心。在制备碱金属气室时，碱金属原子和惰性气体原子被同时充制到方形或者圆形的玻璃气室内部。碱金属气室的温度直接决定了碱金属气态原子的数密度、平均热运动速度等参数，高原子数密度是实现原子自旋测量系统的前提。而且原子系综对于磁场低频噪声极为敏感，所以还应保证碱金属气室加热过程中引入的磁场低频磁场干扰尽可能小，这些要求导致一些常规的加热技术无法在碱金属气室加热过程中使用。

2、目前碱金属气室加热过程中使用最广泛的方案是高频电加热方法，即采用经过调制的高频电流去驱动加热器，加热驱动电流的频率处于远离原子源响应带宽的高频段，因原子自旋测量装置对加热产生的高频磁场干扰不敏感，从而减小了普通电加热的影响。但这种测温方式通过环绕在烤箱外部的加热膜加热实现，即使采用了高频调制以及加热丝双绞对绕等方式，但仍然无法从根本上消除磁场干扰，尤其在加热膜与导线连接的焊盘位置，引起的磁场干扰更为明显。而且由于加热膜只能加热，不能制冷，从而导致实际温度控制过程中，降低温度只能采用自然散热的方式进行，从而导致温度控制响应速度低，严重限制温度控制的稳定性。综上所述，实现碱金属气室的无磁加热对于原子自旋精密测量系统的精度以及稳定性的提升具有重要意义。本发明提出一种热源与冷源外置的碱金属气室加热方法，通过将热源与冷源外置远离碱金属气室的方式，利用相变材料的大热容和高导热率特性，以及mpc控制方法(mpc，modal predictive control，模型预测控制)，从根本上消除加热膜磁场对于原子系综的干扰，从而提升原子自旋精密测量系统的精度和稳定性，从根本上解决传统只依靠加热膜进行温度控制过程中，降温必须依赖自然降温所带来的迟滞问题，为相似的气室加热方法提供指导和借鉴。

技术实现思路

1、本发明提供一种热源与冷源外置的碱金属气室加热系统及方法，本发明的目的通过将热源与冷源外置远离碱金属气室的方式，利用相变材料的大热容和高导热率特性，以及mpc控制方法，从根本上消除加热膜磁场对于原子系综的干扰，从而提升原子自旋精密测量系统的精度和稳定性。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种热源与冷源外置的碱金属气室加热系统，其特征在于，包括位于热管理单元内的碱金属气室，所述热管理单元位于三维主动磁补偿线圈内，所述三维主动磁补偿线圈位于磁屏蔽系统内，所述磁屏蔽系统外设置有柔性加热膜和半导体制冷片，所述柔性加热膜和半导体制冷片分别通过加热电路连接计算机，所述柔性加热膜通过插入到所述磁屏蔽系统内的第一无磁导热棒连接相变材料热接口，所述半导体制冷片通过插入到所述磁屏蔽系统内的第二无磁导热棒连接相变材料冷接口，所述相变材料连接所述热管理单元。

4、所述碱金属气室的泡柄处设置有连接所述计算机的铂电阻以检测碱金属气室温度。

5、所述无磁导热棒包括石墨烯棒芯和无磁保温隔热套管，所述石墨烯棒芯位于所述无磁保温隔热套管内，所述无磁保温隔热套管由气凝胶制成。

6、所述相变材料由铅锡合金制作而成，通过固液相变进行热传导。

7、所述热管理单元由氮化铝制成。

8、所述计算机根据铂电阻测得的气室内部温度与预设气室温度进行对比，通过模型预测控制mpc策略控制柔性加热膜与半导体制冷片交替工作，从而对碱金属气室的温度进行闭环控制。

9、所述碱金属气室的抽运光入射侧通过抽运光学系统连接抽运激光器，所述碱金属气室的检测光入射侧通过检测光学系统连接检测激光器，所述碱金属气室的检测光出射侧连接高精度位置探测器。

10、一种热源与冷源外置的碱金属气室加热方法，其特征在于，使用上述热源与冷源外置的碱金属气室加热系统，包括如下步骤：

11、步骤s1，启动原子自旋精密测量系统；

12、步骤s2，进行磁场补偿，使原子自旋精密测量系统处于正常工作状态；

13、步骤s3，使用一束远失谐的检测激光穿过碱金属气室的中心；

14、步骤s4，检测激光穿过碱金属气室后照射在高精度位置探测器上；

15、步骤s5，通过计算机设定碱金属气室加热温度；

16、步骤s6，加热电路驱动柔性加热膜加热无磁导热棒，进而加热热管理单元以及放置于热管理单元内部的碱金属气室；

17、步骤s7，计算机根据铂电阻测得的气室内部温度与预设气室温度进行对比，通过模型预测控制mpc方法预测未来n个时间步的气室内部温度，通过优化算法找到未来n个时间步的最优输入序列，使得预测的未来n个时间步温度最接近设定温度，并根据这个最优输入序列控制柔性加热膜以及半导体制冷片的温度，从而对碱金属气室的温度进行闭环控制，实现热源与冷源外置的碱金属气室加热系统的温度稳定控制。

18、所述步骤s7中包括设控制输入为u，系统状态为x，目标状态为x*，预测模型为f，成本函数为j，当前时间为t，碱金属气室温度为t，则：

19、x＝t(t)，t(t)表示当前时间t的碱金属气室温度；

20、x*＝t*，t*表示目标碱金属气室温度；

21、u＝[u(t),u(t+1),...,u(t+n-1)]，其中方括弧内的序列表示从当前时间开始的未来n个时间步的控制输入序列，n是正整数；

22、j＝σ_{i＝0}^{n-1}(x(t+i|t)-x*)^2，其中等式右边表示未来n步的预测误差平方和，x(t+i|t)表示在当前时间t对未来第i步的状态预测，i＝0,...,n-1；

23、用f(x(t),u(t))表示系统预测模型以描述在给定当前状态x(t)和控制输入u(t)时的下一步状态x(t+1)，则：

24、minimize j＝σ_{i＝0}^{n-1}(x(t+i|t)-x*)^2

25、subject to x(t+i+1|t)＝f(x(t+i|t),u(t+i)),i＝0,...,n-1

26、通过数值优化方法求解minimize j和subject to x(t+i+1|t)得到最优的控制输入序列后，根据这个序列来控制柔性加热膜以及半导体制冷片的温度，从而对碱金属气室的温度进行闭环控制。

27、本发明的技术效果如下：本发明一种热源与冷源外置的碱金属气室加热系统及方法，针对碱金属气室加热过程中柔性加热膜以及焊点处电流带来的磁性问题，通过将热源与冷源外置远离碱金属气室的方式，利用相变材料的大热容和高导热率特性，以及mpc控制方法，从根本上消除柔性加热膜磁场对于原子系综的干扰，从而提升原子自旋精密测量系统的精度和稳定性。