一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法

本发明涉及超高灵敏原子自旋惯性测量领域，具体涉及一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法。

背景技术：

1、超高灵敏原子自旋测量系统相比于传统惯性测量仪表具有理论上更高精度、更小体积、更低成本的潜力，未来可广泛应用于海洋资源勘探，航空航天等长航时，高精度惯性导航领域以及cpt对称性破缺等前沿科技领域(cpt，charge parity time，电荷/电荷正负对称、宇称/宇称对称、时间/时间反演对称)。其中，超高灵敏原子自旋测量装置的精度极易受到温度的影响，由于气室被置于无磁电加热模块的中心，距离加热膜存在一定的距离，而且气室还会通过抽运和检测通光孔和外部环境发生热交换，因此会在气室内部产生温度梯度，气室温度梯度会影响气室内部的原子分布，进而影响超高灵敏原子自旋测量系统的精度。因此，如何降低原子自旋测量装置气室内部的温度梯度对装置精度的影响，成为工程上亟待解决的问题。因此研制一套适用于超高灵敏原子自旋测量装置的均匀加热方法已经十分迫切，通过本发明的一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，通过对烟囱效应的利用，减小气室内部的温度梯度。从而实现碱金属气室的均匀加热，这将为未来超高灵敏原子自旋测量装置的工程化应用奠定坚实的基础。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，通过充分利用烟囱效应，有效引导烤箱内部热空气上升，冷空气回流，从而改善内部气流和温度分布。这有助于实现碱金属气室的均匀加热，有效抑制由于通光孔带来的碱金属气室内部的温度梯度，并提升加热效率，该发明对于提升超高灵敏原子自旋测量装置的精度具有重要的意义和价值。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，其特征在于，包括位于烤箱内的碱金属气室，所述烤箱的顶部通光孔与所述碱金属气室的上表面之间设置有导热板，所述导热板的底边连接烤箱内腔的内壁，所述导热板的顶边向烤箱内腔的中轴线围拢以形成周边上升热气的回流空间，所述碱金属气室的下表面与所述烤箱的底部通光孔之间形成中间上升热气的分流空间，所述碱金属气室的外周面与所述烤箱的内壁面之间形成热气直升空间。

4、所述导热板的下表面为拱顶弧形面。

5、所述烤箱的内壁面设置有铂电阻阵列，各铂电阻分别通过温度监控模块连接计算机，所述计算机连接无磁加热膜，所述无磁加热膜贴附于所述烤箱的外表面，所述无磁加热膜的外表面覆盖有气凝胶保温层。

6、所述温度监控模块通过优化以下目标函数实现精度控制：

7、j＝∑(y(t)-yd(t))^2，其中j为目标函数，j表示系统输出和期望输出之间的差的平方和，y(t)是实际输出，yd(t)是期望输出。

8、所述烤箱内的气流状态雷诺数re＞4000，re＝ρud/μ，其中ρ是气体的密度，u是气体的流速，d是烤箱的直径，μ是气体的粘度。

9、所述气凝胶保温层的热阻表达式为r＝d/(ka)，其中r是热阻，d是气凝胶保温层厚度，k是气凝胶热导率，a是热传递的面积。

10、本发明的技术效果如下：本发明一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，通过充分利用烟囱效应，有效引导烤箱内部热空气上升，冷空气回流，从而改善内部气流和温度分布，这有助于实现碱金属气室的均匀加热，有效抑制由于通光孔带来的碱金属气室内部的温度梯度，并提升加热效率。该发明对于提升超高灵敏原子自旋测量装置的精度具有重要的意义和价值。

11、本发明所述方法可在原有的装置上进行改装，结构简单，易于实现，有效地抑制加热过程中产生的气室温度梯度，从而满足超高灵敏原子测量装置精度提升的需要。

技术特征：

1.一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，其特征在于，包括位于烤箱内的碱金属气室，所述烤箱的顶部通光孔与所述碱金属气室的上表面之间设置有导热板，所述导热板的底边连接烤箱内腔的内壁，所述导热板的顶边向烤箱内腔的中轴线围拢以形成周边上升热气的回流空间，所述碱金属气室的下表面与所述烤箱的底部通光孔之间形成中间上升热气的分流空间，所述碱金属气室的外周面与所述烤箱的内壁面之间形成热气直升空间。

2.根据权利要求1所述的基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，其特征在于，所述导热板的下表面为拱顶弧形面。

3.根据权利要求1所述的基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，其特征在于，所述烤箱的内壁面设置有铂电阻阵列，各铂电阻分别通过温度监控模块连接计算机，所述计算机连接无磁加热膜，所述无磁加热膜贴附于所述烤箱的外表面，所述无磁加热膜的外表面覆盖有气凝胶保温层。

4.根据权利要求3所述的基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，其特征在于，所述温度监控模块通过优化以下目标函数实现精度控制：

5.根据权利要求1所述的基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，其特征在于，所述烤箱内的气流状态雷诺数re＞4000，re＝ρud/μ，其中ρ是气体的密度，u是气体的流速，d是烤箱的直径，μ是气体的粘度。

6.根据权利要求3所述的基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，其特征在于，所述气凝胶保温层的热阻表达式为r＝d/(ka)，其中r是热阻，d是气凝胶保温层厚度，k是气凝胶热导率，a是热传递的面积。

技术总结
一种基于烟囱效应的碱金属气室均匀加热方法，通过充分利用烟囱效应，有效引导烤箱内部热空气上升，冷空气回流，从而改善内部气流和温度分布，这有助于实现碱金属气室的均匀加热，有效抑制由于通光孔带来的碱金属气室内部的温度梯度，并提升加热效率，其特征在于，包括位于烤箱内的碱金属气室，所述烤箱的顶部通光孔与所述碱金属气室的上表面之间设置有导热板，所述导热板的底边连接烤箱内腔的内壁，所述导热板的顶边向烤箱内腔的中轴线围拢以形成周边上升热气的回流空间，所述碱金属气室的下表面与所述烤箱的底部通光孔之间形成中间上升热气的分流空间，所述碱金属气室的外周面与所述烤箱的内壁面之间形成热气直升空间。

技术研发人员：全伟,武嘉琪,刘峰,蔡泽,庞昊颖
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15