本发明公开了一种用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，包括熟化炉模块、加热模块、制冷模块、温度控制模块。该系统主要采取石墨外炉嵌套聚丙烯内炉的熟化炉结构，避免聚丙烯内炉与耐高温加热带直接接触。本发明还公开了该镀膜碱金属原子气室熟化系统的使用方法。该系统的使用能够使得碱金属原子气室内壁的镀膜材料(如石蜡类、氘聚乙烯、烯烃等)均匀分布，保证气室主体碱金属原子密度适量，使得碱金属原子气室处于最佳工作状态，并可用于恢复长时间高温工作下受到破坏的碱金属原子气室性能，有利于提升原子气室的使用寿命，同时适用于各种碱金属原子。
1.一种用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，包括熟化炉模块、加热模块、制冷模块、温度控制模块；其中，所述熟化炉模块包括石墨外炉、聚丙烯内炉、导热液体，所述聚丙烯内炉中装有导热液体，外侧紧贴所述石墨外炉，在熟化过程中，镀膜碱金属原子气室主体被导热液体完全浸没；
所述加热模块包括耐高温加热带，所述耐高温加热带紧密缠绕在所述石墨外炉上，用于熟化炉的加热；
所述制冷模块包括半导体制冷器、导热铜带，所述导热铜带的一端紧贴所述半导体制冷器的冷面，另一端紧密缠绕原子气室尾部以对其制冷；
所述温度控制模块包括两个热敏电阻和一多路PID自动控制电路，其中一个所述热敏电阻置于导热液体中，用于监控原子气室主体在熟化时的温度，另一个热敏电阻则紧密缠绕在原子气室尾部，用于监控原子气室尾部的温度，所述两个热敏电阻分别连接在所述多路PID自动控制电路的两路输入端口上，对原子气室主体与尾部分别进行温度控制。
2.如权利要求1所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述熟化炉模块还包括通孔保温盖，所述通孔保温盖覆于所述聚丙烯内炉之上，在熟化过程中，镀膜碱金属原子气室主体尾部固定在所述通孔保温盖外侧而暴露在外，不受导热液体影响。
3.如权利要求1所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述加热模块还包括可调节交流电源，所述可调节交流电源用于加热所述耐高温加热带。
4.如权利要求1所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述制冷模块还包括直流电源和散热风扇，所述直流电源和所述半导体制冷器形成制冷，所述半导体制冷器的热面紧贴所述散热风扇以防止过热损坏。
5.如权利要求3或4所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述温度控制模块还包括常断继电器，所述多路PID自动控制电路对应的输出端口连接在常断继电器上，对原子气室主体与尾部分别进行温度控制。
6.如权利要求5所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述加热模块的可调节交流电源正极连接在所述耐高温加热带的一极上，其负极连接在所述常断继电器的一个输出接口上，所述常断继电器的另一个输出接口与上述耐高温加热带的另一极相连，形成回路用于高温加热带的加热工作。
7.如权利要求5所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述制冷模块的直流电源正极分别与所述半导体制冷器的正极和散热风扇电源的一极相连接，其负极分别与所述常断继电器的一个输出接口和散热风扇电源的另一极相连接，所述常断继电器的另一个输出接口与所述半导体制冷器的负极相连，所述流电源-常断继电器-半导体制冷器形成回路用于制冷。
8.如权利要求1所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述多路PID自动控制电路为两温度差分器。
9.如权利要求1所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统，其特征在于，所述导热液体的沸点应高于待熟化的镀膜碱金属原子气室的内壁镀膜材料的熔点。
10.权利要求1所述的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统的使用方法，包括：
1)保持电源断开的情况下，在聚丙烯内炉中注入适量导热液体，使得镀膜碱金属原子气室放入时不会接触到内炉底部；
2)将原子气室尾部固定在通孔保温盖外侧，并在原子气室尾部缠绕导热铜丝与热敏电阻，确认稳定后盖好通孔保温盖，从热敏电阻专用通孔注入足量导热液体使得原子气室主体完全被导热液体浸没后，插入另一热敏电阻；
3)连接多路PID自动控制电源，调节多路PID自动控制电路的设定点，将原子气室主体温度设定为接近镀膜材料的熔点，原子气室尾部温度设定为15℃左右；
4)连接可调节交流电源与直流电源的输入电源，将可调节交流电源的输出调至足够大处，使得加热电路可达到的最高温度高于原子气室主体设定温度；
5)连续运行30小时以上，期间适时添加导热液体，保证导热液体完全浸没原子气室主体部分；
一种用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化
系统及使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及原子气室制备技术领域，尤其涉及一种用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统及使用方法。
背景技术
[0002] 原子气室是工作原子的载体，是所有涉及光与原子相互作用的实验及应用的核心器件。通常，原子气室一般选用光学玻璃，将氦气或碱金属原子(如钾、铷、铯)封装在真空或其他惰性气体氛围中，可能充入其他惰性气体作为缓冲气体及淬灭气体。而拥有较长原子基态弛豫寿命的原子气室则有着广泛的用途，例如原子磁力仪、原子钟、原子陀螺仪、光存储、量子记忆、压缩态的制备以及新物理的探测等。
[0003] 在原子气室内，工作原子在泵浦激光的作用下，将获得自旋极化。而与此同时，原子也可能会由于与原子气室内壁的自旋破坏碰撞而失去自旋极化，而导致原子系综宏观自旋极化丢失。原子系综从自旋极化到退极化之间的这段时间，便是原子基态弛豫寿命。这一参数是原子气室的核心参数之一，在上述应用中起着十分关键的作用，直接影响仪器的性能，因而人们一直对于研究延长原子基态弛豫寿命的方法备感兴趣。
[0004] 一般来说，延长原子基态弛豫寿命的手段主要有两种：其一是给原子气室中充入惰性缓冲气体，其二是在原子气室的玻璃内壁镀上抗弛豫的大分子薄膜(anti-relaxationcoating)。镀膜原子气室相比缓冲气体原子气室具有若干优点，例如，其对于激光功率的要求更小、对磁场梯度的敏感度更低以及不受压强展宽机制作用的更窄线宽(意味着更长弛豫寿命)等。
[0005] 基于上述原因，人们很早便对于抗弛豫大分子薄膜的材料的选取进行了研究。在1958年，Robinson等人便首次发现了石蜡镀膜对于延长原子气室内原子基态弛豫寿命十分有益。2005年，Graf等人研究发现，在石蜡镀膜的作用下，单个原子可以与内壁碰撞至多
10000次才退极化。2005年，Budker等人发现，在一个直径为10cm的石蜡镀膜球形原子气室中，可以观测到线宽窄至0.35Hz的磁共振信号。但是石蜡的熔点在60-80℃，无法满足某些需要原子气室高温工作的情况。于是，Seltzer等人在2007年提出，使用熔点为170℃的十八烷基三氯硅烷(OTS)作为镀膜材料对原子气室进行处理。
[0006] 而由于原子气室的制备工序较多且工艺复杂，难以保证原子气室内壁镀膜材料的均匀性。同时，由于充入碱金属原子时，难以控制充入原子气室的碱金属原子密度，原子气室可能会因工作原子密度过小而导致磁共振信号幅度过小，也可能因为工作原子密度过大而导致磁共振信号线宽过大，从而影响碱金属原子气室的工作性能。
[0007] 目前国内外有不少关于镀膜碱金属原子气室的制造方法与技术，但是还缺乏能够保持镀膜碱金属原子气室性能的熟化方法与系统，本发明解决了这个困难。
发明内容
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统及使用方法，能够使得碱金属原子气室内壁的镀膜材料均匀分布，保证气室主体碱金属原子密度适量，使得碱金属原子气室处于最佳工作状态，并可用于恢复长时间高温工作下受到破坏的碱金属原子气室性能，有利于提升原子气室的使用寿命，同时适用于各种碱金属原子。
[0009] 本发明的一个目的在于提出一种用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统。
[0010] 本发明的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统包括：熟化炉模块、加热模块、制冷模块、温度控制模块；其中，所述熟化炉模块包括：石墨外炉、聚丙烯内炉、通孔保温盖、导热液体；所述聚丙烯内炉中装有导热液体，外侧紧贴所述石墨外炉，上覆所述通孔保温盖；在熟化过程中，所述镀膜碱金属原子气室主体被导热液体完全浸没而尾部固定在所述通孔保温盖外侧而暴露在外，不受导热液体影响。
[0011] 所述加热模块包括：可调节交流电源、耐高温加热带；可调节交流电源用于加热高温加热带；所述耐高温加热带则紧密缠绕在所述石墨外炉上，用于熟化炉的加热。
[0012] 所述制冷模块包括：半导体制冷器、直流电源、散热风扇、导热铜带；所述直流电源和半导体制冷器形成制冷；所述导热铜带的一端紧贴半导体制冷器的冷面，另一端紧密缠绕原子气室尾部以对其制冷；半导体制冷器的热面紧贴散热风扇以防止过热损坏。
[0013] 所述温度控制模块包括：两个热敏电阻、一多路PID自动控制电路、两个常断继电器；其中一个所述热敏电阻置于导热液体中，用于监控原子气室主体在熟化时的温度；另一个热敏电阻则紧密缠绕在原子气室尾部，用于监控原子气室尾部的温度；所述两个热敏电阻分别连接在所述多路PID自动控制电路的两路输入端口上，多路PID自动控制电路对应的输出端口则连接在对应的常断继电器上，对原子气室主体与尾部分别进行温度控制。所述多路PID自动控制电路可表现为两温度差分器。
[0014] 所述导热液体的沸点应高于待熟化的镀膜碱金属原子气室的内壁镀膜材料的熔点，例如，对于内壁镀膜材料为普通石蜡的碱金属原子气室，导热液体可选用蒸馏水；对于内壁镀膜材料为OTS的碱金属原子气室，导热液体可选用煤油；优选一些无毒、无害、常见的液体。
[0015] 所述可调节交流电源正极连接在所述耐高温加热带的一极上，其负极连接在所述其中一个常断继电器的一个输出接口上，该常断继电器的另一个输出接口则与上述耐高温加热带的另一极相连，形成回路用于高温加热带的加热工作；所述耐高温加热带则紧密缠绕在所述石墨外炉上，用于熟化炉的加热。
[0016] 所述直流电源正极分别与半导体制冷器的正极和散热风扇电源的一极相连接，其负极分别与所述另一个常断继电器的一个输出接口和散热风扇电源的另一极相连接，该常断继电器的另一个输出接口与所述半导体制冷器的负极相连，则直流电源-一常断继电器-半导体制冷器形成回路用于制冷；所述导热铜带的一端紧贴半导体制冷器的冷面，另一端紧密缠绕原子气室尾部以对其制冷；半导体制冷器的热面紧贴散热风扇以防止过热损坏。
[0017] 本发明的另一个目的在于提供一种用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统的使用方法。
[0018] 本发明的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统的使用方法，包括以下步骤：
[0019] 1)保持电源断开的情况下，在聚丙烯内炉中注入适量导热液体，使得镀膜碱金属原子气室放入时不会接触到内炉底部；
[0020] 2)将原子气室尾部固定在通孔保温盖外侧，并在原子气室尾部缠绕导热铜丝与热敏电阻，确认稳定后盖好通孔保温盖，从热敏电阻专用通孔注入足量导热液体使得原子气室主体完全被导热液体浸没后，插入另一热敏电阻；
[0021] 3)连接多路PID自动控制电源，调节多路PID自动控制电路的设定点，将原子气室主体温度设定为接近镀膜材料的熔点，原子气室尾部温度设定为15℃左右；
[0022] 4)连接可调节交流电源与直流电源的输入电源，将可调节交流电源的输出调至足够大处，使得加热电路可达到的最高温度高于原子气室主体设定温度；
[0023] 5)连续运行30小时以上，期间适时添加导热液体，保证导热液体完全浸没原子气室主体部分；
[0024] 6)结束运行后使整个熟化炉模块自然降温。
[0025] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0026] 1.本发明由于采取石墨外炉嵌套聚丙烯内炉的熟化炉结构，避免聚丙烯内炉与耐高温加热带直接接触，规避了聚丙烯材料被耐高温加热带熔化的风险，也有利于聚丙烯内炉的均匀受热，延长了整个熟化系统的使用寿命。
[0027] 2.本发明由于采用导热液体来对原子气室主体进行熟化，有利于原子气室主体各部分的均匀受热，从而使得原子气室内壁的镀膜材料均匀分布，有利于延长原子气室内的原子基态弛豫寿命，提升原子气室的核心性能。
[0028] 3.本发明由于采用了制冷模块对原子气室尾部进行降温，有利于在原子气室内部形成较大的温度梯度，使得原子气室主体中多余的碱金属原子能够大量附着在温度较低的原子气室尾部，保证原子气室主体中碱金属原子密度适量，在磁共振信号足够大的前提下线宽尽量小，从而提升原子气室的核心性能。
[0029] 4.本发明由于使用了可调节交流电源对加热带进行供电，可以控制熟化系统的加热效率，通过对于不同的碱金属原子以及不同的镀膜材料设定不同的工作温度，也有利于节能环保。
[0030] 5.本发明可针对不同的碱金属原子以及不同的镀膜材料使用不同的导热液体，设定不同的熟化温度，实现多种镀膜碱金属原子气室的熟化。
附图说明
[0031] 图1为本发明提供的用于延长原子自旋弛豫寿命的镀膜碱金属原子气室熟化系统的主要功能模块示意图。
[0032] 附图标记说明：1-原子气室加热控温炉；2-可调节原子气室加热炉固定架；3-碱金属原子气室；4-热敏电阻；5-导热液体；6-交流加热带；7-温度差分器；8-常断继电器；9-可调节功率控制器；10-半导体制冷器；11-热敏电阻；12-散热风扇；13-直流电源；14-导热铜带15-温度差分器；16-常断继电器。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
[0034] 如图1所示为本发明的主要功能模块示意图。
[0035] 对使用耐高温无磁塑料材料制成的原子气室加热控温炉1，根据需要熟化的碱金属原子气室3的内壁镀膜材料进行预加热，以防止使用时温度过高，导致系统装置损坏。
[0036] 根据需要熟化的碱金属原子气室3，调整可调节原子气室加热炉固定架2的结构，使之与待处理气室3契合，并给热敏电阻4留出空间。
[0037] 根据需要熟化的碱金属原子气室3的内壁镀膜材料，选择对应的导热液体5(一般的，对于内壁镀膜材料为普通石蜡的碱金属原子气室，导热液体可选用蒸馏水；对于内壁镀膜材料为OTS的碱金属原子气室，导热液体可选用煤油)。
[0038] 在原子气室加热控温炉1的外侧缠绕上交流加热带，以进行后续的熟化操作。
[0039] 在碱金属原子气室3的尾部缠上导热铜带11，导热铜带11的另一端固定在半导体制冷器10的冷面上，通过热传导使得碱金属原子气室3的尾部为最低温度，促使其实主体内部的多余的碱金属原子附着在尾部。半导体制冷器10的热面由散热风扇12进行降温，以防止烧坏。半导体制冷器10与散热风扇12都由12V直流电源13进行供电。
[0040] 将热敏电阻4与温度差分器7连接，在温度差分器上根据需要熟化的碱金属原子气室3的内壁镀膜材料，设定熟化时的工作温度，并通过监控热敏电阻传递的加热控温炉1内导热液体5的实际温度，通过继电器8对加热控温炉1的加热进行控制。
[0041] 将热敏电阻11与温度差分器15连接，在温度差分器15上根据温度差分器7的温度设定，设定为室温之下的10℃，并通过监控热敏电阻传递的碱金属原子气室3尾部的实际温度，通过继电器16对半导体制冷器10与散热风扇12的降温进行控制。
[0042] 通过手动调节可调节功率控制器9，对加热控温炉1的加热功率(亦即升温速率)进行控制(一般的，在温度较低时可以将功率挡位调至最高档以使得整个熟化系统快速升温；在温度接近温度差分器7的设定温度时可以将功率挡位调至中间挡位以使得整个熟化系统加热控温炉1内的导热液体5长期稳定地处于设定温度；结束熟化过程，需将整个导热液体5恢复室温时可以将功率挡位调至最低档以使得整个原子气室均匀降温，防止碱金属原子发生有害的沉积，亦可防止熔化的石蜡凝固于不当的位置)。
[0043] 将导热液体5控制在设定温度后保持至少30小时，以使得镀膜碱金属原子气室主体内部的碱金属原子都在导热液体5的作用下遇热升华为气态，之后再在不与导热液体5接触的镀膜碱金属原子气室尾部遇冷凝华，避免碱金属原子气室内部的碱金属原子过多而使得性能恶化。同时长达30小时的高温加热有利于镀膜碱金属原子气室内壁的抗弛豫膜重新均匀分布从而更加增加原子气室内原子的极化寿命。
[0044] 本发明下不同镀膜碱金属原子气室的使用信息如下：
[0045]
