一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)裝置和方法，該裝置包含經(jīng)過加工的內(nèi)空的光抽運泡托架、中央溫度控制單元、溫度傳感器、加熱器、液氮儲存裝置、四個管路、三個閥門組、兩個氮氣瓶、光抽運泡、氣源。由中央溫度控制單元通過溫度傳感器的狀態(tài)控制加熱器的通斷，加熱器的開關(guān)狀態(tài)控制光抽運泡兩端的溫度狀態(tài)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，能使光抽運泡的首位溫度均衡，保證其中堿金屬與惰性氣體的自旋交換光抽運反應均勻，有序的進行。
【專利說明】—種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及原子分子物理裝置領域，具體涉及一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)，還涉及一種利用不同溫度加熱光抽運泡的方法，適用于超極化惰性氣體系統(tǒng)上，用來對光抽運泡進行加熱。
【背景技術(shù)】
[0002]光抽運現(xiàn)象是Kastlerl950 年首次報道的[J.Phys.Radiumll (1950): 255-265]，在其后的時間里，利用堿金屬Rb/Cs和惰性氣體3He/83Kr/129Xe的自旋交換光抽運的超極化惰性氣體技術(shù)逐步發(fā)展起來[Rev Mod Phys.69(1) (1997):629-642]。自旋交換光抽運現(xiàn)象的其主要原理是在一定波長的激光的作用下，堿金屬的最外層電子被激發(fā)到高能級態(tài)，此時，該堿金屬原子的最外層電子具有高極化度，然后堿金屬原子與系統(tǒng)中的惰性氣體原子再通過碰撞的方式進行自旋交換，把堿金屬原子核外電子的極化度轉(zhuǎn)移到惰性氣體的原子核上，從而使得惰性氣體的原子核具有很高的極化度，基于自旋交換光抽運原理以用來制造超極化惰性氣體3He和129Xe技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，國外的幾個研究組，如杜克大學的Driehuys研究組
[0003][APP.Phys.Lett.69(1996):1668-1670]和德國萊布尼茲研究所的 Leif [Phys.Rev.Lett.100(2008):257603-257606]研究組均已具備自己的超極化惰性氣體系統(tǒng)。
[0004]從實際情況來看:影響光泵泡內(nèi)的超極化惰性氣體極化度的因素有很多方面:光抽運泡內(nèi)部的氣體總壓力、惰性氣體所占總氣體的分壓、光泵泡溫度的高低、光泵泡內(nèi)部玻璃的潔凈度和是否具有硅烷涂層材料等都會極大的影響光泵泡內(nèi)的超極化惰性氣體的極化度。然而，目前對于光抽運泡的加熱用得較多的是氣體加熱的方式，使得光抽運泡中堿金屬融化后，讓光抽運泡中充滿飽和的Rb蒸汽。在這種模式中，用單一熱源對光泵泡提供加熱，存在加熱不均的弊端，光抽運泡中的堿金屬原子蒸汽的密度過大，而過多的堿金屬原子蒸汽的密度也阻擋了激光完全的穿越光抽運泡，使得激光能量沒有被充分的吸收，并且過多的堿金屬原子蒸汽密度也增加了與已經(jīng)被極化的超極化惰性氣體的碰撞概率，使得已經(jīng)被極化的惰性氣體退極化。同時，對于光抽運泡而言，其正對熱源處的溫度和正對激光入射面的溫度，在光抽運泡中逐步向其他方向擴散并形成一個不規(guī)則的溫度場。點對點加熱的結(jié)果是使得光抽運泡中的溫度分布不均勻，不能得到一個具有良好極化度的惰性氣體。因此如何更好地合理地對于光抽運泡進行加熱，是取得一個惰性氣體理想的極化度的必要方式。已經(jīng)有一些研究者們改進了光抽運泡的加熱方式，并取得一些有益的結(jié)果。[Proc.1ntl.Soc.Mag.Reson.Med.21 (2013): 1478]。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)，還提供了一種利用不同溫度加熱光抽運泡的方法，解決了原有加熱裝置結(jié)構(gòu)笨重、散熱效率低、有電磁干擾、存在溫差大、加熱不均勻、氣流波動大等問題。[0006]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]—種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)，包括光抽運泡，中央溫度控制單元、氣源和液氮貯存裝置，光抽運泡外部均勻包裹設置有若干個中空的固定件，固定件上開設有通氣孔，各個固定件通過對應的加熱控制閥門與對應的加熱器的出氣口連通，各個加熱器的進氣口與氣源連通，各個加熱器的控制端與中央溫度控制單元連通，液氮貯存裝置包括杜瓦和纏繞在杜瓦底端的杜瓦加熱管道，各個加熱器的出氣口還通過對應的降溫進氣閥門與杜瓦加熱管道連通，杜瓦通過對應的降溫出氣閥門與各個固定件連通，光抽運泡的兩端分別設置有第一溫度傳感器和第三溫度傳感器，光抽運泡的中部設置有第二溫度傳感器。
[0008]如上所述的固定件包括固定在光抽運泡的一端的第一下托架和第一上托架，第一下托架和第一上托架連通，第一下托架和第一上托架的外形與光抽運泡的外形適配，且第一下托架和第一上托架朝向光抽運泡的一側(cè)上開設有通氣孔；
[0009]固定件還包括固定在光抽運泡的中部的第二下托架和第二上托架，第二下托架和第二上托架連通，第二下托架和第二上托架的外形與光抽運泡的外形適配，且第二下托架和第二上托架朝向光抽運泡的一側(cè)開設有通氣孔；
[0010]固定件還包括固定在光抽運泡的另一端的第三下托架和第三上托架，第三下托架和第三上托架連通，第三下托架和第三上托架的外形與光抽運泡的外形適配，且第三下托架和第三上托架朝向光抽運泡的一側(cè)開設有通氣孔；
[0011]加熱器包括第一加熱器、第二加熱器和第三加熱器，
[0012]氣源分別與第一加熱器的進氣口、第二加熱器的進氣口和第三加熱器的進氣口連通；第一加熱器的出氣口通過第一加熱管道與第一下托架連通；第二加熱器的出氣口通過第二加熱管道與第二下托架連通；第三加熱器的出氣口通過第三加熱管道與第三下托架連通；
[0013]第一加熱器的出氣口還通過第一降溫進氣管道與杜瓦加熱管道連通；第二加熱器的出氣口還通過第二降溫進氣管道與杜瓦加熱管道連通；第三加熱器的出氣口還通過第三降溫進氣管道與杜瓦加熱管道連通；
[0014]杜瓦的出氣口通過第一降溫出氣管道與第一下托架連通；杜瓦的出氣口通過第二降溫出氣管道與第二下托架連通；杜瓦的出氣口通過第三降溫出氣管道與第三下托架連通；
[0015]第一加熱管道、第二加熱管道、第三加熱管道上依次設置有第一加熱控制閥門、第二加熱控制閥門、第三加熱控制閥門；
[0016]第一降溫進氣管道、第二降溫進氣管道、第三降溫進氣管道上依次設置有第一降溫進氣閥門、第二降溫進氣閥門、第三降溫進氣閥門；
[0017]第一降溫出氣管道、第二降溫出氣管道、第三降溫出氣管道上依次設置有第一降溫出氣閥門、第二降溫出氣閥門、第三降溫出氣閥門。
[0018]光抽運反應中堿金屬種類為金屬銣Rb或金屬銫Cs ;惰性氣體為129Xe、3He或83Kr。
[0019]一種利用不同溫度加熱光抽運泡的方法，用加熱光抽運泡的方式獲得極化的氣體，包括以下步驟:
[0020]加熱步驟1、中央溫度控制單元發(fā)出閥門控制指令A，命令第一降溫進氣閥門?第三降溫進氣閥門、第一降溫出氣閥門?第三降溫出氣閥門關(guān)閉，第一加熱控制閥門?第三加熱控制閥門開啟，熱空氣直接分別通過第一加熱管道?第三加熱管道到達第一下托架?第三下托架并均勻的加熱光抽運泡；
[0021]加熱步驟2、中央溫度控制單元分別讀取第一溫度傳感器?第三溫度傳感器的溫度值，分別為T1、T2、T3，
[0022]加熱步驟3、通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門控制Τ2在140°C — 170°C內(nèi)的預設初始值，
[0023]加熱步驟4、通過調(diào)節(jié)第一加熱控制閥門和第三加熱控制閥門，使得Tl、T3與Τ2之間相差不超過0.5°C后進入加熱步驟5，
[0024]加熱步驟5、記錄在當前T2溫度條件下的惰性氣體極化度PN，通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門控制T2增加預設的增量值并返回步驟4直至T2掃描完140°C — 170°C內(nèi)的溫度點，
[0025]加熱步驟6、通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門使得第二溫度傳感器測得的溫度為最大惰性氣體極化度Pn對應的T2，通過調(diào)節(jié)第一加熱控制閥門和第三加熱控制閥門，使得Tl、T3與T2之間相差不超過0.5°C。
[0026]一種利用不同溫度加熱光抽運泡的方法，包括以下步驟:
[0027]冷卻步驟:中央溫度控制單元會發(fā)出控制指令B，控制第一降溫進氣閥門?第三降溫進氣閥門、第一降溫出氣閥門?第三降溫出氣閥門開啟，第一加熱控制閥門?第三加熱控制閥門關(guān)閉，使得熱空氣經(jīng)過液氮貯存裝置的杜瓦加熱管道，并與杜瓦中的液氮發(fā)生熱交換，從而使得經(jīng)過氣化的、低溫的氮氣進入第一下托架?第三下托架中并均勻的對光抽運泡進行降溫作用。
[0028]在工作狀態(tài)下，氣源中的氣體進入加熱器被加熱后進入光抽運泡的下托架與上托架中，由于光抽運泡下托架與光抽運泡上托架均中空，熱氣體能夠在托架內(nèi)充分混合并均勻地從兩個托架圓弧形的內(nèi)表上的圓孔中流出，這樣對處于上托架和下托架中的光抽運泡來說，光抽運泡被覆蓋的那部分溫度是均勻的。
[0029]在實際應用時，往往可以多個加熱器并聯(lián)，采用并聯(lián)加熱的方式對于光抽運泡進行加熱。具體來說，可以采用三個或者三個以上的上下托架固定光抽運泡，并各自使用加熱器對光抽運泡的一部分進行分段的均勻加熱。在進行光抽運反應時，開啟激光器后，入射激光將會集中于光抽運泡的入射面，入射激光照射在光抽運泡的玻璃表面時玻璃會產(chǎn)生一定的熱量，在無任何外加溫度時，該熱量會自發(fā)的在光抽運泡表面形成一個溫度場I ;此外，在光抽運泡里面的氣體介質(zhì)也會由于部分的吸收激光的能量，同時也與光抽運泡的玻璃內(nèi)壁發(fā)生熱交換而形成另外一個溫度場2。我們可以認為溫度場I和溫度場2是在激光開啟條件下，光抽運泡中的標準溫度場，其來源都是入射的激光與物質(zhì)的相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果，其相同點都是離光源越近溫度越高，離光源越遠溫度越低。
[0030]在傳統(tǒng)模式下，如用單一的熱氣體對光抽運泡的一部分進行加熱，其必然導致的結(jié)果是由熱氣體在光抽運泡中產(chǎn)生的溫度場與由激光產(chǎn)生的標準溫度場疊加形成一個新的溫度場，新的溫度場使得光抽運泡表面玻璃以及光抽運泡里面的氣體介質(zhì)的溫度不均勻，從而造成光抽運泡的受熱不均勻。
[0031]這種不均勻的受熱直接導致的結(jié)果是，在發(fā)生光抽運反應時，光抽運泡中的堿金屬出現(xiàn)局部的蒸發(fā)速率的不同，同時，導致局部的堿金屬原子蒸汽數(shù)密度的改變。更重要的是在光抽運反應后續(xù)的自旋交換過程中，作為自旋交換中最重要的惰性氣體的，在受到不均勻的溫度加熱時，就會出現(xiàn)局部的氣體分子運動劇烈的程度不同。然而，惰性氣體分子與堿金屬原子進行有序的自旋交換，是穩(wěn)定地取得超極化惰性氣體的基礎，因此不均勻的受熱會降低惰性氣體的極化度。
[0032]采用多個加熱器并聯(lián)加熱的方式后，在光抽運泡上靠近激光照射一端因為更接近標準溫度場的源頭，溫度更高，因此實際使用加熱器的加熱功率略小；在光抽運泡遠離激光照射的一端，由于遠離標準溫度場的源頭，溫度稍低一點，因而實際使用加熱器的加熱功率略大；在光抽運泡的中間，由于其處于標準溫度場的中部，加熱器應以正常功率的工作，最后在光抽運泡表面溫度達到一致時進入間斷工作模式以用來維持光抽運泡的穩(wěn)定的表面溫度。
[0033]中央溫度控制單元的主要作用在于:以光抽運泡中間部分的溫度為標準，然后用以與兩邊的溫度加以對比，自動調(diào)節(jié)靠近光源處的光抽運泡表面的溫度使其降低，以及遠離光源處的光抽運泡表面的溫度使其升高。除此之外，中央溫度控制單元的另外一個重要的作用是可以根據(jù)實驗目的而選擇實驗模式，或者在同一個實驗條件下，按照實驗者的要求，切換實驗模式。其主要的工作原理是:通過控制管道上的閥門的開關(guān)狀態(tài)以此來導向熱空氣的走向，從而改變對于光抽運泡溫度狀態(tài)。如關(guān)閉旁路閥門，熱空氣將直接導入上下托架，對光抽運泡表面進行均勻加熱；如關(guān)閉主管道閥門，將熱空氣導入液氮儲存裝置，那么從液氮儲存裝置中揮發(fā)的低溫氮氣會通過旁路管道導入上下托架，從而對光抽運泡進行降溫。
[0034]目前已經(jīng)報道的相關(guān)工作表明，在非流動模式下或者較低溫度、較低壓力模式下利用自旋交換光抽運技術(shù)，可以提高惰性氣體的極化度。利用本系統(tǒng)，在一次實驗中，先將旁路閥門關(guān)閉、主管道閥門開啟，使用熱空氣將光抽運泡加熱，并進行正常的超極化實驗，待能夠穩(wěn)定取得超極化的惰性氣體后關(guān)閉主管道閥門，開啟旁路閥門，利用液氮揮發(fā)出來的低溫氮氣對光抽運泡進行降溫，該降溫的過程會使得光抽運泡中的超極化惰性氣體的極化度更加進一步的提聞。
[0035]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0036]1、能夠有效的改變傳統(tǒng)的單一熱源加熱時光抽運泡受熱不均勻的狀況。
[0037]2、托架內(nèi)表面小孔的設計加強了光抽運泡局部的受熱均勻性。
[0038]3、根據(jù)實驗具體需要，上下托架可以根據(jù)需要，在光抽運泡表面移動，對光抽運泡不同的位置進行移動式加熱。
[0039]4、對于不同的實驗環(huán)境，多個加熱裝置可以各自使用不同的溫度對光抽運泡進行加熱，使光抽運泡的不同位置區(qū)域溫度不同。
[0040]5、利用加熱裝置溫度的隨意可調(diào)節(jié)性，可以平衡因激光照射在光抽運泡中存在的溫度梯度場以及傳統(tǒng)的單一熱源加熱方式對于光抽運泡加熱的不均勻性。
[0041]6、該裝置不僅可以提供熱空氣對光抽運泡進行加熱，還可以根據(jù)實驗者的需要提供低溫氣體對光抽運泡進行冷卻，從而更進一步的提高惰性氣體極化度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明的原理示意圖；[0043]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3是本發(fā)明的控制流程圖；
[0045]圖4是光抽運泡托架的仰視圖；
[0046]圖5是光抽運泡托架的正視圖；
[0047]圖6是光抽運泡托架側(cè)蓋板的圖；
[0048]圖中:1_光抽運泡；2A-第一加熱器；2B-第二加熱器；2C_第三加熱器；3A_第一溫度傳感器；3B-第二溫度傳感器；3C-第三溫度傳感器；4_中央溫度控制單元；4A-第一負載端；4B-第二負載端；4C-第三負載端；5-氣源；6A-第一氣源管道；6B-第二氣源管道；6C-第三氣源管道；7A-第一加熱管道；7B-第二加熱管道；7C-第三加熱管道；8A_第一降溫進氣管道；8B-第二降溫進氣管道；8C-第三降溫進氣管道-M-第一降溫出氣管道；9B-第二降溫出氣管道；9C-第三降溫出氣管道；10A-第一加熱控制閥門；10B-第二加熱控制閥門；10C-第三加熱控制閥門；11A-第一降溫進氣閥門；11B-第二降溫進氣閥門；11C-第三降溫進氣閥門；12A-第一降溫出氣閥門；12B-第二降溫出氣閥門；12C-第三降溫出氣閥門；13A-第一下托架；13B-第二下托架；13C-第三下托架；14A-第一上托架；14B-第二上托架；14C-第三上托架；15_液氮貯存裝置；16_杜瓦；17_杜瓦加熱管道。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖和實施實例來對本發(fā)明作進一步說明。
[0050]如圖1所示，一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)包括氣源，管道系統(tǒng)，變溫系統(tǒng)，溫控系，光抽運泡系統(tǒng)。氣源系統(tǒng)提供一定流量的空氣經(jīng)過管道系統(tǒng)在加熱系統(tǒng)中被加熱到設定的溫度，從而對光抽運泡進行加熱；管道系統(tǒng)由管道組和閥門組組成，管道系統(tǒng)是空氣流體的載體，他們會以各種不同的連接方式將加熱后的熱空氣直接導入光抽運泡或者利用熱空氣氣化液氮儲存裝置中的液氮后，將低溫的氮氣導入光抽運泡；管道系統(tǒng)中閥門組的作用在于根據(jù)不同的實驗目的利用閥門各自不同的開關(guān)狀態(tài)打開與關(guān)閉一定的管道，讓熱空氣進入不同的管道以打到實驗目的；加熱系統(tǒng)主要用于對流過管道中空氣進行加熱；溫控系統(tǒng)主要用于對于光抽運泡表面不同位置的溫度的監(jiān)測并加以對比，同時根據(jù)光抽運泡表面不同溫度的狀況來控制加熱系統(tǒng)的加熱狀態(tài)；光抽運泡系統(tǒng)主要由托架和光抽運泡組成，托架的作用主要用于固定光抽運泡，同時托架中空，并且表面分布有圓孔的設計使得熱空氣能夠均勻地從托架中溢出。
[0051]如圖2所示，一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)，包括光抽運泡1，中央溫度控制單元4、氣源5和液氮貯存裝置15，光抽運泡I外部均勻包裹設置有若干個中空的固定件，固定件上開設有通氣孔，各個固定件通過對應的加熱控制閥門與對應的加熱器的出氣口連通，各個加熱器的進氣口與氣源5連通，各個加熱器的控制端與中央溫度控制單元4連通，液氮貯存裝置15包括杜瓦16和纏繞在杜瓦16底端的杜瓦加熱管道17，各個加熱器的出氣口還通過對應的降溫進氣閥門與杜瓦加熱管道17連通，杜瓦16通過對應的降溫出氣閥門與各個固定件連通，光抽運泡I的兩端分別設置有第一溫度傳感器3A和第三溫度傳感器3C，光抽運泡I的中部設置有第二溫度傳感器3B。
[0052]固定件包括固定在光抽運泡I的一端的第一下托架13A和第一上托架14A，第一下托架13A和第一上托架14A連通，第一下托架13A和第一上托架14A的外形與光抽運泡I的外形適配，且第一下托架13A和第一上托架14A朝向光抽運泡I的一側(cè)上開設有通氣孔；
[0053]固定件還包括固定在光抽運泡I的中部的第二下托架13B和第二上托架14B，第二下托架13B和第二上托架14B連通，第二下托架13B和第二上托架14B的外形與光抽運泡I的外形適配，且第二下托架13B和第二上托架14B朝向光抽運泡I的一側(cè)開設有通氣孔；
[0054]固定件還包括固定在光抽運泡I的另一端的第三下托架13C和第三上托架14C，第三下托架13C和第三上托架14C連通，第三下托架13C和第三上托架14C的外形與光抽運泡I的外形適配，且第三下托架13C和第三上托架14C朝向光抽運泡I的一側(cè)開設有通氣孔；
[0055]加熱器包括第一加熱器2A、第二加熱器2B和第三加熱器2C，
[0056]氣源5分別與第一加熱器2A的進氣口、第二加熱器2B的進氣口和第三加熱器2C的進氣口連通；第一加熱器2A的出氣口通過第一加熱管道7A與第一下托架13A連通；第二加熱器2B的出氣口通過第二加熱管道7B與第二下托架13B連通；第三加熱器2C的出氣口通過第三加熱管道7C與第三下托架13C連通；
[0057]第一加熱器2A的出氣口還通過第一降溫進氣管道8A與杜瓦加熱管道17連通；第二加熱器2B的出氣口還通過第二降溫進氣管道SB與杜瓦加熱管道17連通；第三加熱器2C的出氣口還通過第三降溫進氣管道SC與杜瓦加熱管道17連通；
[0058]杜瓦16的出氣口通過第一降溫出氣管道9A與第一下托架13A連通；杜瓦16的出氣口通過第二降溫出氣管道9B與第二下托架13B連通；杜瓦16的出氣口通過第三降溫出氣管道9C與第三下托架13C連通；
[0059]第一加熱管道7A、第二加熱管道7B、第三加熱管道7C上依次設置有第一加熱控制閥門10A、第二加熱控制閥門10B、第三加熱控制閥門IOC ;
[0060]第一降溫進氣管道8A、第二降溫進氣管道SB、第三降溫進氣管道SC上依次設置有第一降溫進氣閥門11A、第二降溫進氣閥門11B、第三降溫進氣閥門IlC ;
[0061]第一降溫出氣管道9A、第二降溫出氣管道9B、第三降溫出氣管道9C上依次設置有第一降溫出氣閥門12A、第二降溫出氣閥門12B、第三降溫出氣閥門12C。
[0062]光抽運反應中堿金屬種類為金屬銣Rb或金屬銫Cs ;惰性氣體為129Xe、3He或83Kr。
[0063]抽運泡下托架(13A-13C)與光抽運泡上托架(14A-14C)均中空，上下底均為水平，中間為半圓弧形鏤空設計，其在工作時相對放置并通過螺桿固定相連，使用時上托架與下托架相對放置，由于其外形弧度與光抽運泡的半徑一致，其恰好可以對光抽運泡有支撐并且固定的作用；上下兩個托架圓弧形的內(nèi)表面上均有數(shù)量相等的圓孔，空氣通過這些圓孔可以均勻的到達光抽運泡表面。
[0064]在工作狀態(tài)下，氣源中的氣體進入加熱器被加熱后進入光抽運泡的下托架與上托架中，由于光抽運泡下托架與光抽運泡上托架均中空，熱氣體能夠在托架內(nèi)充分混合并均勻地從兩個托架圓弧形的內(nèi)表上的圓孔中流出，這樣對處于上托架和下托架中的光抽運泡來說，光抽運泡被覆蓋的那部分溫度是均勻的。
[0065]在超極化惰性氣體系統(tǒng)中，光抽運泡I 一般為長度15cm，半徑5cm左右的的透明的玻璃圓柱體，其柱體上連接有進氣出氣的管道。
[0066]所述管道7A、7B、7C均與下托架連通，下托架與上托架中均中空，熱空氣從下托架中進入上托架中，并從上下托架的圓弧形表面上的孔中逸出。[0067]光抽運泡I上設置有第一溫度傳感器3A、第二溫度傳感器3B、第三溫度傳感器3C，第一溫度傳感器3A、第二溫度傳感器3B、第三溫度傳感器3C分別處于光抽運泡第一下托架13A、第二下托架13B、第三下托架13C的內(nèi)側(cè)并粘覆在光抽運泡的表面，同時，第一溫度傳感器3A、第二溫度傳感器3B、第三溫度傳感器3C的信號由中央溫度控制單元4接收。
[0068]液氮儲存裝置15包含供儲存液氮用的杜瓦16以及供熱氣體與液氮熱交換的杜瓦加熱管道17。在杜瓦16的頂端有出氣口與第一降溫出氣管道9A、第二降溫出氣管道9B、第三降溫出氣管道9C相連，同時有連接液氮入口 ；供熱交換的杜瓦加熱管道17的一端連接有第一降溫進氣管道8A、第二降溫進氣管道SB、第三降溫進氣管道SC，其另一端直通空氣。
[0069]一種利用不同溫度加熱光抽運泡的方法，用加熱光抽運泡的方式獲得極化的氣體，包括以下步驟:
[0070]加熱步驟1、中央溫度控制單元4發(fā)出閥門控制指令A，命令第一降溫進氣閥門?第三降溫進氣閥門(11A、11B、11C)、第一降溫出氣閥門?第三降溫出氣閥門(12A、12B、12C)關(guān)閉，第一加熱控制閥門?第三加熱控制閥門(10A、10B、10C)開啟，熱空氣直接分別通過第一加熱管道?第三加熱管道(7A、7B、7C)到達第一下托架?第三下托架(13A、13B、13C)并均勻的加熱光抽運泡I ;
[0071]加熱步驟2、中央溫度控制單元4分別讀取第一溫度傳感器?第三溫度傳感器(3A、3B、3C)的溫度值，分別為T1、T2、T3，
[0072]加熱步驟3、通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門IOB控制Τ2在140°C—170°C內(nèi)的預設初始值，
[0073]加熱步驟4、通過調(diào)節(jié)第一加熱控制閥門IOA和第三加熱控制閥門10C，使得Tl、T3與T2之間相差不超過0.5°C后進入加熱步驟5，
[0074]加熱步驟5、記錄在當前T2溫度條件下的惰性氣體極化度PN，通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門IOB控制T2增加預設的增量值并返回步驟4直至T2掃描完140°C — 170°C內(nèi)的溫度點，
[0075]加熱步驟6、通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門IOB使得第二溫度傳感器3B測得的溫度為最大惰性氣體極化度Pn對應的T2，通過調(diào)節(jié)第一加熱控制閥門IOA和第三加熱控制閥門10C，使得T1、T3與Τ2之間相差不超過0.5°C。
[0076]一種利用不同溫度加熱光抽運泡的方法，對用加熱光抽運泡的方式獲得極化的氣體通過降溫的方式得到進一步極化的氣體，包括以下步驟:
[0077]冷卻步驟:中央溫度控制單元4會發(fā)出控制指令B，控制第一降溫進氣閥門?第三降溫進氣閥門(11A、11B、11C)、第一降溫出氣閥門?第三降溫出氣閥門(12A、12B、12C)開啟，第一加熱控制閥門?第三加熱控制閥門(10A、10B、10C)關(guān)閉，使得熱空氣經(jīng)過液氮貯存裝置15的杜瓦加熱管道17，并與杜瓦16中的液氮發(fā)生熱交換，從而使得經(jīng)過氣化的、低溫的氮氣進入第一下托架?第三下托架(13A、13B、13C)中并均勻的對光抽運泡I進行降溫作用。
[0078]如圖3所示，是本系統(tǒng)的控制流程圖，其主要步驟是:系統(tǒng)在啟動時默認為第一種模式，此時，中央溫度控制單元4會發(fā)出閥門控制指令A，命令降溫進氣閥門(11A、11B、11C)、降溫出氣閥門(12A、12B、12C)關(guān)閉，加熱控制閥門(10A、10B、10C)開啟，這樣熱空氣直接通過加熱管道(7A、7B、7C)到達并下托架(13A、13B、13C)并均勻的加熱光抽運泡I。在加熱的過程中，中央溫度控制單元4的分別讀取溫度傳感器(3A、3B、3C)的溫度值Tl、T2、T3，并以T2為標準，對比Tl和T3的值，T2 —般設置為140°C _170°C，T2的值是惰性氣體極化度的重要決定因素之一，在其他條件不變的情況下，最高極化度對應的溫度值一般做為T2的選取值；由于光抽運泡的一端會靠近激光光源；另外一端會遠離激光光源，正常情況下，T1>T2>T3或者Τ3>Τ2>Τ1，Tl、Τ3的相對大小取決于激光入射光抽運泡的相對方向。當Tl或者Τ3的值小于Τ2的時候，中央溫度控制單元4會發(fā)出指令，控制光抽運泡I前端或后端對應的第一加熱器2Α或者第三加熱器2C工作；當Tl或Τ3的值大于或者等于Τ2的時候，中央溫度控制單元4會控制與Tl或Τ3相對應的第一加熱器2Α或第三加熱器2C，使其停止工作，從而保證Tl或Τ3的值接近于Τ2。中央溫度控制單元4的負載端(4A、4B、4C)可以分別獨立的接收三個溫度傳感器的溫度值Tl、T2、T3，并同時獨立地控制加熱器(2A、2B、2C)的工作狀態(tài)。當T1、T2、T3的值相差不超過0.5°C時，表明光抽運泡I中的溫度分布已經(jīng)達到穩(wěn)定，惰性氣體與堿金屬蒸汽的自旋交換光抽運反應可以認為已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)，此時實驗者可以根據(jù)實驗需要選取是否需要進行系統(tǒng)的第二種工作模式，即:降溫模式。在降溫模式中，中央溫度控制單元4會發(fā)出控制指令B，控制降溫進氣管路(8A、8B、8C)上的降溫進氣閥門(11A、11B、11C)、降溫出氣管道(9A、9B、9C)上的降溫出氣閥門(12A、12B、12C)開啟，加熱管道(7A、7B、7C)上的加熱控制閥門(10A、10B、10C)關(guān)閉，使得熱空氣經(jīng)過液氮儲存裝置15的杜瓦加熱管道17，并與杜瓦16中的液氮發(fā)生熱交換，從而使得經(jīng)過氣化的、低溫的氮氣進入下托架(13A、13B、13C)中并均勻的對光抽運泡I進行降溫作用。
[0079]上述的實施例是基于三段溫度控制方法，在具體應用中，可以根據(jù)光抽運泡的長度，用多段(大于3段)精密加溫的方法實現(xiàn)光抽運泡實時溫度的控制。在多段控制中，同樣可以設置一個對應氣體極化度最高的溫度，然后中央溫度控制單元會自動調(diào)整光抽運泡前后端的表面溫度，使得整個光抽運泡表面的溫度達到一致，從而保證惰性氣體光抽運反應的穩(wěn)定性。
[0080]以上實例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者同等替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)，包括光抽運泡(1)，其特征在于，中央溫度控制單元(4)、氣源(5)和液氮貯存裝置(15)，光抽運泡(I)外部均勻包裹設置有若干個中空的固定件，固定件上開設有通氣孔，各個固定件通過對應的加熱控制閥門與對應的加熱器的出氣口連通，各個加熱器的進氣口與氣源(5)連通，各個加熱器的控制端與中央溫度控制單元(4)連通，液氮貯存裝置(15)包括杜瓦(16)和纏繞在杜瓦(16)底端的杜瓦加熱管道(17)，各個加熱器的出氣口還通過對應的降溫進氣閥門與杜瓦加熱管道(17)連通，杜瓦(16)通過對應的降溫出氣閥門與各個固定件連通，光抽運泡(I)的兩端分別設置有第一溫度傳感器(3A)和第三溫度傳感器(3C)，光抽運泡(I)的中部設置有第二溫度傳感器(3B)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)，其特征在于， 固定件包括固定在光抽運泡(I)的一端的第一下托架(13A)和第一上托架(14A)，第一下托架(13A)和第一上托架(14A)連通，第一下托架(13A)和第一上托架(14A)的外形與光抽運泡(I)的外形適配，且第一下托架(13A)和第一上托架(14A)朝向光抽運泡(I)的一側(cè)上開設有通氣孔； 固定件還包括固定在光抽運泡(I)的中部的第二下托架(13B)和第二上托架(14B)，第二下托架(13B)和第二上托架(14B)連通，第二下托架(13B)和第二上托架(14B)的外形與光抽運泡(I)的外形適配，且第二下托架(13B)和第二上托架(14B)朝向光抽運泡(I)的一側(cè)開設有通氣孔； 固定件還包括固定在光抽運泡(I)的另一端的第三下托架(13C)和第三上托架(14C)，第三下托架 (13C)和第三上托架(14C)連通，第三下托架(13C)和第三上托架(14C)的外形與光抽運泡(I)的外形適配，且第三下托架(13C)和第三上托架(14C)朝向光抽運泡(I)的一側(cè)開設有通氣孔； 加熱器包括第一加熱器(2A)、第二加熱器(2B)和第三加熱器(2C)， 氣源(5)分別與第一加熱器(2A)的進氣口、第二加熱器(2B)的進氣口和第三加熱器(2C)的進氣口連通；第一加熱器(2A)的出氣口通過第一加熱管道(7A)與第一下托架(13A)連通；第二加熱器(2B)的出氣口通過第二加熱管道(7B)與第二下托架(13B)連通；第三加熱器(2C)的出氣口通過第三加熱管道(7C)與第三下托架(13C)連通； 第一加熱器(2A)的出氣口還通過第一降溫進氣管道(8A)與杜瓦加熱管道(17)連通；第二加熱器(2B)的出氣口還通過第二降溫進氣管道(SB)與杜瓦加熱管道(17)連通；第三加熱器(2C)的出氣口還通過第三降溫進氣管道(SC)與杜瓦加熱管道(17)連通； 杜瓦(16)的出氣口通過第一降溫出氣管道(9A)與第一下托架(13A)連通；杜瓦(16)的出氣口通過第二降溫出氣管道(9B)與第二下托架(13B)連通；杜瓦(16)的出氣口通過第三降溫出氣管道(9C)與第三下托架(13C)連通； 第一加熱管道(7A)、第二加熱管道(7B)、第三加熱管道(7C)上依次設置有第一加熱控制閥門(IOA)、第二加熱控制閥門(IOB)、第三加熱控制閥門(IOC); 第一降溫進氣管道(8A)、第二降溫進氣管道(SB)、第三降溫進氣管道(SC)上依次設置有第一降溫進氣閥門(11A)、第二降溫進氣閥門(11B)、第三降溫進氣閥門(IlC)； 第一降溫出氣管道(9A)、第二降溫出氣管道(9B)、第三降溫出氣管道(9C)上依次設置有第一降溫出氣閥門(12A)、第二降溫出氣閥門(12B)、第三降溫出氣閥門(12C)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用不同溫度加熱光抽運泡的系統(tǒng)，其特征在于:光抽運反應中堿金屬種類為金屬銣Rb或金屬銫Cs ;惰性氣體為129Xe、3He或83Kr。
4.一種利用權(quán)利要求2所述裝置進行加熱光抽運泡的方法，其特征在于，用加熱光抽運泡的方式獲得極化的氣體，包括以下步驟: 加熱步驟1、中央溫度控制單元(4)發(fā)出閥門控制指令A，命令第一降溫進氣閥門~第三降溫進氣閥門(11A、11B、11C)、第一降溫出氣閥門~第三降溫出氣閥門(12A、12B、12C)關(guān)閉，第一加熱控制閥門~第三加熱控制閥門(10A、10B、10C)開啟，熱空氣直接分別通過第一加熱管道~第三加熱管道(7A、7B、7C)到達第一下托架~第三下托架(13A、13B、13C)并均勻的加熱光抽運泡(I); 加熱步驟2、中央溫度控制單元(4)分別讀取第一溫度傳感器~第三溫度傳感器(3A、3B、3C)的溫度值，分別為T1、T2、T3， 加熱步驟3、通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門(IOB)控制Τ2在140°C — 170°C內(nèi)的預設初始值，加熱步驟4、通過調(diào)節(jié)第一加熱控制閥門(IOA)和第三加熱控制閥門(10C)，使得Tl、T3與T2之間相差不超過0.5°C后進入加熱步驟5， 加熱步驟5、記錄在當前T2溫度條件下的惰性氣體極化度PN，通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門(IOB)控制T2增加預設的增量值并返回步驟4直至T2掃描完140°C—170°C內(nèi)的溫度點，加熱步驟6、通過調(diào)節(jié)第二加熱控制閥門(IOB)使得第二溫度傳感器(3B)測得的溫度為最大惰性氣體極化度Pn對應的T2，通過調(diào)節(jié)第一加熱控制閥門(10A)和第三加熱控制閥門(100，使得11、13與T2之間相差不超過0.5°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用不同溫度加熱光抽運泡的方法，其特征在于，對用加熱光抽運泡的方式獲得極化的氣體通過降溫的方式得到進一步極化的氣體，包括以下步驟:` 冷卻步驟:中央溫度控制單元(4)會發(fā)出控制指令B，控制第一降溫進氣閥門~第三降溫進氣閥門(11A、11B、11C)、第一降溫出氣閥門~第三降溫出氣閥門(12A、12B、12C)開啟，第一加熱控制閥門~第三加熱控制閥門(10A、10B、10C)關(guān)閉，使得熱空氣經(jīng)過液氮貯存裝置(15)的杜瓦加熱管道(17)，并與杜瓦(16)中的液氮發(fā)生熱交換，從而使得經(jīng)過氣化的、低溫的氮氣進入第一下托架~第三下托架(13A、13B、13C)中并均勻的對光抽運泡(I)進行降溫作用。
【文檔編號】G05D23/30GK103699156SQ201310710433
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】周欣, 李昭, 趙修超, 孫獻平, 劉買利 申請人:中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所