多普勒展宽测温验证实验中的精确控温系统研究
发布时间：2021-08-11 03:01
玻尔兹曼常量的定值和温度基本单位开尔文的重新定义将使国际协议温标向热力学温标融合过渡。基于铯原子直接吸收光谱的多普勒展宽测温可实现实用、芯片级热力学温度测量,其实验原理验证依赖高准确度的控温环境。该文搭建面向室温验证范围的恒温腔体,利用制冷循环水浴提供基础温度,使用自研PID程序调控比例-积分控制参数,输出电压动态改变加热功率,采用接触电加热方式实现精确温度调节与稳定。结果表明:在25℃实验条件下,该系统温度均匀性小于8 mK,12 h内稳定性优于0.2 mK,整体控温标准不确定度11.02 mK（k=1）。研究为实现芯片级、在线免校准的热力学温度传感器实验验证奠定一定的基础。
【文章来源】：中国测试. 2020,46(08)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
控温实验系统图
中国计量科学研究院根据如图1所示实验原理图，从2017年开展基于原子直接吸收光谱的DBT研究，已实现室温范围内的测量准确性及重复性均达到0.2%[14-15]。系统采用外腔扫描式激光器Newfocus TLB6718输出连续可调激光光束，输出光连接两个9:1保偏光纤分束器。第二个分束器中10%部分输入高精度波长计Topical WSU-10IR1，利用自研闭环控制程序实时获取波长计监测频率，通过数据采集卡NI USB-6361输出电压控制外腔压电陶瓷，实现频率锁定与扫描。分束器另一端连接衰减器后进入光纤准直器，准直光束通过振幅型声光调制器AAOptoelectronic MT110-A1.5-IR后保留一级衍射光。一级光通过偏振分束器分束后，一路分光转换为电压信号送入比例-积分控制器Newfocus LB1005，与内部参考电压比较、作差、放大、滤波，实现激光功率稳定。另一路分光用于探测温度。实验中吸收介质所处环境的温度稳定性将直接影响实验结果，因此将铯原子气室置于恒温腔中心的均温铜柱中。利用直接吸收光谱法将探测激光单次或多次通过铯原子蒸汽，在被测粒子两个量子态转换频率周围的窄带光谱区域内调谐扫描激光频率，获取光束通过特征粒子的幅值衰减，该特性由朗伯-比尔定律表征。粒子在热平衡状态下速度分布呈高斯分布，其一维速度分布导致吸收谱线展宽，即多普勒展宽。其半高全宽宽度与热力学温度存在如下关系：
根据研究目的和尺寸需求设计了恒温腔结构，如图2所示。最外层加热铝腔长380 mm、内直径180 mm、外直径210 mm。铝腔两侧将特制的光学玻璃通过压接形式装在中心位置，用于在光路系统中通过探测激光。均温铜柱直径75 mm、长150 mm，其中间打通2个直径为24 mm的圆柱孔，用于放置铯原子吸收气室。均温铜柱上设计有2个测温插孔，插入直径3.5 mm、长35 mm的已标定的Pt100温度传感器。其中94 mm深的插孔位于正中心，用于温度控制与测量。38 mm深的插孔位于径向最大距离处，用于温度测量。为防止铯原子在外磁场中发生塞曼分裂现象，在恒温腔中预留了3层坡莫合金磁屏蔽筒，每层磁屏蔽筒厚1 mm，采用聚四氟乙烯隔层的方式互相支撑。3 实验
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cesium atomic Doppler broadening thermometry for room temperature measurement[J]. 潘奕捷,廖文汉,王贺,姚燕,蔡晋辉,屈继峰. Chinese Optics Letters. 2019(06)
[2]基于自然常数的国际单位制重新定义[J]. 原遵东. 中国科技术语. 2019(03)
[3]国际计量开启新纪元:基本单位的量子化定义[J]. 段宇宁,吴金杰. 自动化仪表. 2019(04)
[4]基于铯133原子D1线直接吸收光谱的多普勒展宽热力学温度测量[J]. 廖文汉,潘奕捷,王贺,武梦萱,冉洁,姚燕,屈继峰. 光学技术. 2019(01)
[5]国际计量委员会委员段宇宁谈国际单位制的重新定义[J]. 段宇宁,吴金杰. 中国计量. 2018(05)
[6]工业铂热电阻检定不确定度评定分析[J]. 颜烺. 仪器仪表标准化与计量. 2018(01)
[7]标准铂电阻温度计测量结果不确定度评定[J]. 吴勤. 计量与测试技术. 2013(11)
本文编号：3335311
【文章来源】：中国测试. 2020,46(08)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
控温实验系统图
中国计量科学研究院根据如图1所示实验原理图，从2017年开展基于原子直接吸收光谱的DBT研究，已实现室温范围内的测量准确性及重复性均达到0.2%[14-15]。系统采用外腔扫描式激光器Newfocus TLB6718输出连续可调激光光束，输出光连接两个9:1保偏光纤分束器。第二个分束器中10%部分输入高精度波长计Topical WSU-10IR1，利用自研闭环控制程序实时获取波长计监测频率，通过数据采集卡NI USB-6361输出电压控制外腔压电陶瓷，实现频率锁定与扫描。分束器另一端连接衰减器后进入光纤准直器，准直光束通过振幅型声光调制器AAOptoelectronic MT110-A1.5-IR后保留一级衍射光。一级光通过偏振分束器分束后，一路分光转换为电压信号送入比例-积分控制器Newfocus LB1005，与内部参考电压比较、作差、放大、滤波，实现激光功率稳定。另一路分光用于探测温度。实验中吸收介质所处环境的温度稳定性将直接影响实验结果，因此将铯原子气室置于恒温腔中心的均温铜柱中。利用直接吸收光谱法将探测激光单次或多次通过铯原子蒸汽，在被测粒子两个量子态转换频率周围的窄带光谱区域内调谐扫描激光频率，获取光束通过特征粒子的幅值衰减，该特性由朗伯-比尔定律表征。粒子在热平衡状态下速度分布呈高斯分布，其一维速度分布导致吸收谱线展宽，即多普勒展宽。其半高全宽宽度与热力学温度存在如下关系：
根据研究目的和尺寸需求设计了恒温腔结构，如图2所示。最外层加热铝腔长380 mm、内直径180 mm、外直径210 mm。铝腔两侧将特制的光学玻璃通过压接形式装在中心位置，用于在光路系统中通过探测激光。均温铜柱直径75 mm、长150 mm，其中间打通2个直径为24 mm的圆柱孔，用于放置铯原子吸收气室。均温铜柱上设计有2个测温插孔，插入直径3.5 mm、长35 mm的已标定的Pt100温度传感器。其中94 mm深的插孔位于正中心，用于温度控制与测量。38 mm深的插孔位于径向最大距离处，用于温度测量。为防止铯原子在外磁场中发生塞曼分裂现象，在恒温腔中预留了3层坡莫合金磁屏蔽筒，每层磁屏蔽筒厚1 mm，采用聚四氟乙烯隔层的方式互相支撑。3 实验
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cesium atomic Doppler broadening thermometry for room temperature measurement[J]. 潘奕捷,廖文汉,王贺,姚燕,蔡晋辉,屈继峰. Chinese Optics Letters. 2019(06)
[2]基于自然常数的国际单位制重新定义[J]. 原遵东. 中国科技术语. 2019(03)
[3]国际计量开启新纪元:基本单位的量子化定义[J]. 段宇宁,吴金杰. 自动化仪表. 2019(04)
[4]基于铯133原子D1线直接吸收光谱的多普勒展宽热力学温度测量[J]. 廖文汉,潘奕捷,王贺,武梦萱,冉洁,姚燕,屈继峰. 光学技术. 2019(01)
[5]国际计量委员会委员段宇宁谈国际单位制的重新定义[J]. 段宇宁,吴金杰. 中国计量. 2018(05)
[6]工业铂热电阻检定不确定度评定分析[J]. 颜烺. 仪器仪表标准化与计量. 2018(01)
[7]标准铂电阻温度计测量结果不确定度评定[J]. 吴勤. 计量与测试技术. 2013(11)
本文编号：3335311
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