一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，包括：外层保温层，中间加热层，内层加热层，无磁加热片，温度传感器以及基于数字PID控制的加热系统。将原子气室紧贴内层加热层，并将无磁加热片和温度探测器置于内层加热层以及中间加热层表面，通过温度探测器采集的温度电信号反馈至基于数字PID控制的加热系统实现内层及中间层的加热控制。通过大功率中间加热层长期加热可以实现对内部系统0.1℃的稳定控制，通过小功率内层加热层长期加热可以实现对原子气室优于0.1℃高稳定性的温度控制，并且通过采用聚四氟乙烯材料做外层保温层避免了因高低温冲击带来的温度不平衡。