CN101865982A - 用于测量空间磁体二极磁矩的装置及方法 - Google Patents

用于测量空间磁体二极磁矩的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于空间磁体的二极磁矩的测量装置包括空间磁体(1)、支撑杆(2)、旋转架(3)、吊杆(4)、Helmholtz线圈(5)、支承座(6)、测力仪(7)和固定架(8)。由于Helmholtz线圈(5)产生的磁场和空间磁体(1)的磁矩相互作用，产生旋转力矩。Helmholtz线圈(5)受到旋转力矩作用，通过旋转架(3)和吊杆(4)使Helmholtz线圈(5)在支承座(6)承载支撑杆(2)上旋转。通过测量Helmholtz线圈(5)的转动力矩测量磁体的二极磁矩的大小。

Description

用于测量空间磁体二极磁矩的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种磁体二极磁矩的测量装置和测量方法，特别涉及一种用于大型空间磁体的二极磁矩的测量装置和测量方法。
背景技术
空间探测技术中，通常采用具有较高磁场的超导或永磁磁体。对空间反物质探测的大型永磁磁体的二极磁矩的测量和补偿技术对于其他的空间磁体同样具有重要的应用意义。空间磁探测的科学使命是寻找宇宙中的反物质和暗物质，并对宇宙中各种同位素的相对丰度和高能γ光子进行精确的测量。磁谱仪是粒子物理、核物理研究的关键设备，它可测量带电粒子在磁场中的偏转，得到带电粒子的电荷和能谱。磁谱仪对宇宙带电粒子的直接观测，开创一个全新的科学领域，带来粒子物理学的新突破。磁谱仪的关键部件是由永磁磁体或超导磁体组成的。目前的永磁体采用新型高磁能积钕铁硼(NdFeB)材料，内径1.1m，外径1.4m，长0.8m，磁钢净重约1.9吨，由按圆周分成扇形磁条，磁化方向各异的磁体条组成。这64种磁化方向的磁块，每种磁化方向角度依次相差11.25°。由于组成磁体各条磁体工作点的不同，使磁体有一个与主磁场方向相反的二极磁矩。寻找宇宙中的反物质和暗物质的空间磁探测的科学使命的需求，有可能使用运载火箭将磁体系统送入太空。由于永磁体和超导磁体使用卫星平台发射，卫星平台应该消除由二极磁矩(永磁磁谱仪大于7300Am2和超导磁体的二极磁矩大约27200Am2)带来的影响。但是由于卫星平台的质量较小，目前设计的磁体的二极磁矩产生的干扰力矩是卫星内外干扰力矩的1000倍以上。根据AMS卫星姿态的控制，为了消除磁体二极磁矩对于承载磁体的姿态和轨道控制的影响，卫星须要随带大约300kg的原料。因此磁体的二极磁矩问题对于磁谱仪在外空间的运行非常重要。基于最初的美国NASA设计的要求，使用航天飞机将磁体送达空间站，因此磁体的二极磁矩和地磁场的相互作用的力矩应该小于2.7N·m，如果在磁体运行的轨道上，地磁场的大小为0.5G，等效于对应的磁体的二极磁矩小于5.4×104Am2。
二极磁矩的存在对于搭载磁体的卫星平台在外太空运行有很大影响，如果磁体的二极磁矩不为零，由于磁矩和地磁场之间的较强的相互作用力产生力矩，使得卫星在空间运动不可控制，因此对于二极磁矩的补偿显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提出一种永磁探测器空间磁体的二极磁矩的测量装置和测量方法。本发明测量装置和测量方法具有结构简单、对磁体的磁场分布影响较小等特点。
本发明采用在探测器磁体外安装永磁块，将其磁化方向和探测器磁体的磁场方向相反的技术方案，从而补偿二极磁矩到几乎为零，以便使卫星平台可承载这种磁体，实现卫星的姿态控制。
本发明采用的原理是：基于二极磁矩的定义，对于环形电流可以计算P＝Ids，式中：I是环的电流，ds是环的面积。任何永磁块可以使用一系列的电流环进行等效计算。空间磁体如果具有二极磁矩，当空间磁体处在均匀的外磁场中，二极磁矩和磁场的相互作用产生力矩，其力矩的大小可以使用下面的方程计算：
Figure BSA00000166739300021
Figure BSA00000166739300022
是力矩，
Figure BSA00000166739300023
是二极磁矩，
Figure BSA00000166739300024
是磁场。因此，为了测量磁体的二极磁矩，只需要测量外加均匀磁场以及二极磁矩和外加均匀磁场之间的相互作用的力矩
Figure BSA00000166739300025
就可由公式可以直接得到
Figure BSA00000166739300026
均匀磁化的永磁块的二极磁矩可以使用下面的方程表示
Figure BSA00000166739300027
其中
Figure BSA00000166739300028
为磁化强度，单位为A/m，V为磁块体积，单位为m3。探测器永磁体和补偿磁块均由NdFeB永磁材料制作，相对磁导率μr≈1，可认为是线性材料。在对空间磁体(例如阿尔法磁谱仪(AMS)磁体)的二极磁矩补偿中可直接以数学加减处理，即可用永磁块产生的二极磁矩对空间磁体的二极磁矩进行反向抵消。
本发明用于空间磁体的二极磁矩的测量装置包括空间磁体、支撑杆、旋转架、吊杆、赫尔姆兹线圈、支承座、测力仪和固定架。在支承座上放置空间磁体，在空间磁体上方放置支撑杆，支撑杆上安装旋转架，旋转架通过吊杆将两个赫尔姆兹线圈吊在吊杆的两端，其中一个赫尔姆兹线圈连接测力仪，测力仪的另一端通过固定架固定。由于赫尔姆兹(Helmholtz)线圈产生的磁场和空间磁体的磁矩相互作用，产生旋转力矩。赫尔姆兹(Helmholtz)线圈受到旋转力矩作用，通过旋转架和吊杆使赫尔姆兹线圈在支承座承载支撑杆上旋转。通过测量Helmholtz线圈的转动力矩测量磁体的二极磁矩的大小。
本发明测量方法是将磁体放置在和自磁场垂直的均匀磁场中，磁场之间相互产生作用，测量磁体所受的力矩T，采用线性插补方法处理测试数据。由磁体的力矩、磁场以及二极磁矩之间的关系公式P＝T/B就可以计算间接测量出磁体的二极磁矩的大小。
本发明采用线性插补方法处理测量得到的旋转力矩数据。线性插补的理论依据于整个实验测量装置为线性系统。赫尔姆兹线圈中电流为零时其受到的力矩也应该为零，实验初值不为零是由于本发明测量装置存在摩擦阻力矩，应将摩擦阻力矩去除。数据处理过程是：令赫尔姆兹线圈中电流I为x轴，所测拉力F为y轴，输入一次实验数据，得到系列散点；利用最小二乘法对散点进行线性拟合，得到直线方程y＝kx+b；其中k为直线斜率，b为截距。令b＝0，使直线过零点，即消除掉实验中的摩擦阻力矩。
本发明为了补偿消除空间磁体的二极磁矩，使用对称性磁化方向和主磁场方向相反的高磁能的永磁块一和永磁块二对称地放置在永磁体的两端，从而将磁场体的二级磁矩补偿到零。
本发明的主要技术优点在于：
1)通过赫尔姆兹线圈对产生均匀磁场来模拟地磁场，磁矩和磁场的相互作用产生力，通过力和力臂的乘积就可以直接测量出力矩。基于简单的公式计算就可以得到磁体的二极磁矩的大小；
2)通过固定大型空间探测磁体和磁场线圈的旋转方法可以极大简化装置的测量方法，进一步提高系统的测量精度；
3)采用线性化数值处理方法，消除摩擦阻力矩，从而提高系统的测量数据的可靠性；
4)发展的FEM分析计算技术可以高精度的计算磁体的磁矩，从而校正测量和计算值；
5)本发明的优点在于使用较小重量的永磁块可以极大减小磁体的二极磁矩，同时对于磁体的磁场影响非常小。
附图说明
图1为磁体的二极磁矩的测量装置示意图，图中：1空间磁体、2支撑杆、3旋转架、4吊杆、5赫尔姆兹线圈、6支承座、7测力仪、8固定架；
图2，测量二极磁矩方法流程示意图；
图3，二极磁矩补偿方法示意图，图中12永磁块一、13永磁块二、14永磁体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明用于空间磁体的二极磁矩的测量装置包括空间磁体1、支撑杆2、旋转架3、吊杆4、赫尔姆兹线圈5、支承座6、测力仪7和固定架8。在支承座6上放置空间磁体1，在空间磁体1上方放置支撑杆2，支撑杆2上安装旋转架3，旋转架3通过吊杆4将两个赫尔姆兹线圈5吊在吊杆4的两端，其中一个赫尔姆兹线圈5连接测力仪7的一端，测力仪7的另一端通过固定架8固定。由于赫尔姆兹线圈5产生的磁场和空间磁体1的磁矩相互作用，产生旋转力矩。赫尔姆兹线圈5受到旋转力矩作用，通过旋转架3和吊杆4使赫尔姆兹线圈5在支承座6承载支撑杆2上旋转。通过测量赫尔姆兹线圈5的转动力矩测量空间磁体1的二极磁矩的大小。
本实施例的Helmholtz线圈5，直径为3.4m，两线圈距离为1.8m。产生所要求的恒定均匀磁场。为使磁场均匀，线圈应该越大越好；赫尔姆兹(Helmholtz)线圈5有150匝，根据稳流电源和导线的规格设计线圈，要求线圈中心磁场大于15.0Gs，最好能达到20Gs；连续工作时间大于4小时，使用稳定直流电源供电。
如图2所示，本发明测量方法是将空间磁体放置在和自磁场垂直的，由赫尔姆兹线圈5产生的均匀磁场中。磁场之间相互产生作用，赫尔姆兹线圈5产生的均匀磁场和空间磁体的二极磁矩相互作用产生旋转力矩。通过测力仪7测量赫尔姆兹线圈5的旋转力矩，这个力矩也是空间磁体1受到的力矩，测量赫尔姆兹线圈5所受的旋转力矩T。然后采用线性插补方法处理测量得到的旋转力矩数据。通过旋转力矩除以赫尔姆兹线圈5产生的均匀磁场强度，即可得到控制本发明间永磁体1的二极磁矩的大小。
由磁体的力矩、磁场以及二极磁矩之间的关系公式P＝T/B可以计算间接测量出磁体的二极磁矩的大小。线性插补的理论依据为整个实验测量装置为线性系统，包括磁体。赫尔姆兹线圈5中的电流为零时，其受到的力矩也应该为零。实验初值不为零是由于系统存在摩擦阻力矩，应将摩擦阻力矩去除。数据处理过程如下：画出数据点，例如令赫尔姆兹线圈5中电流I为x轴，所测拉力F为y轴，输入一次实验数据，得到系列散点；将数据进行线性拟合，也就是利用最小二乘法对散点进行线性拟合，得到直线方程y＝kx+b；其中k为直线斜率，b为截距；将拟合的直线平移到通过原点，例如令b＝0，使直线过零点，即消除掉实验中的摩擦阻力矩，由电流得到力的大小，以直线上x坐标为20A的点的y值作为系统的实验拉力，力臂取1.472m，背景场强取16Guass，计算出磁体的二极磁矩。如图3所示，使用对称性磁化方向和主磁场方向相反的高磁能的磁块12和13对称地放在永磁体14截面上过直径的上端和下端，使用图1的测量装置测得到的永磁体二极磁矩几乎每为零。例如，放置用NbFeB永磁材料来补偿，体积为9.5×10-4m3的永磁块可以抵消掉1000Am2的二极磁矩，重量约为7kg(NbFeB的密度为7.5×103kg/m3)。如果要完全抵消掉AMS的二极磁矩7300Am2，大约需要50多千克的永磁块。使用永磁块能够有效减小磁体的二极磁矩。

Claims (3)

1.一种用于空间磁体的二极磁矩的测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括空间磁体(1)、支撑杆(2)、旋转架(3)、吊杆(4)、赫尔姆兹线线圈(5)、支承座(6)、测力仪(7)和固定架(8)；支承座(6)上放置空间磁体(1)，在空间磁体(1)的上方放置支撑杆(2)，支撑杆(2)上安装旋转架(3)，旋转架(3)通过吊杆(4)将两个赫尔姆兹线圈(5)吊在吊杆(4)的两端，其中一个赫尔姆兹线圈(5)连接测力仪(7)的一端，测力仪(7)的另一端通过固定架(8)固定。
2.应用于权利要求1所述的用于空间磁体的二极磁矩的测量装置的测量方法，其特征在于将所述的空间磁体(1)放置在和自磁场垂直的、由赫尔姆兹线圈(5)产生的均匀磁场中；赫尔姆兹线圈(5)产生的均匀磁场和空间磁体(1)的二极磁矩相互作用，赫尔姆兹线圈(5)受到旋转力矩的作用旋转，通过测力仪(7)测量赫尔姆兹线圈(5)的旋转力矩T，然后采用线性插补方法处理测得的旋转力矩数据；用旋转力矩T除以均匀磁场强度B，即得到空间磁体(1)的二极磁矩P。
3.按照权利要求2所述的用于空间磁体的二极磁矩的测量方法，其特征在于在所述的空间磁体(1)的区域对称放置对称性磁化方向和主磁场方向相反的永磁块一(12)和永磁块二(13)，将空间磁体(1)的二级磁矩补偿到零。
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