CN103245928B

CN103245928B - 方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的方法及装置

Info

Publication number: CN103245928B
Application number: CN201310195809.XA
Authority: CN
Inventors: 王会武; 荣亮亮; 邱隆清; 伍俊; 常凯; 徐婷; 侍文; 蒋坤; 谢晓明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: CN103245928A

Abstract

本发明涉及一种方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的方法及相应的装置，其特征在于将均匀磁场和梯度磁场发生装置与磁场方向调节装置结合在一起，构成一个方向可调的磁场和梯度磁场产生装置；所述的装置由两部分组成：一部分是均匀磁场和均匀一阶梯度磁场产生装置，在装置中通入电流时，在装置内部产生均匀磁场或均匀一阶梯度磁场，根据具体使用要求，在线圈的不同端子通入同向或反向电流，以满足使用要求；另一部分是调节磁场方向装置，以调节磁场和全张量一阶梯度磁场的方向；将这两部分集成在一起，构成方向可调节的磁场和梯度磁场发生装置。应用于磁传感器标定或多通道复杂结构的SQUID探测模块的标定。

Description

方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种磁场产生方法及相应的装置，更确切地说本发明涉及一种方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的方法及装置。属于磁场技术领域。

背景技术

超导量子干涉器件（SQUID）是以磁通量子化和约瑟夫森效应为理论基础的量子器件，它能将耦合到器件内部的微弱磁通量转换为可测量的电压，相当于一个磁通－电压转换器，其磁通灵敏度通常在10^-6Φ₀/Hz^1/2量级（Φ₀＝2.07×10^-15Wb），是目前最灵敏的磁通探测器，因此，SQUID在弱磁检测及可转化为磁通的物理量（如磁场、磁场梯度、位移等）检测等领域具有很大的应用潜力，如将超导探测线圈连接到SQUID器件时，可以探测弱的磁信号，其磁场灵敏度达fT/Hz^1/2量级（1fT＝1×10^-15T）；这些弱的信号测量所达到的灵敏度都远优于其它同类型的传感器，因此，SQUID在生物磁场测量、大地磁场及磁场梯度测量等弱信号探测领域具有极大的应用前景和发展潜力。另外，超导SQUID器件的尺寸比较小，可以使用超导SQUID器件制作多通道的SQUID探测模块以增加探测信息，例如使用超导SQUID磁强计制作三轴探测模块来探测磁场在空间不同方向的磁场；使用平面超导SQUID梯度计制作的全张量梯度探测模块来探测空间中的全张量磁场梯度。这些探测模块所得到的信息能够极大提高待测量信息的完备性、准确性和效率。

使用基于SQUID器件的探测模块进行微弱磁信号测量时，每个探测器的输出是电压信息，为了确定输出电压数值所对应的磁场信息，必须在测量前对SQUID探测模块进行标定，即确定SQUID输出电压的与磁信号的对应关系。对于基于单个SQUID器件的探测系统来说，标定操作是必需的。对于基于多通道SQUID器件的探测模块来说，更加不可缺少。这是因为每个通道的SQUID探测器的电压－磁通转换系数并非完全一致，存在着一定的差异，若不对其先进行标定，所测量结果将不准确。然而，SQUID标定操作的关键在于将SQUID磁强计（SQUID梯度计）放置于空间均匀的已知磁场（梯度磁场）中，磁场（梯度磁场）方向垂直于SQUID器件的平面，此时SQUID电压输出信息与已知磁场（梯度磁场）对应，进而标定出SQUID磁强计（SQUID梯度计）的磁场－电压转换系数（梯度磁场－电压转换系数）。产生空间均匀磁场的装置主要有亥姆霍兹线圈，它是将两个半径和匝数完全相同的线圈进行同轴排列，当线圈间距等于半径时而构成的，在这两个线圈中通入方向相同的电流时，即在轴线的中点附近范围内产生均匀磁场。在这两个线圈中通入方向相反的电流时，即在轴线的中点附近范围内产生梯度磁场，这种线圈称之为麦克斯韦线圈。产生梯度磁场的装置还有其它结构，如平面梯度线圈。上述是关于单通道SQUID磁强计（SQUID梯度计）标定的顺序，同理可对基于多通道SQUID磁强计（SQUID梯度计）的探测模块进行标定操作，但由于多通道探测模块器件数量多、方向各异，如三轴SQUID探测模块有3个SQUID器件，分别对应空间的X、Y和Z的三个方向；如图1（a)中某种结构的基于SQUID梯度计的全张量磁场梯度探测模块有5个器件，方向分别对应空间的不同方向；图1（b）中另一种结构的基于SQUID梯度计的全张量磁场梯度探测模块有6个器件，它们在空间中构成一个锥形；还有其它不同结构的SQUID探测模块。因此，在标定这些具有不规则形状的SQUID探测模块时，就需要产生不同方向的均匀磁场或梯度磁场。

目前，磁场产生装置所产生的均匀磁场或磁场梯度方向不能调节，因为目前广泛应用的SQUID探测模块主要是单通道SQUID或三轴SQUID探测模块，这些探测模块的标定只需要产生也只能单一方向的磁场或梯度磁场，而不要求磁场产生装置具有调节磁场或磁场梯度方向的功能。但对于较少应用的不规则形状的多通道SQUID探测模块标定而言，由于其标定研究处于开始阶段，因此，尚无适合其标定的可调节方向磁场或磁场梯度产生装置的报道。标定时通过变换探测模块的位置或磁场产生装置的位置来变换磁场方向，在使用时效率较低。鉴于以上的认知，从而引导出本申请的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方向可调的均匀磁场及均匀一阶梯度磁场的设计方法及相应的装置，为标定SQUID器件尤其是多通道SQUID探测模块方面不仅提供空间均匀的磁场和一阶梯度磁场，而且磁场和磁场梯度的方向能够在空间进行灵活的调节，以满足多通道不规则形状的SQUID探测模块标定对磁场或磁场梯度的需求。

具体地说，本发明提供的方向可调的均匀磁场和梯度磁场的方法及相应的装置是这样实现的：

（1）均匀磁场发生装置由如下方法设计而成，均匀磁场包括三个方向的磁场，这三个方向相互正交，由三对相互正交的亥姆霍兹线圈产生。亥姆霍兹线圈是将两个尺寸和匝数相同的线圈进行同轴排列并调节其间距，如图2（a）所示，在线圈A1和A2中通入方向相同的电流，可以在线圈中间产生均匀的磁场，其均匀磁场的空间随亥姆霍兹线圈的尺寸和磁场均匀度而变化。这种产生均匀磁场的装置是一种比较成熟的方法。将三对亥姆霍兹线圈组合在一起，构成能够产生X、Y、Z三个方向的均匀磁场的亥姆霍兹线圈，如图2（b）所示。

（2）均匀一阶全张量梯度磁场发生装置由如下方法设计而成，均匀一阶梯度磁场包括九个分量的一阶梯度磁场，分别是Bxx、Bxy、Bxz、Byx、Byy、Byz、Bzx、Bzy、Bzz，其中Bxx、Byy、Bzz由三对相互正交的麦克斯韦线圈产生，即将图2（a）中所述的亥姆霍兹线圈中的两个线圈A1和A2通入相反的电流，即可产生梯度磁场Bzz，同样，在图2（b）中的三对线圈中通入相反的电流，即可产生梯度磁场Bxx、Byy和Bzz。其它六个梯度分量Bxy、Bxz、Byx、Byz、Bzx、Bzy分别由六对平面梯度线圈产生。每对梯度线圈由一对共轴和平行的线圈组合而成，如图3（a）中所示，它可以在线圈对的中心区域产生均匀的梯度磁场Byx。将图3（a）中的平面梯度线圈安装于正方体的六个平面上，即可构成六个梯度分量Bxy、Bxz、Byx、Byz、Bzx、Bzy，如图3（b）中所示，能够产生分别是Byx，Byz两个分量的梯度磁场。利用图2（b）中亥姆霍兹线圈的框架，可以将图3（b）中的平面张量梯度磁场线圈集成在一起，如图4所示，构成一个既能产生均匀磁场也可产生全张量梯度磁场的装置。

（3）由本发明提供的方向可调均匀磁场和一阶梯度磁场设计方法构筑的相应发生装置是由两部分组成：一部分是均匀磁场和均匀一阶全张量梯度磁场产生装置，主要是通入电流时，可在装置内部产生均匀磁场或均匀一阶全张量梯度磁场，根据具体使用要求，在线圈的不同端子通入同向或反向电流，以满足使用要求；另一部分是调节磁场方向的装置，主要用途是调节磁场和全张量一阶梯度磁场的方向。将这两部分集成在一起，构成方向可调节的磁场和梯度磁场发生装置。

（4）对磁场方向进行调节的装置由如下设计而成，它由内、外两个球壳构成，两个球壳的球心处于同一点，内部球壳与磁场产生装置固定在一起，内部球壳与外部球壳在C1和C2点处通过轴承连接在一起，连接C1和C2点的直线通过球心，如此内部球壳可以绕框C1-C2线进行旋转；同理，内部球壳和外部球壳在D处通过轴承连接在一起，内部球壳可以绕连接D和球心的直线进行旋转，如此，内部球壳的旋转带动磁场产生装置的旋转，进而能够调节磁场的方向。

综上所述，本发明的特征在于将磁场和梯度磁场发生装置与方向调节装置结合在一起，构成一个全方向磁场和梯度磁场产生装置，通过调节装置内的通电电流和转动角度等参数，可以实现上述功能。本发明设计的装置所产生的方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场不仅可以应用于磁传感器标定，而且对于多通道复杂结构的SQUID探测模块标定具有重要的作用，提高了标定操作的效率和准确性。

本发明设计的装置不仅能够在一定空间中产生三个方向的均匀磁场和均匀的一阶全张量梯度磁场，而且可以对所产生的磁场和一阶磁场梯度的方向进行大范围的调节。本装置为超导SQUID探测器以及基于SQUID探测器的多通道磁场梯度探测模块的性能测试和标定研究提供了所需的均匀磁场和磁场梯度装置，尤其对于具有各种不同形状的SQUID全张量磁场梯度探测模块的测试和标定尤其具有重要的作用。

附图说明

图1不规则形状的多通道SQUID探测模块结构，此外a）基于5个SQUID梯度计构成的全张量梯度模块，b）基于6个SQUID梯度计构成的锥形结构全张量梯度模块。

图2三个方向均匀磁场产生装置三维亥姆霍兹线圈的设计方法，a）Z方向产生均匀磁场，b）三维亥姆霍兹线圈。

图3一阶梯度磁场产生装置的设计方法，a）平面梯度线圈所产生的磁场梯度为Byz，b）按照此原理可构成全张量磁场梯度的其它分量。

图4产生均匀磁场与全张量梯度磁场的装置设计方法。

图5提供的可调方向的磁场产生装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

根据SQUID器件及SQUID探测模块的标定要求，确定所需要的磁场和梯度磁场的空间范围大小，设计装置的尺寸；并根据其测量磁场的要求，制作装置所使用的材料，尽量多采用无磁非金属材料而少用磁性或金属材料，产生磁场的线圈采用漆包线绕制而成。

具体制备过程如下：

（a）选取比线圈尺寸稍大的正方形固定架，然后在上面嵌套上尺寸规格与所需线圈规格相同的支架。在支架之上，凿刻出以单位间距为间隔的刻槽。刻槽用来固定线圈之间的相对位置。然后根据线圈设计参数使用漆包线在支架上绕制线圈，构成亥姆霍兹线圈和全张量梯度线圈（图4）；

（b）使用无磁材料制作两个同心球壳，内部球壳和外部球壳通过轴承连接，构成方向调节装置（图5）；

（c）将磁场发生装置和方向调节装置安装在一起，并安装整个装置的支撑脚，完成装置的安装。

经过上述制备步骤，方向可调的磁场和梯度磁场发生装置制作完成，可以进行装置的测试或标定。

Claims

1.实现一种方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的设计方法，其特征在于：

①均匀磁场包括三个方向的磁场，这三个方向相互正交，由三对相互正交的亥姆霍兹线圈产生；亥姆霍兹线圈是将两个尺寸和匝数相同的线圈进行同轴排列并调节其间距；将三对亥姆霍兹线圈组合在一起，构成产生X、Y和Z三个方向的均匀磁场的亥姆霍兹线圈；

②均匀一阶梯度磁场包括九个分量的一阶梯度磁场，分别是Bxx、Bxy、Bxz、Byx、Byy、Byz、Bzx、Bzy、Bzz，其中Bxx、Byy、Bzz由三对相互正交的麦克斯韦线圈产生，余下的六个梯度分量分别由六对平面梯度线圈产生，每对梯度线圈由一对共轴和平行的线圈组合成；所述的平面梯度线圈安装于正方体的六个平面上，构成六个梯度分量；

③使用无磁材料制作两个同心球壳，内部球壳和外部球壳通过轴承连结构成方向可调节装置 ;

④将均匀磁场和梯度磁场发生装置与磁场方向调节装置结合在一起，构成一个方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场装置；所述的装置由两部分组成：一部分是均匀磁场和均匀一阶梯度磁场产生装置，通入电流时，在装置内部产生均匀磁场或均匀一阶梯度磁场，根据具体使用要求，在线圈的不同端子通入同向或反向电流，以满足使用要求；另一部分是调节磁场方向装置，以调节磁场和全张量一阶梯度磁场的方向；将这两部分集成在一起，构成方向可调节的磁场和梯度磁场发生装置 ;

⑤所述的对磁场方向进行调节的装置由内、外两个球壳构成，两个球壳的球心处于同一点，内部球壳与磁场产生装置固定在一起，内部球壳与外部球壳在C1和C2点处通过轴承连接在一起，连接C1和C2点的直线通过球心，内部球壳绕框C1-C2线进行旋转；同理，内部球壳和外部球壳在D处通过轴承连接在一起，内部球壳绕连接D和球心的直线进行旋转，内部球壳的旋转带动磁场产生装置的旋转，进而能够调节磁场的方向。

2.按权利要求1所述的方法构筑的相应发生装置，其特征在于所述的均匀磁场和均匀一阶梯度线圈发生装置是选取比线圈尺寸稍大的正方形固定架，然后在上面嵌套上尺寸规格与所需线圈规格相同的支架；在支架之上，凿刻出以单位间距为间隔的刻槽；刻槽用来固定线圈之间的相对位置；然后根据线圈设计参数使用漆包线在支架上绕制线圈，构成亥姆霍兹线圈均匀磁场和均匀一阶梯度线圈。

3.按权利要求2所述的装置，其特征在于通过调节装置的通电电流和转动角度，实现方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场。

4.按权利要求2或3所述的装置的应用，其特征在于应用于磁传感器标定或多通道复杂结构的SQUID探测模块的标定。