CN103869271A - 一种正八边形梯度磁场线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正八边形梯度磁场线圈，包括两个正八边形的线圈，两个正八边形线圈的轴线重合且电流方向相反，能够在轴线上产生具有完全线性梯度的磁场，能够解决双探头的光泵式、质子式等梯度磁强计进行磁感应强度的校准时线圈加工难度大和长时间使用线圈松脱的问题。

Description

一种正八边形梯度磁场线圈

技术领域

本发明涉及一种磁场线圈，具体涉及一种能够产生均匀磁场梯度的正八边形梯度磁场线圈。

背景技术

传统的梯度磁场产生装置一般利用绕组方向相反的亥姆霍兹线圈来产生梯度磁场，梯度磁场线圈的体积大小决定了均匀磁场梯度的区域大小。在需要对双探头的光泵式、质子式等梯度磁强计进行磁感应强度校准的场合，由于磁强计分辨力高，而且梯度测量距离在1m以上，为了检定此类梯度磁强计，梯度磁场线圈的体积需要大幅度增加，才能满足使用要求。但在制作大型线圈时，圆形线圈框架难以加工，正方形线圈在绕制时，由于导线受力不均而使线圈绕组长时间使用后易发生松脱现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种正八边形梯度磁场线圈，在轴线上产生具有完全线性梯度的磁场，能够解决双探头的光泵式、质子式等梯度磁强计进行磁感应强度的校准时线圈加工难度大和长时间使用线圈松脱的问题。

一种正八边形梯度磁场线圈，包括两个正八边形的线圈，所述两个正八边形线圈的轴线重合且电流方向相反。

进一步的，两个正八边形的线圈均绕制在倾斜的绕线面上，两个绕线面相对，两个正八边形的线圈的匝数相等且绕制排布相同，每两个位置相对的线匝的边心距a与线匝间距d满足关系：

进一步的，两个正八边形的线圈分别绕于正八边形骨架上，正八边形骨架由条形材料拼接而成，骨架绕线面为倾斜结构，倾斜面与线圈轴线的夹角α＝48.42°～48.4°。

有益效果：

（1）本发明采用两个电流方向相反的正八边形线圈在轴向产生完全线性梯度的磁场，正八边形线圈加工难度小且不存在长时间使用线圈松脱的问题。

（2）本发明的两个正八边形的线圈均绕制在倾斜的绕线面上，两个绕线面相对，两个正八边形的线圈的匝数相等且绕制排布相同，每两个位置相对的线匝的边心距a与线匝间距d满足关系：使得磁感应强度的三阶导数在x=0处等于零，能够产生均匀变化的磁场梯度，从而获得完全线性梯度的磁场。

（3）本发明将两个线圈分别绕于正八边形骨架上，正八边形骨架由条形材料拼接而成骨架绕线面为倾斜结构，倾斜面与轴线夹角α＝48.42°～48.4°，该骨架加工简单，且能够保证两个线圈之间的距离和线圈的边心距始终满足比例要求，进一步保证了产生磁场的完全线性梯度。

附图说明

图1为正八边形梯度磁场线圈；

图2为单匝正八边形线圈示意图；

图3为单匝正八边形线圈在P点产生的磁感应强度示意图；

图4为线圈框架截面示意图；

图5为多匝绕组的绕线截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种正八边形梯度磁场线圈，包括两个正八边形的线圈，所述两个正八边形线圈的轴线重合且电流方向相反，如图1所示，实际应用中通常两个线圈采用一个供电源将两个正八边形线圈串联反接来实现。

如图2所示为其中一个正八边形线圈的示意图，其中，正八边形线圈的中心至每一边的垂直距离为a，正八边形线圈的每一条边的边长为b，由几何关系可以推出

由毕奥-萨法尔定律，通电流为I的正八边形线圈的任一条边在P点产生的磁感应强度如图3所示，均为：

$\begin{array}{c}{B}_1^{/}=\frac{\mathrm{\μI}}{2\mathrm{\πR}}\·\frac{b}{\sqrt{b^2+{4R}^2}}\\ =\frac{\mathrm{\μI}}{2\mathrm{\π}\sqrt{a^2+x^2}}\·\frac{(2\sqrt{2}-2)\·a}{\sqrt{{[(2\sqrt{2}-2)\·a]}^2+4(a^2+x^2)}}\end{array}$

其中μ：真空磁导率，x为P点到正八边形线圈中心O的轴向距离。

其在中心轴线上的磁感应强度分量为：

$\begin{array}{c}{B}_1=B_1^{/}\·\cos \mathrm{\θ}\\ =\frac{\mathrm{\μI}}{2\mathrm{\π}\sqrt{a^2+x^2}}\·\frac{(2\sqrt{2}-2)\·a}{\sqrt{{[(2\sqrt{2}-2)\·a]}^2+4(a^2+x^2)}}\·\frac{a}{\sqrt{a^2+x^2}}\end{array}$

其中：θ为该边中心到P点与该边中心到正八边形中心之间的夹角， $\cos \mathrm{\θ}=\frac{a}{\sqrt{a^2+x^2}}.$

则单匝正八边形的线圈在中心轴线上P点产生的磁感应强度为：

$\begin{array}{c}B={8B}_1\\ =\frac{4(\sqrt{2}-1)\mathrm{\μI}{a}^2}{\mathrm{\π}}\·\frac{1}{(a^2+x^2)\·\sqrt{(4-2\sqrt{2})\·a^2+x^2}}\end{array}$

本实施例的磁场由两个正八边形的线圈均绕制在倾斜的绕线面上，两个绕线面相对，两个正八边形的线圈的匝数相等且绕制排布相同，每两个位置相对的线匝的边心距a与线匝间距d满足关系：

如图4所示，所通的电流i大小相等，方向相反，正八边形的梯度磁场线圈在中轴线上产生的磁场强度公式为：

$\begin{array}{c}B\left(x\right)=\frac{4(\sqrt{2}-1)\mathrm{\μ}{\mathrm{ia}}^2}{\mathrm{\π}(a^2+{(\frac{1}{2}d+x)}^2)\sqrt{(4-2\sqrt{2})a^2+{(\frac{1}{2}d+x)}^2}}\\ -\frac{4(\sqrt{2}-1)\mathrm{\μ}{\mathrm{ia}}^2}{\mathrm{\π}(a^2+{(\frac{1}{2}d-x)}^2)\sqrt{(4-2\sqrt{2})a^2+{(\frac{1}{2}d-x)}^2}}\end{array}$

由推导可知，当两线圈组合产生均匀变化的磁场梯度时，其条件为：在x=0处其表达式的三阶导数等于零，对上述式子求三阶导数可得：

把x=0带入上式得：

令B″′(0)＝0可以解出：d=1.775769a，即d/a为1.775769。

本实施例中的正八边形线圈为多匝，为了使每一匝线圈都满足d=1.775769a关系，将两个正八边形的线圈分别绕于正八边形的骨架上，正八边形的骨架由条形材料拼接而成，骨架缠绕面为倾斜结构，两个绕线面相对，若两个正八边形线圈骨架的绕线面之间的最小距离为D，则倾斜面与线圈轴线的夹角

线圈的绕制截面成平行四边形，两个正八边形线圈倾斜面相对，且经过绝缘处理后逐匝逐层绕线圈。因此，本实施例能够保证产生的磁场为梯度磁场，且为完全线性的梯度场。

此外，本发明给出的线圈之间的距离与线圈边心距的关系为1.7748～1.7758的区间而不是一个确定的值，这主要是考虑了在不影响线性梯度磁场空间大小的前提下，加工过程中可以允许的加工尺寸范围。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种正八边形梯度磁场线圈，其特征在于，包括两个正八边形的线圈，所述两个正八边形线圈的轴线重合且电流方向相反。

2.如权利要求1所述的一种正八边形梯度磁场线圈，其特征在于，所述两个正八边形的线圈均绕制在倾斜的绕线面上，两个绕线面相对，两个正八边形的线圈的匝数相等且绕制排布相同，每两个位置相对的线匝的边心距a与线匝间距d满足关系：

3.如权利要求2所述的一种正八边形梯度磁场线圈，其特征在于，所述的两个正八边形的线圈分别绕于正八边形骨架上，所述正八边形骨架由条形材料拼接而成，骨架绕线面为倾斜结构，倾斜面与线圈轴线的夹角α＝48.42°～48.4°。

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