CN104134511A - 一种零磁空间系统装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

一种零磁空间系统装置及其调节方法，由线圈、电源、主控计算机和三维梯度磁强计组成。其线圈为三组两两正交的线圈，三组线圈嵌套安装。其中每组线圈由一对主线圈和一对子线圈组成。每对主线圈串联后连接一路直流电流源，两个子线圈反向串联后连接一路直流电流源。通过三维梯度磁强计测量当前线圈产生磁场的大小，计算机根据采集到的磁场数据调节直流电流源的输出电流，分别控制主线圈和子线圈中的电流，生成所需的磁场来反向抵消地磁场的三轴分量。

Description

一种零磁空间系统装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及一种零磁空间系统装置及其调节方法。

背景技术

在地球的表面，虽然地磁场的强度平均不超过0.05mT，但是它的存在和变化对地球上各种生物和生命活动却有着普遍而深远的意义和影响。随着航天事业的发展，远低于地磁场的空间磁场环境的生物学效应研究逐渐引起了人们的兴趣和关注。目前，一些国家已取得大量有关地磁场生物效应的统计数据和实验结果，揭示了地磁场对生物不同程度的影响以及在生命演化过程中地磁场所起到的作用。

地磁场对生物体有影响的直接证据是消除地磁场会极大地干扰生物体的功能。消除地磁场后的环境即被称为零磁空间。

一般消除背景磁场可采取两种方式，即磁屏蔽式和补偿式。屏蔽式零磁空间是利用高磁导率的材料搭建屏蔽室以屏蔽背景磁场来实现，其价格相对比较贵，技术要求也比较高。而采取电流补偿的方式相比之下简便很多，一般是采用亥姆霍兹线圈来形成相对均匀的磁场以补偿地磁场。

在利用电流补偿方式消除背景磁场即生成零磁空间的时候，由于实际中背景磁场并不均匀，而所用的亥姆霍兹线圈在两个线圈中点附近的较大范围生成的是相对均匀的磁场，直接由三组正交的亥姆霍兹线圈产生的磁场来完全抵消存在一定不均匀性的地磁场是不可能的，所以利用额外的子线圈对磁场进行进一步微调以补偿背景磁场的非均匀分量是十分必要的。

专利201020687927.4提供了一种能在设定的大小和任意三维方向产生交直流磁场的三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，该装置只能产生均匀的磁场，对于零磁空间而言，不能补偿背景磁场的非均匀分量。专利201320167326.4也给出了一种产生三维磁场的磁场发生系统，包括三维亥姆霍兹线圈、三维梯度磁强计、三维高精度恒流电源以及计算机组成一个闭环控制系统。但此发明只适用于背景磁场比较均匀的情况，不具有普适性，对于零磁空间这种要求比较高的情况并不适用，而且调节起来比较麻烦，对电源的要求也比较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不能对不均匀的背景磁场进行补偿的缺点，提出了一种零磁空间系统装置及其调节方法。本发明通过控制主线圈中的电流产生磁场反向补偿地磁场的三轴分量的同时，调节子线圈中的电流以抵消不均匀的磁场分量，从而使背景磁场尽可能达到零磁场的水平。

本发明零磁空间装置是在三组两两正交的亥姆霍兹线圈的骨架上增加子线圈，并通过独立的直流电流源进行控制。调节该零磁空间系统装置的方法是首先调节主线圈的电流，将三维磁场反向调节到与地磁场相近的范围，再调节子线圈的电流，进行磁场微调，以抵消背景磁场中的不均匀分量，最大程度补偿掉背景磁场。

本发明的技术方案如下：

本发明零磁空间系统装置包括线圈、电源、主控计算机和三维梯度磁强计。

所述的线圈包括三组线圈，三组线圈两两相互垂直布置，并且从小尺寸到大尺寸嵌套安装。三组线圈两两正交，三组线圈的轴中心交于坐标系的原点O。每组线圈由一对主线圈和两个子线圈构成，一对主线圈为亥姆霍兹线圈。同一方向上的两个子线圈的中心关于坐标系原点O对称。一对主线圈之间相互串联后连接一路直流电流源，用以生成主磁场来抵消地磁场的三轴分量。两个子线圈反向串联后再连接另一路直流电流源，形成一对梯度线圈，用以调节主磁场的偏差。采用既可以测量磁场大小又可以测量磁场梯度值的三维梯度磁强计对磁场进行测量，将三维梯度磁强计放置在坐标系的原点O处。三维梯度磁强计通过RS232接口与计算机相连。计算机根据采集到的磁场数据通过数据采集卡对直流电流源进行控制，反馈调节直流电流源的输出电流，从而使一定范围内的背景磁场接近零磁场。

所述的电源包括6路直流电流源，三对主线圈X、Y、Z间互相串联并分别连接一路直流电流源。三对子线圈X’、Y’、Z’反向串联后各分别连接一路直流电流源。该直流电源均有遥控输入端口，主控计算机根据三维梯度磁强计测量的磁场数值和磁场梯度值通过直流电流源的遥控输入端口反馈调节通过子线圈中电流大小。

本发明对主线圈生成的磁场进行进一步地调节，使空间生成的磁场最大程度地抵消背景磁场，其原理及实现方法如下述：

根据Maxwell方程，在无源空间，静磁场满足Laplace方程：

▽²B＝0                                (1)

在直角坐标系下等式(1)可以展开成，

▽²B＝▽²B_xe_x+▽²B_ye_y+▽²B_ze_z＝0                      (2)

其中e_x、e_y、e_z分别是x、y和z方向的单位矢量，B_x、B_y、B_z分别为B在x、y、z三个方向上的分量。但从其中的任一方向来看，以z为例，等式(2)可以简化成：

▽²B_z＝0                     (3)

可得到B在z方向上的分量B_z(x,y,z)在直角坐标系下的展开式为：

$\begin{array}{c}{B}_z(x,y,z)=a_{00}+a_{10}z+a_{11}x+b_{11}y+a_{20}{[z}^2-\frac{1}{2}(x^2+y^2)]+a_{11}\left(3\mathrm{zx}\right)+b_{21}\left(3\mathrm{zy}\right)+\\ a_{22}\left[3(x^2-y^2)\right]+b_{22}\left(6\mathrm{xy}\right)+a_{30}[z^3-\frac{3}{2}z(x^2+y^2)]+a_{31}[{6z}^{2}x-\frac{3}{2}x(x^2+y^2)]+\\ b_{32}\left(30\mathrm{zxy}\right)+a_{33}({15x}^3-{45y}^{2}x)+b_{33}(-{15y}^3+{45x}^{2}y)+...\end{array}---\left(4\right)$

等式(4)右边的常数项a₀₀表示一个均匀磁场分量，即主磁场，其余的项是需要用子线圈产生的磁场抵消掉的磁场分量。通常高次的磁场分量值很小，所以只需要针对低次的磁场分量来进行补偿校正。等式(4)右边的第二到第四项是一次的磁场分量，分别表示x、y以及z方向的一次线性梯度磁场，通常采用将梯度线圈通入一个小的直流偏置电流的方法对磁场中的一次磁场分量进行补偿。

本发明装置采用的亥姆霍兹线圈和梯度线圈的作用原理如下：

当两个半径和匝数完全相同的线圈同轴排列，并令其间距等于半径，通以同方向的电流，两个线圈产生的总磁场在轴的中点附近的较大范围是均匀的。这种线圈称之为亥姆霍兹线圈。此时，产生的磁场在z轴的分量如公式(5)所示：

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{Ia}}^2}{2{[{(d/2-z)}^2+a^2]}^{3/2}}+\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{Ia}}^2}{2{[{(d/2+z)}^2+a^2]}^{3/2}}---\left(5\right)$

其中d是两线圈间的距离，a是线圈的半径，I为线圈中通过的电流，μ₀为真空中的磁导率。对B_z进行求导可以发现：在z＝0处，无论d取何值B_z的奇数次导数为零；在z＝0处，当d＝a时B_z的二阶导数为零，从而有

B_z(z)＝B_z(0)+O[(z/d)⁴]                  (6)

从公式(6)可以看出，亥姆霍兹线圈在轴的中点附近的较大范围内是均匀的，所以可以用它来补偿公式(4)中的常数项a₀₀，即主磁场，一个均匀磁场的分量。

当上述的两个同轴排列、半径和匝数完全相同的线圈中通过大小相等、方向相反的电流时，磁场在z轴的分量如下面公式(7)所示：

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{Ia}}^2}{2{[{(d/2-z)}^2+a^2]}^{3/2}}+\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{Ia}}^2}{2{[{(d/2+z)}^2+a^2]}^{3/2}}---\left(7\right)$

其中d是两线圈间的距离，a是线圈的半径，对B_z进行求导可以发现：在z＝0处，无论d取何值B_z的偶数次导数为零；在z＝0处，当时，有：

B_z(z)＝B'_z(0)z+O[(z/d)⁵]                (8)

即忽略高阶无穷小项的影响，B_z可以近似认为只和一阶项有关系，所以梯度线圈常用来对磁场中的一次磁场分量进行补偿。

而当d＝a时，由于B_z在z＝0处的偶数次导数都为零，奇数次导数不为零，则有

$B_z\left(z\right)={B^{\′}}_z\left(0\right)z+\frac{{B^{\left(3\right)}}_z\left(0\right)z^3}{3!}+O\left[{(z/d)}^5\right]---\left(9\right)$

考虑到背景场的不均匀性并不是完全线性的，其中包含一些高次项，而且为了使线圈骨架结构设计得简单，最终选取线圈间的距离d＝a，来补偿背景场的一次磁场分量和一部分奇次磁场分量。

本发明使用亥姆霍兹线圈和梯度线圈设计成的三组线圈在空间内产生三个方向两两正交的磁场分量，三个磁场分量在空间内合成所需的磁场，用来反向补偿地磁场的三轴分量以达到零磁场。

本发明的零磁空间系统装置的磁场调节方法是：

本发明通过控制三路直流电流源向三组亥姆霍兹线圈输入电流，得到三个磁场分量，三个磁场分量在空间合成所需磁场来反向补偿地磁场的三轴分量。另外三路直流电流源连接三对反向串联的子线圈，每一方向的子线圈组成梯度线圈。调节主线圈中的电流可使坐标原点O处在空间内的磁场为零，但此时偏离坐标原点处的磁场可能存在一定的梯度磁场，磁场数值不一定为零。所以需要进一步调节子线圈的电流，使非坐标原点处的磁场尽可能为零。本发明采用三维梯度磁强计不仅能测量出某一点的磁场数值，还能测量出该点的磁场梯度。将三维梯度磁强计放置在坐标原点O处，调节主线圈中的电流使该点处磁场测量值为零，然后再调节子线圈中电流，尽可能消除该点处的磁场梯度值，用以补偿上述公式(4)中一次磁场分量和一部分高次磁场分量，使线圈的空间磁场尽可能地接近零磁场，从而完成调节。

本发明的有益效果是：通过直流电流源来生成三维磁场来反向补偿地磁场的三轴分量，并通过调节子线圈中电流抵消掉不均匀的磁场分量，从而在一定范围内，使背景磁场接近零磁空间水平。

附图说明

图1是本发明的零磁空间发生装置示意图；

图2是本发明的用于调节主磁场均匀度的线圈的示意图；

图3是本发明的线圈控制策略的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明磁场发生装置包括线圈、电源、主控计算机和三维梯度磁强计。三维梯度磁强计通过RS232接口连接到主控计算机，将所测量到的磁场数值传给主控计算机。计算机再根据采集到的磁场数值通过数据采集卡对直流电流源进行控制，反馈调节通过线圈的电流，从而使一定范围内的背景磁场接近零磁场。

如图1所示，所述的线圈为三组按照大小尺寸互相嵌套安装的线圈，三组线圈两两正交。每组线圈均由一对主线圈和两个子线圈组成，一对主线圈为一对亥姆霍兹线圈。三对线圈的轴中心重合于一点O，该点O为坐标系的原点。

图2给出了本发明主线圈和子线圈的位置。所述的子线圈的匝数约为主线圈匝数的1/5。一对主线圈串联连接，并与一路直流电流源相连接；两个子线圈反向串联并与另一路直流电流源相连接，形成一对梯度线圈。

图3所示的为6路直流电流源与线圈的整体连接示意图。如图3所示，直流电流源1～6依次连接子线圈对X’、主线圈对X、子线圈对Y’、主线圈对Y、子线圈对Z’、主线圈对Z。

本发明实现的原理及方法如下：

根据毕奥—萨伐尔定律，一对亥姆霍兹线圈的磁场发生公式为：

B＝(4/5)^3/2μ₀NIR                  (10)

其中μ₀为真空磁导率，N为环绕线圈的匝数，I为线圈中的电流值，R为线圈的半径，当半径以及匝数不变的情况下，改变电流值I即可以改变磁场B的大小，通过调整通入空间内互相正交的三对主线圈的电流值分别为I_x，I_y，I_z时，便可以使得三对亥姆霍兹线圈的磁场为B_x，B_y，B_z，根据向量叠加可以得到其中与背景场反向，从而在空间内合成零磁场。

如图3所示，通过控制3路直流电流源向三组亥姆霍兹线圈输入电流，得到三个磁场分量，接下来，通过另外3路直流电流源连接3对反向串联子线圈，每一方向的子线圈组成梯度线圈。由于任一方向的磁场在直角坐标系下可展开为：

$\begin{array}{c}{B}_z(x,y,z)=a_{00}+a_{10}z+a_{11}x+b_{11}y+a_{20}{[z}^2-\frac{1}{2}(x^2+y^2)]+a_{11}\left(3\mathrm{zx}\right)+b_{21}\left(3\mathrm{zy}\right)+\\ a_{22}\left[3(x^2-y^2)\right]+b_{22}\left(6\mathrm{xy}\right)+a_{30}[z^3-\frac{3}{2}z(x^2+y^2)]+a_{31}[{6z}^{2}x-\frac{3}{2}x(x^2+y^2)]+\\ b_{32}\left(30\mathrm{zxy}\right)+a_{33}({15x}^3-{45y}^{2}x)+b_{33}(-{15y}^3+{45x}^{2}y)+...\end{array}---\left(4\right)$

亥姆霍兹线圈产生的磁场用来补偿a₀₀项，即一个均匀磁场分量，也就是主磁场；接成梯度线圈的子线圈通入电流后可以用以补偿上述公式(4)中的一次磁场分量(a₁₀z、a₁₁x、b₁₁y)和一部分高次磁场分量。我们将三维梯度磁强计放置在坐标原点O处，调节主线圈中的电流使坐标原点O处在空间内的磁场测量值为零，然后根据三维梯度磁强计测量的磁场梯度值进一步反馈调节子线圈的电流，尽可能地消除该点处的磁场梯度值，使非坐标原点处的磁场尽可能为零，从而使线圈的空间磁场尽可能地接近零次场，从而完成调节。

Claims (4)

1.一种零磁空间系统装置，其特征在于所述的装置包括线圈、电源、主控计算机和三维梯度磁强计；所述的线圈为三组两两正交的线圈，三组线圈按照大小尺寸嵌套安装，三组线圈的轴中心交于坐标系的原点O；每一组线圈由一对主线圈和两个子线圈组成，一对主线圈为亥姆霍兹线圈；一对主线圈之间相互串联后连接一路直流电流源，用以生成主磁场来抵消地磁场的三轴分量；两个子线圈反向串联后再连接另一路直流电流源，形成一对梯度线圈，用以调节主磁场的偏差；所述的电源为6路直流电流源，一组主线圈串联之后连接一路直流电流源，两个子线圈反向串联后连接一路直接电流源；三对主线圈间各自互相串联并分别连接一路直流电流源；三对子线圈反向串联后分别连接一路直流电流源；三维梯度磁强计放置在坐标系的原点O处，通过RS232接口与计算机相连。

2.按照权利要求1所述的零磁空间系统装置，其特征在于所述的三组线圈中，同一方向上的两个子线圈的中心关于坐标系的原点O对称。

3.按照权利要求1所述的零磁空间系统装置，其特征在于所述的两个子线圈的匝数约为主线圈匝数的1/5。

4.按照权利要求1所述的零磁空间系统装置的调节方法，其特征在于由所述的主控计算机控制3路直流电流源，使3对主线圈分别产生沿X、Y、Z三个坐标轴的磁场，在空间合成所需要的磁场，用来抵消地磁场的三轴分量；同时，主控计算机控制另外3路直流电流源，通过三维梯度磁强计测量得到的当前磁场的梯度值，反馈调节3对子线圈中的电流，使子线圈在X、Y、Z三个方向产生一个微调磁场，以调节主线圈补偿磁场后的偏差。