CN104349653B - 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 - Google Patents
基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104349653B CN104349653B CN201310318660.XA CN201310318660A CN104349653B CN 104349653 B CN104349653 B CN 104349653B CN 201310318660 A CN201310318660 A CN 201310318660A CN 104349653 B CN104349653 B CN 104349653B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- superconducting coil
- stage
- magnetic field
- stage superconducting
- coil
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 124
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 38
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 2
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 235000012771 pancakes Nutrition 0.000 claims description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910021521 yttrium barium copper oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims 1
- 230000026676 system process Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000002582 magnetoencephalography Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000036642 wellbeing Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
Abstract
本发明提供一种基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统，包括一第一级超导线圈以及第二级超导线圈围绕同一中心对称轴共轴且共面设置，所述第一级超导线圈与第二级超导线圈串联形成一闭合回路，所述第二级超导线圈内部形成一匀场区以屏蔽外部磁场。本发明进一步提供一种磁场屏蔽设备。本发明所述磁场屏蔽系统工艺实现路线简单，有利于工程实践。
Description
技术领域
本发明属于超导电工学领域，特别涉及一种基于闭合超导线圈组的被动抵消式磁场屏蔽系统及其应用。
背景技术
磁场屏蔽是许多精密科学的通用保障性技术，在一些极端测量环境：如高精密原子钟电子束成像装置，质谱仪，中微子探测中得到广泛引用。除了这些极端测量应用，最为贴近日常生活，并为人类健康带来福祉的测量技术是生物磁学测量。心磁，脑磁测量已经开始逐步从实验室走向临床。随着电磁环境的日益复杂，磁屏蔽技术在生物磁测量技术领域扮演了重要的角色。在生物磁测量中，待测信号多处于10pT(1×10-11T)量级甚至更低。而环境噪音磁场要大3-6个数量级。去除噪音信号成为这类测量必不可少的环节。除了利用滤波，信号处理等软件方式消除噪音磁场，硬件屏蔽是最直接的方式，基本上已经成为生物磁测量不可或缺的配套装置。
目前普遍采用的磁场屏蔽方式有两种：被动式屏蔽和主动抵消式。其中被动屏蔽式应用历史最为悠久，屏蔽系统采用高磁导率材料构建封闭腔体将被保护对象封闭其内，搭建屏蔽腔的材料的磁导率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。常用高磁导率材料如软铁、硅钢、坡莫合金等。例如，现有技术提供了一种基于闭合超导亥姆霍兹(Helmholtz)线圈组结构的屏蔽装置。其基本结构是由特定半径比和匝数比的亥姆霍兹超导线圈组电连接形成。该屏蔽系统工作特点类似有源补偿式，都是利用线圈产生磁场对外加磁场抵消实现的。
然而，该屏蔽装置必须要基于亥姆霍兹线圈组结构，需要四个线圈连接才能实现，另外，获得该屏蔽装置中线圈半径比与匝数比的过程十分繁琐，并且四个线圈之间连接的工艺实现路线十分复杂，不利于工程实践。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种能够提供不同空间拓扑结构形式的屏蔽、连接结构和组合方式、并且有利于工程实践的磁场屏蔽系统。
一种基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统，包括一第一级超导线圈以及第二级超导线圈围绕同一中心对称轴共轴且共面设置，所述第一级超导线圈与第二级超导线圈通过连接线串联形成一闭合回路，所述第二级超导线圈内部形成一匀场区以屏蔽外部磁场。
一种磁场屏蔽设备，包括一杜瓦、一磁场屏蔽系统以及一微调模组，所述杜瓦包括一内壁与一外壁围绕同一中心对称轴构成，所述内壁环绕所述中心对称轴形成一通孔，所述磁场屏蔽系统包括一第一级超导线圈与第二级超导线圈，所述第一级超导线圈及第二级超导线圈设置于内壁与外壁之间且围绕所述中心对称轴共轴设置，所述第一级超导线圈与第二级超导线圈通过连接线串联形成一闭合回路，所述微调模组对第一级超导线圈与第二级超导线圈之间的沿中心对称轴方向的相对位置进行微调。
一种磁场屏蔽系统，包括至少两个超导线圈组间隔且绝缘设置，每个所述超导线圈组包括一第一级超导线圈与一第二级超导线圈，且第一级超导线圈与第二级超导线圈均围绕一中心对称轴共轴且共面设置，每个所述超导线圈组所在的平面相互平行，每个超导线圈组中，所述第一级超导线圈与所述第二级超导线圈通过连接线串联形成闭合回路。
相对于现有技术，本发明提供的磁场屏蔽系统通过将两个超导线圈共轴、共面且串联设置，实现对外部磁场的屏蔽，结构更加简单，更容易设计线圈半径比与匝数比，有利于工程实践。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的磁场屏蔽系统的结构示意图。
图2为本发明第一实施例中满足屏蔽外加磁场90％条件下，(α,β)取值。
图3为第一实施例中磁场屏蔽系统对噪音磁场屏蔽效果图。
图4为本发明第二实施例提供的磁场屏蔽系统的结构示意图。
图5为第二实施例所示的磁场屏蔽系统中屏蔽中心点处屏蔽效果随第一级超导线圈与第二级超导线圈沿轴向相对位置的变化。
图6为第二实施例所示的磁场屏蔽系统中屏蔽中心点处屏蔽效果随铁磁介质环位置的变化。
图7为第二实施例所示的磁场屏蔽系统中屏蔽中心点处屏蔽效果随非闭合超导环位置的变化。
图8为第二实施例所示的磁场屏蔽系统中屏蔽中心点处屏蔽效果随闭合超导环位置的变化。
图9为本发明第三实施例提供的磁场屏蔽系统的结构示意图。
图10为本发明第四实施例提供的磁场屏蔽系统的结构示意图。
图11为本发明第五实施例提供的磁场屏蔽系统的结构示意图。
主要元件符号说明
第一级超导线圈 1
第二级超导线圈 2
连接线 3
第一连接杆 4
直线轴承 5
铁磁介质环 6
第二连接杆 7
超导闭合环 8
第三连接杆 9
杜瓦 10
室温腔 11
匀场区 12
中心点 13
磁场屏蔽系统 30，100，300，400，500
微调系统 20
磁场屏蔽设备 200
第一线圈组 201
第二线圈组 202
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的磁场屏蔽系统100的结构示意图。所述磁场屏蔽系统100包括一第一级超导线圈1，一第二级超导线圈2，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2共轴且共面设置，所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2串联形成一闭合回路，所述第二级超导线圈2内部空间形成一匀场区12以屏蔽外部磁场。
所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2整体具有规则的几何形状，如圆形、椭圆形、矩形、方形、正多边形等几何形状。所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的整体形状可相同或不同。本实施例中，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2具有相同的几何形状。所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2组合形成闭合超导线圈组，且第一级超导线圈1的尺寸(直径或边长)大于第二级超导线圈2的尺寸。本实施例中，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2分别为圆形。所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2共轴设置，即所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2围绕同一中心对称轴设置，且第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的中心位于所述对称轴上。本实施例中，所述第一级超导线圈1和第二级超导线圈2均为圆形且同心共面设置。
所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2分别包括多匝线圈，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的材料可相同或不同，均为具有超导特性的材料。所述材料可为钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x)和铋系BSCCO如Bi2223，Bi2212等。本实施例中，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的材料均相同。本实施例中，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的材料均为Bi2223高温超导材料。
进一步的，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2均为一超导线材围绕一中心对称轴螺旋式环绕形成。具体地，所述超导线材可在同一平面内由内至外螺旋式环绕，形成饼状线圈；也可以相同的直径螺旋式堆叠环绕形成螺线管状线圈。另外，所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2的环绕方式可相同或不同。
本实施例中，在所述第一级超导线圈1中，所述超导线材围绕一中心对称轴螺旋式堆叠设置形成螺线管状线圈；同样的，在所述第二级超导线圈2中，所述超导线材围绕一中心对称轴螺旋式堆叠设置形成螺线管状线圈。所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2可通过连接线3串联，并且使多匝线圈均电连接，形成一闭合回路。具体地，所述第一超导线圈1的两端分别通过连接线3与所述第二级超导线圈2的两端串联，构成一完整的闭合回路。所述第一级超导线圈1、第二级超导线圈2以及连接线3之间可通过常规的锡焊技术进行连接。
第二级超导线圈2的半径为R2，其具体大小可根据实际需要屏蔽的设备或仪器大小进行选择。所述第一级超导线圈1的半径为R1，且R1>R2，所述半径R1与R2的半径比α＝R1/R2。所述第一级超导线圈1的匝数为N1，所述第二级超导线圈2的匝数为N2，则二者之间的匝数比β＝N1/N2。所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2形成的磁场屏蔽效果主要取决于半径比α与所述匝数比β。优选地，所述半径比α满足：α≥2；匝数比β满足：0.01≤β≤20，所述磁场屏蔽系统100具有较好的屏蔽效果，原磁场的屏蔽比例达到90％以上。
根据不同的磁场屏蔽对象的不同需求，所述半径比α与所述匝数比β、以及具体的匝数N1、N2可通过以下方法进行计算：
步骤S10，根据保护对象的几何尺寸确定第二级超导线圈2的半径R2，并估算半径比α与匝数比β的取值范围；
步骤S20，初步确定所述半径比α与匝数比β取值范围，通过数值仿真求解具体的半径比α与所述匝数比β；
步骤S30，根据数值仿真获得的结果，建立横坐标为匝数比β，纵坐标为半径比α的坐标系，将满足((B0-B1)/B0<K)条件下的(β，α)在坐标系中标出并连线，其中B0为外加交流变化磁场强度，B1为匀场区12内的中心点13位置处屏蔽后的磁场值，K代表磁场屏蔽系统100需要满足的屏蔽效果；以及
步骤S40，根据所述半径比α与匝数比β，确定第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的匝数。
在步骤S10中，所述磁场屏蔽系统100中所述R1与R2的半径比α需要大于1，优选的，所述磁场屏蔽系统100中所述α大于等于2。本实施例中，所述第二级超导线圈2的半径设为50毫米。本实施例中，假设所述N1与N2的匝数比β处于0.001-1000范围之间。
在步骤S20中，所述数值仿真可采用数值有限元仿真软件ANSYS完成，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的横截面以电阻率很小的矩形截面代表，并分别设置半径R1、R2，匝数N1、N2，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间设置串联连接关系，即由多匝超导线材围绕形成的第一级超导线圈1包括相对的两末端，分别与同样由所述多匝超导线材围绕形成的第二级超导线圈2相对的两末端一一对应电连接，从而形成一闭合回路。设待屏蔽的外加交流变化磁场的幅值为B0。本实施例中，所述外加交流变化磁场为正弦磁场，频率为50Hz。所述半径比α在大于1的范围内，以0.1为步长扫描至20；每变化一次α值，β在0.001-1000范围内以0.1为步长扫描，仿真计算在每个(β，α)值，所述匀场区12内部中心点13处被屏蔽后的磁场强度B1。
在步骤S30中，将所述(β，α)在坐标系中标出并连线后，意味着根据这条线上(β，α)值设计制造的屏蔽系统，均可满足在中心点13屏蔽原磁场达到100(1-K)％的屏蔽效果。本实施例中，K取值0.1，表示所述磁场屏蔽系统100需要屏蔽原磁场的90％。请参阅图2，图2中所述的连线上均可以达到屏蔽原磁场90％的目标。进一步的，虽然这条线上所有的(β，α)均可满足屏蔽要求，但从工程的角度而言，在满足屏蔽效果100(1-K)％的前提下，半径比α与匝数比β均不宜取过大的值。本实施例中，所述磁场屏蔽系统100选取α＝2.3，β＝1。
在步骤S40中，在半径比α值确定的情况下，所述第二级超导线圈2的半径R2根据保护对象大小和兼容性而定，本实施例中，由于R2＝50mm，则R1＝115mm。在匝数比β确定的情况下，理论上，所述第二级超导线圈2的匝数越多越好。但同时，匝数多意味着线材使用量的增加和成本的提高。因此，在满足屏蔽需求的情况下，所述第二级超导线圈2的最少匝数N可根据以下公式计算：
其中，R为第一级超导线圈1和第二级超导线圈2之间的连接电阻，L为第二级超导线圈2中单匝线圈产生的电感，ω为待屏蔽磁场的角频率，m为ωL与R的比值系数，m越大，则屏蔽效果越好，优选的m>100，本实施例中，m＝1000。本实施例中，所述连接电阻R控制为100nΩ。由于待屏蔽磁场的频率并不固定，因此可以待屏蔽磁场的主要频率确定。本实施例中，ω取50Hz。由此，所述第二级超导线圈2的匝数N2取值10，第一级超导线圈1的匝数N1亦取值10。
请参阅图3，图3为R1＝115mm，R2＝55mm，N1＝10，N2＝10，外加磁场B0＝0.001T，频率为50Hz的条件下，所述磁场屏蔽系统100的屏蔽效果图。在图中，所述磁场幅值以归一化显示。在所述第二级超导线圈2内部中心位置处，外部磁场的屏蔽比例超过90％。
通过以上方法获得的第一级超导线圈1的半径R1、匝数N1，以及第二级超导线圈2的半径R2、匝数N2，将作为实际制造磁场屏蔽系统100的依据。
请一并参阅图4，本发明第二实施例提供一种磁场屏蔽设备200，所述磁场屏蔽系统200包括一杜瓦10、一磁场屏蔽系统30以及一微调模组20。所述磁场屏蔽系统30设置于所述杜瓦10中。
所述杜瓦10为中空的圆柱型管状结构，由内壁和外壁围绕同一中心对称轴形成，所述杜瓦10具有一沿中心对称轴贯穿的通孔，由所述内壁围绕形成，构成一室温腔11，以容纳待屏蔽的仪器或器件等。所述磁场屏蔽系统100的匀场区12位于所述室温腔11内部。所述杜瓦10的内部，即内壁和外壁之间的空间为中空结构，可填充有低温材料，如液氮等。所述磁场屏蔽系统30设置于所述杜瓦10的内部，位于内壁和外壁之间。
所述磁场屏蔽系统30与第一实施例中所述磁场屏蔽系统100结构相同，其包括一第一级超导线圈1及第二级超导线圈2，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2设置于杜瓦10的内部，并浸泡于所述低温材料中，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2环绕所述室温腔11设置，优选地，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2与所述杜瓦10沿同一中心对称轴共轴设置，从而实现对内部的仪器或器件等实现屏蔽。
所述微调模组20用于支撑第一级超导线圈1及第二级超导线圈2，并调整第一级超导线圈1及第二级超导线圈2沿中心对称轴方向的相对位置。具体的，所述微调模组20包括一第一连接杆4及一直线轴承5，所述第一连接杆4与所述第一级超导线圈1连接以支撑所述第一级超导线圈1，并调节第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间沿中心对称轴方向的相对距离。通过调节所述直线轴承5，带动所述第一连接杆4以及所述第一级超导线圈1沿中心轴的轴向移动，以对第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间沿轴向的相对位置作微调，从而改变第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间的互感耦合系数，达到最佳屏蔽效果。可以理解，所述直线轴承5也可设置于杜瓦10外部。在调整过程中，在屏蔽中心点13放置磁强计，外加交变背景磁场，调整过程第一连接杆4的过程中，不断观察磁强计读数，当读数达到设计指标后，锁死两个线圈的相对位置。请一并参阅图5，图5所示中心点磁场屏蔽比例随第一级超导线圈1沿着轴向移动的变化。可以明显看出第一级超导线圈1相对位置对于中心屏蔽的调整效果，当达到最佳点时候，如A点所示实现屏蔽90％，锁死第一级超导线圈1，固定与第二级超导线圈2的相对位置。
可以理解，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2在绕制过程中，由于匝数的不同、材料热胀冷缩等原因，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2之间共轴且共面关系可能存在微小的误差，并且由于实际中对屏蔽效果的具体要求的不同，因此才需要所述第一连接杆4对所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的相对位置作为微调。然而，这种微调并不影响第一级超导线圈1和第二级超导线圈2整体呈共面的设置，也就是说，所述调整不会破坏所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2整体上的位置关系。
进一步，所述磁场屏蔽系统30可包括一铁磁介质环6与所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2围绕同一中心轴共轴设置。具体的，所述铁磁介质环6可设置于第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间，所述铁磁介质环6的尺寸(边长、半径)大于所述第二级超导线圈2而小于所述第一级超导线圈1。所述铁磁介质环6的形状可为规则的几何形状，可同所述第一级超导线圈1以及第二级超导线圈2的形状相同或不同，本实施例中，所述铁磁介质环6的形状为圆形。所述铁磁介质环6具有一缺口，以防止形成大环流。
所述微调模组20可进一步包括一第二连接杆7与所述直线轴承5及所述铁磁介质环6连接，从而可控制所述铁磁介质环6沿中心轴的轴向移动。通过改变铁磁介质环6与第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间的相对位置关系，从而改变铁磁介质环6、第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间的互感耦合系数，达到最佳屏蔽状态。可以理解，在满足上述其他条件的情况下，所述铁磁介质环6也可设置于所述第二级超导线圈2的内部，即所述铁磁介质环6的半径小于所述第二级超导线圈2的半径；或所述铁磁介质环6也可设置于第一级超导线圈1的外部，即所述铁磁介质环6的半径大于所述第一级超导线圈1的半径。
所述铁磁介质环6的材料可为具有高磁导率的金属制成，其相对磁导率大于100。本实施例中，所述铁磁介质环6的材料为软铁。所述铁磁介质环6的半径大于第二级超导线圈2的半径，小于第一级超导线圈1的半径。本实施例中，所述铁磁介质环6的半径为60毫米，厚度为15毫米。调节铁磁介质环6沿轴向移动，同时记录屏蔽中心点13的磁场。如图6所示，屏蔽中心点13的磁场屏蔽比例随铁磁介质环6的移动而变化。当达到需要的屏蔽效果时，如点A，B所示的屏蔽比例时，锁死铁磁介质环6，从而固定所述铁磁介质环6与第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的相对位置即可。
进一步，所述铁磁介质环6也可用一超导环替代，所述超导环亦具有一缺口，防止形成大环流。所述超导环的具体材料可与第一级超导线圈1相同或不同。当所述铁磁介质环6为一超导环时，请一并参阅图7，图7中所述屏蔽中心点13磁场屏蔽比例随超导环轴向移动发生变化，进而能够提高磁场屏蔽系统30的屏蔽效果。当达到需要的屏蔽效果时，如点A，B所示的磁场屏蔽比例时，锁死超导环，从而固定所述铁磁介质环6与第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的相对位置即可。
由于在实际制备过程中，所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2的线圈绕制可能与设计出现偏差，并且线圈放置在液氮之中，在材料冷热收缩的作用下，线圈的半径与设计总会有所偏差，影响屏蔽效果。通过所述铁磁介质环6的调整，可进一步提高所述磁场屏蔽系统30的屏蔽效果，并能够使所述磁场屏蔽系统30更容易调整。
进一步，所述磁场屏蔽系统30可包括一超导闭合环8与所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2围绕同一中心轴共轴设置。所述超导闭合环8可设置于所述第二级超导线圈2内部，所述超导闭合环8的尺寸(直径、边长)小于所述第二级超导线圈2。所述超导闭合环8的形状可与所述第一级超导线圈1以及第二级超导线圈2的形状相同或不同，本实施例中，所述超导闭合环8的形状为圆形。所述超导闭合环8为一独立结构，即与所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2间隔且绝缘设置。所述超导闭合环8的半径小于第二级超导线圈2，但大于所述室温腔11或待屏蔽仪器的尺寸，以预留空间容纳待屏蔽仪器或物体。所述超导闭合环8可由单匝或多匝超导线圈围绕而成。本实施例中，所述超导闭合环8为单匝。所述超导闭合环8的材料可与第二级超导线圈2的材料相同或不同。所述超导闭合环8可提供额外的屏蔽效果。
进一步，所述微调模组20可包括一第三连接杆9与所述超导闭合环8连接，以调整所述超导闭合环8可沿中心轴的轴向移动。本实施例中，所述超导闭合环8通过一第三连接杆9与所述直线轴承5连接，以实现超导闭合环8沿轴向移动。通过改变超导闭合环8与第一级超导线圈1、第二级超导线圈2之间的相对位置，改变超导闭合环8与第一级超导线圈1、第二级超导线圈2之间的耦合关系，从而达到更好的屏蔽效果。本实施方式中，所述超导闭合环8的半径为25mm。调整超导闭合环8的位置，并记录所述屏蔽中心点13的磁场强度。如图8所示，屏蔽中心点13的磁场屏蔽比例随闭合超导环8的移动发生变化。当达到需要的屏蔽效果时，如点A，B所示的磁场屏蔽比例时，锁死闭合超导环8，从而固定所述闭合超导环8与第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的相对位置即可。
可以理解，在满足上述其他条件的情况下，所述超导闭合环8也可设置于所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间，并与所述第一级超导线圈1及第二级超导线圈2共轴设置，即所述超导闭合环8的半径大于第二级超导线圈2，小于第一级超导线圈1。所述超导闭合环8也可设置于所述第一级超导线圈1的外部，即所述超导闭合环8的半径大于所述第一级超导线圈1。
另外，优选的，所述磁场屏蔽系统30中，所述铁磁介质环6与所述超导闭合环8可同时设置。所述铁磁介质环6设置于所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2之间，所述超导闭合环8设置于所述第二级超导线圈2内部，所述铁磁介质环6、超导闭合环8均与所述第一级超导线圈1、第二级超导线圈2同轴设置。通过调节所述铁磁介质环6以及超导闭合环8，改变相互之间的相对位置，从而使所述磁场屏蔽系统30具有更好的屏蔽效果。通过分别调整所述铁磁介质环6、所述超导闭合环8与第一级超导线圈1和第二级超导线圈2之间的相对位置，能够达到更好的磁场屏蔽比例。
请参阅图9，本发明第三实施例提供一种磁场屏蔽系统300，所述磁场屏蔽系统300与第一实施例所述磁场屏蔽系统100的结构基本相同，其不同在于，在第一级超导线圈1中为一饼状线圈；而在所述第二级超导线圈2为一螺旋管状线圈。
请参阅图10，本发明第四实施例提供一种磁场屏蔽系统400，所述磁场屏蔽系统400与第一实施例所述磁场屏蔽系统100的结构基本相同，其不同在于，在第一级超导线圈1中，所述多匝线圈呈螺线管状排列；而在所述第二级超导线圈2中，所述多匝线圈在同一平面内由内而外螺旋排列，形成一饼状结构。所述所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2仍然通过连接线3串联，并形成一闭合回路。所述第一级超导线圈1、第二级超导线圈2以及连接线3之间可通过常规的锡焊技术进行连接。
请一并参阅图11，本发明第五实施例提供一种磁场屏蔽系统500，所述磁场屏蔽系统500包括至少一第一线圈组201及一第二线圈组202间隔且绝缘设置。所述第一线圈组201及所述第二线圈组202均包括一第一级超导线圈1及一第二级超导线圈2围绕同一中心对称轴共轴且共面设置，并且所述第一线圈组201与第二线圈组202所在的平面平行。进一步的，所述第一线圈组201中的第一级超导线圈1、第二级超导线圈2，与第二线圈组202中的第一级超导线圈1、第二级超导线圈2可共轴设置。在第一线圈组201或第二线圈组202中，所述第一级超导线圈1与第二级超导线圈2的相对位置、尺寸与第一实施例相同。
所述第一线圈组201与第二线圈组202之间的距离可根据需要屏蔽的仪器或物品进行选择。在所述第一线圈组201中，所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2串联；在所述第二线圈组202中，所述第一级超导线圈1与所述第二级超导线圈2也串联设置。所述第一线圈组201与所述第二线圈组202之间绝缘设置。设所述第一线圈组201及第二线圈组202围绕的对称轴为Y轴，与Y轴垂直的轴为X轴，两者相交于o点。所述第一线圈组201及第二线圈组202分别设置于所述X轴两侧，且所述第一线圈组201与所述第二线圈组202相对于X轴呈镜像对称。所述第一线圈组201及第二线圈组202中，所述两个第一级超导线圈1及两个第二级超导线圈2沿Y轴共轴设置，即所述第一线圈组201及所述第二线圈组202共轴设置。所述第一线圈组201与第二线圈组202分别在所述第二级超导线圈202中心点位置处形成一匀场区。
可以理解，所述磁场屏蔽系统200还可包括多个线圈组，所述多个线圈组相互间隔且绝缘设置，所述多个线圈组位于不同的平面且各平面相互平行。每一线圈组均包括一第一级超导线圈1及第二级超导线圈2共轴且共面设置，且多个线圈组均共轴设置，即所有线圈组中的第一级超导线圈1及第二级超导线圈2均围绕同一中心对称轴共轴设置。
本发明提供的磁场屏蔽系统，在磁场迎面方向视线开阔，不阻碍光学探测，并且系统简单、能耗小、可在线调整，使用灵活的特点。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (14)
1.一种磁场屏蔽系统，包括一第一级超导线圈以及第二级超导线圈围绕同一中心对称轴共轴且共面设置，所述第一级超导线圈与第二级超导线圈直接通过连接线串联形成一闭合回路，所述第二级超导线圈内部形成一匀场区以屏蔽外部磁场。
2.如权利要求1所述的磁场屏蔽系统，其特征在于，所述第一级超导线圈与所述第二级超导线圈的形状为圆形、椭圆形、矩形、方形或正多边形。
3.如权利要求1所述的磁场屏蔽系统，其特征在于，所述第一级超导线圈及所述第二级超导线圈均为圆形，所述第一级超导线圈的半径R1与第二级超导线圈的半径R2的比值α满足：α≥2；所述第一级超导线圈及所述第二级超导线圈均包括多匝线圈，所述第一级超导线圈中线圈的匝数N1与第二级超导线圈中线圈的匝数N2的比值β满足：0.01≤β≤20，且所述第二级超导线圈的最小匝数N满足：
<mrow>
<mi>N</mi>
<mo>></mo>
<msqrt>
<mfrac>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>R</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mi>&omega;</mi>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，R为第一级超导线圈和第二级超导线圈之间的连接电阻，L为第二级超导线圈中单匝线圈产生的电感，ω为待屏蔽磁场的角频率，m为ωL与R的比值系数。
4.如权利要求1所述的磁场屏蔽系统，其特征在于，所述第一级超导线圈及第二级超导线圈的材料分别为钇系YBCO和铋系BSCCO中的一种。
5.如权利要求1所述磁场屏蔽系统，其特征在于，所述第一级超导线圈及第二级超导线圈为饼状线圈或螺线管状线圈。
6.一种磁场屏蔽设备，包括一杜瓦、一磁场屏蔽系统以及一微调模组，所述杜瓦包括一内壁与一外壁围绕同一中心对称轴构成，所述内壁环绕所述中心对称轴形成一通孔，所述磁场屏蔽系统包括一第一级超导线圈与第二级超导线圈，所述第一级超导线圈及第二级超导线圈设置于内壁与外壁之间且围绕所述中心对称轴共轴设置，所述第一级超导线圈与第二级超导线圈直接通过连接线串联形成一闭合回路，所述微调模组对第一级超导线圈与第二级超导线圈之间的沿中心对称轴方向的相对位置进行微调。
7.如权利要求6所述的磁场屏蔽设备，其特征在于，所述内壁围绕形成的通孔形成一室温腔，所述内壁与外壁之间填充有液氮，所述第一级超导线圈及第二级超导线圈浸泡于液氮中，并对室温腔实现屏蔽。
8.如权利要求6所述的磁场屏蔽设备，其特征在于，进一步包括一铁磁介质环设置在内壁与外壁之间且与所述第一级超导线圈和第二级超导线圈共轴设置，且所述铁磁介质环与所述第一级超导到线圈及第二级超导线圈间隔且绝缘设置，所述铁磁介质环具有防止形成环流的一缺口。
9.如权利要求6所述的磁场屏蔽设备，其特征在于，进一步包括一超导闭合环设置在内壁与外壁之间且与所述第一级超导线圈和第二级超导线圈共轴设置，且所述超导闭合环与所述第一级超导到线圈及第二级超导线圈间隔且绝缘设置。
10.如权利要求8或9所述的磁场屏蔽设备，其特征在于，所述微调模组控制所述铁磁介质环或超导闭合环沿所述中心对称轴的轴向移动，以调整所述铁磁介质环或超导闭合环与第一级超导线圈及第二级超导线圈之间的相对位置。
11.一种磁场屏蔽系统，包括至少两个超导线圈组间隔且绝缘设置，每个所述超导线圈组包括一第一级超导线圈与一第二级超导线圈，且第一级超导线圈与第二级超导线圈均围绕一中心对称轴共轴且共面设置，每个所述超导线圈组所在的平面相互平行，每个超导线圈组中，所述第一级超导线圈与所述第二级超导线圈直接通过连接线串联形成闭合回路。
12.如权利要求11所述的磁场屏蔽系统，其特征在于，所述至少两个超导线圈组中的第一级超导线圈、第二级超导线圈均共轴设置。
13.如权利要求11所述的磁场屏蔽系统，其特征在于，所述磁场屏蔽系统包括多个超导线圈组相互间隔设置，所述多个超导线圈组分别位于不同的平面且各平面相互平行，每一超导线圈组均包括一第一级超导线圈及第二级超导线圈围绕一中心对称轴共轴且共面设置。
14.如权利要求11所述的磁场屏蔽系统，其特征在于，每个所述超导线圈组中的所述第一级超导线圈的半径均相同，所述第二级超导线圈的半径均相同。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310318660.XA CN104349653B (zh) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 |
| PCT/CN2013/086013 WO2015010379A1 (zh) | 2013-07-26 | 2013-10-25 | 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 |
| US15/005,021 US10015917B2 (en) | 2013-07-26 | 2016-01-25 | Magnetic field shielding system based on closed superconducting coil groups and magnetic field shielding device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310318660.XA CN104349653B (zh) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104349653A CN104349653A (zh) | 2015-02-11 |
| CN104349653B true CN104349653B (zh) | 2018-02-16 |
Family
ID=52504139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310318660.XA Expired - Fee Related CN104349653B (zh) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104349653B (zh) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104765406B (zh) * | 2015-03-23 | 2016-02-24 | 北京原力辰超导技术有限公司 | 磁场调节器 |
| CN105548933B (zh) * | 2015-12-10 | 2019-05-31 | 清华大学 | 恒定磁场测量仪器的分辨率检测系统和时变磁场屏蔽装置 |
| CN105704995A (zh) * | 2016-03-18 | 2016-06-22 | 中国计量学院 | 一种磁场屏蔽装置 |
| CN105828593A (zh) * | 2016-05-31 | 2016-08-03 | 南京农业大学 | 一种屏蔽磁场不改变周围磁场分布的装置 |
| CN106102427B (zh) * | 2016-06-03 | 2018-12-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种新型屏蔽结构及其设计方法 |
| CN108401409B (zh) * | 2018-01-22 | 2020-05-01 | 清华大学 | 一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置及其磁场屏蔽方法 |
| CN111580030B (zh) * | 2020-05-13 | 2022-04-22 | 山东省肿瘤防治研究院（山东省肿瘤医院） | 用于核磁共振与放疗相融合的磁场制备结构、设备及系统 |
| CN111627641B (zh) * | 2020-06-17 | 2021-11-05 | 上海大学 | 一种基于多组异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统 |
| CN111642123B (zh) * | 2020-06-17 | 2022-05-10 | 上海大学 | 一种基于异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统 |
| CN112711876B (zh) * | 2020-12-17 | 2022-09-13 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法 |
| CN114188136B (zh) * | 2021-11-05 | 2023-10-20 | 北京航空航天大学宁波创新研究院 | 分离式低温磁屏蔽装置 |
| CN116631696A (zh) * | 2022-02-11 | 2023-08-22 | 华为技术有限公司 | 磁屏蔽装置及电子束检测设备 |
| CN114974791B (zh) * | 2022-07-29 | 2022-11-01 | 华中科技大学 | 一种超导磁体被动抵消式外磁屏蔽线圈的优化方法 |
| CN116313374B (zh) * | 2023-05-23 | 2023-08-01 | 能量奇点能源科技(上海)有限公司 | 用于磁约束装置的高温超导饼式线圈 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101113896A (zh) * | 2007-08-06 | 2008-01-30 | 中国科学院电工研究所 | 一种用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置及测量方法 |
| CN101552077A (zh) * | 2008-12-11 | 2009-10-07 | 中国科学院电工研究所 | 一种用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统 |
| CN101707860A (zh) * | 2009-11-09 | 2010-05-12 | 清华大学 | 被动抵消式磁屏蔽装置 |
| CN101894652A (zh) * | 2009-05-20 | 2010-11-24 | 三菱电机株式会社 | 超导磁体 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005181046A (ja) * | 2003-12-18 | 2005-07-07 | Hitachi Ltd | 超伝導マグネット装置 |
| US7135948B2 (en) * | 2004-10-05 | 2006-11-14 | Florida State University Research Foundation, Inc. | Dipole shim coil for external field adjustment of a shielded superconducting magnet |
-
2013
- 2013-07-26 CN CN201310318660.XA patent/CN104349653B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101113896A (zh) * | 2007-08-06 | 2008-01-30 | 中国科学院电工研究所 | 一种用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置及测量方法 |
| CN101552077A (zh) * | 2008-12-11 | 2009-10-07 | 中国科学院电工研究所 | 一种用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统 |
| CN101894652A (zh) * | 2009-05-20 | 2010-11-24 | 三菱电机株式会社 | 超导磁体 |
| CN101707860A (zh) * | 2009-11-09 | 2010-05-12 | 清华大学 | 被动抵消式磁屏蔽装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104349653A (zh) | 2015-02-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104349653B (zh) | 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 | |
| CN104349654B (zh) | 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备 | |
| Lvovsky et al. | Novel technologies and configurations of superconducting magnets for MRI | |
| CN111627641B (zh) | 一种基于多组异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统 | |
| CN108401409B (zh) | 一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置及其磁场屏蔽方法 | |
| Tomków et al. | Combined magnetic screen made of Bi-2223 bulk cylinder and YBCO tape rings—Modeling and experiments | |
| JPH0554977B2 (zh) | ||
| US20130102472A1 (en) | Persistent-mode high-temperature superconducting shim coils to enhance spatial magnetic field homogeneity for superconducting magnets | |
| JP5101520B2 (ja) | 関心領域に一様磁場を発生させる特にｎｍｒイメージング用の方法および装置 | |
| Nguyen et al. | Electrical measurements of AC losses in high temperature superconducting coils at variable temperatures | |
| JP2004537828A (ja) | ３軸高温超電導ケーブル | |
| Li et al. | Key designs of a short-bore and cryogen-free high temperature superconducting magnet system for 14 T whole-body MRI | |
| Kim et al. | Persistent current mode of a 1-T-class HTS pancake coil for NMR/MRI applications | |
| Zhang et al. | Instrumentation, cooling, and initial testing of a large, conduction-cooled, react-and-wind MgB2 coil segment for MRI applications | |
| US11199599B2 (en) | Magnet assembly comprising closed superconducting HTS shims | |
| Chi et al. | Low-frequency magnetic field shielding effect of artificial joint-free REBCO coils | |
| Ni et al. | A homogeneous superconducting magnet design using a hybrid optimization algorithm | |
| WO2012157745A1 (ja) | 超伝導磁石及び核磁気共鳴装置 | |
| US7435970B2 (en) | Beam current meter | |
| US10015917B2 (en) | Magnetic field shielding system based on closed superconducting coil groups and magnetic field shielding device | |
| US20030218872A1 (en) | Superconducting magnetic shield | |
| Brittles et al. | Rapid characterisation of persistent current joints by SQUID magnetometry | |
| Miyazaki et al. | Evaluation of magnetic field homogeneity of a conduction-cooled REBCO magnet with a room-temperature bore of 200 mm | |
| Takeda et al. | Angular dependence of resistance and critical current of a Bi-2223 superconducting joint | |
| Attar et al. | An Accurate Method for Calculation of Self-Inductance of HTS Coils With and Without Turn-to-Turn Insulation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180216 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |