CN105527594B - 一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于原子传感器技术领域，具体涉及一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法。本发明的大均匀区三维磁线圈包括支撑体、纵线圈和横线圈；本发明还提供一种大均匀区三维磁线圈的线圈参数设计方法，包括计算磁场分量、有效均匀性计算、优化求解和误差考量的步骤。本发明需要解决的技术问题为：现有的三维线圈内的均匀区不足够大的问题。本发明的大均匀区三维磁线圈具有大的球形均匀区，均匀区均匀性良好，满足了纵线圈高均匀性的要求；还提供了实现高均匀三维线圈的参数设计方法，可根据不同线圈结构方案找出最优参数，使线圈方案突破传统定式，实现线圈形式和性能的突破。

Description

一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法

技术领域

本发明属于原子传感器技术领域，具体涉及一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法。

背景技术

自旋型原子传感器包括核磁共振陀螺、SERF原子自旋陀螺及原子磁强计。自旋型原子传感器通过激光和磁场对原子自旋的操控，实现角运动和磁场的精密测量。

核磁共振陀螺的磁场精密控制包括磁屏蔽、磁补偿和三维磁场激励控制。磁补偿和磁场激励控制的磁场发生部件是三维磁线圈。线圈的均匀性越高，对原子自旋的作用就越一致，可实现的原子传感精度就越高。因此，三维磁线圈的高均匀是实现高精度核磁共振陀螺的重要保障。核磁共振陀螺的一个重要特点是小体积，为保证在高精度下实现更小体积，需要三维线圈具有较大均匀区，不占过多空间，同时方便线圈内部器件的装配。

传统的亥姆霍兹三维线圈虽然结构简单，但均匀性无法满足纵线圈高均匀性的要求，且占据体积较大，横线圈对中心区域形成一定封闭，使得线圈内部件装配不便。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有的三维线圈内的均匀区不足够大。

本发明的技术方案如下所述：

一种大均匀区三维磁线圈，包括支撑体(1)、纵线圈(2)和横线圈(3)；所述支撑体(1)为上、下底面开放中心对称的筒状，在支撑体(1)的表面沿其周向和轴向分别设置有线槽，用于安装纵线圈(2)和横线圈(3)，所述线槽的数量依据纵线圈(2)和横线圈(3)的数量确定；所述纵线圈(2)由绕支撑体(1)表面周向缠绕的导线构成，相邻的两个纵线圈(2)之间平行且导线连通；所述横线圈(3)由绕支撑体(1)表面轴向和上下底面边缘缠绕的导线构成，在空间内形成空间多边形，所述横线圈(3)为两对，每对横线圈(3)对称安装于支撑体(1)之上，使两对横线圈(3)的磁场正交。

优选的，所述支撑体(1)为无上、下底的圆筒状或方筒状。

优选的，所述纵线圈(2)缠绕的匝数为一匝或多于一匝，所述纵线圈(2)的个数为三个、四个或更多个。

优选的，所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕圆筒状的支撑体(1)的轴向和底面圆弧缠绕所形成的空间四边形。

优选的，所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕方筒状的支撑体(1)的轴向和底面边缘缠绕所形成的空间四边形、六边形或八边形。

优选的，设纵线圈的磁场方向为z轴正方向，两组横线圈磁场方向分别为x轴和y轴正方向，构成三维直角坐标系；设纵线圈的参数为h₁，h₂，…，h_N，所述纵线圈的参数可以为线圈半径、两线圈间距离、匝数比、导线截面积、导线线径以及其它参数；设横线圈的参数为t₁，t₂，…，t_V，所述横线圈的参数可以为线圈半径、总长度、张角弧度以及其它参数；线圈中心坐标为O(0,0,0)，均匀区(4)为以线圈中心为球心，半径为a的球体，所述半径a根据使用需求确定，该设计方法包括以下步骤：

步骤一、计算磁场分量

设通电线圈内任意一点A处的坐标为(x,y,z)，则根据毕奥-萨伐尔定率，该点A处磁场强度B的在X、Y和Z三个方向上的分量表达式分别为B_x(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)、B_y(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)和B_z(x,y,z,h₁,h₂,…,h_N)；

步骤二、有效均匀性计算

定义中心坐标为O(0,0,0)，半径为a的球形均匀区(4)的有效均匀性UN_eff的表达为

其中B(X)，B(Y)，B(Z)，和B(O)，分别为X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)点处的横、纵线圈磁场在x方向或y方向或z方向的分量；

由上式，磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_x(X)，B_x(Y)，B_x(Z)和B_x(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在x方向上的分量；

磁场方向与y轴正方向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_y(X)，B_y(Y)，B_y(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与y轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在y方向上的分量；

磁场方向与z轴正方向同向的纵线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_z(X)，B_z(Y)，B_z(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与z轴正向同向的纵线圈所形成磁场强度在z方向上的分量；

步骤三、优化求解

分别选取横、纵线圈参数中的一个或多于一个参数进行赋值作为固定参数，采用迭代优化算法，在可调参数空间合理范围找出有效均匀性和各自的极小值，和对应的可调参数取值。

步骤四、误差考量

在可实现的线圈参数误差范围内，优选的误差范围为±0.1mm，考察参数误差对有效均匀性UN_eff的影响，选取考虑误差后和各自多个极小值中最小的一个所对应的线圈参数作为最终确定的线圈参数用以制作线圈。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的大均匀区三维磁线圈具有大的球形均匀区，均匀区均匀性良好，满足了线圈高均匀性的要求；

(2)本发明的大均匀区三维磁线圈在圆柱面或方柱面上实现了大均匀区三维正交线圈的组合，减少线圈所占空间，方便线圈内部组件装配；

(3)本发明还提供了实现高均匀三维线圈的参数设计方法，可根据不同线圈结构方案找出最优参数，使线圈方案突破传统定式，实现线圈形式和性能的突破；

(4)本发明还提供了大均匀区三维磁线圈的制作方法，为原子传感器用中、小型三维线圈的制作提供了一种具体可行的实现方法和步骤。

附图说明

图1为本发明的一种大均匀区三维磁线圈的结构示意图；

图2为本发明的三维磁线圈的纵线圈结构示意图；

图3为本发明的三维磁线圈的横线圈结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种大均匀区三维磁线圈进行详细说明。

实施例1

一种大均匀区三维磁线圈，如图1所述，包括支撑体1、纵线圈2和横线圈3。所述支撑体1为上、下底面开放的圆筒状，在支撑体1的表面沿其周向和轴向分别设置有线槽，用于安装纵线圈2和横线圈3，所述线槽的数量依据纵线圈2和横线圈3的数量确定。所述纵线圈2由绕支撑体1表面周向缠绕的导线构成，相邻的两个纵线圈2之间平行且通过导线连通，如图2所示。所述横线圈3由绕支撑体1表面轴向和上下底面边缘圆弧缠绕的导线构成，在空间中形成空间曲面四边形，图3所示为一对横线圈，所述横线圈3为两对，每对横线圈3对称安装于支撑体1之上，沿支撑体1的中心轴向旋转，则两对横线圈3的安装位置相差90°，使两对横线圈3的磁场正交。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于每个所述纵线圈2缠绕的匝数为1匝或多于1匝，所述纵线圈2的个数为3个、4个或更多个。

实施例3

本实施例与实施例1或2的区别在于所述支撑体1为方筒状或其它中心对称的筒状结构，所述横线圈3由绕支撑体1表面槽向和上下底面边缘折线缠绕的导线构成，在空间中形成空间四边形、六边形、八边形或其它空间多边形形状。

实施例4

设纵线圈的磁场方向为z轴正方向，两组横线圈磁场方向分别为x轴和y轴正方向，x、y、z轴符合右手螺旋法则，构成三维直角坐标系。设纵线圈的参数为h₁，h₂，…，h_N，所述纵线圈的参数可以为线圈半径、两线圈间距离、匝数比、导线截面积、导线线径以及其它参数。设横线圈的参数为t₁，t₂，…，t_V，所述横线圈的参数可以为线圈半径、总长度、张角弧度以及其它参数。线圈中心坐标为O(0,0,0)，均匀区4为以线圈中心为球心，半径为a的球体，如图1所示，所述半径a根据使用需求确定，则一组大均匀区线圈的参数设计包括如下步骤：

步骤一、计算磁场分量

设通电线圈内任意一点A处的坐标为(x,y,z)，则根据毕奥-萨伐尔定率，该点A处磁场强度B的在X、Y和Z三个方向上的分量表达式分别为B_x(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)、B_y(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)和B_z(x,y,z,h₁,h₂,…,h_N)；

步骤二、有效均匀性计算

定义中心坐标为O(0,0,0)，半径为a的球形均匀区4的有效均匀性UN_eff的表达为

其中B(X)，B(Y)，B(Z)，和B(O)，分别为X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)点处的横、纵线圈磁场在x方向或y方向或z方向的分量。

则，磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_x(X)，B_x(Y)，B_x(Z)和B_x(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在x方向上的分量；

同样的，磁场方向与y轴正方向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_y(X)，B_y(Y)，B_y(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与y轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在y方向上的分量；

类似的，磁场方向与z轴正方向同向的纵线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_z(X)，B_z(Y)，B_z(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与z轴正向同向的纵线圈所形成磁场强度在z方向上的分量。

步骤三、优化求解

分别选取横、纵线圈参数中的一个或多于一个参数进行赋值作为固定参数，采用优化算法，在可调参数空间合理范围找出有效均匀性和各自的极小值，和对应的可调参数取值。

步骤四、误差考量

在可实现的线圈参数误差范围内，优选的误差范围为±0.1mm，考察参数误差对有效均匀性UN_eff的影响，选取考虑误差后和各自多个极小值中最小的一个所对应的线圈参数作为最终确定的线圈参数用以制作线圈。

实施例5

本发明还提供了一种三维磁线圈制作方法，根据线圈总体设计，进行支撑结构设计与加工、线圈绕制、固定和接线，包括如下步骤：

第一步，根据线圈参数设计线圈支撑结构，包括外形、线槽、和引线槽等，并明确误差范围；

第二步，选取满足温度条件、不易变形、线膨胀系数低、机加工性能优良的结构材料，作为三维磁线圈结构支撑材料；

第三步：进行线圈支撑结构的精密机加工；

第四步：按设计进行线圈的绕制，将引出的铜线进行固定，并在引线槽涂胶固化；

第五步：通过焊接，将漆包铜线与双绞线缆或其他形式线缆相接，并对焊点涂胶保护，完成线圈的制作。

Claims (6)

1.一种大均匀区三维磁线圈，包括支撑体(1)、纵线圈(2)和横线圈(3)；所述支撑体(1)为上、下底面开放中心对称的筒状，在支撑体(1)的表面沿其周向和轴向分别设置有线槽，用于安装纵线圈(2)和横线圈(3)，所述线槽的数量依据纵线圈(2)和横线圈(3)的数量确定；其特征在于：所述纵线圈(2)由绕支撑体(1)表面周向缠绕的导线构成，相邻的两个纵线圈(2)之间平行且导线连通；所述横线圈(3)由绕支撑体(1)表面轴向和上下底面边缘缠绕的导线构成，在空间内形成空间多边形，所述横线圈(3)为两对，每对横线圈(3)对称安装于支撑体(1)之上，使两对横线圈(3)的磁场正交。

2.如权利要求1所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述支撑体(1)为无上、下底的圆筒状或方筒状。

3.如权利要求1所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述纵线圈(2)缠绕的匝数为一匝或多于一匝，所述纵线圈(2)的个数为三个、四个或更多个。

4.如权利要求1或2所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕圆筒状的支撑体(1)的轴向和底面圆弧缠绕所形成的空间四边形。

5.如权利要求2所述的一种大均匀区三维磁线圈，其特征在于：所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕方筒状的支撑体(1)的柱面和底面边缘缠绕所形成的空间四边形、六边形或八边形。

6.一种大均匀区三维磁线圈的制造方法，设纵线圈的磁场方向为z轴正方向，两组横线圈磁场方向分别为x轴和y轴正方向，构成三维直角坐标系；设纵线圈的参数为h₁，h₂，…，h_N，所述纵线圈的参数为线圈半径、两线圈间距离、匝数比、导线截面积、导线线径以及其它参数；设横线圈的参数为t₁，t₂，…，t_V，所述横线圈的参数为线圈半径、总长度、张角弧度以及其它参数；线圈中心坐标为O(0,0,0)，均匀区(4)为以线圈中心为球心，半径为a的球体，所述半径a根据使用需求确定，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：

步骤一、计算磁场分量

设通电线圈内任意一点A处的坐标为(x,y,z)，则根据毕奥-萨伐尔定率，该点A处磁场强度B的在X、Y和Z三个方向上的分量表达式分别为B_x(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)、B_y(x,y,z,t₁,t₂,…,t_V)和B_z(x,y,z,h₁,h₂,…,h_N)；

步骤二、有效均匀性计算

定义中心坐标为O(0,0,0)，半径为a的球形均匀区(4)的有效均匀性UN_eff的表达为

其中B(X)，B(Y)，B(Z)，和B(O)，分别为X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)点处的横、纵线圈磁场在x方向或y方向或z方向的分量；

由上式，磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_x(X)，B_x(Y)，B_x(Z)和B_x(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与x轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在x方向上的分量；

磁场方向与y轴正方向同向的横线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_y(X)，B_y(Y)，B_y(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与y轴正向同向的横线圈所形成磁场强度在y方向上的分量；

磁场方向与z轴正方向同向的纵线圈所形成的均匀区的有效均匀性为

其中，B_z(X)，B_z(Y)，B_z(Z)和B_y(O)分别为点X(a,0,0)，Y(0,a,0)，Z(0,0,a)和O(0,0,0)处磁场方向与z轴正向同向的纵线圈所形成磁场强度在z方向上的分量；

步骤三、优化求解

分别选取横、纵线圈参数中的一个或多于一个参数进行赋值作为固定参数，采用迭代优化算法，在可调参数空间合理范围找出有效均匀性和各自的极小值，和对应的可调参数取值；

步骤四、误差考量

在可实现的线圈参数误差范围内，优选的误差范围为±0.1mm，考察参数误差对有效均匀性UN_eff的影响，选取考虑误差后和各自多个极小值中最小的一个所对应的线圈参数作为最终确定的线圈参数用以制作线圈。