CN106291007A - 一种磁屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁屏蔽装置，包括同轴的N(N为大于2的整数)层磁屏蔽筒，其中，最内层的所述磁屏蔽筒的半径为R₁，第i(1≤i≤N)层所述磁屏蔽筒的半径为：本发明设计简单，易于实现，可以广泛应用于电磁领域来制造弱磁环境。

Description

一种磁屏蔽装置

技术领域

本发明属于电磁领域，具体涉及一种磁屏蔽装置。

背景技术

碱金属原子SERF磁强计在2002年首创于美国普林斯顿大学Romalis小组，因其超高的理论灵敏度而备受各国关注。这种原子磁强计是一种需要工作在极弱磁环境下(10nT以内)的测量装置，因此需要一种非常高效能的磁屏蔽筒来制造这样的弱磁环境。由于原子磁强计的理论灵敏度已经远远小于一般的背景磁场噪声(如地磁等)，并且实验上，SERF原子磁强计的实际噪声水平往往都是受限于背景磁场噪声。所以开发高屏蔽效能的磁屏蔽装置成为弱磁探测技术的一个核心工艺。

在高效能的磁屏蔽材料中，坡莫合金(μ-metal)是磁导率最高的材料。同时也是一种造价最昂贵的磁屏蔽材料。如果单层坡莫合金足够厚，就可以达到高效能的磁屏蔽的目的，但是材料消耗极其巨大，成本极高。

Alan K.Thomas.,《Magnetic Shielded Enclosure Design in the DC and VLFRegion》IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,March(1968)提供了一种优化结构，其指出，在使用材料总体积不变的情况下，第一层和第二层的半径比为时，磁屏蔽效能可以达到最大。但是，该文献只给出了使用两层磁屏蔽罩时数值模拟的最优解，并没有给出屏蔽效能更高的多层磁屏蔽筒的普适的优化结构

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种磁屏蔽装置，包括同轴的N(N为大于2的整数)层磁屏蔽筒，其中，最内层的所述磁屏蔽筒的半径为R₁，第i(1≤i≤N)层所述磁屏蔽筒的半径为： $R_1\sqrt{\frac{N}{N+1-i}}.$

根据本发明的磁屏蔽装置，优选地，还包括覆盖所述N层磁屏蔽筒的每一个的两端的盖。

根据本发明的磁屏蔽装置，优选地，所述磁屏蔽筒的最内层筒的长度大于等于最内层筒直径的三倍。

根据本发明的磁屏蔽装置，优选地，所述N层磁屏蔽筒的长度相等。

根据本发明的磁屏蔽装置，优选地，所述磁屏蔽筒的材料为坡莫合金。

根据本发明的磁屏蔽装置，优选地，所述N小于等于5。。

本发明的磁屏蔽装置能够在使用相同材料的情况下达到最优化的磁屏蔽效能，或者能够在实现相同磁屏蔽效能的情况下最大化地节约材料，本发明设计简单，易于实现，可以广泛应用于电磁领域来制造弱磁环境。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的五层磁屏蔽装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的五层磁屏蔽装置的实物照片；

图3为图2所示的五层磁屏蔽装置内部的磁场强度的测量值；

图4为图2所示的五层磁屏蔽装置内部的磁场噪声水平的测量值。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了达到高效能的磁屏蔽的目的，以及最大化的降低材料的使用量，最佳的办法是制造多层薄层的磁屏蔽材料，组成套筒逐级地屏蔽磁场。针对如何选择多层磁屏蔽材料的尺寸，发明人从麦克斯韦方程组出发，推导出一套设计方案，只要给定需要屏蔽的工作空间，就可以快速得到最优化的多层磁屏蔽罩各层的尺寸，从而得到一种磁屏蔽装置，其能够在高效能磁屏蔽的同时最大化地节约成本。

以下详细描述其推导过程。

已知：横向磁屏蔽效能其中，H₀为磁屏蔽装置外的磁场强度，H₁为磁屏蔽装置内部中心位置的磁场强度。根据Alan K.Thomas.,《MagneticShielded Enclosure Design in the DC and VLF Region》IEEE Transactions onElectromagnetic Compatibility,March(1968)，

单层磁屏蔽装置的屏蔽效能为： $S_i=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\μ}}_i{t}_i}{R_i}.---\left(1\right),$ 其中，μ_i为材料磁导率，t_i为材料厚度，R_i为材料半径；

多层磁屏蔽装置的屏蔽效能为：

$\begin{array}{c}S=1+S_1+S_2+S_3+...+S_N\\ +S_1\·S_2\left(1-\frac{V_1}{V_2}\right)\·S_3\left(1-\frac{V_2}{V_3}\right)...S_N(1-\frac{V_{N-1}}{V_N})\end{array}---\left(2\right),$

其中，V_i为第i层材料的外表面包围的体积，N为磁屏蔽装置的层数。

1、双层磁屏蔽装置的最优化结构推演：

发明人以上述公式(1)和(2)为基础进一步推演，得出双层磁屏蔽装置的最优化结构。在双层材料时，只考虑横向屏蔽效能，并假设各层材料等长，公式(2)简化为：

$\begin{array}{c}S=1+S_1+S_2+S_1{S}_2\left(1-\frac{A_1}{A_2}\right)\\ =1+\frac{{\mathrm{\μ}}_r{t}_1}{2R_1}+\frac{{\mathrm{\μ}}_r{t}_2}{2R_2}+\frac{{\mathrm{\μ}}_r{t}_1}{2R_1}\frac{{\mathrm{\μ}}_r{t}_2}{2R_2}\left(1-\frac{A_1}{A_2}\right)\end{array}$

其中，A_i为磁屏蔽装置的第i层筒的横截面积。当各层筒的长度相等时，

V₁/V₂＝A₁/A₂。

令： $\frac{A_1}{A_2}=x,$ 即 $\frac{R_1}{R_2}=\sqrt{x},$

第一层筒材料体积为T₁＝2πR₁t₁L，

第二层筒材料体积为T₂＝2πR₂t₂L，

则： $\frac{t_1}{R_1}=\frac{T_1}{2{\mathrm{\πLR}}_1^2},\frac{t_2}{R_2}=\frac{T_{2}x}{2{\mathrm{\πLR}}_1^2},$

$S=1+\frac{{\mathrm{\μ}}_r{T}_1}{4{\mathrm{\πLR}}_1^2}+\frac{{\mathrm{\μ}}_r{T}_{2}x}{4{\mathrm{\πLR}}_1^2}+{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{4{\mathrm{\πLR}}_1^2}\right)}^2{T}_1{T}_{2}x(1-x),$

T₁为常数，当我们使用材料总体积不变时，T₂也是常数，

令：

$\frac{\∂S}{\∂x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_r{T}_2}{4{\mathrm{\πLR}}_1^2}+{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{4{\mathrm{\πLR}}_1^2}\right)}^2{T}_1{T}_2(1-2x)=0,$

可以得到极值条件为：

$2x-1=\frac{4{\mathrm{\πLR}}_1^2}{{\mathrm{\μ}}_r{T}_1}=\frac{2R_1}{{\mathrm{\μ}}_1{t}_1}=\frac{1}{S_1},$

等式右边是已知常数，对于理想情况，屏蔽效能无限大，则等式右端约等于0，即可得到

且

$\frac{{\&part;}^{2}S}{\&part;x^2}=-2T_1{T}_2{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}\right)}^2<0$

即双层时，内外层半径比为时，S达到极大值。这是一个近似的解析解，说明了为什么半径为时，磁屏蔽效能达到最优，以及它能成立的条件。

由此，发明人得到如下结论：

(1)、当使用两层磁屏蔽筒，且用料总体积为一固定值时，内外半径比为时，横向屏蔽效能可以达到最大。(与现有技术的结论相同)。

(2)、该结论成立是因为在该点，S的一阶导数近似为零，出现极值。且二阶偏导小于零，说明该极值为极大值。

(3)、一阶导数近似为零成立的条件为：内层屏蔽效能S的倒数可以约等于0。

2、N层(N为大于2的整数)磁屏蔽装置的最优化结构的推演

发明人仍然以上述公式(1)和(2)为基础进一步推演，得出N层(N为大于2的整数)磁屏蔽装置的最优化结构。

使用三层屏蔽筒时，

$\begin{array}{c}S=1+S_1+S_2+S_3+S_1{S}_2{S}_3\left(1-\frac{A_1}{A_2}\right)\left(1-\frac{A_2}{A_3}\right)\\ =1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{t}_1}{2R_1}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{t}_2}{2R_2}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{t}_3}{2R_3}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{t}_1}{2R_1}\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{t}_2}{2R_2}\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{t}_3}{2R_3}(1-\frac{A_1}{A_2})\left(1-\frac{A_2}{A_3}\right)\end{array}$

令 $\frac{A_1}{A_2}=x,\frac{A_2}{A_3}=y$

第一层筒的材料体积为T₁＝2πR₁t₁L，

第二层筒的材料体积为T₂＝2πR₂t₂L，

第三层筒的材料体积为T₃＝2πR₃t₃L，

则 $\frac{t_1}{R_1}=\frac{T_1}{2{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2},\frac{t_2}{R_2}=\frac{T_{2}x}{2{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2},\frac{t_3}{R_3}=\frac{T_{3}xy}{2{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}$

$S=1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{T}_1}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{T}_{2}x}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{T}_{3}xy}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}+{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}\right)}^3{T}_1{T}_2{T}_3{x}^{2}y(1-x)(1-y),$

每层筒用料量固定时，T_i皆为常数，且x、y不相关，令

$\frac{\&part;S}{\&part;x}=(T_2+T_{3}y)+{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}\right)}^2{T}_1{T}_2{T}_{3}y(1-y)(2x-3x^2)=0$

$\frac{\&part;S}{\&part;y}=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r{T}_{3}x}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}+{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_r}{4{\mathrm{\&pi;LR}}_1^2}\right)}^3{T}_1{T}_2{T}_3(1-x)(1-2y)=0$

化简可得S出现极值时的条件：

$(3x-2)x==\frac{1}{S_1^2}\&lsqb;\frac{T_1}{T_2(1-y)}+\frac{T_1}{T_{3}y(1-y)}\&rsqb;$

$2y-1=\frac{1}{S_1^2}\frac{T_1}{T_{2}x(1-x)}$

由于理想情况下，S₁无限大，所以可以令上面二式右端约等于0,

得到： $x=\frac{2}{3},y=\frac{1}{2}$

同理，可以推导出更多层的情况：

多层筒的半径比值以屏蔽效能最大化为目标函数时的驻点

表中的x、y、z、w分别表示A₁/A₂、A₂/A₃、A₃/A₄、A₄/A₅的值。

更一般的情况，在N层结构时，可以由上表推导出普适的公式：根据本发明的磁屏蔽装置包括同轴的多个筒和覆盖多个筒的两端的盖。所述多个筒的半径从内到外依次为R₁、R₂…R_i…R_N，所述筒和盖的厚度远远小于R₁，所述筒的长度为L。其中，本领域技术人员很容易理解，球形磁屏蔽结构的磁屏蔽效能是最好的，但是球形磁屏蔽结构不容易加工和使用。在实际制作时，当筒的长度大于筒直径的3倍时，圆筒的轴向屏蔽效能已经近似等于球形的磁屏蔽效能，所以在本发明中，优选地，L≥3·2R₁，L为最内层筒的筒壁长度，R₁为最内层筒的半径。

下面通过示例说明本发明的具有五层磁屏蔽筒的磁屏蔽装置，图1示出本发明的具有五层磁屏蔽筒的磁屏蔽装置，其中的五层磁屏蔽筒的直径从内向外依次为：

其直径满足：

$D\left(2\right)=D\left(1\right)\sqrt{\frac{5}{4}}=16\&times;1.118=17.888\&ap;18cm$

$D\left(3\right)=D\left(1\right)\sqrt{\frac{5}{3}}=16\&times;1.291=20.656\&ap;20cm$

$D\left(4\right)=D\left(1\right)\sqrt{\frac{5}{2}}=16\&times;1.581=25.298\&ap;25cm$

$D\left(5\right)=D\left(1\right)\sqrt{\frac{5}{1}}=16\&times;2.236=35.777\&ap;35cm$

长度满足：

L(1)≥D(1)×3＝16×3＝48cm

需要说明的是，在实际制作过程中，各层套筒都比其内层套筒略长，这是为筒两端的顶盖预留的长度，几乎不会影响整个磁屏蔽装置的效果。

图2展示了依照图1尺寸，用厚度1mm的1J85坡莫合金材料制备的多层磁屏蔽装置结构实例，以及应用在研发超高灵敏度原子磁强计实验中的应用实例。

图3展示了利用原子磁强计测量五层磁屏蔽筒内部磁场的信号。图中色散线宽为原子磁强计的磁场响应信号。其响应线宽为2nT。信号为对称性良好的奇函数。如果磁屏蔽筒内部有超过1nT的剩磁，信号将会发生畸变。该图说明5层磁屏蔽桶内剩磁远小于1nT。

图4展示了利用原子磁强计测量的筒内部的磁场噪声。实测值显示5层磁屏蔽筒内部磁场噪声小于50fTHz^-1/2。

为了充分体现本发明的效果，发明人提供了现有技术公开的(http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mumetal_box_by_Zureks.jpg)的采用五层坡莫合金的磁屏蔽筒，其材料厚度达到5mm厚，最终可以将地磁消除1500倍。而本发明的磁屏蔽装置同样使用5层坡莫合金，材料厚度仅为1mm，却可以将地磁消除50000倍以上。通过比较可以看出，本发明的磁屏蔽装置大大节约了成本，并且将磁屏蔽效果提高了至少33倍。

本领域技术人员很容易理解，对于本发明的磁屏蔽装置中，可以根据实际需要去设置材料的厚度，只要按照本发明的方案设计装置结构，就会使得成本和效果最优化。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (6)

1.一种磁屏蔽装置，包括同轴的N(N为大于2的整数)层磁屏蔽筒，其中，最内层的所述磁屏蔽筒的半径为R₁，第i(1≤i≤N)层所述磁屏蔽筒的半径为： $R_i=R_1\sqrt{\frac{N}{N+1-i}}.$

2.根据权利要求1所述的磁屏蔽装置，还包括覆盖所述N层磁屏蔽筒的每一个的两端的盖。

3.根据权利要求1或2所述的磁屏蔽装置，其特征在于：所述磁屏蔽筒的最内层筒的长度大于等于最内层筒直径的三倍。

4.根据权利要求1或2所述的磁屏蔽装置，其特征在于：所述N层磁屏蔽筒的长度相等。

5.根据权利要求1或2所述的磁屏蔽装置，所述磁屏蔽筒的材料为坡莫合金。

6.根据权利要求1或2所述的磁屏蔽装置，所述N小于等于5。