CN106341975A - 基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置。其目的是为了提供一种屏蔽能力强、无幅值依赖性、移动便捷的屏蔽装置。本发明包括上位机、磁通门计、三个高精度电流源、超导环和三轴亥姆霍兹线圈。上位机的控制信号输出端分别与x轴高精度电流源、y轴高精度电流源和z轴高精度电流源的控制端连接，x轴高精度电流源、y轴高精度电流源和z轴高精度电流源的电流输出端分别与三轴亥姆霍兹线圈上三个不同维度的线圈连接，三轴亥姆霍兹线圈的中心位置设置有超导环，超导环的中心位置设置有三维磁通门探头，三维磁通门探头的信号输出端与磁通门计的信号接收端连接，磁通门计的信号输出端与上位机的反馈信号接收端连接。

Description

基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置

技术领域

本发明涉及高温超导领域，特别是涉及一种基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置。

背景技术

传统的磁屏蔽通常是由是基于高磁导率的软磁材料组成。对于静磁屏蔽技术并不是“躲避”开磁场，相反是为了吸引磁场。传统的磁屏蔽是用高磁导率材料加工的，如：坡莫合金、硅钢板和纯铁等。壳体就像一块吸铁石一样，把外部的磁场吸引在壳体上，而无法摆脱壳体进入内部。现实的静磁屏蔽效果，有少量磁场进入了壳体。

高性能的被动磁屏蔽主要包括磁屏蔽材料研制与磁屏蔽结构优化设计，其中磁屏蔽材料研制是实现高性能磁屏蔽的关键技术。磁屏蔽体的形状的变化对屏蔽效果有影响，直角或者弯折较多的形状不利于磁路的畅通，相同厚度的圆形的屏蔽效果要比方形的屏蔽效果好，且屏蔽因数受外场影响，有一定依赖关系。

超导磁屏蔽的屏蔽原理与高导磁磁屏蔽的屏蔽原理完全不同，超导磁屏蔽利用的是超导体的完全抗磁性。由于超导体“不允许”其内部有任何磁场，如果外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场，保证内部磁场强度为零，这就产生感应电流，但无法屏蔽恒定的磁场。

主动屏蔽采用线圈产成磁场来抵消环境场，亥姆霍兹线圈是最为常见的。利用线圈的三维空间布置，可以通过调节线圈对之间的电流比率产生任意方向的磁场。它可以完美的抵消地磁场效应，从而在中心磁场降低到几个nT。值得注意的是，三轴赫姆赫兹线圈不可以屏蔽掉一些交变磁场，所以会有一些交变磁场无法屏蔽掉，影响测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种屏蔽能力强、无幅值依赖性、移动便捷的基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置。

本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其中，包括上位机、磁通门计、x轴高精度电流源、y轴高精度电流源、z轴高精度电流源、超导环和三轴亥姆霍兹线圈，上位机的控制信号输出端分别与x轴高精度电流源、y轴高精度电流源和z轴高精度电流源的控制端连接，x轴高精度电流源、y轴高精度电流源和z轴高精度电流源的电流输出端分别与三轴亥姆霍兹线圈上三个不同维度的线圈连接，三轴亥姆霍兹线圈的中心位置设置有超导环，超导环的中心位置设置有三维磁通门探头，三维磁通门探头的信号输出端与磁通门计的信号接收端连接，磁通门计的信号输出端与上位机的反馈信号接收端连接。

本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其中所述上位机内部设置有控制软件，控制软件又包括采集部分和控制部分，

采集部分用于从磁通门计读取当前的磁场测量值，并将磁场测量值以曲线的形式显示在界面上；

控制部分用于计算产生指定磁场所需要的电流值，并将电流值输出指令分别传输给x轴高精度电流源、y轴高精度电流源和z轴高精度电流源。

本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其中所述三轴亥姆霍兹线圈固定在底板顶端，底板沿水平方向放置。

本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其中所述磁通门计所采用的型号为330F磁通门计。

本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置与现有技术不同之处在于：本发明设置有三轴亥姆霍兹线圈，三轴亥姆霍兹线圈上三个不同维度的线圈分别与x轴高精度电流源、y轴高精度电流源和z轴高精度电流源的电流输出端连接，通过上位机对各电流源的输出电流进行控制，从而保证该区域内具有优良的屏蔽能力，并且无幅值依赖性。在三轴亥姆霍兹线圈内部每一个开放端的磁屏蔽区域内，对瞬态、谐态磁场具良好的屏蔽能力，通过三维磁通门探头和磁通门计，进行电流反馈补偿，屏蔽恒定的磁场，也屏蔽低频和中频磁场的干扰。三维磁通门探头可以在屏蔽区域内正常工作，不受外界磁场干扰。三轴亥姆霍兹线圈形成一个球形的屏蔽区域，该屏蔽区域为开放的空间，在屏蔽磁场方向光学透明，在屏蔽区域内部可完成对定位样品和三维磁通门探头的自由移动，同时方便观测定位样品的位置。整个装置结构简单，便于移动，无需搭建昂贵的磁屏蔽室，经济实用，节约成本。通过上位机的控制软件对磁屏蔽区域进行控制，检测系统简单、操作方便，方便进行移动，在任何环境下都能够进行使用，并且具有良好的屏蔽效果。

下面结合附图对本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置作进一步说明。

附图说明

图1为本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的结构图；

图2为本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的工作流程图；

图3为本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的测量磁场反馈图；

图4为本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的屏蔽因数测量结果与只有三轴线圈屏蔽的因数测量结果的对比图。

具体实施方式

下面首先对本发明适用的超导体进行介绍：

超导体最重要的特征就是完全抗磁，也称为迈斯纳效应。由于超导体“不允许”其内部有任何磁场，如果外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场，保证内部磁场强度为零，这就产生感应电流。

如图1所示，本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的结构图，包括上位机1、磁通门计2、x轴高精度电流源3、y轴高精度电流源4、z轴高精度电流源5、超导环7和三轴亥姆霍兹线圈8。上位机1的控制信号输出端分别与x轴高精度电流源3、y轴高精度电流源4和z轴高精度电流源5的控制端连接，通过上位机1分别对x轴高精度电流源3、y轴高精度电流源4和z轴高精度电流源5的输出电流进行控制。x轴高精度电流源3、y轴高精度电流源4和z轴高精度电流源5的电流输出端分别与三轴亥姆霍兹线圈8上三个不同维度的线圈连接，操作平面上沿水平方向上设置有底板9，三轴亥姆霍兹线圈8固定在底板9顶端。三轴亥姆霍兹线圈8的中心位置固定有超导环7，超导环7的中心位置设置有三维磁通门探头6，三维磁通门探头6的信号输出端与磁通门计2的信号接收端连接，磁通门计2的信号输出端与上位机1的反馈信号接收端连接，三维磁通门探头6对三轴亥姆霍兹线圈8产生的磁场进行测试，并将测试得到的反馈信号回传给上位机1。上位机1内部设置有控制软件，控制软件又包括采集部分和控制部分，采集部分用于从磁通门计2读取当前的磁场测量值，并将磁场测量值以曲线的形式显示在界面上；控制部分用于计算产生指定磁场所需要的电流值，并将电流值输出指令分别传输给x轴高精度电流源3、y轴高精度电流源4和z轴高精度电流源5。

本发明的一个实施例中所采用磁通门计2的型号为330F磁通门计。

如图2所示，为本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的工作流程图，操作步骤为：

步骤1：启动上位机1、磁通门计2、x轴高精度电流源3、y轴高精度电流源4和z轴高精度电流源5；

步骤2：三轴亥姆霍兹线圈8的中心位置放置三维磁通门探头6；

步骤3：通过上位机1内部的控制软件，对三轴亥姆霍兹线圈8上三个不同维度的线圈进行磁场设定与灵敏度调节；通过液氮对超导环7进行冷却，当磁场稳定在0nT左右时，说明三轴亥姆霍兹线圈8一切工作正常，超导环7放置在三轴亥姆霍兹线圈8中心区域。

步骤4：通过上位机1内部的控制软件，再次对三轴亥姆霍兹线圈8上三个不同维度的线圈进行磁场设定与灵敏度调节，三维磁通门探头6放置超导环7周围，磁场能稳定在0nT左右；

步骤6：将三维磁通门探头6放置超导环7中心位置，进行调节，磁场能稳定在0nT左右。

本发明的一个实施例为：当选择由外部信号控制磁场设定时，首先，上位机1发出控制信号，控制各电流源和三轴亥姆霍兹线圈8，将三个维度的设定值设为0nT，开始调零；其次，将三轴亥姆霍兹线圈8三个维度的磁场值调节至指定范围(±50nT)内，上位机1内部的控制软件控制停止调零；接着，用户可以通过上位机1开始设置指定维度的磁场值，例如设置x轴方向的磁场值为1000nT(Bx：1000nT)；上位机1接收到控制信号“Bx：1000nT”后，控制软件对x轴高精度电流源3进行控制，采用PID闭环控制将x轴方向的磁场值控制在1000nT左右，具体的调节精度用户可以通过上位机1进行控制；最终，完成指定维度磁场大小的调节后，上位机1显示调节后的磁场值，以便用户可以进行下个磁场值的设置。

如图3所示，为本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的测量磁场反馈图，在进行高性能磁屏蔽的性能测试时，超高灵敏度SQUID磁强计放置在屏蔽区域内，三轴亥姆霍兹线圈8和超导环7一起进行屏蔽，在施加的三角波的过程中，没有周围噪声的干扰，超高灵敏度SQUID磁强计可以进入锁定状态，复位恒定为0nT左右，超高灵敏度SQUID磁强计能进行正常工作状态，证明了本装置的有效性与可靠性。

如图4所示，为本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置的屏蔽因数测量结果与只有三轴线圈屏蔽的因数测量结果的对比图，方形结点的曲线为只采用三轴线圈屏蔽的因数测量结果曲线，圆形结点的曲线为采用三轴亥姆霍兹线圈8和超导环7连接在一起时屏蔽的因数测量结果曲线，从图4可知，三轴亥姆霍兹线圈8和超导环7连接在一起时屏蔽效果始终优于只采用三轴线圈的屏蔽效果，尤其在-10mm到10mm的范围内，优势更加明显。

本发明基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，设置有三轴亥姆霍兹线圈8，三轴亥姆霍兹线圈8上三个不同维度的线圈分别与x轴高精度电流源3、y轴高精度电流源4和z轴高精度电流源5的电流输出端连接，通过上位机1对各电流源的输出电流进行控制，从而保证该区域内具有优良的屏蔽能力，并且无幅值依赖性。在三轴亥姆霍兹线圈8内部每一个开放端的磁屏蔽区域内，对瞬态、谐态磁场具良好的屏蔽能力，通过三维磁通门探头6和磁通门计2，进行电流反馈补偿，屏蔽恒定的磁场，也屏蔽低频和中频磁场的干扰。三维磁通门探头6可以在屏蔽区域内正常工作，不受外界磁场干扰。三轴亥姆霍兹线圈8形成一个球形的屏蔽区域，该屏蔽区域为开放的空间，在屏蔽磁场方向光学透明，在屏蔽区域内部可完成对定位样品和三维磁通门探头6的自由移动，同时方便观测定位样品的位置。整个装置结构简单，便于移动，无需搭建昂贵的磁屏蔽室，经济实用，节约成本。通过上位机1的控制软件对磁屏蔽区域进行控制，检测系统简单、操作方便，方便进行移动，在任何环境下都能够进行使用，并且具有良好的屏蔽效果。本发明屏蔽能力强、无幅值依赖性、移动便捷，与现有技术相比具有明显的优点。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其特征在于：包括上位机(1)、磁通门计(2)、x轴高精度电流源(3)、y轴高精度电流源(4)、z轴高精度电流源(5)、超导环(7)和三轴亥姆霍兹线圈(8)，上位机(1)的控制信号输出端分别与x轴高精度电流源(3)、y轴高精度电流源(4)和z轴高精度电流源(5)的控制端连接，x轴高精度电流源(3)、y轴高精度电流源(4)和z轴高精度电流源(5)的电流输出端分别与三轴亥姆霍兹线圈(8)上三个不同维度的线圈连接，三轴亥姆霍兹线圈(8)的中心位置设置有超导环(7)，超导环(7)的中心位置设置有三维磁通门探头(6)，三维磁通门探头(6)的信号输出端与磁通门计(2)的信号接收端连接，磁通门计(2)的信号输出端与上位机(1)的反馈信号接收端连接。

2.根据权利要求1所述的基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其特征在于：所述上位机(1)内部设置有控制软件，控制软件又包括采集部分和控制部分，

采集部分用于从磁通门计(2)读取当前的磁场测量值，并将磁场测量值以曲线的形式显示在界面上；

控制部分用于计算产生指定磁场所需要的电流值，并将电流值输出指令分别传输给x轴高精度电流源(3)、y轴高精度电流源(4)和z轴高精度电流源(5)。

3.根据权利要求1所述的基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其特征在于：所述三轴亥姆霍兹线圈(8)固定在底板(9)顶端，底板(9)沿水平方向放置。

4.根据权利要求1所述的基于高温超导线圈的混合磁屏蔽装置，其特征在于：所述磁通门计(2)所采用的型号为330F磁通门计。