CN108896946B - 用于感应线圈探头面积标定的标定方法 - Google Patents

用于感应线圈探头面积标定的标定方法 Download PDF

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Abstract

一种用于标定一感应线圈探头面积的方法，将装好的夹具固定到二极铁的磁极气隙中心处；调节二极铁励磁电流到I，使二极铁气隙内磁场强度达到稳定值B0大于1.0T；开始积分，同时或者然后开始调节励磁电流在不小于30秒内从I变成‑I，磁场强度达到稳定值B1，积分出ΔФ；计算探头的面积S＝ΔФ/(B1‑B0)；多次重复上述步骤；最终标定的面积为所述多次测量面积S的算术平均值。本发明的有益效果如下:面积标定方法对精确定位的要求较低，面积标定精度可以达到5×10‑5。

Description

用于感应线圈探头面积标定的标定方法
技术领域
本发明属于量子加速器磁场测量领域，具体涉及一种用于感应线圈探头面积标定的装置及标定方法。
背景技术
磁通量法是加速器中常用的磁场测量方法，特别是超导回旋加速器中，磁场强度大于2T，要求的测量精度高于10-4，磁通量法是最佳选择。磁通量法的基本原理是，感应线圈探头在回旋加速器中从中心运动到任意位置，切割磁场产生电动势，通过积分器测量电动势随时间的积分可得到磁通量变化ΔФ，已知探头线圈的面积S，可得到两点的磁场差：ΔB＝ΔФ/S。由此可见，感应线圈探头面积的标定精度是影响磁通量法测量精度的关键因素。一般而言，感应线圈探头面积标定的方法有两种：
(1)感应线圈探头移动法：探头从二极铁外(A点)运动到二极面内C点。A点放置零磁通室，场强为0；C点在二极铁内部均匀磁场区，磁场强度B可通过核磁共振探头精确获得；积分器对该过程中探头的电压进行积分，获得磁通量变化ΔФ，由此可得线圈面积S＝ΔФ/B。
(2)感应线圈探头翻转法：感应线圈探头放置在二极铁内磁场均匀区，该位置的磁场强度B可先通过核磁共振探头精确获得。感应线圈探头翻转180度，积分器获得该过程的磁通量变化，由此可得线圈面积S＝ΔФ/(2B)。
以上两种方法对探头定位的要求较高，前者需要探头精确移动到C点，后者则需要探头精确翻转180度，需要专门设计运动机构和位置反馈机构。前者还需要设计高屏蔽效率的零磁通室，增加相应成本。此外，两种标定方法中，核磁共振探头和感应线圈探头并非在同一时间测量，因此，为了避免磁场随时间波动，标定过程一般要在恒温室内进行。由此可见，感应线圈探头面积标定的原理很简单，实现高精确标定却对专业性的要求很高，机械对中、定位、人为以及环境等因素带来的误差均需要仔细考虑。
发明内容
本发明的目的是提高感应线圈探头面积的标定精度。
为达到以上目的，本发明采用的第一技术方案是：一种用于标定一感应线圈探头之面积的装置，包括：一个正柱状体形的夹具，夹具两相对端分别开槽，其中一个槽用于装配所述待标定的感应线圈探头，另一槽装配一核磁共振探头，核磁共振探头与特斯拉计相连；和一个积分器，用于连通所述待标定的感应线圈探头。
更好，该装置还包括一个与所述积分器和特斯计的输出结果相连通信的计算机。
本发明采用的第二技术方案是：一种用于标定一感应线圈探头之面积的装置，包括：一个正柱状体形的夹具，夹具两相对端分别开槽，其中一个槽用于装配所述待标定的感应线圈探头，另一槽装配一核磁共振探头；和一部与所述待标定的感应线圈探头和核磁共振探头的输出结果相连通信的计算机，其中，计算机软件包括一种对感应线圈探头和核磁共振探头的输出结果分别予以积分和计算的积分器和计算器。
最好，所述正柱状体是一个圆柱体。
本发明采用的第三技术方案是：一种用于标定一感应线圈探头之面积的方法，执行下列步骤(a)、(b)和(c)：
(a)提供一个具有下列性能和参数的二极铁：二极铁的磁极气隙厚度略大于所述夹具的轴向高度，磁极气隙中心1cm范围内的磁场均匀度好于10-4；
(b)提供一种如上所述的用于标定一感应线圈探头之面积的装置，使所述待标定的感应线圈探头与所述积分器之间保持通信状态；
(c)将装有所述核磁共振探头和所述待标定的感应线圈探头的夹具安放到二极铁的磁极气隙中心处并分别与所述二极铁相贴紧而保持住该位置和贴紧之状态；
在保持住步骤(a)、(b)和(c)达到的状态、性能和参数之后，执行下列步骤：
(d)调节二极铁励磁电流到I，使二极铁气隙内磁场强度达到稳定值B0，其中B0大于1.0T；
(e)启动积分器开始积分，同时或者然后开始调节二极铁励磁电流在不小于30秒的时间内从I变成-I，磁场强度达到稳定值B1，积分器完成积分ΔФ，其中积分时间为60-270s，数据采集频率不低于5Hz；
(f)计算感应线圈探头的面积S＝ΔФ/(B1-B0)；
(g)多次重复步骤(d)、(e)和(f)；
(h)最终标定的面积为所述多次测量面积S的算术平均值。
本发明采用的另一技术方案与第三技术方案相比：计算每次感应线圈探头的面积S＝ΔФ/(B1-B0)和最终标定的面积为所述多次测量面积S的算术平均值，放在最后步骤。
与现有技术相比，感应线圈探头相对于二极铁之间的位置变位精度之要求就大大降低了。
更好，磁极气隙厚度为3-6cm，二极铁磁极直径大于10cm。
更好，励磁电流从I变成-I的调节过程不少于60s。
最好，感应线圈探头面积标定精度达到5×10-5。
本发明的有益效果如下:本发明的面积标定方法对精确定位的要求较低，安装夹具结构简单，降低了标定成本，面积标定精度可以达到5×10-5，满足高精度磁场测量的要求。
附图说明
图1示意性地示出本发明感应线圈探头面积标定装置的结构。
图2示出十次本发明感应线圈探头面积标定的测量数据和处理结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体优选实施方式作进一步详细的描述。
如图1所示，一种高精度的感应线圈探头面积标定装置，包括二极铁1和2、感应线圈探头4、核磁共振探头5、特斯拉计7、积分器8、计算机9和探头固定夹具3组成。夹具3两端开槽，左侧的圆形槽装配感应线圈探头4，并留有细槽供感应线圈探头引出电缆走线；右侧面的方形槽装配核磁共振探头5，夹具安装于二极铁左磁极1和右磁极2所形成的空气气隙内；感应线圈探头4与积分器8相连，核磁共振探头5与特斯拉计7相连，两者均与计算机9相连实现通信。
另一种实施方式是，把特斯拉计7和积分器8的功能整合到计算机9软件中而取代硬件所述特斯拉计7和积分器8。
以某一用于超导回旋加速器器磁场测量的感应线圈探头为例，采用如图1装置进行面积标定。二极铁的磁极1和2为圆形，半径为10cm，气隙为4cm；夹具3为圆柱形，直径为4cm，高度较4cm差0.2mm，夹具可轻松放置到二极铁气隙内；夹具3中的感应线圈探头4安装槽底部放置塑料弹簧6，感应线圈探头4在弹簧力作用下与磁极面10贴紧，保证对中良好。磁极中心1cm范围内磁场均匀度约为10-5。
移动夹具3到二极铁中心附近，也就是磁场均匀度较好的区域。核磁共振探头5和相应的特斯拉计7采用瑞士Metrolab公司型号为PT2025的产品，测量精度可达到ppm量级。积分器8和特斯拉计7的使用均可通过计算机程序实现自动控制，标定的详细步骤如下：
(1)调节二极铁励磁电流到I＝60A，二极铁气隙内磁场强度约为1.25T，移动夹具到二极铁中心附近。
(2)配置积分器8，积分时间为180s、频率为10Hz。
(3)获取核磁共振探头测得的磁场强度，记为B0；
(4)启动积分器开始积分；调节二极铁励磁电流从I变成-I，整个调节过程需要大约60s；再经过60s后，二极铁内磁场基本稳定。
(5)积分器积分完成后，立即记录核磁共振探头新测得的磁场强度B1，同时记录积分器测得的磁通量变化ΔФ。
(6)根据二极铁上下表面磁场的对称性，感应线圈探头位置和核磁共振探头位置的磁场一致，由此可得到感应线圈探头的面积S＝ΔФ/(B1-B0)。
(7)重复步骤进行十次测量，测量的结果分布如图2所示，十次结果测得的平均值12约为0.237006m2，作为最终的标定面积；标准差为5.0mm2，表明测量的重复性好，所有测量值与平均值相对差值在5×10-5以内。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种用于标定一感应线圈探头面积的方法，其特征在于，执行下列步骤（a）、（b）和（c）：
（a）提供一个具有下列性能和参数的二极铁：二极铁的磁极气隙厚度略大于夹具的轴向高度，磁极气隙中心1cm范围内的磁场均匀度好于10-4；
（b）提供一种用于标定一感应线圈探头之面积的装置，包括一个正柱状体形的夹具，夹具两相对端分别开槽，其中一个槽用于装配待标定的感应线圈探头，另一槽装配一核磁共振探头；和一部与所述待标定的感应线圈探头和核磁共振探头的输出结果相连通信的计算机，其中，计算机软件包括一种对感应线圈探头和核磁共振探头的输出结果分别予以积分和计算的积分器和计算器；使所述待标定的感应线圈探头与所述积分器之间保持通信状态；
（c）将装有所述核磁共振探头和所述待标定的感应线圈探头的夹具安放到二极铁的磁极气隙中心处并分别与所述二极铁相贴紧而保持住其位置和贴紧之状态；
在保持住步骤（a）、（b）和（c）达到的状态、性能和参数之后，执行下列步骤：
（d）调节二极铁励磁电流到I，使二极铁气隙内磁场强度达到稳定值B0，其中B0大于1.0T；
（e）启动积分器开始积分，同时或者然后开始调节二极铁励磁电流在不小于30秒的时间内从I变成-I，磁场强度达到稳定值B1，积分器完成积分ΔФ，其中积分时间为60-270s，数据采集频率不低于5Hz;
（f）计算感应线圈探头的面积S=ΔФ/(B1- B0);
（g）多次重复步骤（d）、（e）和（f）；
（h）最终标定的面积为所述多次测量面积S的算术平均值。
2.一种用于标定一感应线圈探头面积的方法，其特征在于，执行下列步骤（a）、（b）和（c）：
（a）提供一个具有下列性能和参数的二极铁：二极铁的磁极气隙厚度略大于夹具的轴向高度，磁极气隙中心1cm范围内的磁场均匀度好于10-4；
（b）提供一种用于标定一感应线圈探头之面积的装置，包括一个正柱状体形的夹具，夹具两相对端分别开槽，其中一个槽用于装配待标定的感应线圈探头，另一槽装配一核磁共振探头；和一部与所述待标定的感应线圈探头和核磁共振探头的输出结果相连通信的计算机，其中，计算机软件包括一种对感应线圈探头和核磁共振探头的输出结果分别予以积分和计算的积分器和计算器；使所述待标定的感应线圈探头与所述积分器之间保持通信状态；
（c）将装有所述核磁共振探头和所述待标定的感应线圈探头的夹具安放到二极铁的磁极气隙中心处并分别与所述二极铁相贴紧而保持住其位置和贴紧之状态；
在保持住步骤（a）、（b）和（c）达到的状态、性能和参数之后，执行下列步骤：
（d）调节二极铁励磁电流到I，使二极铁气隙内磁场强度达到稳定值B0，其中B0大于1.0T；
（e）启动积分器开始积分，同时或者然后开始调节二极铁励磁电流在不小于30秒的时间内从I变成-I，磁场强度达到稳定值B1，积分器完成积分ΔФ，其中积分时间为60-270s，数据采集频率不低于5Hz;
（f）多次重复步骤（d）和（e）；
（g）计算每次感应线圈探头的面积S=ΔФ/(B1- B0)，最终标定的面积为所述多次测量面积S的算术平均值。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：磁极气隙厚度为3-6cm，二极铁磁极直径大于10cm。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：励磁电流从I变成-I的调节过程不少于60s。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：感应线圈探头面积标定精度达到5×10-5。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括特斯拉计，核磁共振探头与特斯拉计相连；积分器用于连通所述待标定的感应线圈探头。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述特斯拉计的输出结果与计算机相连通信。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述正柱状体是一个圆柱体。
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