CN109075026A - 具有可变间隙和可调陷阱势的并联偶极线陷阱 - Google Patents

Abstract

提供了使用并联偶极线(PDL)陷阱中的可变间隙来调节磁势的技术。在一个方面，提供了PDL陷阱。PDL阱包括：一对偶极线磁体，它们通过可变间隙g彼此分开；以及在偶极线磁体上方悬浮的反磁性物体。偶极线磁体可以通过至少一个间隔件彼此分开，或者可以使用可变间隙夹具，其中偶极线磁体固定到分开的安装件上，以改变偶极线磁体之间的间隙g。可以使用多个PDL陷阱段构建更大的陷阱或轨道。还提供了一种操作PDL陷阱的方法。

Description

具有可变间隙和可调陷阱势的并联偶极线陷阱

技术领域

本发明涉及磁并联(parallel)偶极线(PDL)陷阱(trap)系统，更具体地，涉及使用PDL陷阱中的可变间隙来调节磁势(potential)的技术。

背景技术

电磁和光陷阱系统在物理学中起重要作用：例如潘宁陷阱，线性离子(保罗)陷阱，磁光陷阱，光陷阱和反磁陷阱。它们用于隔离能够进行各种高精度测量的物质，以提取物质的固有属性，并在物理学中进行各种基础实验。

最近开发的一种这样的系统是并联偶极线(PDL)陷阱。PDL陷阱使用横向磁化的磁体捕获反磁性圆柱形物体，该磁体用作PDL系统。陷阱的关键特征是沿纵轴的“驼峰磁势”，提供稳定的陷阱。参见，例如，Gunawan等人的“A parallel dipole line system”，AppliedPhysics Letters 106，pp.062407-1-5(2015年2月)(下文称为“Gunawan”)；美国专利号8,895,355，美国专利号9,093,377和美国专利号9,236,293全部授予Cao等人，名称为“Magnetic Trap for Cylindrical Diamagnetic Materials”。

沿纵轴的磁场分布(即驼峰势)由于磁体的固定长度(L)和半径(a)以及磁化(M)而固定。然而，对于某些应用，希望能够控制该磁场分布和势。

发明内容

本发明提供了使用并联偶极线(pdl)陷阱中的可变间隙来调节磁势的技术。在本发明的一个方面，提供了一种pdl陷阱。

从第一方面看，本发明提供了一种并联偶极线(PDL)陷阱，包括：一对偶极线磁体，它们通过可变间隙g彼此分开；以及在偶极线磁体上方悬浮的反磁性物体。

从另一方面来看，本发明提供了一种系统，包括：多个PDL陷阱组合以形成偶极线轨道系统，其中每个PDL陷阱包括本发明的PDL陷阱，并且其中纵向轴线为PDL陷阱中的至少一个的偶极线磁体是弯曲的。

从另一方面来看，本发明提供了一种操作PDL阱的方法，包括以下步骤：提供具有一对偶极线磁体的PDL阱，以及悬浮在偶极线磁体上方的反磁性物体；并且在偶极线磁体之间打开间隙g。

通过参考以下详细描述和附图，将获得对本发明的更完整的理解，以及本发明的进一步的特征和优点。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，附图中：

图1是表示根据本发明的一个实施例的用于在二维(2D)中对直径磁体的磁场建模的参数的图；

图2是表示根据本发明的一个实施例的用于在三维(3D)中对直径磁体的磁场建模的参数的图；

图3是表示根据本发明的一个实施例的陷入并联偶极线(PDL)陷阱中的悬浮物的能量势的图；

图4是表示根据本发明的一个实施例的PDL陷阱中的圆柱形磁铁之间已经打开的间隙g的图；

图5是表示根据本发明的实施例的在磁体接触的情况下悬浮在PDL陷阱上的被捕获物体的图；

图6是表示根据本发明的一个实施例的在磁体之间打开的间隙g的图，该间隙g降低了悬浮捕获物；

图7是表示根据本发明的一个实施例的间隙增加到g'的图，其进一步降低了悬浮物的捕获物；

图8是表示根据本发明的一个实施例的间隙增加到临界间隙g_C的图，此时物体通过陷阱落下；

图9是表示根据本发明的一个实施例的作为间隙g的函数的被捕获物体的悬浮高度的图；

图10是表示根据本发明的一个实施例的作为间隙g的函数的纵向磁场分布的图；图11是表示作为本发明的一个实施方式的间隙g的函数的被捕获物的磁场的图；

图12是表示根据本发明的一个实施例的用于在磁体之间产生间隙的固定间隔的正视图；

图13是表示根据本发明的一个实施例的用于在磁体之间产生间隙的固定间隔的俯视图；

图14是表示根据本发明的一个实施例的可变间隙夹具的正视图；

图15是表示根据本发明的一个实施例的可变间隙夹具的侧视图；

图16是表示根据本发明的一个实施例的可变间隙夹具的俯视图；

图17是示出PDL陷阱的正视图的图，该PDL陷阱具有在磁体之间引入的间隙g，该间隙g打开从PDL陷阱的顶部到底部的磁体之间的视线，其中，例如，光源和根据本发明的一个实施例，可以采用光电探测器来确定被捕获物体的位置；

图18是表示根据本发明的一个实施例的具有间隙g的PDL陷阱和光源和光电探测器的侧视图；

图19是表示根据本发明的实施例的具有间隙g并且光源和光电探测器用于检测振打物体的一个位置的PDL陷阱的侧视图的示图；

图20是表示根据本发明实施例的具有间隙g并且光源和光电探测器用于检测振打物体的另一位置的PDL陷阱的侧视图的示图；

图21是表示根据本发明的一个实施例的悬浮物具有装饰形状的PDL捕捉器的正视图；

图22是表示根据本发明的一个实施例的悬浮物具有装饰形状的PDL捕捉器的侧视图；

图23是表示根据本发明的一个实施例的PDL陷阱的正面剖视图，该PDL陷阱的纵轴是弯曲的，例如弧形；

图24是表示根据本发明的一个实施例的具有弧形纵轴的PDL陷阱的俯视图；

图25是表示根据本发明的实施例的PDL陷阱的多个区段的俯视图，其中直线和弧形纵向轴线连接在一起形成偶极线轨道；

图26A是表示根据本发明的一个实施例的圆柱形直径磁铁的图；和

图26B是表示根据本发明的实施例的条形磁铁的图。

具体实施方式

本文提供了用于通过改变磁体之间的间隙来调节并联偶极线(PDL)捕获系统中的磁势的技术。如下面将详细描述的，这可以用于改变被捕获物体的悬浮高度，改变被捕获物体处的磁场，以及打开磁体之间的空间以适合更多设备和/或进行实验(例如那些要求光束在磁铁之间通过的那些)。根据下面提供的描述，与本技术有关的PDL捕获系统的细节将变得显而易见。然而，一般而言，PDL陷阱由磁性平行偶极线系统组成，该系统由一对自然连接在一起的横向磁化(也称为直径)圆柱形磁体制成。磁体具有细长的形状，例如圆柱形，棒形或条形，其磁化方向是横向(垂直于长轴)。这些磁体在本文中称为“偶极线”或“直径”磁体。诸如石墨棒的反磁性圆柱形物体可以被捕获在中心。参见，例如，Gunawan和美国专利号8,895,355；9093377；和9,236,293。反磁性圆柱形物体将悬浮在一对直径磁铁上方。PDL陷阱的关键发现和核心特征是沿纵向(z轴)存在“驼峰磁势”，即偶极线边缘附近的磁场增强，对于长度超过临界长度L_C，其中L_C～2.5a为一对圆柱直径磁体系统，其中a是磁体的半径。

为了理解本技术，必须分析偶极线或圆柱形反磁体系统的磁场。K.T.Mc Donald,Ph501 Electrodynamics,Problem Set 5,Princeton University,1999(40pages)(40页)给出了二维(2D)的非常长(L>>a)圆柱形直径磁体(B_DM)的磁场B，如：

其中M是磁体的体积磁化强度，μ₀是真空中的磁导率。参见，例如，图1。

在Gunawan中给出了三维(3D)中具有有限长度L的直径磁体的磁场：

其中s²＝(x-acosφ)²+(y-asinφ)²和u_1,2＝z±L/2。参见，例如图2。

如上所述，反磁性圆柱形物体将悬浮在PDL陷阱中的一对直径磁体上方，如图3所示。磁场的2D模型足以描述在平衡高度y₀处物体在陷阱的中心处的悬浮效应。

该高度y₀可以从Gunawan中给出的等式求解：

其中对于长磁体(L>>a):其中χ是杆的磁化率,ρ是杆的质量密度，g₀是重力加速度。

长圆柱形直径磁体的外部磁场与偶极线系统的领域相同，偶极子指向横向方向。这类似于均匀磁化球体的外场等于点偶极子的事实。等式1中的直径磁体或偶极线系统的场可以(以极坐标)写入：

其中m_L＝Mπa²是每单位长度的磁偶极子并且

因此，只要每单位长度(m_l)的偶极子强度相同，则磁场是相同的。这意味着pdl陷阱中的圆柱形磁体不必彼此接触。可以在磁体之间打开间隙g(参见图4)，并且场分布将是相同的，除了按常数缩小(并且被捕获的物体将漂浮得更低)。通过控制磁体之间的(可变)间隙，可以利用该想法来控制被捕获物体悬浮在陷阱上方的高度。

即，如图5-8所示，从磁体接触的构造(无间隙-图5)开始，在磁体之间引入间隙g(图6)。随着间隙g增加，例如，从g到g'(图7)，其中g>g'，悬浮杆的高度(y₀)减小(即，杆降低)，直到物体落入临界间隙g_C(图8)，其中g>g'>g_C。

图9是表示作为间隙g的函数的(被捕获物体的)悬浮高度的图。如图9所示，悬浮高度随着间隙g的增加而增加，直到达到临界间隙g_C并且物体通过陷阱落下。在图9中，悬浮高度y₀和间隙g是相对于磁体a的半径测量的。还参见图10和11，图10和11分别示出了捕获物体处的纵向磁场和磁场，作为间隙g的函数。

基于上文，在此已经发现，可以控制两个磁体之间的间隙以实现几个显著的益处。例如，如上所述，间隙可用于控制被捕获物体的悬浮高度。改变间隙也可用于控制被捕获物体的最大磁场(见图11)，以控制沿纵轴(z)的磁场分布及其相关的限制势“弹簧常数”k_X、k_Y、k_Z，并且打开空间以适合各种装置或实验，例如，允许光束垂直通过以进行物体检测。在某个方向上的势能限制的弹簧常数被给出为在平衡点处的限制势的二阶导数：其中u是空间维度x,y或z。

为了保持被捕获的物体悬浮(与使物体通过陷阱落下相反)，间隙g必须保持小于临界间隙g_C，即g<g_C。对于PDL陷阱，被捕获物体不再悬浮的临界间隙g_C如下：

或者，可以连续打开间隙直到物体落下，并使用该临界间隙值来确定物体的磁化率：

本文提供了几种用于在PDL陷阱中应用可变间隙的技术。在第一示例性实施例中，在磁体之间使用固定(尺寸)间隔物。参见，例如，图12(正视图)和图13(俯视图，即，从视点A-参见图12)。如图12和13所示，在直径磁铁之间插入固体固定间隔物。合适的间隔物是非铁磁性材料，包括但不限于塑料，金属和木材。铁磁材料可能会扭曲陷阱中的场分布。由于磁体之间的强吸引力，间隔物被紧紧地夹在磁体之间的空间中，并且通常不需要用于将间隔物保持在适当位置的附加装置。可以容易地换出不同宽度的间隔物以获得不同尺寸的间隙。因此，该技术易于以低成本实现。但是，使用固定间隔物不允许精细的可变间隙调整。

因此，根据另一示例性实施例，提出了固定或可变间隙固定装置，其将PDL陷阱的每个磁体固定到分离的安装件。对于可变间隙夹具，安装件可以调节。参见，例如，图14(正视图)，图15(侧视图)和图16(俯视图，即从视点B-参见图14)。如图14-16所示，可以使用将一个安装件连接到另一个安装件的可调节螺钉(或其他类似机构)来改变安装件(磁体附接到其上)相对于彼此的定位。例如，根据示例性实施例，在结构的侧面上存在螺钉，当转动时，螺钉移动固定装置的一侧(更靠近或更远离固定装置的另一侧)，从而控制间隙。还可以提供用于锁定固定装置位置的附加螺钉，以便克服磁体之间的强拉力。

在任一情况下，固定间隔件或可变间隙夹具，在磁体之间开口的间隙g优选地沿着磁体的长度是一致的，即，在PDL陷阱的一端处的磁体之间存在与在陷阱的另一端相同的间隙g。这种结构使磁体相对于彼此处于非接触位置，即磁体彼此相邻，但是被(恒定的)间隙g隔开，这使得磁铁彼此处于非接触位置。

如上所述，在PDL陷阱中的磁体之间引入间隙的一个优点是该间隙允许将额外的组件放置在PDL陷阱内。例如，在一个示例性实施例中，在磁体之间引入间隙g打开了从PDL陷阱的顶部到底部的磁体之间的视线。参见，例如，图17(正视图)和18(侧视图)。该配置提供了更多空间，使得能够在陷阱中采用各种不同的装置。例如，在图17和图18中所示的示例中，光源和光电探测器分别放置在陷阱(的上方和下方)。合适的光源包括但不限于白炽灯泡，发光二极管和/或激光器，合适的光电探测器包括但不限于半导体光电探测器和/或光敏电阻器(LDR)。

光源和光电探测器可用于确定物体在陷阱中的位置。即，如Gunawan等人的名称为“Parallel Dipole Line Trap Viscometer and Pressure Gauge”的美国专利申请序列号14/826,934中所述，PDL阱中被捕获的物体的运动(在这种情况下为振荡)可以监控。通过为光源和磁体之间的光电探测器提供(视线)间隙g，可以容易地确定物体在陷阱中的位置。即，如图18所示，当物体在陷阱内移动时，它在光源和光电探测器之间通过。在该示例中，示出了两个光电检测器。然而，这仅用于说明目的，并且可以根据需要使用更多(或更少)的光电探测器。如果物体移动到陷阱的左侧，它将阻挡来自光源的光线到达左侧的光电探测器。见图19。但是，如图19所示，来自光源的光线将到达右侧的光电探测器。

如果物体移动到陷阱的右侧，它将阻挡来自光源的光到达右侧的光电探测器。见图20。但是，如图20所示，来自光源的光线将到达左侧的光电探测器。

如上所述，被捕获物体可以是棒，例如圆柱形石墨棒。然而，被捕获物体可以是任何细长的反磁性物体。例如，见图。图21(正视图)和图。图22(侧视图)其中悬浮物体具有装饰形状(在该实例中为横截面星形)。在实践中，石墨棒可以雕刻或模制成任何装饰形状，仍然允许悬浮和稳定的捕获。该实施例的一些潜在用途包括但不限于装饰物体，其中被捕获的物体悬浮在磁铁上方。仅举例来说，石墨可以被雕刻或甚至可以模制成所需的形状，例如通过3D打印。原则上，物体可以是任何形状，只要它可以在稳定状态下悬浮即可。为了使用简单的非限制性示例，可以将对象形成/雕刻成太空船，飞机，火车等的设计。

在上述示例中，PDL陷阱使用具有直的纵轴的偶极线磁体形成(例如，如同磁体呈圆柱形状的情况)。但这不是必需的。例如，本文预期偶极线磁体是弯曲的实施例，例如图23(正面剖视图)和24(俯视图)所示的弧形偶极磁体。如图23和24所示，该系统可以以各种不同的配置安装在间隙和安装夹具系统中。

因此，可以实现具有各种纵轴形状的PDL陷阱区段，例如直的和/或弧形的。弧形偶极线磁体的曲率半径由待捕获的反磁杆的长度确定，因为杆需要在磁体之间自由行进而不接触它们的表面。使用此条件，最小曲率半径(在磁体的中心纵轴处测量)可表示为：

R>(l²-g²)/2g-a

其中l是反磁条的长度，g是磁铁之间的间隙。在这方面，可以组合直线和/或弧形PDL陷阱的各个部分以构建更大的陷阱系统或“偶极线轨道”，例如，如图25所示。在该系统中，反磁性物体仍然被捕获在偶极线磁体之间，但是沿着轨道线自由移动。

如上所述，本PDL陷阱的磁体可具有细长形状，例如圆柱形，棒形或条形，其磁化方向为横向(垂直于长轴)。在图26A和26B中示出了这些磁体的示例(横截面)，图26A和26B分别描绘了圆柱形直径磁铁和条形磁铁。所有这些磁体都具有垂直于其长轴的磁化(例如，在图26A和26B所示的示例中，长轴将面向和离开页面)。

尽管本文已经描述了本发明的说明性实施例，但是应该理解，本发明不限于那些精确的实施例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下进行各种其他改变和修改。

Claims (22)

1.一种并联偶极线陷阱，包括：

一对通过可变间隙g彼此分开的偶极线磁体；和

悬浮在偶极线磁体上方的抗磁物体。

2.根据权利要求1所述的PDL陷阱，其中所述抗磁物体包括抗磁棒。

3.根据权利要求2所述的PDL陷阱，其中所述抗磁棒包括石墨棒。

4.根据前述权利要求中任一项所述的PDL陷阱，其中，所述抗磁物体是具有装饰形状的细长的抗磁物体。

5.如前述权利要求中任一项所述的PDL陷阱，其中所述偶极线磁体通过至少一个间隔物彼此分开。

6.根据前述权利要求中任一项所述的PDL陷阱，其中所述PDL陷阱还包括固定或可变间隙固定装置，其中所述偶极线磁体附加到分开的安装件。

7.根据权利要求6所述的PDL陷阱，其中所述固定装置还包括连接所述安装件的螺钉，并且其中所述螺钉可用于调节所述安装件相对于彼此的定位，以改变所述偶极线磁体之间的间隙g。

8.根据权利要求7所述的PDL陷阱，其中所述固定装置还包括至少一个其他螺钉，用于锁定所述安装件的定位。

9.如前述权利要求中任一项所述的PDL陷阱，还包括：

偶极线磁体上方的光源；在偶极线磁体下面的至少一个光电探测器，其中至少一个光电探测器通过分隔偶极线磁体的间隙g在光源的位置上。

10.根据权利要求9所述的PDL陷阱，其中所述光源选自：白炽灯泡，发光二极管，激光器及其组合，并且其中所述光电探测器选自：半导体光电探测器，光敏电阻器及其组合。

11.根据前述权利要求中任一项所述的PDL陷阱，其中所述偶极线磁体的纵轴是直的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的PDL陷阱，其中所述偶极线磁体的纵向轴线是弯曲的。

13.一种系统，包括：

多个PDL陷阱组合形成偶极线轨道系统，其中每个PDL陷阱包括权利要求1-12中任一项的PDL陷阱，并且其中至少一个PDL陷阱的偶极线磁体的纵轴是弯曲的。

14.一种操作PDL陷阱的方法，包括以下步骤：

提供具有一对偶极线磁体的PDL陷阱，以及悬浮在偶极线磁体上方的反磁性物体；和

在偶极线磁体之间打开间隙g。

15.如权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

在偶极线磁体之间插入至少一个间隔物，以打开偶极线磁体之间的间隙g。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述PDL陷阱还包括可变间隙夹具，其中所述偶极线磁体固定到分开的安装件上，所述方法还包括以下步骤：

调节安装件相对于彼此的定位以打开偶极线磁体之间的间隙g。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，所述可变间隙夹具还包括连接所述安装件的螺钉，所述方法还包括以下步骤：转动螺钉以调整所述安装件相对于彼此的位置。

18.如权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：使用至少一个其他螺钉将间隙g锁定到位。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，还包括以下步骤：改变间隙g以改变反磁性物体悬浮在偶极线磁体上方的高度。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述反磁性物体包括抗磁棒。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其中所述反磁性物体是具有装饰形状的细长的反磁性物体。

22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其中所述PDL陷阱还包括在所述偶极线磁体上方的光源，以及在所述偶极线磁体下方的至少一个光电探测器，并且其中所述至少一个光电探测器在通过间隙g分离偶极线磁体的光源的视线内，该方法还包括以下步骤：

使用光源和光电探测器确定PDL陷阱中的反磁性物体的位置。