CN109166688A - 用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其线圈部分由正交的两对亥姆霍兹线圈嵌套组成。根据产生的磁场类型的不同，内层亥姆霍兹线圈(4)的两股线与外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线中分别通入不同波形的电流。本装置可以在同一套装置下产生稳恒磁场，正弦交变磁场，旋转磁场，脉冲磁场，及其任意两个磁场叠加的复合磁场。

Description

用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置

技术领域

本发明涉及一种磁场发生装置。

背景技术

在人类和动、植物的生存环境中，存在着不同形式和能量的电磁辐射，其中一些电磁辐射存在于生物体进化和发育的整个阶段，起着非常重要的作用。研究人员发现外界环境中的电磁辐射与恶性肿瘤和白血病等多种疾病的发病率增高密切相关，也对孕期产生不良影响(Entropy generation and cell growth with comments for a thermodynamicanticancer approach)。

此外，研究表明，磁场对骨质疏松(脉冲电磁场预防骨质疏松模型的实验研究)、帕金森(Repetitive transcramal magnetic stimulantion to improve mood and motorfunction in Parkinson disease)和失眠(交变磁场治疗失眠症的近期疗效评估)有良好的治疗效果。因此需要使用能够同时产生多种类型磁场的复合磁场装置，用以电磁场生物学效应的研究。

目前磁场发生装置大多数由线圈和一种类型的可调电源组成，线圈使用一组或多组线并绕绕制而成，利用该可调电源供电。从其所产生的磁场类型来看，只能实现同一种类型磁场，无法在同一套装置下实现多种磁场叠加的复合磁场。

爱荷华州立大学电气与计算机工程学院的Neelam Prabhu Gaunkar等人研发了磁场强度500Gs的低频脉冲磁场发生器。该装置只能够生成单一频率的脉冲磁场，无法同时生成多种频率及种类的磁场叠加出的复合磁场(Design and experimental implementationof a low frequency pulsed magnetic field generator)。

Kazuki Matsubara等人采用串联LC谐振电路和逆变电压源产生了频率85Hz、磁场强度为20mT的交变磁场发生器。该装置只能够生成单一频率的磁场，不能产生多场叠加的复合磁场(Design of Magnetic Field Generator Operating at 85kHz using SiC-MOSFETs for Evaluating Electromagnetic Interference)。

目前旋转磁场发生装置主要包括亥姆霍兹线圈、多极电磁铁、旋转永磁体等。用电动机带动永磁体旋转的方式产生旋转磁场的专利并不鲜见，利用永磁体产生磁场的磁场发生装置，其磁场强度大小不可调节。中国专利CN101630564A公开了一种立体磁场发生器，利用四个磁极实现，只能实现稳恒磁场，其磁场强度大小不可调节。中国专利CN103456456B公开了一种旋转磁场发生器，由永磁磁体单元围成一圈组成，依靠旋转产生旋转磁场。该专利在同一时间内只能实现旋转磁场或者稳恒磁场。中国专利CN105206376B公开了一种三维磁场发生装置，包括三组相互正交的一维磁场发生器，采用一台恒流直流电源驱动，只能实现稳恒磁场。中国专利CN105206376B，公开了一种磁场发生装置，利用两个磁极实现，其磁场强度大小不可调节，只能实现稳恒磁场。中国专利CN102946654B公开了一种半波电磁场发生器，利用CPU控制IGBT，经PWM芯片，利用方波的电流，可产生频率可调的脉冲磁场。但其只能实现脉冲磁场。中国专利CN104715881B公开了一种交变磁场发生装置，使用永磁体，利用旋转形成交变磁场。但其也只能实现交变磁场，磁场强度大小不可调节，且磁场频率会受到且机械结构的误差影响。中国专利CN104297706B公开了一种基于谐振的磁场发生装置及其设计方法，利用数据采集卡和功率放大器产生交变电场，进而得到交变磁场。但其在同一时刻只能得到一种磁场。中国专利CN102820118B“一种旋转磁场发生系统及其旋转磁场实现方法”公开了一种采用三组两两正交的亥姆霍兹线圈产生空间旋转磁场的装置，通过微控制器控制三路直流电源分别给三组亥姆霍兹线圈通以不同大小的直流电流，即可产生任意轴向的旋转磁场。该装置采用直流供电的方式，对电源要求低，但是从理论上来说其产生的磁场并不是连续旋转的磁场。中国专利CN107017071B公开了一种交变磁场发生装置，利用两极电磁铁和螺线管线圈产生，可以形成旋转磁场，但不足之处在于无法同时产生多种磁场的复合磁场。

在生物电磁学效应实验研究中，需要采用稳恒磁场、交变磁场、脉冲磁场及旋转磁场实现对生物样品的激励，但若将生物样品在不同装置中移动，则会使实验中假设为恒定的实验环境中自有的物理量产生变化，导致实验结果和假设条件的冲突，以至于实验结果不可信。此外，生物电磁学效应实验的磁场发生装置要求高精度的磁场均匀度、磁场幅值、磁场频率和磁场相角，这也使得现有的磁场发生装置不适用于生物电磁学效应实验研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有用于电磁场生物学效应研究的磁场装置产生磁场模式单一的缺点，提出一种复合磁场发生装置。本发明可以在使用同一套装置的前提下，产生频率可调的多种模式的单一磁场，如稳恒磁场、正弦交变磁场、脉冲磁场、旋转磁场叠加的复合磁场。

本发明复合磁场发生装置包括线圈和电源两部分，电源和线圈连接，给线圈供电。

所述的线圈部分由正交布置的两对亥姆霍兹线圈嵌套组成。每对亥姆霍兹线圈包含两个串联的同轴布置的空心圆柱线圈。所述的线圈部分中，放置于内侧的亥姆霍兹线圈为内层亥姆霍兹线圈，由两股漆包线并绕绕制。放置于外侧的亥姆霍兹线圈为外层亥姆霍兹线圈，由一股漆包线绕制。每股线包含两个抽头，串联连接电源的输出端。

内层亥姆霍兹线圈和外层亥姆霍兹线圈的几何中心重合于一点。

外层亥姆霍兹线圈依靠外层亥姆霍兹线圈骨架固定，外层亥姆霍兹线圈骨架依靠四个角处的四个支架固定，四个支架两两相对放置。外层亥姆霍兹线圈骨架的中心位置留有凹槽，内层亥姆霍兹线圈的骨架嵌入此凹槽中。内层亥姆霍兹线圈依靠内层亥姆霍兹线圈的骨架固定。

本发明复合磁场发生装置的目标区域在装置的正中心，形状为长方体。生物电磁学效应实验的样品放置于目标区域内。

所述的电源部分包括直流电源、交流电源、FPGA控制的双路信号发生器及两个型号相同的功率放大器。

FPGA根据直接数字式频率合成技术(Direct Digital Synthesize,DDS)和脉冲宽度调制(PWM)技术配置。双路信号发生器的两路之间各自独立无耦合，且两路的结构相同。双路信号发生器的每一路由一个数模转换芯片AD9708、一个7阶巴特沃斯低通滤波器及两个运放芯片AD8056构成，数模转换芯片AD9708的输入接FPGA的针脚，数模转换芯片AD9708的的输出接入7阶巴特沃斯低通滤波器，7阶巴特沃斯低通滤波器的输出连接到两个运放芯片AD8056级联而成的运放电路的输入。在该双路信号发生器上电启动后，运放电路的输出即可输出所需的模拟信号。

当需要产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈一股线中。直流电源为所连接的线圈供电。

当需要产生交变磁场时，可以选择下述两种方案的其中之一。第一种方案是交流电源的输出连接到内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈一股线中。第一种方案下交流电源为所连接的线圈供电；第二种方案是FPGA控制的双路信号发生器的任意一路输出连接到一个功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈一股线。第二种方案下功率放大器为所连接的线圈供电。

当需要产生旋转磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，其中一个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股，另外一个功率放大器的输出端连接外层亥姆霍兹线圈一股线。功率放大器为所连接的线圈供电。

当需要产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的任意一路输出连接到一个功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈一股线。功率放大器为所连接的线圈供电。

当需要产生复合磁场时，按照上述单一磁场的连接关系，利用产生一个单一磁场后所剩下的内层亥姆霍兹线圈及外层亥姆霍兹线圈中的线，即可产生另一个单一磁场。具体如下：

若需要产生交变磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，当使用内层亥姆霍兹线圈两股线中的一股线产生交变磁场时，则产生稳恒磁场时，有两种方案，第一种方案是直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈两股线中的另外一股线；第二种方案是直流电源的输出端连接外层亥姆霍兹线圈的一股线；当使用外层亥姆霍兹线圈的一股线产生交变磁场时，则在产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股线。这个方案下，由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，交变磁场的供电方式与前述产生交变磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生交变磁场和旋转磁场叠加的复合磁场，则在前述产生旋转磁场的方式基础上，为了产生交变磁场，交流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈两股线中的其余一股线中。这个方案下，由交流电源对所连接的线圈供电，产生交变磁场，旋转磁场的供电方式，与前述产生旋转磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生交变磁场和脉冲磁场叠加的复合磁场，有两种方案：若产生交变磁场使用了内层亥姆霍兹线圈两股线中的一股线，则在产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈两股线中的其余一股或外层亥姆霍兹线圈一股线。若产生交变磁场使用了外层亥姆霍兹线圈的一股线，则在产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股线。这两种方案下，均由功率放大器对所连接的线圈供电，产生脉冲磁场，交变磁场的供电方式与前述产生交变磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生旋转磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，则在前述产生旋转磁场的方案基础上，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈两股线中的其余一股线。这个方案下，由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，旋转磁场的供电方式与前述产生旋转磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生脉冲磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，若产生脉冲磁场使用了内层亥姆霍兹线圈两股线中的一股线，则在产生稳恒磁场时，有两种方案，第一种方案是直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈两股线中的其余一股线；第二种方案是直流电源的输出端连接外层亥姆霍兹线圈的一股线；若产生脉冲磁场使用了外层亥姆霍兹线圈的一股线，则在产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈两股线中的任意一股线。这个方案下，由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，脉冲磁场的供电方式与前述产生脉冲磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生脉冲磁场和旋转磁场叠加后的复合磁场，需要增加一个FPGA控制的双路信号发生器和一个与前述同类型的功率放大器，在前述产生旋转磁场的方案基础上，产生脉冲磁场，增加的FPGA控制的双路信号发生器两路输出中的任意一路输出连接到增加的功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈两股线的其余一股线中。这个方案下，由增加的功率放大器对所连接的线圈供电，产生脉冲磁场，旋转磁场的供电方式与前述产生旋转磁场这一单一磁场时的供电方式相同。

电源部分中，若使用双路信号发生器驱动线圈，FPGA利用直接数字式频率合成技术DDS原理进行配置，双路信号发生器的两个输出为两个相位差恒定为90度的正弦电流，且两路输出处于同一时钟域，经两个功率放大器分别驱动外层亥姆霍兹线圈和内层亥姆霍兹线圈，两对线圈则分别生成两个相位差恒定为90度的正弦磁场，叠加后生成旋转磁场；FPGA利用脉冲宽度调制PWM原理进行配置，双路信号发生器则生成两个频率可调、占空比可调的方波电流，经两个功率放大器驱动外层亥姆霍兹线圈或内层亥姆霍兹线圈，则可使该线圈产生脉冲磁场。

产生旋转磁场时，FPGA根据直接数字式频率合成技术DDS的原理，调整相位增量来实现频率的控制，调整输出信号的衰减比来实现幅值的控制。

产生脉冲磁场时，FPGA根据直接数字式频率合成技术DDS和脉冲宽度调制PWM的原理，将直接数字式频率合成技术DDS的输出波形设置为锯齿波，与一个基准值比较，若基准值大于波形值，则得到高电平，否则得到低电平，最后将判断后的结果经过信号发生器的输出端其中一路输出。通过这种方式，得到方波电流。此电流驱动线圈后，则使线圈生成脉冲磁场。磁场频率、幅值、占空比由FPGA控制，通过调整了DDS的相位增量控制频率，通过调整输出信号的衰减比控制幅值，通过调整基准值控制占空比。

所述的电源部分的直流电源采用大华的DH1720A-6型，交流电源采用三科的SK-11003型，功率放大器采用飞逸的FPA1016型，FPGA使用Altera的EP4CE6F17C8，用于数模转换的芯片采用AD9708。

本发明基于磁场的叠加特性、毕奥萨伐尔定律、DDS及PWM技术，可产生频率可调、占空比可调、模式可调的单一磁场或复合磁场，可以用于电磁场生物学效应的研究。

本发明的线圈部分在仿真下进行目标区域的27个点的磁场测定，得到同一时间内磁场均匀度优于4％的结论。本发明可以产生稳恒磁场、正弦磁场、旋转磁场、脉冲磁场任意两个叠加后的复合磁场或者任意一个单一磁场，且正弦磁场、旋转磁场、脉冲磁场的频率可调，幅值可调，脉冲磁场的占空比可调。通过测量磁场区域内的磁场分布、均匀性和磁场波形，同一时间磁场的均匀度优于5％，实现了磁感应强度0-5.2mT的恒定磁场，磁感应强度0-5.2mT频率10-200Hz的可调交变磁场，磁感应强度0-5.2mT、频率10-200Hz可调的旋转磁场，磁感应强度0-5.2mT，脉冲频率10-100Hz，占空比0-50％可调的脉冲磁场，以及上述任意两种磁场叠加产生的复合磁场。

附图说明

图1为一对典型的圆形亥姆霍兹线圈的剖面图；

图2为为本发明实施例线圈部分装配图的主视图；

图3为剖视图，

图4为俯视图，

图5为装配图，图中：1外层亥姆霍兹线圈的骨架，2外层亥姆霍兹线圈，3内层亥姆霍兹线圈的骨架，4内层亥姆霍兹线圈，5支架；

图6为本发明复合磁场装置生成的旋转磁场及其和稳恒场、交变场叠加后的复合磁场的波形图，其中图6a与图6b为旋转磁场的波形图，图6c与图6d为旋转磁场与稳恒磁场叠加的复合磁场波形图，图6e为旋转磁场与交变磁场叠加后的复合磁场波形图；

图7为本发明复合磁场装置生成的脉冲磁场及其与正弦交变磁场叠加后的复合磁场波形图，其中图7a是本发明复合磁场装置所生成的脉冲磁场的波形，图7b是本发明复合磁场装置所生成的脉冲磁场与正弦交变磁场叠加的复合磁场波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明复合磁场发生装置包括线圈和电源两部分，电源和线圈连接，给线圈供电。

线圈部分由正交布置的两对亥姆霍兹线圈嵌套组成。其中内层亥姆霍兹线圈4由两股漆包线并绕绕制。外层亥姆霍兹线圈2由一股线绕制。

根据所需产生的磁场类型的不同，内层亥姆霍兹线圈4的两股线和外层亥姆霍兹线圈2的一股线分别通入不同波形的电流，如稳恒电流、正弦电流或方波电流。

内层亥姆霍兹线圈4和外层亥姆霍兹线圈2的几何中心重合于一点。

本发明复合磁场发生装置的目标区域在装置的正中心，形状为长方体。生物电磁学效应实验的样品放置于目标区域内。

本发明的电源部分包括直流电源、交流电源、FPGA控制的双路信号发生器以及两个型号相同的功率放大器。

FPGA根据直接数字式频率合成技术和脉冲宽度调制技术进行配置。双路信号发生器的两路之间各自独立无耦合，且两路的结构相同。双路信号发生器的每一路由一个数模转换芯片AD9708、一个7阶巴特沃斯低通滤波器及两个运放芯片AD8056构成，数模转换芯片AD9708的输入接FPGA的针脚，数模转换芯片AD9708的的输出接入7阶巴特沃斯低通滤波器，7阶巴特沃斯低通滤波器的输出连接到两个运放芯片AD8056级联而成的运放电路的输入。在该双路信号发生器上电启动后，运放电路的输出即可输出所需的模拟信号。

如图1所示，一对典型的亥姆霍兹线圈由两个串联的同轴布置的空心圆柱线圈组成。当使用单股线绕制时，每个空心圆柱线圈引出两个抽头，其中一个抽头与另一个空心圆柱线圈的抽头连接，使两个空心圆柱线圈形成串联关系。一对亥姆霍兹线圈共引出两个抽头，根据不同的应用需求，用于串联不同的电源的输出端。电源为所连接的线圈供电，产生所需的磁场类型。一对亥姆霍兹线圈几何尺寸由其内半径a1、外半径a2,内间距h1和外间距h2确定。

如图5实施例所示，给定目标区域为100*100*50mm^3，得到图5中的内层亥姆霍兹线圈4的内半径为a1为140mm,内间距h1为70mm,外半径a2为220mm,外间距h2为110mm,外层亥姆霍兹线圈2的a1为250mm,h1为125mm,a2为350mm,h2为175mm。内层亥姆霍兹线圈4与外层亥姆霍兹线圈2的轴向正交。外层亥姆霍兹线圈2依靠四个角处的四个支架5固定，四个支架5两两相对放置。内层亥姆霍兹线圈的骨架3嵌套在外层亥姆霍兹线圈的骨架1中。

如图2、图3、图4所示，所述外层亥姆霍兹线圈的骨架1、内层亥姆霍兹线圈的骨架3及支架5的材料均为聚乳酸。所述的内层亥姆霍兹线圈4由两股1mm线径的漆包线并绕绕制而成。所述的内层亥姆霍兹线圈4在内层亥姆霍兹线圈的骨架3内构成，所述的外层亥姆霍兹线圈2由一股漆包线绕制形成，在外层亥姆霍兹线圈的骨架1内构成。

外层亥姆霍兹线圈的骨架1的中心位置留有凹槽，内层亥姆霍兹线圈的骨架3嵌入此凹槽中。四个支架5十字对称放置，支撑外层亥姆霍兹线圈的骨架1。

本发明复合磁场装置可以生成旋转磁场及其和稳恒磁场、交变磁场、脉冲磁场叠加的复合磁场。如图3所示，该复合磁场实施例的磁场数据使用FW.BELL的三轴磁强计采集，并使用RIGOL的MSO4054示波器进行波形显示。图6和图7是旋转磁场的波形，图6a显示为x-y模式，图6b显示为时域模式，利用所述的双路信号发生器的两路输出相位差为90度的正弦电流，其中一路通入图2所示的内层亥姆霍兹线圈4中的两股线中任意一股中，另一路通入外层亥姆霍兹线圈2的一股线中。FPGA控制双路信号发生器设置的两路输出均为50Hz。图6c与图6d是旋转磁场和稳恒磁场叠加后的复合磁场波形，分别显示为x-y模式与时域模式，所述的双路信号发生器的两路输出相位差为90度的正弦电流，其中一路通入图2中的内层亥姆霍兹线圈4中的两股线中任意一股，另一路通入外层亥姆霍兹线圈2中，同时在所述的内层亥姆霍兹线圈4中的其余一股线中利用直流电源通入直流电。图6e为旋转磁场和交变磁场叠加后的复合磁场波形，显示为时域模式，旋转磁场的产生方式相比图6a不变，交变磁场使用交流电源的输出通入图2中的内层亥姆霍兹线圈4的其余一股线中。

本发明复合磁场装置可以生成脉冲磁场及其和正弦交变场叠加的复合磁场。图7a是本发明复合磁场装置所生成的脉冲磁场的波形，对FPGA设置后，双路发生器的一路输出通入图2中内层亥姆霍兹线圈4的两股线的任意一股线中。波形的频率、占空比、幅值均经按键调节，由FPGA完成控制。图7b是本发明复合磁场装置所生成的脉冲磁场与正弦交变磁场叠加的复合磁场波形，脉冲磁场的产生方式与图7a所示的方式相同，正弦交变磁场是由交流电源的输出接入至图2中的内层亥姆霍兹线圈4的其余一股线后得到。测量图7a和图7b实施例磁场数据的设备与图3所示的实施例相同。

本发明复合磁场装置在同一套装置下可以产生以下类型的磁场：稳恒磁场，交变磁场，旋转磁场，脉冲磁场，以及上述磁场中任意两个叠加后的复合磁场。

当需要产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈2一股线中。

当需要产生交变磁场时，可以选择下述两种方案中的其中之一。第一种方案是交流电源的输出连接到内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈2一股线中；第二种方案是FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈2一股线。

当需要产生旋转磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，其中一个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股，另外一个功率放大器的输出端连接外层亥姆霍兹线圈2一股线。

当需要产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，两个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈2一股线。

当需要产生复合磁场时，按照上述单一磁场的连接关系，利用产生一个单一磁场后所剩下的内层亥姆霍兹线圈4及外层亥姆霍兹线圈2中的线，即可产生另一个单一磁场。具体如下：

若需要产生交变磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，当使用内层亥姆霍兹线圈4两股线中的一股线产生交变磁场时，则产生稳恒磁场时，有两种方案，第一种方案是直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈4两股线中的另外一股线；第二种方案是直流电源的输出端连接外层亥姆霍兹线圈2的一股线；当使用外层亥姆霍兹线圈2的一股线产生交变磁场时，则在产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股线。这个方案下，由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，交变磁场的供电方式与前述产生交变磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生交变磁场和旋转磁场叠加的复合磁场，则在前述产生旋转磁场的方式基础上，为了产生交变磁场，交流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈4两股线中的其余一股线中。这个方案下，由交流电源对所连接的线圈供电，产生交变磁场，旋转磁场的供电方式，与前述产生旋转磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生交变磁场和脉冲磁场叠加的复合磁场，有两种方案：若产生交变磁场使用了内层亥姆霍兹线圈4两股线中的一股线，则在产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈4两股线中的其余一股或外层亥姆霍兹线圈2一股线。若产生交变磁场使用了外层亥姆霍兹线圈2的一股线，则在产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股线。这两种方案下，均由功率放大器对所连接的线圈供电，产生脉冲磁场，交变磁场的供电方式与前述产生交变磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生旋转磁场和稳恒磁场叠加后的复合磁场，则在前述产生旋转磁场的方案基础上，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈4两股线中的其余一股线。这个方案下，由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，旋转磁场的供电方式与前述产生旋转磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生脉冲磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，若产生脉冲磁场使用了内层亥姆霍兹线圈4两股线中的一股线，则在产生稳恒磁场时，有两种方案，第一种方案是直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈4两股线中的其余一股线；第二种方案是直流电源的输出端连接外层亥姆霍兹线圈2的一股线；若产生脉冲磁场使用了外层亥姆霍兹线圈2的一股线，则在产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈4两股线中的任意一股线。这个方案下，由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，脉冲磁场的供电方式与前述产生脉冲磁场这一单一磁场的供电方式相同。

若需要产生脉冲磁场和旋转磁场叠加后的复合磁场，需要增加一个FPGA控制的双路信号发生器和一个与前述同类型的功率放大器，在前述产生旋转磁场的方案基础上，产生脉冲磁场，增加的FPGA控制的双路信号发生器两路输出中的任一路输出连接到增加的功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈4两股线的其余一股线中。这个方案下，由功率放大器对所连接的线圈供电，产生脉冲磁场，旋转磁场的供电方式与前述产生旋转磁场这一单一磁场时的供电方式相同。

Claims (12)

1.一种用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，所述的复合磁场发生装置包括线圈和电源，电源和线圈连接；

所述的线圈由正交布置的两对亥姆霍兹线圈嵌套组成；每对亥姆霍兹线圈中，包含两个串联的同轴布置的空心圆柱线圈；其中内层亥姆霍兹线圈(4)由两股漆包线并绕绕制，外层亥姆霍兹线圈(2)由一股漆包线绕制；

根据所需产生的磁场类型的不同，内层亥姆霍兹线圈(4)的两股线和外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线中分别通入不同波形的电流，给线圈供电；

内层亥姆霍兹线圈(4)和外层亥姆霍兹线圈(2)的几何中心重合于一点；

所述的电源包括直流电源、交流电源、FPGA控制的双路信号发生器及两个型号相同的功率放大器。

2.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出处于同一时钟域。

3.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，所述的外层亥姆霍兹线圈(2)依靠外层亥姆霍兹线圈骨架(1)固定，外层亥姆霍兹线圈骨架(1)依靠四个角处的四个支架(5)固定，四个支架(5)两两相对放置，支撑外层亥姆霍兹线圈骨架(1)；外层亥姆霍兹线圈的骨架(1)的中心位置留有凹槽，内层亥姆霍兹线圈的骨架(3)嵌入此凹槽中；内层亥姆霍兹线圈(4)依靠内层亥姆霍兹线圈的骨架(3)固定。

4.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，所述的内层亥姆霍兹线圈(4)由两股1mm线径的漆包线并绕在内层亥姆霍兹线圈的骨架(3)构成，所述的外层亥姆霍兹线圈(2)由一股1mm线径的漆包线形成。

5.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，FPGA控制的双路信号发生器的两路之间各自独立无耦合，且两路的结构相同；双路信号发生器的每一路由一个数模转换芯片AD9708、一个7阶巴特沃斯低通滤波器及两个运放芯片AD8056构成，数模转换芯片AD9708的输入接FPGA的针脚，数模转换芯片AD9708的的输出接入7阶巴特沃斯低通滤波器，7阶巴特沃斯低通滤波器的输出连接到两个运放芯片AD8056级联而成的运放电路的输入。

6.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，当需要产生稳恒磁场时，所述的直流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)一股线中，直流电源为所连接的线圈供电；

当需要产生交变磁场时，选择下述两种方案的其中之一：第一种方案是交流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)一股线中，第一种方案下交流电源为所连接的线圈供电；第二种方案是FPGA控制的双路信号发生器的任意一路输出连接到一个功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)一股线，第二种方案下功率放大器为所连接的线圈供电；

当需要产生旋转磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，其中一个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股，另外一个功率放大器的输出端连接外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线，功率放大器为所连接的线圈供电；

当需要产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的任意一路输出连接到一个功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线，功率放大器为所连接的线圈供电。

7.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，若需要产生交变磁场和脉冲磁场叠加的复合磁场，在产生交变磁场时，选择下述两种方案的其中之一：第一种方案是交流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)一股线中；第二种方案是FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)一股线；若使用内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的一股线产生交变磁场，则在产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的另一路输出连接到一个功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的其余一股，或连接到外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线；若使用外层亥姆霍兹线圈的一股线产生交变磁场，则在产生脉冲磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股线；由功率放大器对所连接的线圈供电，产生脉冲磁场，由交流电源或功率放大器对所连接的线圈供电，产生交变磁场。

8.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，若需要产生旋转磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，其中一个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股，另外一个功率放大器的输出端连接外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线，从而产生旋转磁场；直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的另外一股线；由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，由功率放大器对所连接的线圈供电，产生旋转磁场。

9.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，若需要产生脉冲磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出连接到一个功率放大器的输入端，所述的一个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股线，从而驱动内层亥姆霍兹线圈(4)，使内层亥姆霍兹线圈(4)产生脉冲磁场；产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的其余一股线；由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，由功率放大器对所连接的线圈供电，产生脉冲磁场。

10.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，若需要产生脉冲磁场和旋转磁场叠加的复合磁场，需要增加一个FPGA控制的双路信号发生器和一个同类型的功率放大器；FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，其中一个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股，另外一个功率放大器的输出端连接外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线，从而驱动内层亥姆霍兹线圈(4)和外层亥姆霍兹线圈(2)，使两个正交的磁场分量进行叠加，产生旋转磁场；在产生脉冲磁场时，增加的FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到增加的功率放大器的输入端，该功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的其余一股线中；由功率放大器对所连接的线圈供电，产生旋转磁场，由功率放大器对所连接的线圈供电，产生脉冲磁场。

11.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，若需要产生交变磁场和稳恒磁场叠加的复合磁场，在产生交变磁场时，选择下述两种方案的其中之一：第一种方案是交流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)一股线中；第二种方案是FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股或外层亥姆霍兹线圈(2)一股线；

当使用内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的一股线产生交变磁场时，则产生稳恒磁场时，有两种方案，第一种方案是直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的另外一股线；第二种方案是直流电源的输出端连接外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线；当使用外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线产生交变磁场时，则在产生稳恒磁场时，直流电源的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股线；这个方案下，由直流电源对所连接的线圈供电，产生稳恒磁场，由交流电源或功率放大器对所连接的线圈供电，产生交变磁场。

12.根据权利要求1所述的用于电磁场生物学效应研究的复合磁场发生装置，其特征在于，若需要产生交变磁场和旋转磁场叠加的复合磁场，在产生交变磁场时，选择下述两种方案的其中之一：第一种方案是交流电源的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股中；第二种方案是FPGA控制的双路信号发生器的一路输出连接到一个功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接到内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的任意一股中；由交流电源或功率放大器对所连接的线圈供电，产生交变磁场；

产生旋转磁场时，FPGA控制的双路信号发生器的两路输出分别连接到两个功率放大器的输入端，其中一个功率放大器的输出端连接内层亥姆霍兹线圈(4)两股线中的另外一股，另外一个功率放大器的输出端连接外层亥姆霍兹线圈(2)的一股线；由功率放大器对所连接的线圈供电，产生旋转磁场。