CN109243751A - 一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈。该线圈方案根据实际需要，选择合适的线圈对数m，得到所需均匀度要求的线圈方案。本发明得到能考虑磁屏蔽影响的线圈设计解析公式，更便于线圈设计优化；得到线圈内所有空间磁场都是均匀的，极大的便于新型量子器件的小型化与集成化，可以根据实际均匀度需求合理调整线圈环数，具有相当的灵活性。

Description

一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈
技术领域
本发明涉及一种考虑磁屏蔽耦合效应的新型全域均匀磁场线圈，对新一代弱磁环境下的小型化量子器件研制有重要意义，属于工程电磁学与量子器件领域。
背景技术
当今世界随着科学技术的不断发展，原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等新型量子器件陆续出现。它们以其在各自领域中的优异性能受到国内外的广泛关注。如何在保证性能的前提下实现这些器件的小型化、集成化是这些量子器件能否走进人们生活的关键问题。
这些量子器件大都需要弱磁环境中的均匀磁场，即在磁屏蔽环境中产生所需的均匀功能磁场。以原子陀螺为例，首先需要将敏感单元置于磁屏蔽中，从而隔绝外部磁场变化对器件的影响。然后为使陀螺正常工作还需在磁屏蔽内产生一个均匀的磁场，磁场的均匀性会直接影响功能模块原子的横向弛豫时间，从而影响信号强度与仪器的分辨率。
目前能够产生均匀磁场的线圈已经有很多种类，如螺线管、亥姆霍兹线圈、四环线圈、美国诺格公司的专利(US20100194506A1)等。但是这些线圈在新型小型化量子器件中的应用仍存在一些问题：一是这些线圈设计时通常没有考虑磁屏蔽对线圈磁场的影响，往往设计好参数的线圈在磁屏蔽中使用其真实磁场及其均匀度都会发生变化；二是这些线圈均匀区不大，通常要为一体积的敏感单元提供均匀磁场就需要十体积的线圈框架，从而极大的束缚了量子器件的小型化与实用化。
发明内容
为解决上述问题，本发明特提出一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈。本发明提供的一种考虑磁场与磁屏蔽耦合的情况下都能在框架内产生全域均匀磁场的线圈设计方案，有利于新一代量子器件的研制。
为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：
在磁屏蔽桶内以磁屏蔽对称轴中心为原点左右对称分布的两个同向电流线圈产生的磁场满足：
其中
其中Bi、Bk分别为第一类与第二类修正贝塞尔函数，a为线圈半径，b为屏蔽桶半径， c为线圈轴向位置，d为线圈宽度，h为屏蔽桶半高，I为线圈电流，n表示(1)式中展开的项数，r、z分别表示横向坐标和纵向坐标的位置，是一种极坐标表示方法，这里的 n与公式4上一行叙述的是一个意思；
具体如图1所示。上式需要线圈宽度远小于磁屏蔽桶半高；
进一步地，由磁场的叠加性，磁屏蔽桶内对称分布的m对线圈组产生的磁场即是 (1)式求和，满足：
其中μ0表示真空中的磁导率，n与上面意思相同，i指m对线圈组中的第i对；
更进一步地，只要选择合适的线圈位置参ci数使得对于足够多的以n为标记的展开系数都满足：
则线圈组产生的磁场不随坐标(z,r)变化，此即我们所需要的均匀磁场；
所述线圈就是指的一系列使足够多的以n为标记的展开系数都满足(4)式的关于线圈组轴向参数ci的设计方案；
进一步地，本发明给出了一种能够使足够多以n为标记的展开系数都满足(4)式的通用参考方案，即对于m对对称线圈组的情形，当
(3)式展开系数的前2m-1阶都为零，即能给出一个全域充分均匀的磁场；
本发明的线圈方案可以根据实际需要，选择合适的线圈对数m，得到所需均匀度要求的线圈方案，即m可以根据实际需要调整；
更进一步地，本发明在(5)式给出的方案基础上进一步建立具体磁屏蔽与线圈的有限元模型(即是利用(5)式参数与有限元程序，如Maxwell等，将线圈与磁屏蔽画出来用计算机仿真，考虑磁屏蔽具体形状，进一步微调线圈参数，如图3所示)，对设计方案进行微调，进一步考虑线圈开孔、缝隙等非对称因素对线圈磁场均匀性的影响。图3给出了 m＝6时的全域均匀线圈的有限元仿真结果。
本发明与现有技术相比的优点在于：
得到能考虑磁屏蔽影响的线圈设计解析公式，更便于线圈设计优化；
得到线圈内所有空间磁场都是均匀的，极大的便于新型量子器件的小型化与集成化；
可以根据实际均匀度需求合理调整线圈环数，具有相当的灵活性。
附图说明
图1磁屏蔽桶内对称环状线圈，
图2磁屏蔽桶内m＝6时的对称环状线圈，
图3 m＝6的全域均匀线圈磁场分布有限元仿真，
图4线圈磁场不均匀度随m的增加而减小。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例：
如图2所示，给出了m＝6时，磁屏蔽半径b＝9mm，磁屏蔽半高h＝14mm，线圈半径 a＝7.9mm，6对对称线圈位置ci＝{1.22,3.55,5.88,8.22,10.55,12.88}mm时的一个磁屏蔽线圈实例，其理论不均匀度小于千分之一。
图3给出了对上述磁屏蔽线圈进行一些磁屏蔽必要开孔处理后的磁场分布情况，针对特定的磁屏蔽开孔对线圈进行平移优化后，可以看出，除了线圈附近很小区域外，其余磁屏蔽内绝大多数区域的磁场都是均匀的，计算可得其中心附近磁场不均匀度小于千分之五，能够满足小型化量子器件的需求。
图4给出了上述线圈产生磁场的不均匀度δBz＝max|[Bz(z)-Bz(0)]/Bz(0)|随着m增加而减小的情形。从图中可以看出，当m>6时，该线圈的理论不均匀度就可以达到 1E-10量级，且其不均匀度还可以通过增加m而得到系统显著的降低，因此本发明所述线圈具有广泛的应用前景。
按照上述实施例，便可以很好的实现本发明。需要说明的是，基于上述理论设计方法，即使在本发明基础上做出大小、形状及一些无实质性的改动与润色，其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈，该线圈在磁场与磁屏蔽耦合的情况下都能在框架内产生全域均匀磁场，其特征在于，
在磁屏蔽桶内以磁屏蔽对称轴中心为原点左右对称分布的两个同向电流线圈产生的磁场满足：
其中
其中Bi、Bk分别为第一类与第二类修正贝塞尔函数，a为线圈半径，b为屏蔽桶半径，c为线圈轴向位置，d为线圈宽度，h为屏蔽桶半高，I为线圈电流，n表示项数，r、z分别表示横向坐标和纵向坐标的位置，
进一步地，由磁场的叠加性，磁屏蔽桶内对称分布的m对线圈组产生的磁场即是(1)式求和，满足：
其中μ0表示真空中的磁导率，n表示项数，i指m对线圈组中的第i对；
更进一步地，只要选择合适的线圈位置参ci数使得对于足够多的以n为标记的展开系数都满足：
则线圈组产生的磁场不随坐标(z,r)变化，此即我们所需要的均匀磁场。
2.根据权利要求1所述的一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈，其特征在于，所述线圈就是指的一系列使足够多的以n为标记的展开系数都满足(4)式的关于线圈组轴向参数ci的设计方案。
3.根据权利要求1所述的一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈，其特征在于，进一步地，本发明给出了一种能够使足够多以n为标记的展开系数都满足(4)式的通用参考方案，即对于m对对称线圈组的情形，当
(3)式展开系数的前2m-1阶都为零，即能给出一个全域充分均匀的磁场；
线圈方案根据实际需要，选择合适的线圈对数m，得到所需均匀度要求的线圈方案，即m根据实际需要调整。
4.根据权利要求1所述的一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈，其特征在于，进一步建立具体磁屏蔽与线圈的有限元模型，对线圈m进行微调，考虑线圈开孔、缝隙非对称因素对线圈磁场均匀性的影响。
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