CN112711876A - 一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法 - Google Patents

一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法 Download PDF

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CN112711876A CN202011496787.7A CN202011496787A CN112711876A CN 112711876 A CN112711876 A CN 112711876A CN 202011496787 A CN202011496787 A CN 202011496787A CN 112711876 A CN112711876 A CN 112711876A
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Abstract

本发明公开了一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法，包括确定偶极均匀磁场线圈的结构参数和性能需求，设置匝数和位置分布；利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数，仿真计算偶极均匀磁场线圈的性能；判断偶极均匀磁场线圈的性能是否满足性能需求，若不满足性能需求，则跳转修改线圈环数和匝数分布直至得到最优的结构参数。本发明在磁屏蔽内使用能有效减小线圈与磁屏蔽耦合效应，能够避免实际磁屏蔽非理想情况对线圈磁场均匀性的影响，有利于弱磁条件下的新型量子器件的研制，与现有无矩均匀磁场线圈相比具有单层结构，结构简单，加工容易，空间利用率高等优势，且能充分利用磁屏蔽内部空间。

Description

一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法
技术领域
本发明涉及工程电磁学与量子器件领域，具体涉及一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法，用于在磁屏蔽内使用且能减小线圈与磁屏蔽耦合效应，对新一代弱磁环境下的小型化量子器件研制有重要意义。
背景技术
随着科学技术的不断发展，原子钟、原子磁力仪及原子陀螺仪等量子器件因其高精度和易于小型化甚至芯片化等优异性能，逐渐受到国内外的广泛关注。在这些器件中，用来屏蔽外界磁场干扰的磁屏蔽系统，以及磁屏蔽内在主轴功能区内产生可控均匀磁场的磁场线圈系统，共同构成了整体系统的主要磁环境。以原子陀螺为例，首先需要将敏感单元置于高效磁屏蔽系统中，从而隔绝外部地磁场与其它环境磁场对系统内部磁环境和器件的影响；同时，为使陀螺正常工作，还需要在磁屏蔽内产生一个均匀的磁场，该磁场的均匀性会直接影响功能原子的信号强度与横向弛豫时间等主要参数，从而直接影响仪器性能。
目前能够产生均匀磁场的线圈种类较多，如螺线管线圈、各种类型的四环线圈以及美国诺格公司专利(US20100194506A1)中提到的多环线圈等。然而，这些线圈应用于上述量子器件时，还面临一个重要问题——磁屏蔽对线圈的耦合效应。在设计时，这些线圈通常被作为独立单元来进行相应磁场及均匀区的计算，设计过程往往忽略高磁导率磁屏蔽对其磁场空间分布的影响，导致最终放置于磁屏蔽内的磁场线圈产生的磁场值大于独立计算时的磁场值，且相应的主轴均匀区也会发生明显变化。特别是当线圈的尺寸越接近磁屏蔽的尺寸，这种耦合效应带来的磁场值和均匀区的变化越显著，这种耦合效应造成的线圈磁场和均匀区的改变对于这些量子器件的小型化来说是极其不利的。虽然采用现代有限元仿真设计方法可以考虑磁屏蔽与线圈磁场的耦合效应，但实际用到的磁屏蔽磁导率与形状结构并不如仿真设计时的那么理想，所以处理线圈与磁屏蔽耦合最好的方式还是要尽量从物理上减小耦合效应。为了减小耦合效应带来的问题，人们设计了无矩均匀磁场线圈，其与磁屏蔽配合使用后，线圈外部磁场衰减迅速，可有效降低磁屏蔽对线圈产生磁场的耦合效应，提高磁屏蔽内线圈磁场的线性度。然而，无矩均匀磁场线圈的结构比较复杂，通常需要两层以上的线圈结构，这就形成了其空间利用率较低的缺点，这对量子器件的小型化与实用化是极其不利的。因此本发明提出一种在磁屏蔽内使用，能有效减小线圈与磁屏蔽耦合效应，且能充分利用磁屏蔽内空间的偶极均匀磁场线圈设计方案来解决以上技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法，本发明在磁屏蔽内使用能有效减小线圈与磁屏蔽耦合效应，能够避免实际磁屏蔽非理想情况对线圈磁场均匀性的影响，有利于弱磁条件下的新型量子器件的研制，与现有无矩均匀磁场线圈相比具有单层结构，结构简单，加工容易，空间利用率高等优势，且能充分利用磁屏蔽内部空间。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈，包括以Z轴作为线圈中心对称轴的偶数组闭环的线圈，所述偶数组闭环的线圈以垂直于Z轴的r轴作为对称轴对称布置，所述偶数组闭环的线圈的口径相同且以两组线圈为单位分布，每一个单位内的两组线圈之间电流方向相反，且围绕r轴对称的两组线圈之间的电流方向相同，r轴同一侧的所有线圈的匝数总和为零。
可选地，同一单位内的线圈之间、相邻单位之间的距离不同。
本发明还提供一种前述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，包括：
1)确定偶极均匀磁场线圈的结构参数和性能需求；
2)设置偶极均匀磁场线圈的匝数和位置分布；
3)利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数，仿真计算偶极均匀磁场线圈的性能；
4)判断偶极均匀磁场线圈的性能是否满足性能需求，若不满足性能需求，则跳转执行步骤2)以修改线圈环数和匝数分布；否则得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数。
可选地，步骤1)中确定的偶极均匀磁场线圈的结构参数包括磁屏蔽半径b、r轴一侧的半高h和线圈半径a，且其中一种或多种为可调的参数、其余为常数。
可选地，步骤1)中确定的偶极均匀磁场线圈的性能需求包括线圈不均匀度与磁屏蔽耦合强度。
可选地，步骤2)中设置偶极均匀磁场线圈的匝数和位置分布时，包括为r轴指定方向侧的任意第i组线圈设置匝数ni和轴向位置ci，且匝数ni以正负值表示电流方向、且所有线圈的匝数ni总和为零，轴向位置ci为第i组线圈到r轴的距离；步骤3)中利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数时，采用的线圈优化函数的函数表达式为：
Fop({ci},{ni})＝δBz({ci},{ni})+δBzc({ci},{ni})
其中，Fop({ci},{ni})为第i组线圈的线圈优化函数，δBzc({ci},{ni})为第i组线圈的磁屏蔽耦合强度，通过改变磁屏蔽特性引起的线圈磁场变化量作为标定；δBz({ci},{ni})的第i组线圈的线圈不均匀度，且计算函数表达式为：
Figure BDA0002842392720000031
上式中，B2m(z,r,{ci},{ni})表示偶极均匀磁场线圈在任意位置(z,r)处的磁场，B2m(0,0,{ci},{ni})表示偶极均匀磁场线圈在位置(0,0)处的磁场。
可选地，偶极均匀磁场线圈在任意位置(z,r)处的磁场B2m(z,r,{ci},{ni})的计算函数表达式为：
Figure BDA0002842392720000032
上式中，m为r轴指定方向侧的线圈数量，ni为r轴指定方向侧的第i组线圈的匝数，B2(z,r,ci)为第i组线圈在位置(z,r)的轴向位置ci处的磁屏蔽内线圈磁场，且其函数表达式为：
Figure BDA0002842392720000033
Figure BDA0002842392720000034
上式中，B2(z,r,c)为位置(z,r)的轴向位置c处的磁屏蔽内线圈磁场，μ0为空气的磁导率，I为单匝线圈电流，a为线圈半径，h为r轴一侧的半高，Bi(0,iπr/h)为关于位置(0,iπr/h)的第一类修正贝塞尔函数，Ai为中间变量，Bk(1,iπa/h)为关于位置(1,iπa/h)的第二类修正贝塞尔函数，Bk(0,iπb/h)为关于位置(0,iπb/h)的第二类修正贝塞尔函数，Bi(0,iπb/h)为关于位置(0,iπb/h)的第一类修正贝塞尔函数。
可选地，步骤3)中得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数之后，还包括将得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数代入有限元仿真设计软件，在考虑工差影响的情况下进行进一步优化得到最终的偶极均匀磁场线圈的结构参数的步骤。
本发明还提供一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行所述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的计算机程序。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明能够大幅减小磁屏蔽与线圈的偶和效应，避免实际磁屏蔽非理想情况，如尺寸装配工差、磁化率不均匀等，对线圈磁场均匀性的影响，有利于弱磁条件下的新型量子器件的研制。
2、本发明偶极均匀磁场线圈与现有无矩均匀磁场线圈相比，具有单层结构，结构简单，加工容易，空间利用率高等优势。
附图说明
图1为本发明实施例中设计的8环偶极均匀磁场线圈示意图。
图2为本发明实施例方法的流程图。
图3为本发明实施例中磁屏蔽内偶极均匀磁场线圈轴向磁场分布。
图4为本发明实施例中偶极均匀磁场线圈与亥姆霍兹线圈磁场随磁屏蔽尺寸变化曲线。
具体实施方式
如图1所示，本实施例可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈包括以Z轴作为线圈中心对称轴的偶数组闭环的线圈，所述偶数组闭环的线圈以垂直于Z轴的r轴作为对称轴对称布置，所述偶数组闭环的线圈的口径相同且以两组线圈为单位分布，每一个单位内的两组线圈之间电流方向相反，且围绕r轴对称的两组线圈之间的电流方向相同，r轴同一侧的所有线圈的匝数总和为零。
参见图1，作为一种可选的实施方式，本实施例中具体为8组闭环的线圈，⊙表示电流流出，
Figure BDA0002842392720000041
表示电流流入，以Z轴为对称轴，上下两个电流流向构成一组闭环的线圈，从内到外的n1，n3，n2和n4分别代表每一组线圈的匝数；以r轴为对称轴，左右对称位置线圈匝数一致，电流方向一致，另外，在电流分布上，使同r轴同一侧相邻线圈电流方向相反，由匝数的正负表示电流的正负向。利用正反双向电流磁场在线圈外一定距离后显著抵消的特性，充分利用磁屏蔽内部空间的同时，有效减小线圈与磁屏蔽耦合效用。
本实施例中，同一单位内的线圈之间、相邻单位之间的距离不同。
如图2所示，本实施例还提供一种前述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，包括：
1)确定偶极均匀磁场线圈的结构参数和性能需求；
2)设置偶极均匀磁场线圈的匝数和位置分布；
3)利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数，仿真计算偶极均匀磁场线圈的性能；
4)判断偶极均匀磁场线圈的性能是否满足性能需求，若不满足性能需求，则跳转执行步骤2)以修改线圈环数和匝数分布；否则得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数。
作为一种可选的实施方式，步骤1)中确定的偶极均匀磁场线圈的结构参数包括磁屏蔽半径b、r轴一侧的半高h，线圈半径a，且其中一种或多种为可调的参数、其余为常数。例如，本实施例中磁屏蔽半径b、r轴一侧的半高h为可调的参数、其余为常数。
作为一种可选的实施方式，本实施例步骤1)中确定的偶极均匀磁场线圈的性能需求包括线圈不均匀度与磁屏蔽耦合强度。
本实施例步骤2)中设置偶极均匀磁场线圈的匝数和位置分布时，包括为r轴指定方向侧的任意第i组线圈设置匝数ni和轴向位置ci，且匝数ni以正负值表示电流方向、且所有线圈的匝数ni总和为零，轴向位置ci为第i组线圈到r轴的距离；例如本实施例中ni的初始值为{1，1，-1，-1}，ci的初始值为{0.25，0.75，0.5，1}*(h-10mm)。由于单匝线圈的电流大小一致，仅方向发生改变，所以匝数ni为带正负号的量，且需要满足条件：
Figure BDA0002842392720000051
本实施例步骤3)中利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数时，采用的线圈优化函数的函数表达式为：
Fop({ci},{ni})＝δBz({ci},{ni})+δBzc({ci},{ni})
其中，Fop({ci},{ni})为第i组线圈的线圈优化函数，δBzc({ci},{ni})为第i组线圈的磁屏蔽耦合强度，通过改变磁屏蔽特性引起的线圈磁场变化量作为标定；δBz({ci},{ni})的第i组线圈的线圈不均匀度，且计算函数表达式为：
Figure BDA0002842392720000052
上式中，B2m(z,r,{ci},{ni})表示偶极均匀磁场线圈在任意位置(z,r)处的磁场，B2m(0,0,{ci},{ni})表示偶极均匀磁场线圈在位置(0,0)处的磁场。根据采用的线圈优化函数可知，线圈优化函数是功能区内线圈不均匀度函数和线圈磁屏蔽耦合强度函数之和，且其仅受每个双环线圈的轴向位置ci与匝数ni影响。以ci和ni为变量，ni的上限为±10，以1为步长不断变化，且保证
Figure BDA0002842392720000061
ci在其中心值附近±10mm范围内变化，在轴向±z计算范围内，以得到最小优化函数值为目标，通过程序计算，不断改变ci和ni值，使优化函数数值达到最小值，得到的线圈轴向位置ci与匝数ni即为最优结果，为偶极均匀磁场线圈最优设计方案。由于均匀区的限制，且优化函数达到最小值时，偶极线圈最优设计方案的计算结果仍会存在线圈不均匀度δBz({ci},{ni})与耦合强度δBzc({ci},{ni})与初始需要的线圈不均匀度及耦合强度不匹配的问题。通过对比程序计算结果与初始要求，如果均满足，可以将所得结构参数代入有限元仿真设计软件，考虑工差等实际因素影响，进一步优化，并最终形成最优设计方案。如果不满足，则可回到第二步，调整线圈环数与匝数分布后再次优化计算，直到获得满足需求的设计结果。在最优函数程序计算优化过程中，去耦合的偶极均匀磁场线圈是通过总和相等(n1+n2＝n3+n4)(如果将电流方向抖动正负纳入匝数计数中，则可得更普适的形式：
Figure BDA0002842392720000062
)的正反双向电流磁场在线圈外一定距离后显著抵消的特性，根据需求排布每环线圈位置ci ni与匝数分布ni，从而提供线圈中心处的均匀z轴方向磁场，并同时大幅减小线圈与外部磁屏蔽的耦合效应的。与现有无矩线圈相比，本发明设计方案为单层线圈，这样既可以降低加工难度、减小装配工差，又可以大幅减小线圈占用体积，充分利用磁屏蔽内部空间，有利于未来小型化、集成化量子器件的研制。
本实施例中，偶极均匀磁场线圈在任意位置(z,r)处的磁场B2m(z,r,{ci},{ni})的计算函数表达式为：
Figure BDA0002842392720000063
上式中，m为r轴指定方向侧的线圈数量，ni为r轴指定方向侧的第i组线圈的匝数，B2(z,r,ci)为第i组线圈在位置(z,r)的轴向位置ci处的磁屏蔽内线圈磁场，且其函数表达式为：
Figure BDA0002842392720000064
Figure BDA0002842392720000065
上式中，B2(z,r,c)为位置(z,r)的轴向位置c处的磁屏蔽内线圈磁场，μ0为空气的磁导率，I为单匝线圈电流，a为线圈半径，h为r轴一侧的半高，Bi(0,iπr/h)为关于位置(0,iπr/h)的第一类修正贝塞尔函数，Ai为中间变量，Bk(1,iπa/h)为关于位置(1,iπa/h)的第二类修正贝塞尔函数，Bk(0,iπb/h)为关于位置(0,iπb/h)的第二类修正贝塞尔函数，Bi(0,iπb/h)为关于位置(0,iπb/h)的第一类修正贝塞尔函数。
本实施例中，步骤3)中得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数之后，还包括将得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数代入有限元仿真设计软件，在考虑工差影响的情况下进行进一步优化得到最终的偶极均匀磁场线圈的结构参数的步骤。
如图3所示，本实施例中给出了m＝4时的(即8环)偶极均匀磁场线圈中心区域的磁场分布情况。其中磁屏蔽半径b＝96mm，磁屏蔽半高h＝90mm，线圈半径a＝92mm，4对对称线圈匝数分布{ni}＝{4,9,-7,-6}，轴向位置{ci}＝{12.5,75.5,31.8,80.5}mm。其中心20mm范围内的理论不均匀度优于0.0039，能够满足当今大多数器件应用的需求。且其半径与磁屏蔽半径比较接近，不占用磁屏蔽内的多于空间，有利于相关器件的小型化。图4给出了上述8环偶极均匀磁场线圈均匀区磁场强度随磁屏蔽尺寸的变化情况。图中磁屏蔽半径与高度同时增加到以前的2倍，即体积增加8倍，可以看出本专利提出的偶极均匀磁场线圈磁场强度基本不随磁屏蔽尺寸变化，其变化率小于0.59％。为了便于比较，图4中虚线给出了相同半径的亥姆霍兹线圈的中心磁场随磁屏蔽尺寸变化情况。从图中可以看出其变化率大于23.6％，可见本实施例方法新提出的偶极均匀磁场线圈及其设计方案确实能够大幅减小线圈与磁屏蔽的耦合效应。
此外，本实施例还提供一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行前述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的计算机程序。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈，其特征在于，包括以Z轴作为线圈中心对称轴的偶数组闭环的线圈，所述偶数组闭环的线圈以垂直于Z轴的r轴作为对称轴对称布置，所述偶数组闭环的线圈的口径相同且以两组线圈为单位分布，每一个单位内的两组线圈之间电流方向相反，且围绕r轴对称的两组线圈之间的电流方向相同，r轴同一侧的所有线圈的匝数总和为零。
2.根据权利要求1所述的可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈，其特征在于，同一单位内的线圈之间、相邻单位之间的距离不同。
3.一种用于权利要求1或2所述的可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，包括：
1)确定偶极均匀磁场线圈的结构参数和性能需求；
2)设置偶极均匀磁场线圈的匝数和位置分布；
3)利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数，仿真计算偶极均匀磁场线圈的性能；
4)判断偶极均匀磁场线圈的性能是否满足性能需求，若不满足性能需求，则跳转执行步骤2)以修改线圈环数和匝数分布；否则得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数。
4.根据权利要求3所述的可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，步骤1)中确定的偶极均匀磁场线圈的结构参数包括磁屏蔽半径b、r轴一侧的半高h和线圈半径a，且其中一种或多种为可调的参数、其余为常数。
5.根据权利要求3所述的可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，步骤1)中确定的偶极均匀磁场线圈的性能需求包括线圈不均匀度与磁屏蔽耦合强度。
6.根据权利要求3所述的可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，步骤2)中设置偶极均匀磁场线圈的匝数和位置分布时，包括为r轴指定方向侧的任意第i组线圈设置匝数ni和轴向位置ci，且匝数ni以正负值表示电流方向、且所有线圈的匝数ni总和为零，轴向位置ci为第i组线圈到r轴的距离；步骤3)中利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数时，采用的线圈优化函数的函数表达式为：
Fop({ci},{ni})＝δBz({ci},{ni})+δBzc({ci},{ni})
其中，Fop({ci},{ni})为第i组线圈的线圈优化函数，δBzc({ci},{ni})为第i组线圈的磁屏蔽耦合强度，通过改变磁屏蔽特性引起的线圈磁场变化量作为标定；δBz({ci},{ni})的第i组线圈的线圈不均匀度，且计算函数表达式为：
Figure FDA0002842392710000021
上式中，B2m(z,r,{ci},{ni})表示偶极均匀磁场线圈在任意位置(z,r)处的磁场，B2m(0,0,{ci},{ni})表示偶极均匀磁场线圈在位置(0,0)处的磁场。
7.根据权利要求6所述的可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，偶极均匀磁场线圈在任意位置(z,r)处的磁场B2m(z,r,{ci},{ni})的计算函数表达式为：
Figure FDA0002842392710000022
上式中，m为r轴指定方向侧的线圈数量，ni为r轴指定方向侧的第i组线圈的匝数，B2(z,r,ci)为第i组线圈在位置(z,r)的轴向位置ci处的磁屏蔽内线圈磁场，且其函数表达式为：
Figure FDA0002842392710000023
Figure FDA0002842392710000024
上式中，B2(z,r,c)为位置(z,r)的轴向位置c处的磁屏蔽内线圈磁场，μ0为空气的磁导率，I为单匝线圈电流，a为线圈半径，h为r轴一侧的半高，Bi(0,iπr/h)为关于位置(0,iπr/h)的第一类修正贝塞尔函数，Ai为中间变量，Bk(1,iπa/h)为关于位置(1,iπa/h)的第二类修正贝塞尔函数，Bk(0,iπb/h)为关于位置(0,iπb/h)的第二类修正贝塞尔函数，Bi(0,iπb/h)为关于位置(0,iπb/h)的第一类修正贝塞尔函数。
8.根据权利要求3所述的可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，其特征在于，步骤3)中得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数之后，还包括将得到优化后的偶极均匀磁场线圈的结构参数代入有限元仿真设计软件，在考虑工差影响的情况下进行进一步优化得到最终的偶极均匀磁场线圈的结构参数的步骤。
9.一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求3～8中任意一项所述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行权利要求3～8中任意一项所述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的计算机程序。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求3～8中任意一项所述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法的计算机程序。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113343551A (zh) * 2021-06-30 2021-09-03 北京航空航天大学 一种基于磁屏蔽筒耦合的圆柱形和球形匀强磁场线圈设计方法
CN113744949A (zh) * 2021-08-11 2021-12-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法
CN114200368A (zh) * 2021-12-13 2022-03-18 北京航空航天大学 一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0535735A1 (en) * 1991-10-03 1993-04-07 Koninklijke Philips Electronics N.V. Magnetic resonance apparatus comprising a shielded magnet
CN101702183A (zh) * 2009-11-16 2010-05-05 苏州工业园区朗润科技有限公司 一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法
CN101852843A (zh) * 2010-05-27 2010-10-06 南京丰盛超导技术有限公司 一种超导磁体外磁屏蔽线圈的优化设计算法
CN101923591A (zh) * 2010-08-09 2010-12-22 西安理工大学 用于mcz单晶炉的非对称勾形磁场的三维优化设计方法
CN102376410A (zh) * 2011-11-10 2012-03-14 中国科学院电工研究所 一种开放式核磁共振超导磁体的设计方法
CN104299747A (zh) * 2014-10-30 2015-01-21 成都天奥电子股份有限公司 一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈
CN104349653A (zh) * 2013-07-26 2015-02-11 清华大学 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备
CN109243751A (zh) * 2018-10-31 2019-01-18 中国人民解放军国防科技大学 一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈
CN111175336A (zh) * 2020-01-17 2020-05-19 西安石油大学 一种核磁共振两相流传感器的测算方法
CN111812193A (zh) * 2020-07-15 2020-10-23 湘潭大学 一种主动解除相邻线圈之间电磁耦合的阵列涡流探头

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0535735A1 (en) * 1991-10-03 1993-04-07 Koninklijke Philips Electronics N.V. Magnetic resonance apparatus comprising a shielded magnet
CN101702183A (zh) * 2009-11-16 2010-05-05 苏州工业园区朗润科技有限公司 一种用于铁屏蔽式超导磁体的联合优化方法
CN101852843A (zh) * 2010-05-27 2010-10-06 南京丰盛超导技术有限公司 一种超导磁体外磁屏蔽线圈的优化设计算法
CN101923591A (zh) * 2010-08-09 2010-12-22 西安理工大学 用于mcz单晶炉的非对称勾形磁场的三维优化设计方法
CN102376410A (zh) * 2011-11-10 2012-03-14 中国科学院电工研究所 一种开放式核磁共振超导磁体的设计方法
CN104349653A (zh) * 2013-07-26 2015-02-11 清华大学 基于闭合超导线圈组的磁场屏蔽系统及磁场屏蔽设备
CN104299747A (zh) * 2014-10-30 2015-01-21 成都天奥电子股份有限公司 一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈
CN109243751A (zh) * 2018-10-31 2019-01-18 中国人民解放军国防科技大学 一种考虑磁屏蔽耦合的全域均匀磁场线圈
CN111175336A (zh) * 2020-01-17 2020-05-19 西安石油大学 一种核磁共振两相流传感器的测算方法
CN111812193A (zh) * 2020-07-15 2020-10-23 湘潭大学 一种主动解除相邻线圈之间电磁耦合的阵列涡流探头

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YI ZHANG,ET AL.: "Analytical design of axial magnetic coils with systematically improved uniformity for miniature quantum decvices", 《REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113343551A (zh) * 2021-06-30 2021-09-03 北京航空航天大学 一种基于磁屏蔽筒耦合的圆柱形和球形匀强磁场线圈设计方法
CN113744949A (zh) * 2021-08-11 2021-12-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法
CN113744949B (zh) * 2021-08-11 2024-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法
CN114200368A (zh) * 2021-12-13 2022-03-18 北京航空航天大学 一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法
CN114200368B (zh) * 2021-12-13 2022-08-16 北京航空航天大学 一种磁屏蔽筒内轴向匀场线圈的设计方法

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