CN113744949B - 产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈，该复合线圈由两个尺寸和匝数相同、彼此平行的共轴圆形线圈组成，每个圆形线圈由矩形线圈和L形线圈两部分组成，且矩形线圈内嵌在该L形线圈的L区域的凹陷部，上下两个圆形线圈的矩形线圈和L形线圈分别互相对应。本发明复合线圈分时复用：矩形线圈对和L形线圈对同时工作，通入反向电流，在低于700W功率下产生轴向梯度大于1.5mT/mm的四极磁场；所述的L形线圈对独立工作，通入同向电流，产生不均匀度小于10nT/mm的50mT量级的均匀磁场。本发明应用于空间超冷原子物理实验装置，可以产生磁光阱和四极磁阱所需要的四极磁场以及调节原子间相互作用所需要的均匀磁场。

Description

产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁场，特别是一种产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈及其制备方法。

背景技术

20世纪后期发展起来的原子冷却与陷俘技术可以获得温度低至纳开尔文的超冷原子气体，被广泛应用于各种物理量和物理常数的精密测量，以及量子模拟、量子信息，量子动力学与量子热力学等研究领域。

目前常用的获得超冷原子气体的技术路线为：利用二维磁光阱从背景蒸汽中收集冷原子并产生冷原子束流。将冷原子束注入超高真空三维磁光阱(3D-MOT)进行预冷却，然后通过偏振梯度冷却等方式进一步降低温度，并装载到四极磁阱中。之后再将原子从四极磁阱转移到无零点的Ioffe型磁阱或者磁-光学偶极势混合阱中，进行蒸发冷却。以上实验过程中，3D-MOT和四极磁阱阶段均需要用一对通反向电流的线圈构建四极磁场。通常线圈轴向的磁场梯度要达到1.5mT/mm才能有效地囚禁原子并为蒸发冷却创造条件。利用蒸发冷却获得温度在纳开尔文量级的超冷原子之后，后续实验经常需要在光学偶极阱中通过Feshbach共振效应调节原子间的相互作用强度，实现的方式是产生特定强度的均匀磁场，通常磁感应强度达10^-2T以上。

采用同一对线圈，两只线圈通以反向电流时可以产生四极磁场，通以同向电流时可以产生均匀磁场。因此，通常采用切换电流方向的方法，可以实现同一对线圈在四极磁场与均匀磁场工作模式的切换。但对于某些特殊的应用场景，比如空间站实验柜，对功耗有严格限制。在此条件下难以同时满足对四极磁场梯度以及均匀磁场的中心强度和均匀度的要求。要产生均匀磁场，对于线圈直径与线圈间距的比值有一定的要求；而在一定功率且线圈间距确定的条件下要达到同样的轴向梯度，线圈直径较小更有利。因此二者之间存在矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种均匀磁场和四极磁场的复合线圈的制备方法，该复合线圈分时复用：矩形线圈对1和L形线圈对2同时工作，通入反向电流，在低于700W功率下产生轴向梯度大于1.5mT/mm的四极磁场；L形线圈对2独立工作，通入同向电流，产生不均匀度小于10nT/mm的50mT量级的均匀磁场。将线圈对安装在科学腔上，以满足空间超冷原子物理实验的磁场需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈，其特点在于，该复合线圈由两个尺寸和匝数相同、彼此平行的共轴圆形线圈组成，每个圆形线圈由矩形线圈和L形线圈两部分组成，且矩形线圈内嵌在该L形线圈的L区域的凹陷部，上下两个圆形线圈的矩形线圈和L形线圈分别互相对应。

所述的矩形线圈和L形线圈是选取比线圈尺寸稍大的线圈骨架，根据线圈设计参数使用漆包线在骨架上绕制而成。

通过分别控制所述的矩形线圈和L形线圈通入的电流大小和方向，产生均匀磁场和四极磁场。

上述均匀磁场和四极磁场的复合线圈的制备方法，该方法包括下列步骤：

1)所述的均匀磁场和四极磁场的复合式线圈是由在X-Z面的剖面为矩形的矩形线圈嵌入在X-Z面的剖面为L形的L形线圈内嵌合，两者共轴且平行从而组成复合线圈，Z方向的均匀磁场由一对共轴且平行的L形线圈组成的线圈对产生，所述的四极磁场由矩形线圈和L形线圈嵌合组成的共轴且平行的复合线圈对产生；

2)根据高的磁场均匀性的要求精密设计所述的L形线圈的构型：包括导线直径、每层的导线匝数、线圈的内径和外径以及线圈对之间的距离，线圈的内径由复合式线圈的适用对象的尺寸确定，通过提前理论计算不同构型的线圈参数，选择最佳的线圈构型，从而确定L形线圈的各项结构参数。理论计算真实磁场时，可以先考虑单根导线磁场的大小，然后将所有导线产生的磁场相加，就可以得到整个线圈的精确磁场分布。单根导线构成的圆形线圈产生的磁场分布可以使用第一类和第二类完全椭圆积分精确计算，单个线圈在空间某一点产生的磁场为：

上面两式中，B_z是磁场强度轴向分量的表达式，B_ρ为距离线圈D处磁场强度径向分量的表达式，其中K(k²)和E(k²)分别为第一类和第二类完全椭圆积分，k²＝4Rρ/(R+ρ)²+(z-D)²；

3)设计所述的确定矩形线圈：矩形线圈(1)只在产生四极磁场时使用，其作用是降低整体功耗。减小的线圈对间距和增大线圈匝数有利于降低功耗，由于结构限制，选择将矩形线圈嵌入L形线圈，使整个复合线圈的截面为矩形，从而充分利用空间并有利于加工和安装；

4)配置线圈骨架：按照步骤2)和3)的设计，制作相应的线圈骨架；

5)根据线圈设计参数使用漆包线在所述的线圈骨架上分别绕制矩形线圈和L形线圈。分别留出接线端口，焊接固定后组成所述的复合式线圈；

6)在L形线圈对，通入大小相等且同向的电流，在线圈对的几何中心产生沿Z方向的均匀磁场；当该均匀磁场的强度和不均匀度不满足实用要求时，返回步骤2)，修改L形线圈的结构参数；当该均匀磁场的强度和不均匀度满足实用要求时，进入下一步；

7)在所述的矩形线圈和L形线圈嵌合组复合线圈对通入等大且反向的电流，在线圈对的中心形成四极磁场，这个磁场有一个中心，该处的磁场强度为零，且随着离开中心的距离增加，磁场强度线性增大；

8)当所述的四极磁场还不能满足实用要求时，返回步骤3)，修改所述的矩形线圈的结构参数，当所述的四极磁场满足实用要求时，进入下一步；

9)完成均匀磁场和四极磁场的复合式线圈的制备。

与现有技术相比，本发明的技术效果在于：

由矩形线圈和L形线圈嵌合组成的复合线圈，可用于提供不均匀度小于10nT/mm的50mT量级的均匀磁场，并且可在较低功耗下产生四极磁场，从而满足空间任务的要求，根据具体使用要求，在复合线圈的不同端子通入同向或反向电流，可以实现上述功能。

本发明所产生的四极磁场可用于构成磁光阱和磁阱，以进行原子气体的预冷却和蒸发冷却。

本发明所产生的均匀磁场可用于调节原子的Feshbach共振，改变原子间相互作用的强弱和类型。

附图说明

图1是复合线圈对的X-Z面剖面图

图2是复合线圈对安装后的正视图

图3是复合线圈对安装后的俯视图

图4是L形线圈对产生的均匀磁场的轴向相对不均匀度分布图

图5是常规线圈对产生的均匀磁场的轴向相对不均匀度分布图

图中：1-矩形线圈(对)；2-L形线圈(对)；3-科学腔。

具体实施方式

下面结合实施事例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1。图1是复合线圈对的X-Z面剖面图。由图可见，该复合线圈由在X-Z面的剖面为矩形的矩形线圈1嵌入在X-Z面的剖面为L形的L形线圈2内，两者共轴且平行从而组成复合线圈，Z方向的均匀磁场由一对共轴和平行的L形线圈2组成的线圈对产生，所述的四极磁场由矩形线圈1和L形线圈2嵌合组成的共轴且平行的复合线圈对产生。

本发明均匀磁场和四极磁场的复合式线圈的制备方法，包括下列步骤：

1)所述的均匀磁场和四极磁场的复合式线圈是由在X-Z面的剖面为矩形的矩形线圈1嵌入在X-Z面的剖面为L形的L形线圈2内，两者共轴且平行从而组成复合线圈，Z方向的均匀磁场由一对共轴和平行的L形线圈2组成的线圈对产生，所述的四极磁场由矩形线圈1和L形线圈2嵌合组成的共轴且平行的复合线圈对产生；

2)根据高的磁场均匀性的要求精密设计所述的L形线圈的构型：包括导线直径、每层的导线匝数、线圈的内径和外径以及线圈对之间的距离，线圈的内径由复合式线圈的适用对象的尺寸确定，通过提前理论计算不同参数的线圈参数，选择最佳的线圈构型，从而确定L形线圈的各项结构参数；

3)设计所述的确定矩形线圈：矩形线圈(1)只在产生四极磁场时使用，其作用是降低整体功耗。减小的线圈对间距和增大线圈匝数有利于降低功耗，由于结构限制，选择将矩形线圈嵌入L形线圈，使整个复合线圈的截面为矩形，从而充分利用空间并有利于加工和安装；

4)配置线圈骨架：按照步骤2)和3)的设计，制作相应的线圈骨架；

5)根据线圈设计参数使用漆包线在所述的线圈骨架上分别绕制矩形线圈1和L形线圈2，分别留出接线端口，焊接固定后组成所述的复合式线圈；

6)在L形线圈2对，通入大小相等且同向的电流，在线圈对的几何中心产生沿Z方向的均匀磁场；当该均匀磁场的强度和不均匀度不满足实用要求时，返回步骤2)，修改L形线圈2的结构参数；当该均匀磁场的强度和不均匀度满足实用要求时，进入下一步；

7)在所述的矩形线圈1和L形线圈2嵌合组复合线圈对通入等大且反向的电流，在线圈对的中心形成四极磁场，这个磁场有一个中心，该处的磁场强度为零，且随着离开中心的距离增加，磁场强度线性增大；

8)当所述的四极磁场还不能满足实用要求时，返回步骤3)，修改所述的矩形线圈1的结构参数，当所述的四极磁场满足实用要求时，进入下一步；

9)完成均匀磁场和四极磁场的复合式线圈的制备。

矩形线圈1的作用为降低产生四级磁场时的功耗，将其嵌入L形线圈2并焊接固定，与L形线圈2形成密接触，即可发挥最大效果。值得注意的是，线圈产生的磁场虽然可以近似为一系列环形电流回路所产生的磁场的叠加，但在实际情况中这些环形电流回路并不是标准的圆形：绕制线圈时每一圈导线的结尾点都会比起始点高一根线的宽度，这将导致一个大小为θ＝(-1)ⁿ⁺¹sin^-1(t/2R)的倾角，其中t为导线的直径，R为线圈第n层的半径。这个倾角会引入一个非轴向的磁场分量，线圈相邻两层的走线倾斜方向相反，但半径相差一根导线的宽度，因而产生的非轴向分量无法完全抵消，叠加起来的总效果是使单个线圈产生的磁场有一个较小的非轴向场强。实例中给出的线圈参数为:导线直径t＝1.8mm,线圈的平均半径R约为63mm，对应的倾角θ＝30mrad,这对于形成磁光阱有一定影响。另一方面，在产生均匀磁场时，若保证绕制的线圈对尽可能接近镜面对称，则可以做到使两个线圈的非轴向分量大小相等、方向相反，从而正好抵消。

参阅图2，3，图2是复合线圈对安装在科学腔上后的正视图，图3是复合线圈对安装在科学腔上后的俯视图。

为减小功耗，复合线圈对应尽可能地在X-Y面与科学腔3密接触，因此直接使用无磁钛螺钉将复合线圈固定在科学腔上。同时为避免线圈遮挡科学腔上下窗口，复合线圈的内径应大于科学腔3窗口的直径。

参阅图4，图5，图4和图5分别是利用第二类椭圆积分计算的，L形线圈对产生的均匀磁场轴向分布图，以及与L形线圈参数相同，但截面为18*18匝导线的常规线圈产生的均匀磁场轴向分布图，示例中两种线圈所产生的中心场强大小均为54.6mT，线圈的内径和外径分别为47.28mm和79.68mm。可以看到L形线圈对的设计极大地降低了磁场的不均匀性，中心区域的磁场的相对不均匀度低于3×10^-8，相比于常规结构的线圈降低了三个量级以上。这将足以满足超冷原子Efimov物理实验中对调节原子的Feshbach共振所需的均匀磁场的需求。

实验表明，本发明使用同一对复合线圈，分时复用：矩形线圈对1和L形线圈对2同时工作，通入反向电流，在低于700W功率下产生轴向梯度大于1.5mT/mm的四极磁场；L形线圈对2独立工作，通入通向电流，产生不均匀度小于10nT/mm的50mT量级的均匀磁场。将本发明均匀磁场和四极磁场的复合式线圈对安装在科学腔3上，可以满足空间超冷原子物理实验的磁场需求。

Claims (3)

1.一种产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈，其特征在于，该复合线圈由两个尺寸和匝数相同、彼此平行的共轴圆形线圈组成，每个圆形线圈由矩形线圈(1)和L形线圈(2)两部分组成，且矩形线圈(1)内嵌在该L形线圈(2)的L区域的凹陷部，上下两个圆形线圈的矩形线圈(1)和L形线圈(2)分别互相对应；

产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈的制备方法包括如下步骤：

步骤1，设计L形线圈的构型：包括导线直径、每层的导线匝数、线圈的内径和外径以及线圈对之间的距离，线圈的内径由复合式线圈的适用对象的尺寸确定，通过提前理论计算不同参数的线圈参数，选择最佳的线圈构型，从而确定L形线圈的各项结构参数；

步骤2，设计矩形线圈的构型：矩形线圈只在产生均匀磁场时使用，将矩形线圈嵌入L形线圈，使整个复合线圈的截面为矩形；

步骤3，配置线圈骨架：按照步骤1)和2)的设计，制作相应的线圈骨架；

步骤4，根据线圈设计参数使用漆包线在所述的线圈骨架上分别绕制矩形线圈和L形线圈，分别留出接线端口，焊接固定后组成所述的复合式线圈；

步骤5，在L形线圈对，通入大小相等且同向的电流，在线圈对的几何中心产生沿Z方向的均匀磁场；当该均匀磁场的强度和不均匀度不满足实用要求时，返回步骤1)，修改L形线圈的结构参数；当该均匀磁场的强度和不均匀度满足实用要求时，进入步骤6；

步骤6，在矩形线圈和L形线圈嵌合组复合线圈对通入等大且反向的电流，在线圈对的中心形成四极磁场，这个磁场有一个中心，该处的磁场强度为零，且随着离开中心的距离增加，磁场强度线性增大；

步骤7，当所述的四极磁场还不能满足实用要求时，返回步骤2，修改所述的矩形线圈的结构参数，当所述的四极磁场满足实用要求时，则完成均匀磁场和四极磁场的复合线圈的制备。

2.根据权利要求1所述的产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈，其特征在于，所述的矩形线圈(1)和L形线圈(2)是选取比线圈尺寸稍大的线圈骨架，根据线圈设计参数使用漆包线在骨架上绕制而成。

3.根据权利要求1或2所述的产生均匀磁场和四极磁场的复合线圈，其特征在于，通过分别控制所述的矩形线圈(1)和L形线圈(2)通入的电流大小和方向，产生均匀磁场和四极磁场。