CN114156040B - 一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置 - Google Patents

一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，包括匀强磁场发生装置和磁场屏蔽装置；所述匀强磁场发生装置用于生成匀强磁场；包括双向对称、共轭放置的4块永磁体；所述磁场屏蔽装置设置在所述匀强磁场发生装置外部，用于向外屏蔽所述匀强磁场。本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置能够实现两组小型化正负电子磁谱仪探头所需的匀强磁场，满足小型化的需求。

Description

一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置
技术领域
本发明涉及空间探测用星载磁谱仪技术领域，特别是涉及一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置。
背景技术
磁谱仪是利用磁场测量带电粒子动量或具有不同动量的带电粒子通量的仪器。磁谱仪工作原理是基于带电粒子在恒定磁场中绕磁力线所作的匀速圆周运动这一基本物理规律。带电粒子在匀强磁场的作用下做匀速圆周运动(又称拉莫尔运动)，其半径正比于带电粒子的动量。磁谱仪最早被应用在地面的物理和化学试验中，用于质谱分析。
1958年第一颗人造地球卫星的上天，人类进入空间时代。根据第一批卫星观测结果，人们发现近地空间充斥着各种高能带电粒子。1958年，Van Allen等利用安装在Explorer-1,2卫星上的盖革计数器首先发现近地空间充满被地磁场捕获的高能带电粒子的区域。此区域被称为Van Allen带，又叫辐射带。被捕获的带电粒子主要集中在两个区域：一个区域的范围在1～2Re(Re为地球半径)，叫内辐射带(Inner belt)；另一个区域的中心在3～7Re，叫外辐射带(Outer belt)。内辐射带主要的粒子是高能质子。捕获的在内辐射带的质子主要来源于宇宙线反照中子衰减，其损失主要是与大气原子或者分子的库仑碰撞。对高能质子来说，损失和径向扩散的时间尺度是年的量级，所以内辐射带质子的分布被认为是非常稳定的。外辐射带的主要粒子成分是能量范围从几十keV到几个MeV的电子。与内辐射带质子通量相比，外辐射带电子通量的变化非常剧烈。特别是发生磁暴或磁层亚暴时，外带电子通量可以增加几个数量级。这些高能粒子对近地空间中的宇航员和卫星等技术系统构成巨大威胁。另外，除了被地磁场捕获的高能粒子，在地球磁层中的不同区域还充斥着大量中低能粒子，如环电流和等离子体层。由太阳风扰动引发的这些区域带电粒子的变化也会导致磁暴等剧烈的地球空间扰动，进而影响地面技术系统，如高压输电线路、输油管道以及高铁等。因此，了解近地空间中的带电粒子的分布和动态变化对保障人类在空间和地球上的资产和正常生活具有重要意义。
星载磁谱仪在近地空间中的带电粒子辐射环境观测中起到了十分重要的作用。总体来说，星载磁谱仪对匀强磁场产生装置的主要需求是在设计的粒子偏转区(即带电粒子受磁场力作用完成偏转最终到达探测器的空间区域)内产生均匀强度磁场。但是根据星载磁谱仪在卫星任务中的作用，卫星平台对星载磁谱仪的匀强磁场产生装置的需求有所不同。根据任务需求不同，现有技术中的星载磁谱仪包括以下两类：
(1)超大型星载磁谱仪，如著名的阿尔法磁谱仪AMS。该磁谱仪用一对巨大的永磁体构成匀强磁场，整机体积、重量和功耗巨大，在一般的通用卫星平台上难以安装，需要基于磁谱仪设计特殊的卫星平台才能实现这类磁谱仪在空间的运行。因此其匀强磁场产生装置不用考虑对其他探测载荷的影响，不需要做严格的剩磁控制。
(2)星载中小型磁谱仪，比较典型的是安装在综合释放及辐射效应卫星(CombinedRelease and Radiation Effects Satellite，CRRES)上的中能离子质谱仪(MediumEnergy Ion Mass Spectrometer，IMS-HI)和最新的范阿伦探测器上的磁电子离子谱仪(Magnetic Electron Ion Spectrometer，MagEIS)。这类中小型磁谱仪一般应用在通用卫星平台上，与其他空间探测载荷一起配合实现对带电粒子、等离子体、电磁场、波动等多空间环境要素的综合探测。由于测量等离子体、电磁场等空间环境要素的载荷需要低的背景干扰，因此对卫星平台及其他探测载荷有剩磁控制需求。通常控制仪器剩磁的方式有两种，一种是利用高磁导率(Magnetic induction)的磁屏蔽材料对永磁体及整个匀强磁场区进行整体包裹，将磁力线约束在磁屏蔽区中以减小磁谱仪外场剩磁；另一种是采用补磁的方式，即确认磁谱仪的外场剩磁分布后，用小的永磁体进行磁场抵消的方式减小磁谱仪的外场剩磁。
为了减小体积和重量，CRRES卫星的中能离子质谱仪IMS-HIIMS-HI没有采用半圆型偏转磁场区，而是采用高磁能积(Magnetic energy product)的钐钴(SmCo)永磁体构成强度约为0.7T的扇型匀强磁场。另外采用高磁导率的铁磁材料(Hyperco 50)将出磁谱仪粒子入射开口外的匀强磁场区域完全包裹，从而实现了卫星平台对磁谱仪外场剩磁的要求，即距离磁谱仪一米处的剩磁场强度小于100nT。而付出的代价是所有的磁屏蔽材料与永磁体的总重量达到5.7kg，最大长度超过20cm。
范阿伦探测器上的磁电子离子谱仪MagEIS采用了半圆磁谱仪设计，其结构如图4所示。MagEIS采用了磁能积更高的钕铁硼(NdFeB)材料作为永磁体，获得最大0.48T的匀强磁场。然而，由于范阿伦探测器卫星平台对仪器的动态剩磁场要求极高(<0.1nT)，而磁屏蔽用的铁磁材料会引入较大的动态感应磁场，因此MagEIS没有采用铁磁材料实现整体的磁屏蔽。即使如此，单颗卫星上MagEIS的整机重量已高达34.1kg。
综上所述，目前的星载磁谱仪主要应用于大型卫星平台上，仪器的尺寸、重量需求高，很难应用在微纳卫星平台上。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，能够实现两组小型化正负电子磁谱仪探头所需的匀强磁场，满足小型化的需求。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，其特征在于：包括匀强磁场发生装置和磁场屏蔽装置；所述匀强磁场发生装置用于生成匀强磁场；包括双向对称、共轭放置的4块永磁体；所述磁场屏蔽装置设置在所述匀强磁场发生装置外部，用于向外屏蔽所述匀强磁场。
于本发明一实施例中，所述永磁体采用钕铁硼永磁体。
于本发明一实施例中，所述磁场屏蔽装置采用铁磁材料。
于本发明一实施例中，所述磁场屏蔽装置包括第一铁磁体和第二铁磁体，分别设置在所述匀强磁场发生装置的上侧和下侧。
于本发明一实施例中，所述第一铁磁体和所述第二铁磁体为一体结构。
如上所述，本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，具有以下有益效果：
(1)能够在正负电子磁谱仪的1U的空间内(1U为立方星标准体积单元，1U为10cm×10cm×10cm)实现两组小型化正负电子磁谱仪探头所需的～0.4T匀强磁场；
(2)能够最小化正负电子磁谱仪外场剩磁，在距离正负电子磁谱仪50cm处剩磁场强度小于200nT，以便于在微纳卫星平台上应用该小型化正负电子磁谱仪，同时不影响其他载荷在同一平台上的应用；
(3)装置体积小、重量轻、产生匀强磁场强度强、剩磁低，适用于包括微纳卫星在内的多种通用卫星平台，满足微纳卫星用小型化正负电子磁谱仪所需要的小型化、强磁场、低漏磁的匀强磁场需求。
附图说明
图1显示为磁电子离子谱仪MagEIS于一实施例中的结构示意图；
图2显示为本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置于一实施例中的框架结构示意图；
图3显示为本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置于一实施例中的空间结构示意图；
图4显示为本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置于一实施例中的匀强磁场仿真示意图；
图5显示为本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置在垂直于和平行于匀强磁场方向的仪器外场剩磁场强度随距离分布的仿真示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置能够在1U的空间内实现两组小型化正负电子磁谱仪探头所需的～0.4T匀强磁场，同时能够最小化正负电子磁谱仪外场剩磁，在距离正负电子磁谱仪50cm处剩磁场强度小于200nT，其体积小、重量轻、产生匀强磁场强度强、剩磁低，适用于包括微纳卫星在内的多种通用卫星平台，极具实用性。
本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪的整机尺寸控制在微纳卫星平台的1U空间以内，包括两套磁谱仪匀强磁场产生装置和磁谱仪的其他功能单元，其整机机箱的外包络尺寸为94mm×94mm×100mm。
如图2所示，于一实施例中，本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置包括匀强磁场发生装置1和磁场屏蔽装置2。
所述匀强磁场发生装置1用于生成匀强磁场；包括双向对称、共轭放置的4块永磁体，即磁体1、磁体2、磁体3和磁体4，从而形成两个方向相反的均匀磁场。具体地，左侧的两块磁体方向相同，右侧的两块磁体方向相同，左侧和右侧的磁体方向相反。其中磁体1和磁体2、磁体3和磁体4分别构成两个匀强磁场区①和②，用于正负电子磁谱仪的正负电子偏转。匀强磁场区①和②的匀强磁场方向相反，由磁体1和2、磁体3和4形成的磁场在正负电子磁谱仪以外的远场会相互抵消，从而降低仪器剩磁。
优选地，所述永磁体采用高磁感应强度的钕铁硼永磁体。
所述磁场屏蔽装置2设置在所述匀强磁场发生装置1外部，用于向外屏蔽所述匀强磁场，从而进一步减小剩磁。如图3所示，所述磁场屏蔽装置2既可以支撑起双向对称、共轭放置的4块永磁体，又可以最大限度的减小外露的剩磁，同时限定所述正负电子磁谱仪的一体化探头尺寸在1U空间内。
优选地，所述磁场屏蔽装置包括两块高磁导率铁磁材料，即铁磁体1和铁磁体2。所述铁磁体1和所述铁磁体2分别紧贴磁体1和3、磁体2和4的外侧设置，将大部分磁体1的N极和磁体3的S极的磁力线约束在铁磁体1，将大部分磁体2的S极和磁体4的N极的磁力线约束在铁磁体2，从而进一步减小磁谱仪剩磁。更为优选地，铁磁体1和铁磁体2为一体化结构。
下面通过具体实施例来进一步验证本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置。
利用Ansys软件对本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置进行了仿真计算。图4显示了仿真获得的匀强磁场产生装置产生的匀强磁场的分布情况，其中磁场有效区域的磁感应强度在0.38～0.39T之间，平均值与最大值之比低于2％，优于MagEIS的0.48T匀强磁场的均匀度。
除了匀强磁场仿真，还利用Ansys软件仿真计算了正负电子磁谱仪外部的剩磁场强度随距离的分布情况。图5显示了在垂直于等效偶极子场方向(即垂直于图2中匀强磁场区①和②的磁场方向的方向)的剩磁场随正负电子磁谱仪中心径向距离的分布。图5还显示了在平行于等效偶极子场方向(即平行于图2中匀强磁场区①和②的磁场方向的方向)的剩磁场随正负电子磁谱仪中心径向距离的分布。从仿真结果看，正负电子磁谱仪外部的剩磁污染在10cm处约10000nT，在距离50cm处<100nT，基本不会干扰卫星正常工作。
综上所述，本发明的强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置能够在正负电子磁谱仪的1U的空间内实现两组小型化正负电子磁谱仪探头所需的～0.4T匀强磁场；能够在最小化正负电子磁谱仪外场剩磁，在距离正负电子磁谱仪50cm处剩磁场强度小于200nT，以便于在微纳卫星平台上应用该小型化正负电子磁谱仪，同时不影响其他载荷在同一平台上的应用；装置体积小、重量轻、产生匀强磁场强度强、剩磁低，适用于包括微纳卫星在内的多种通用卫星平台，满足微纳卫星用小型化正负电子磁谱仪所需要的小型化、强磁场、低漏磁的匀强磁场需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的缺点且适用于包括微纳卫星在内的各种通用卫星平台，具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种强磁场低漏磁正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，其特征在于：包括匀强磁场发生装置和磁场屏蔽装置；
所述匀强磁场发生装置用于生成匀强磁场；包括双向对称、共轭放置的4块永磁体，从而形成两个方向相反的均匀磁场，其中，左侧的两块磁体方向相同，右侧的两块磁体方向相同，左侧和右侧的磁体方向相反；
所述磁场屏蔽装置设置在所述匀强磁场发生装置外部，用于向外屏蔽所述匀强磁场；
所述磁场屏蔽装置包括第一铁磁体和第二铁磁体，分别设置在所述匀强磁场发生装置的上侧和下侧。
2.根据权利要求1所述正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，其特征在于：所述永磁体采用钕铁硼永磁体。
3.根据权利要求1所述正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，其特征在于：所述磁场屏蔽装置采用铁磁材料。
4.根据权利要求1所述正负电子磁谱仪匀强磁场产生装置，其特征在于：所述第一铁磁体和所述第二铁磁体为一体结构。
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