CN114188136A - 分离式低温磁屏蔽装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分离式低温磁屏蔽装置，包括：磁屏蔽主体和磁屏蔽上盖，两者均由磁屏蔽单元层、低温单元层以及退磁线圈单元组成。磁屏蔽单元用于屏蔽外界磁场，由外到内依次为金属屏蔽层、高磁导率屏蔽层以及超导屏蔽层。低温单元层内设有液氮或液氦，从而能够为磁屏蔽单元层提供低温环境。退磁线圈用于消除磁屏蔽单元层中的剩磁。磁屏蔽主体为“凹”字型的筒状结构，磁屏蔽主体的内部设有工作区；磁屏蔽上盖为反“凹”字型结构，从而与磁屏蔽主体相互配合，使得工作区内形成封闭的常温零磁空间。本发明不仅能够为待测的高精度磁传感器提供一种极低的磁场测试工作环境，同时有效解决了现有超导屏蔽无法提供常温零磁空间的技术难题。

Description

分离式低温磁屏蔽装置
技术领域
本发明涉及电磁场的技术领域，具体而言，涉及一种分离式低温磁屏蔽装置。
背景技术
高精度磁场测量传感器在航空航天、国防军事、环境监测、地质勘查以及医学检测等方面有着广泛而重要的应用。具备低剩磁的磁屏蔽装置是该仪器工作的必要环境。随着超导量子干涉器件(SQUID)、原子磁力仪等更高精度的磁场测量传感器的出现以及测量精度的不断提升，对磁屏蔽装置的剩磁要求也越来越苛刻。基于现阶段磁场传感器的测量精度和分辨率，要求磁屏蔽装置内的剩余磁场低于pT量级，磁场噪声低于fT量级。
目前，常见的磁屏蔽装置多采用高磁导率磁性材料对外部磁场进行屏蔽，为了提高磁屏蔽装置的屏蔽性能，常采用多层高磁导率磁性材料进行屏蔽的设计结构，使得该屏蔽装置的体积和重量非常大，且由于开孔的影响以及磁性材料屏蔽性能有限，使得该屏蔽装置内的剩磁很难达到pT量级。其次，由于超导体具备很好的抗磁性，能够对外界磁场进行高效率的屏蔽，使得超导屏蔽不断得到人们的关注，但由于结构设计单一、密封性不足，利用超导材料制作的磁屏蔽装置的屏蔽效果并不理想。此外，现有的超导屏蔽装置均采用浸泡在液氦或液氮杜瓦中的设计形式，待测试磁传感器需要在液氦或液氮温度下工作，而目前多数磁传感器无法在极低温环境下工作，使得现有的超导屏蔽装置应用上得到了很大的限制。
发明内容
针对现有的技术缺陷，本发明提供了一种分离式低温磁屏蔽装置，旨在为高精度磁传感器提供一种极低磁场工作环境。
本发明提供一种分离式低温磁屏蔽装置，包括：磁屏蔽主体和磁屏蔽上盖，所述磁屏蔽主体的上端面设有凹槽以形成工作区，所述磁屏蔽上盖的下侧设有沿周向凸起的围边，所述磁屏蔽上盖用于封闭所述工作区，所述围边用于抵接至所述磁屏蔽主体的外侧壁；所述磁屏蔽主体和磁屏蔽上盖均包括磁屏蔽单元层和低温单元层，所述低温单元层覆盖所述磁屏蔽单元层并用于为所述磁屏蔽单元层提供低温环境。
作为优选的，所述磁屏蔽主体和磁屏蔽上盖的外形为圆柱形、长方体形或者类半球形，从而使得结构均衡稳固，磁屏蔽效果好。
作为优选的，所述低温单元层包括隔热层和密封层，所述隔热层覆盖于所述密封层的外侧，所述密封层的内部设有低温区，所述低温区内填充有低温介质，所述磁屏蔽单元层位于所述低温区内并被所述低温介质覆盖，所述低温介质为液氦或液氮。隔热层和密封层的设置能够有效减少低温区与外界的热交换，维持磁屏蔽单元层能够在正常的低温环境中工作。
作为优选的，所述磁屏蔽单元层包括金属屏蔽层、高磁导率屏蔽层和超导屏蔽层，所述金属屏蔽层、高磁导率屏蔽层和超导屏蔽层按距离所述工作区由远到近的顺序依次排布，所述金属屏蔽层、高磁导率屏蔽层和超导屏蔽层均可为单层或多层层叠结构。所述的金属屏蔽层主要用于屏蔽高频磁场，高磁导率屏蔽层和超导屏蔽层则分别主要用于屏蔽稳态场和低频磁场。
作为优选的，所述金属屏蔽层、高磁导率屏蔽层以及超导屏蔽层的厚度均为0.1mm～3mm，所述金属屏蔽层的材料为纯铜、铝或铝镀铜，所述高磁导率屏蔽层的材料为低温Cryoperm坡莫合金，所述超导屏蔽层的材料为低温超导材料或高温超导材料，从而取得更好的磁屏蔽效果。
作为优选的，所述磁屏蔽主体的侧壁和所述磁屏蔽上盖的围边均设有退磁线圈组，所述退磁线圈组包括加热线圈和消磁线圈，所述加热线圈绕接于所述超导屏蔽层的外壁，所述消磁线圈绕接于所述高磁导率屏蔽层的外壁。采用该结构后，加热线圈能有效实现对超导屏蔽层的退磁，而消磁线圈则能实现对高磁导率屏蔽层的退磁。
进一步的，所述磁屏蔽上盖和磁屏蔽主体上的消磁线圈均为两组，所述加热线圈和消磁线圈的线径均为0.1mm～1mm，所述加热线圈和消磁线圈的材料均为纯铜，从而能够实现更好的退磁效果。
作为优选的，还包括超导线圈、待测传感器和可伸缩的连接杆，所述待测传感器位于所述工作区内并与所述连接杆的下端相连，所述磁屏蔽上盖设有供所述连接杆穿出的插孔，所述超导线圈位于所述低温区内且环绕所述插孔设置。采用该结构后，超导线圈能够利用超导回路磁通守恒的原理来自动补偿外界变化的磁场，而连接杆则能够为待测传感器提供支撑，通过连接杆即可方便地调节待测传感器在工作区内的位置。
进一步的，所述连接杆的内部设有沿轴向的通孔，所述待测传感器的引线从所述通孔穿出至工作区的外部，从而避免干扰。
进一步的，所述超导线圈的线径为0.1mm～1mm，所述超导线圈的材料为铌或铌钛合金，从而能够实现更好的磁场补偿效果。
与现有技术相比，上述方案的有益效果为：
(1)本发明采用磁屏蔽主体和磁屏蔽上盖相分离的结构设计形式，由于磁屏蔽主体的工作区较大，能够安装不同尺寸大小的待测传感器。其次，屏蔽后的工作区内为常温环境，适用于对不同类型的传感器调制测试。此外，磁屏蔽主体和磁屏蔽上盖能够相互配合，使得工作区内形成封闭的常温磁屏蔽空间，有效保证了磁屏蔽效果。
(2)本发明采用金属屏蔽层、高磁导率屏蔽层以及超导屏蔽层相结合的磁屏蔽单元层设计方式，该设置方式可以对各种类型的磁场，如：高频磁场、低频磁场以及稳态场，进行有效的屏蔽。同时低温单元层的设置使得磁屏蔽单元层能够在低温环境下工作，由于金属铜在低温下的电导率高于常温近两个量级，对变化磁场的屏蔽性能会大幅度提升，而通过选择低温下磁导率和饱和磁通密度较大的Cryoperm坡莫合金作为高磁导率屏蔽层，以及具备完全抗磁性的超导材料作为超导屏蔽层，能够将外界磁场屏蔽到小于pT量级。
(3)在低温磁屏蔽上盖中设计有超导线圈，根据超导回路磁通守恒的原理可知，该超导线圈能够自动感知外界磁通的变化，进而产生变化的电流，以此来补偿外界变化的磁场，为工作区内提供稳定的“零磁”工作环境。
附图说明
图1为本发明提供的一种分离式低温磁屏蔽装置的结构示意图；
附图标记说明：
1-密封层；2-低温区；3-隔热层；4-金属屏蔽层，5-高磁导率屏蔽层，6-超导屏蔽层，7-加热线圈，8-消磁线圈，9-超导线圈，10-连接杆，11-待测传感器；a1-磁屏蔽主体；a2-工作区；b1-磁屏蔽上盖；b2-围边。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、内、外)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
请参阅图1，本发明的实施例提供的一种分离式低温磁屏蔽装置，包括：磁屏蔽主体a1和磁屏蔽上盖b1，磁屏蔽主体a1的上端面设有凹槽以形成工作区a2，磁屏蔽上盖b1的下侧设有沿周向凸起的围边b2，磁屏蔽上盖b1用于封闭工作区a2，围边b2用于抵接至磁屏蔽主体a1的外侧壁；磁屏蔽主体a1和磁屏蔽上盖b1均包括磁屏蔽单元层和低温单元层，低温单元层覆盖磁屏蔽单元层并用于为磁屏蔽单元层提供低温环境。
上述方案采用磁屏蔽主体a1和磁屏蔽上盖b1相分离的结构设计形式，由于磁屏蔽主体a1的工作区a2较大，能够安装不同尺寸大小的待测传感器11。同时，由于低温单元层的设置，磁屏蔽单元层能够在低温环境中取得更好的磁屏蔽效果，当磁屏蔽主体a1和磁屏蔽上盖b1相互配合时，工作区a2内能够形成封闭的常温磁屏蔽空间，不仅磁屏蔽效果好，而且便于操作人员在常温下对工作区a2内的待测传感器11进行操作。
在本实施例中，磁屏蔽主体a1和磁屏蔽上盖b1的外形为圆柱形、长方体形或者类半球形，从而使得结构均衡稳固，磁屏蔽效果好。
在本实施例中，低温单元层包括隔热层3和密封层1，隔热层3覆盖于密封层1的外侧，密封层1的内部设有低温区2，低温区2内填充有低温介质，磁屏蔽单元层位于低温区2内并被低温介质覆盖。隔热层3和密封层1的设置能够有效减少低温区2与外界的热交换，低温介质优选为液氮温度为77K或液氦温度为4.2K，从而维持磁屏蔽单元层能够在较佳的低温环境中工作。
磁屏蔽单元层包括金属屏蔽层4、高磁导率屏蔽层5和超导屏蔽层6，金属屏蔽层4、高磁导率屏蔽层5和超导屏蔽层6按距离工作区a2由远到近的顺序依次排布，金属屏蔽层4、高磁导率屏蔽层5和超导屏蔽层6均可为单层或多层层叠结构。金属屏蔽层4主要用于屏蔽高频磁场，高磁导率屏蔽层5和超导屏蔽层6则分别主要用于屏蔽稳态场和低频磁场。在本实施例中，金属屏蔽层4、高磁导率屏蔽层5以及超导屏蔽层6的厚度均为0.1mm～3mm，金属屏蔽层4的材料为纯铜、铝或铝镀铜，高磁导率屏蔽层5的材料为低温Cryoperm坡莫合金，超导屏蔽层6的材料为低温超导材料或高温超导材料，从而取得更好的磁屏蔽效果。
本发明采用金属屏蔽层4、高磁导率屏蔽层5以及超导屏蔽层6相结合以形成磁屏蔽单元层的设置方式，该设置方式可以对各种类型的磁场，如：高频磁场、低频磁场以及稳态场，进行有效的屏蔽。同时低温单元层的设置使得磁屏蔽单元层能够在低温环境下工作，由于金属铜在低温下的电导率高于常温近两个量级，对变化磁场的屏蔽性能会大幅度提升，而通过选择低温下磁导率和饱和磁通密度较大的Cryoperm坡莫合金作为高磁导率屏蔽层5，以及具备完全抗磁性的超导材料作为超导屏蔽层6，能够将外界磁场屏蔽到小于pT量级。
作为对上述实施例的拓展，磁屏蔽主体a1的侧壁和磁屏蔽上盖b1的围边b2均设有退磁线圈组，退磁线圈组包括加热线圈7和消磁线圈8，加热线圈7绕接于超导屏蔽层6，消磁线圈8绕接于高磁导率屏蔽层5。采用该结构后，加热线圈7能有效实现对超导屏蔽层6的退磁，而消磁线圈8则能实现对高磁导率屏蔽层5的退磁。进一步的，磁屏蔽上盖b1和磁屏蔽主体a1上的消磁线圈8均为两组且沿竖向分布，加热线圈7和消磁线圈8的线径均为0.1mm～1mm，加热线圈7和消磁线圈8的材料均为纯铜，从而能够实现更好的退磁效果。
作为对上述实施例的拓展，还包括超导线圈9、待测传感器11和可伸缩的连接杆10，待测传感器11位于工作区a2内并与连接杆10的下端相连，磁屏蔽上盖b1的中部设有供连接杆10穿出的插孔，超导线圈9位于低温区2内且环绕插孔设置。采用该结构后，连接杆10能够为待测传感器11提供支撑，通过连接杆10即可方便地调节待测传感器11在工作区a2内的位置，而根据超导回路磁通守恒的原理可知，在磁屏蔽上盖b1中设置的超导线圈9能够自动感知外界磁通的变化，进而产生变化的电流，以此来补偿外界变化的磁场，为工作区a2内提供稳定的“零磁”工作环境。
进一步的，连接杆10的内部设有沿轴向的通孔图中未示出，从而使得待测传感器11的引线能够从通孔穿出至工作区a2的外部，避免干扰。
进一步的，超导线圈9的线径为0.1mm～1mm，超导线圈9的材料为铌或铌钛合金，从而能够实现更好的磁场补偿效果。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。对本领域技术人员来说，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，包括：磁屏蔽主体(a1)和磁屏蔽上盖(b1)，所述磁屏蔽主体(a1)的上端面设有凹槽以形成工作区(a2)，所述磁屏蔽上盖(b1)的下侧设有沿周向凸起的围边(b2)，所述磁屏蔽上盖(b1)用于封闭所述工作区(a2)，所述围边(b2)用于抵接至所述磁屏蔽主体(a1)的外侧壁；所述磁屏蔽主体(a1)和磁屏蔽上盖(b1)均包括磁屏蔽单元层和低温单元层，所述低温单元层覆盖所述磁屏蔽单元层并用于为所述磁屏蔽单元层提供低温环境。
2.根据权利要求1所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述磁屏蔽主体(a1)和磁屏蔽上盖(b1)的外形为圆柱形、长方体形或者类半球形。
3.根据权利要求1所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述低温单元层包括隔热层(3)和密封层(1)，所述隔热层(3)覆盖于所述密封层(1)的外侧，所述密封层(1)的内部设有低温区(2)，所述低温区(2)内填充有低温介质，所述磁屏蔽单元层位于所述低温区(2)内并被所述低温介质覆盖，所述低温介质为液氦或液氮。
4.根据权利要求1或3所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述磁屏蔽单元层包括金属屏蔽层(4)、高磁导率屏蔽层(5)和超导屏蔽层(6)，所述金属屏蔽层(4)、高磁导率屏蔽层(5)和超导屏蔽层(6)按距离所述工作区(a2)由远到近的顺序依次排布，所述金属屏蔽层(4)、高磁导率屏蔽层(5)和超导屏蔽层(6)均可为单层或多层层叠结构。
5.根据权利要求4所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述金属屏蔽层(4)、高磁导率屏蔽层(5)以及超导屏蔽层(6)的厚度均为0.1mm～3mm，所述金属屏蔽层(4)的材料为纯铜、铝或铝镀铜，所述高磁导率屏蔽层(5)的材料为低温Cryoperm坡莫合金，所述超导屏蔽层(6)的材料为低温超导材料或高温超导材料。
6.根据权利要求4所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述磁屏蔽主体(a1)的侧壁和所述磁屏蔽上盖(b1)的围边(b2)均设有退磁线圈组，所述退磁线圈组包括加热线圈(7)和消磁线圈(8)，所述加热线圈(7)绕接于所述超导屏蔽层(6)的外壁，所述消磁线圈(8)绕接于所述高磁导率屏蔽层(5)的外壁。
7.根据权利要求6所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述磁屏蔽上盖(b1)和磁屏蔽主体(a1)上的消磁线圈(8)均为两组，所述加热线圈(7)和消磁线圈(8)的线径均为0.1mm～1mm，所述加热线圈(7)和消磁线圈(8)的材料均为纯铜。
8.根据权利要求3所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，还包括超导线圈(9)、待测传感器(11)和可伸缩的连接杆(10)，所述待测传感器(11)位于所述工作区(a2)内并与所述连接杆(10)的下端相连，所述磁屏蔽上盖(b1)设有供所述连接杆(10)穿出的插孔，所述超导线圈(9)位于所述低温区(2)内且环绕所述插孔设置。
9.根据权利要求8所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述连接杆(10)的内部设有沿轴向的通孔，所述待测传感器(11)的引线从所述通孔穿出至工作区(a2)的外部。
10.根据权利要求8所述的分离式低温磁屏蔽装置，其特征在于，所述超导线圈(9)的线径为0.1mm～1mm，所述超导线圈(9)的材料为铌或铌钛合金。
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