CN115087342B - 一种双层真空超导磁屏蔽系统及原子磁强计 - Google Patents

一种双层真空超导磁屏蔽系统及原子磁强计 Download PDF

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Abstract

本发明的一种双层真空超导磁屏蔽系统及原子磁强计，原子磁强计采用该双层真空超导磁屏蔽系统，包括抗电磁干扰线圈、真空腔体、低温容器、多层磁屏蔽筒。所述的抗电磁干扰线圈由x、y、z三轴闭合超导线圈组成，能够保持中心区域内磁场不受外界磁场干扰；所述的真空腔体由内外两层结构组成，内层结构隔绝内部高温对磁屏蔽结构的影响，外层结构能够减少液氮挥发延长工作时间；所述的低温容器用于存储液氮，能够使超导线圈至少维持2小时的超导态；所述的磁屏蔽筒用于屏蔽外界磁场，本发明提出的超导磁屏蔽系统减小了内部高温对磁屏蔽结构的影响，磁场稳定性强，磁场噪声低，能够提供稳定的零磁环境。

Description

一种双层真空超导磁屏蔽系统及原子磁强计
技术领域
本发明属于量子精密测量仪器技术领域，具体涉及一种双层真空超导磁屏蔽系统及原子磁强计。
背景技术
在弱磁测量技术当中，以碱金属原子气室为敏感元件的原子磁强计往往需要在一定的工作空间区域内获得稳定的磁场，如光泵磁强计、原子自旋磁强计等。同时内部敏感元件需要高温稳定加热，使得气室内有足够数量的气态原子与激光相互作用，因此必须在原子气室外增加一个高温稳定加热结构。然而，环境磁场每时每刻都在发生变化，其中地球磁场本身会以每天几十到上百nT不等的幅度缓慢地进行变化。所以，为了获得稳定的空间磁场，就需要对环境磁场进行屏蔽。
目前普遍采用的磁场屏蔽方式有：被动磁屏蔽和主动磁补偿。其中被动磁屏蔽，采用高磁导率材料构成闭合腔体，根据磁路分流原理外磁场的磁感应线绝大部份将沿着材料内壁通过，而进入腔体内部的磁通量极少，构成腔体的材料磁导率越大、壁厚愈厚、结构体积越小，屏蔽效果越好。常用的高磁导率材料有硅钢、坡莫合金、铁氧体、非晶态合金等。主动磁补偿是利用通电线圈产生的磁场对外磁场补偿实现的，实际使用过程中需要实时监测外磁场大小并根据复杂计算改变内部通电电流大小，对外磁场实时补偿。
现有原子磁强计采用多层磁屏蔽结构，外层通常使用高磁导率的坡莫合金材料制成多层磁屏蔽筒隔绝大部分磁场，内层使用铁氧体材料的磁屏蔽筒，其本身磁噪声低于坡莫合金材料，但同样会受内部加热结构的影响产生热磁噪声，制约着原子磁强计灵敏度进一步的提升，同时由于铁氧体材料容易脆裂，所产生的铁屑会引入杂散磁场。因此需要发明新的磁屏蔽结构来克服上述问题。
发明内容
为了克服现有磁屏蔽系统磁场稳定性不足和铁氧体材料存在较大磁场噪声的缺点，本发明提出一种超导磁屏蔽结构，具有磁场抗干扰能力强和结构紧凑等优点，适用于磁测量装置。实际上，这一技术发明思想可适用于需要高稳定高性能磁屏蔽结构的精密仪器。
为实现上述目的，本发明提供如下设计方案：
本发明超导磁屏蔽结构包括抗电磁干扰线圈、低温容器、真空腔体、多层磁屏蔽筒，所述的抗电磁干扰线圈由三轴超导线圈Z轴线圈、X轴线圈、Y轴线圈组成，所述的真空腔体设置于多层磁屏蔽筒内部，真空腔体由内层真空腔体和外层真空腔体组成；所述的低温容器包括X-Y轴低温容器和Z轴低温容器，X-Y轴低温容器位于内层真空腔体的上下两端，X-Y轴低温容器上设有所述X轴线圈和Y轴线圈，Z轴低温容器位于X-Y轴低温容器的外部，Z轴低温容器上设有所述Z轴线圈；所述抗电磁干扰线圈、低温容器、真空腔体、多层磁屏蔽筒同心。
作为优选，所述的X-Y轴低温容器包括X-Y轴低温容器外壳、X-Y轴低温容器端盖、X-Y轴低温容器支撑骨架，所述的X-Y轴低温容器支撑骨架设置于内层真空腔体上下两端，X-Y轴低温容器支撑骨架的外部设置所述X-Y轴低温容器端盖，X-Y轴低温容器支撑骨架远离中心的一端设置X-Y轴低温容器外壳。
作为优选，所述的X-Y轴低温容器外壳和X-Y轴低温容器支撑骨架上均设有X轴线圈和Y轴线圈，所述的X轴线圈和Y轴线圈等间距交替设置在X-Y轴低温容器外壳和X-Y轴低温容器支撑骨架的外圈表面；所述X轴线圈由两级关于x轴对称的鞍型线圈对组成，包括第一级X轴线圈一、第一级X轴线圈二、第二级X轴线圈一、第二级X轴线圈二，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等，不同级线圈的结构相同，半张角相同，第二级X轴线圈一、第二级X轴线圈二的圆弧段半径和直线段长度均大于第一级X轴线圈一、第一级X轴线圈二，所述Y轴线圈包括第一级Y轴线圈一、第一级Y轴线圈二、第二级Y轴线圈一、第二级Y轴线圈二，其由X轴线圈绕Z轴旋转90度而成；所述的X轴线圈和Y轴线圈的半张角均小于90°。
作为优选，所述的Z轴低温容器包括Z轴低温容器支撑骨架、Z轴低温容器端盖、液氮进出管路，所述Z轴低温容器支撑骨架固定在外层真空腔体的内壁上，Z轴低温容器支撑骨架的内侧设有Z轴低温容器端盖，Z轴低温容器端盖上设有液氮进出管路。
作为优选，所述的Z轴低温容器支撑骨架上设有Z轴线圈，所述的Z轴线圈由两级同轴且关于中心对称的亥姆霍兹超导圆形线圈构成，包括第一级Z轴线圈一、第一级Z轴线圈二、第二级Z轴线圈一、第二级Z轴线圈二，4个线圈分别位于不同且相互平行的平面上，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等。
作为优选，所述的抗电磁干扰线圈的材料为第二代高温超导铋系BSCCO或者钇系YBCO带材，所述的低温容器采用无磁材料泡沫EVA，同时内表面贴聚酯薄膜，维持内部低温环境；所述的X-Y轴低温容器和Z轴低温容器之间连通互相连通，构成闭合回路。
作为优选，所述的Z轴线圈绕制在Z轴低温容器支撑骨架上，所述的X轴线圈和Y轴线圈绕制在X-Y轴低温容器支撑骨架上，浸泡在液氮中。
作为优选，所述的外层真空腔体为无磁不锈钢，在三轴方向开孔，在Y轴和Z轴开孔处嵌入石英玻璃窗镜；在X轴开孔处通过液氮进出管路，用于添加和排出低温容器内的液氮；所述的内层真空腔体为无磁不锈钢或石英玻璃，材料为无磁不锈钢时仅在Y轴和Z轴开孔且在开孔处嵌入石英玻璃窗镜，材料为石英玻璃时无需开孔。
作为优选，所述的抗电磁干扰线圈同侧不同级的线圈间利用超导搭接的方式串联焊接构成闭合回路，所用的连接线需与线圈材料相同。
作为优选，所述的低温容器采用O型密封圈等真空封堵组件密封，确保内部真空度满足需求。
作为优选，所述的抗电磁干扰Z轴线圈绕制在Z轴低温容器支撑骨架上，所述的抗电磁干扰线圈X轴线圈和Y轴线圈绕制在X-Y轴低温容器支撑骨架上，线圈浸泡在液氮中。
作为优选，所述的多层磁屏蔽筒材料为硅钢或坡莫合金或非晶态合金等高磁导率材料，在三轴方向上开孔。
作为优选，所述的多层磁屏蔽筒与真空腔体的安装支撑结构采用低导热系数、无磁材料，如陶瓷。
作为优选，所述的多层磁屏蔽筒之间铺设水冷管的方式，降低结构温度，延长液氮保温时间。
本发明还提供了一种原子磁强计，包括上述双层真空超导磁屏蔽系统和碱金属原子气室，所述的双层真空超导磁屏蔽系统位于碱金属原子气室的外部，用于给碱金属原子气室提供无磁环境。
本发明的有益效果为，所设计的超导磁屏蔽结构采用三轴抗电磁干扰超导线圈设计，相比于使用铁氧体等软磁材料构成的屏蔽系统，具有内部磁场稳定性高、磁场噪声低的特点，为原子磁强计提供了稳定的零磁环境；采用双层真空腔体设计，不仅能够隔绝内部高温加热对磁屏蔽结构的影响，还能维持低温容器的内部温度稳定，减少液氮挥发损耗，延长装置工作时间。
附图说明
图1为双层真空超导磁屏蔽系统的结构示意图；
图2为双层真空超导磁屏蔽系统的截面示意图；
图3为Z轴线圈的结构示意图；
图4为X轴线圈的结构示意图；
图5为Y轴线圈的结构示意图；
图6为X、Y、Z三轴抗电磁干扰超导线圈的空间分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方法进一步说明本发明。
如图1-图2所示，本发明的一种双层真空超导磁屏蔽系统，包括抗电磁干扰线圈、低温容器4、真空腔体5、多层磁屏蔽筒6，所述的抗电磁干扰线圈由三轴超导线圈Z轴线圈1、X轴线圈2、Y轴线圈3组成，所述的真空腔体5设置于多层磁屏蔽筒6内部，真空腔体5由内层真空腔体501和外层真空腔体502组成；所述的低温容器4包括X-Y轴低温容器41和Z轴低温容器42，X-Y轴低温容器41位于内层真空腔体501的上下两端，X-Y轴低温容器41上设有所述X轴线圈2和Y轴线圈3，Z轴低温容器42位于内层真空腔体501的左右两端，Z轴低温容器42上设有所述Z轴线圈1；所述抗电磁干扰线圈、低温容器4、真空腔体5、多层磁屏蔽筒6同心；所述的X-Y轴低温容器41包括X-Y轴低温容器外壳401、X-Y轴低温容器端盖402、X-Y轴低温容器支撑骨架403，所述的X-Y轴低温容器支撑骨架403设置于X-Y轴低温容器41的外部，X-Y轴低温容器支撑骨架403的外部设置所述X-Y轴低温容器端盖402，X-Y轴低温容器支撑骨架403远离中心的一端设置X-Y轴低温容器外壳401，所述的X-Y轴低温容器外壳401和X-Y轴低温容器支撑骨架403上均设有X轴线圈2和Y轴线圈3，所述的X轴线圈2和Y轴线圈3等间距交替设置在X-Y轴低温容器外壳401和X-Y轴低温容器支撑骨架403的外圈表面，所述的Z轴低温容器42包括Z轴低温容器支撑骨架404、Z轴低温容器端盖405、液氮进出管路406，所述Z轴低温容器支撑骨架404固定在外层真空腔体502的内壁上，Z轴低温容器支撑骨架404的内侧设有Z轴低温容器端盖405，Z轴低温容器端盖405上设有液氮进出管路406，所述的抗电磁干扰线圈的材料为第二代高温超导铋系BSCCO或者钇系YBCO带材，所述的低温容器4采用无磁材料泡沫EVA，同时内表面贴聚酯薄膜，维持内部低温环境；所述的X-Y轴低温容器41和Z轴低温容器42之间连通互相连通，构成闭合回路；所述的Z轴线圈1绕制在Z轴低温容器支撑骨架404上，所述的X轴线圈2和Y轴线圈3绕制在X-Y轴低温容器支撑骨架403上，浸泡在液氮中；所述的外层真空腔体502为无磁不锈钢，在三轴方向开孔，在Y轴和Z轴开孔处嵌入石英玻璃窗镜；在X轴开孔处通过液氮进出管路406，用于添加和排出低温容器4内的液氮；所述的内层真空腔体501为无磁不锈钢或石英玻璃，材料为无磁不锈钢时仅在Y轴和Z轴开孔且在开孔处嵌入石英玻璃窗镜，材料为石英玻璃时无需开孔；所述的多层磁屏蔽筒材料为坡莫合金，在三轴方向上开孔。
如图3所示，Z轴低温容器支撑骨架404上设有Z轴线圈1，所述的Z轴线圈1由两级同轴且关于中心对称的亥姆霍兹超导圆形线圈构成，包括第一级Z轴线圈一102、第一级Z轴线圈二103、第二级Z轴线圈一101、第二级Z轴线圈二104，4个线圈分别位于不同且相互平行的平面上，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等，第一级Z轴线圈一102和第二级Z轴线圈一101之间通过超导连接线105和106通过搭接的方式串联连接，第一级Z轴线圈二103和第二级Z轴线圈二104之间通过超导连接线107和108通过搭接的方式串联连接。
如图4和图5所示，所述X轴线圈2由两级关于x轴对称的鞍型线圈对组成，包括第一级X轴线圈一202、第一级X轴线圈二203、第二级X轴线圈一201、第二级X轴线圈二204，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等，不同级线圈的结构相同，半张角相同，第二级X轴线圈一201、第二级X轴线圈二204的圆弧段半径和直线段长度均大于第一级X轴线圈一202、第一级X轴线圈二203，所述Y轴线圈3包括第一级Y轴线圈一302、第一级Y轴线圈二303、第二级Y轴线圈一301、第二级Y轴线圈二304，其由X轴线圈2绕Z轴旋转90度而成；所述的X轴线圈2和Y轴线圈3的半张角均小于90°，第一级X轴线圈一202和第二级X轴线圈一201之间通过超导连接线205和206通过搭接的方式串联连接，第一级X轴线圈二203和第二级X轴线圈二204之间通过超导连接线207和208通过搭接的方式串联连接，第一级Y轴线圈一302和第二级Y轴线圈一301之间通过超导连接线305和306通过搭接的方式串联连接，第一级Y轴线圈二303和第二级Y轴线圈二304之间通过超导连接线307和308通过搭接的方式串联连接。
根据上述设计，抗电磁干扰线圈组成三轴抗电磁干扰超导线圈结构，其空间结构如图6所示。当所述结构受到外来磁场干扰时，三轴抗电磁干扰线圈组由于超导线圈的完全抗磁通特性会在闭合线圈回路中感应出电流抵消外来磁场，从而使原子气室处的磁场稳定，有利于原子磁强计的稳定运行。
由于上述线圈带材在加工、绕制、装配等过程中不可避免地会引入误差，因此在整体装配前需要对三轴抗电磁干扰超导线圈结构进行调试。在上述结构外部施加周期变化的磁场，同时在其内部中心点处布置磁通门磁强计，分别调整抗电磁干扰线圈组Z轴线圈1中两级线圈之间的轴向距离以及X轴线圈2、Y轴线圈3的线圈匝数和径向间距，保证中心区域内磁场不受外界磁场干扰。
将调试完成后的三轴抗电磁干扰超导线圈结构装配至结构中，使用时首先打开真空泵，使真空腔体5内的真空度满足要求，然后通过液氮进出管路406使低温容器4灌满液氮，三轴抗电磁干扰超导线圈加入超导状态。
本发明的一种原子磁强计，包括上述双层真空超导磁屏蔽系统和碱金属原子气室，所述的双层真空超导磁屏蔽系统位于碱金属原子气室的外部，用于给碱金属原子气室提供无磁环境。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。但凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在的本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双层真空超导磁屏蔽系统，包括抗电磁干扰线圈、低温容器（4）、真空腔体（5）、多层磁屏蔽筒（6），所述的抗电磁干扰线圈由三轴超导线圈Z轴线圈（1）、X轴线圈（2）、Y轴线圈（3）组成，其特征在于：所述的真空腔体（5）设置于多层磁屏蔽筒（6）内部，真空腔体（5）由内层真空腔体（501）和外层真空腔体（502）组成；所述的低温容器（4）包括X-Y轴低温容器（41）和Z轴低温容器（42），X-Y轴低温容器（41）位于内层真空腔体（501）的上下两端，X-Y轴低温容器（41）上设有所述X轴线圈（2）和Y轴线圈（3），Z轴低温容器（42）位于X-Y轴低温容器（41）的外部，Z轴低温容器（42）上设有所述Z轴线圈（1）；所述抗电磁干扰线圈、低温容器（4）、真空腔体（5）、多层磁屏蔽筒（6）同心；
所述的X-Y轴低温容器（41）包括X-Y轴低温容器外壳（401）、X-Y轴低温容器端盖（402）、X-Y轴低温容器支撑骨架（403），所述的X-Y轴低温容器支撑骨架（403）设置于内层真空腔体（501）上下两端，X-Y轴低温容器支撑骨架（403）的外部设置所述X-Y轴低温容器端盖（402），X-Y轴低温容器支撑骨架（403）远离中心的一端设置X-Y轴低温容器外壳（401）；
所述的Z轴低温容器（42）包括Z轴低温容器支撑骨架（404）、Z轴低温容器端盖（405）、液氮进出管路（406），所述Z轴低温容器支撑骨架（404）固定在外层真空腔体（502）的内壁上，Z轴低温容器支撑骨架（404）的内侧设有Z轴低温容器端盖（405），Z轴低温容器端盖（405）上设有液氮进出管路（406）。
2.根据权利要求1所述的一种双层真空超导磁屏蔽系统，其特征在于：所述的X-Y轴低温容器外壳（401）和X-Y轴低温容器支撑骨架（403）上均设有X轴线圈（2）和Y轴线圈（3），所述的X轴线圈（2）和Y轴线圈（3）等间距交替设置在X-Y轴低温容器外壳（401）和X-Y轴低温容器支撑骨架（403）的外圈表面；所述X轴线圈（2）由两级关于x轴对称的鞍型线圈对组成，包括第一级X轴线圈一（202）、第一级X轴线圈二（203）、第二级X轴线圈一（201）、第二级X轴线圈二（204），同一级的一对线圈匝数相同，半径相等，不同级线圈的结构相同，半张角相同，第二级X轴线圈一（201）、第二级X轴线圈二（204）的圆弧段半径和直线段长度均大于第一级X轴线圈一（202）、第一级X轴线圈二（203），所述Y轴线圈（3）包括第一级Y轴线圈一（302）、第一级Y轴线圈二（303）、第二级Y轴线圈一（301）、第二级Y轴线圈二（304），其由X轴线圈（2）绕Z轴旋转90度而成；所述的X轴线圈（2）和Y轴线圈（3）的半张角均小于90°。
3.根据权利要求1所述的一种双层真空超导磁屏蔽系统，其特征在于：所述的Z轴低温容器支撑骨架（404）上设有Z轴线圈（1），所述的Z轴线圈（1）由两级同轴且关于中心对称的亥姆霍兹超导圆形线圈构成，包括第一级Z轴线圈一（102）、第一级Z轴线圈二（103）、第二级Z轴线圈一（101）、第二级Z轴线圈二（104），4个线圈分别位于不同且相互平行的平面上，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等，同时同侧不同级的线圈间利用超导搭接的方式串联焊接构成闭合回路。
4.根据权利要求1所述的一种双层真空超导磁屏蔽系统，其特征在于：所述的抗电磁干扰线圈的材料为第二代高温超导铋系BSCCO或者钇系YBCO带材，所述的低温容器（4）采用无磁材料泡沫EVA，同时内表面贴聚酯薄膜；所述的X-Y轴低温容器（41）和Z轴低温容器（42）之间连通互相连通，构成闭合回路。
5.根据权利要求1所述的一种双层真空超导磁屏蔽系统，其特征在于：所述的Z轴线圈（1）绕制在Z轴低温容器支撑骨架（404）上，所述的X轴线圈（2）和Y轴线圈（3）绕制在X-Y轴低温容器支撑骨架（403）上，浸泡在液氮中。
6.根据权利要求1所述的一种双层真空超导磁屏蔽系统，其特征在于：所述的外层真空腔体（502）为无磁不锈钢，在三轴方向开孔，在Y轴和Z轴开孔处嵌入石英玻璃窗镜；在X轴开孔处通过液氮进出管路（406），用于添加和排出低温容器（4）内的液氮；所述的内层真空腔体（501）为无磁不锈钢或石英玻璃，材料为无磁不锈钢时仅在Y轴和Z轴开孔且在开孔处嵌入石英玻璃窗镜，材料为石英玻璃时无需开孔。
7.根据权利要求1所述的一种双层真空超导磁屏蔽系统，其特征在于：所述的多层磁屏蔽筒（6）材料为坡莫合金，在三轴方向开孔。
8.一种原子磁强计，其特征在于，包括：权利要求1-7任一项所述的双层真空超导磁屏蔽系统和碱金属原子气室，所述的双层真空超导磁屏蔽系统位于碱金属原子气室的外部，用于给碱金属原子气室提供无磁环境。
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