CN211907130U

CN211907130U - 一种矢量磁体结构

Info

Publication number: CN211907130U
Application number: CN202020825268.XU
Authority: CN
Inventors: 梅恩铭; 吴巍; 梁羽; 陈玉泉
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-18

Abstract

本实用新型涉及一种矢量磁体结构，该磁体结构包括第一线圈、第二线圈和/或第三线圈；所述第一线圈采用一对极头沿X轴方向放置的DCT二极线圈，用以产生沿X轴方向分布的Bx矢量磁场；所述第二线圈采用一对极头沿Y轴方向放置的DCT二极线圈，用于产生沿Y轴方向分布的By矢量磁场，其中，所述第二线圈设置在所述第一线圈外侧，使其空间上呈现所述第二线圈包覆所述第一线圈的结构；所述第三线圈，用于产生沿Z轴方向分布的Bz矢量磁场。本实用新型适用于高精度大样品矢量场要求的科研领域。

Description

一种矢量磁体结构

技术领域

本实用新型涉及一种磁体结构，特别是关于一种矢量场磁体结构。

背景技术

在材料科学研究中，材料物性的多物理场耦合分析是多学科交叉研究的一大热门方向。随着科学技术的发展，除了对材料本征的力学结构特性分析外，电磁耦合分析是一重要分支，它是给受测样品提供一背景电磁场，对于某些具有磁各向异性的材料，通常还需要在研究过程中改变样品与磁场方向的夹角，过程实现方式有：固定方向磁场+样品旋转或固定样品+磁场方向旋转。

矢量磁体是能够产生方向可旋转磁场的一种磁体。矢量磁体通过静态地电流控制而非机械结构旋转的方法实现磁场方向的旋转，这为实验提供了许多可能性。矢量场磁体是由三维坐标系中非同向的两对或三对二极磁体组合而成，如图1～图4所示，目前市场上的矢量磁体所用二极磁体结构，常见的有螺线管对、跑道线圈对以及马鞍型线圈对组成的二极磁体。

上述不同类型的二极磁体在组合过程中，需要设计较复杂的骨架起到支撑各线圈之间的位置分布及装配，优点是易于实现，技术成熟，缺点是磁体体积大，激磁效率较低，好场区范围小，精度差，如要求具有

圆柱样品通道的螺管型二极磁体，场质量好于±3.5％的区域球半径只有21mm，拥有相同规格样品通道的跑道型二极磁体好场区范围更小。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种结构紧凑，样品空间大，好场区大且分辨率高的矢量场磁体结构。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案为：一种矢量磁体结构，该磁体结构包括第一线圈、第二线圈和/或第三线圈；

所述第一线圈采用一对极头沿X轴方向放置的DCT二极线圈，用以产生沿X轴方向分布的Bx矢量磁场；

所述第二线圈采用一对极头沿Y轴方向放置的DCT二极线圈，用于产生沿Y轴方向分布的By矢量磁场，其中，所述第二线圈设置在所述第一线圈外侧，使其空间上呈现所述第二线圈包覆所述第一线圈的结构；

所述第三线圈，用于产生沿Z轴方向分布的Bz矢量磁场；

其中，XYZ为笛卡尔坐标系，Z轴为所述DCT二极线圈的中心轴方向，所述DCT二极线圈极头方向为Y轴，所述DCT二极线圈极间对称面上垂直于Z轴的方向为X轴。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述第三线圈放置在所述第二线圈外侧组成矢量磁体，空间结构上呈现套于所述第一线圈和第二线圈的线圈组合；

或者所述第三线圈与第一线圈和第二线圈同骨架，所述第三线圈在轴向加持所述第一线圈和第二线圈组成矢量磁体；

或者所述第三线圈内嵌于所述第一线圈内部组成矢量磁体。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述第三线圈采用螺管型磁体、跑道型磁体或马鞍型磁体。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述DCT二极线圈包括由两个单极线圈围设成的筒式电磁线，所述筒式电磁线固化在骨架上形成筒式磁体结构，所述单极线圈之间串联连接；其中，每一所述单极线圈包括间隔环绕设置的N匝电磁线圈，其中，N为整数，是设定的单极线圈的总电磁线匝数。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述筒式电磁线的电流密度J在环向分布近似呈cos(θ)的规律分布，即j_z＝j₀cos(θ)，其中，j₀为通过电磁线横截面内的电流密度，j_z为环向分布的等效电流密度Z分量，θ指以X轴为起始轴，绕Z轴逆时针旋转的角度。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述筒式电磁线在环向的位置分布满足流函数sin(θ)＝(i-1/2)/N，其中，i为电磁线序号，为{1，N}之间的任意整数。

上述的矢量磁体结构，进一步地，电流线角度分布θ_i＝Arcsin((i-1/2)/N)。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述筒式电磁线各匝的直边段坐标为(Rcos(θ_i)，Rsin(θ_i)，z)，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径，筒式电磁线各匝连续要求的弧段其坐标z满足流函数：

cos(π·(z-hl)/(2·he))·sin(θ)＝(i-1/2)/N，

其中，hl指直边段长度的一半，he指线圈弧段在z方向的最大长度。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述DCT二极线圈可以多层嵌套组合实现功能增强需求，即采用多个同轴不同R的DCT二极线圈组合成具有设定磁场要求的磁体，多层组合DCT二极线圈可采用串联或并联连接加电，也可各自独立加电，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径。

上述的矢量磁体结构，进一步地，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈均采用超导线缆制作；或者，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈均采用低导电性能的常规线缆制作。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本实用新型采用由Discrete Cosine Theta(DCT：离散电流余弦分布)型线圈和螺管组成的矢量场磁体，DCT二极线圈结构因其类三角函数分布的电流密度空间布置，可在孔区产生高质量的二极场，如同为200mm温孔区域要求的DCT型二极线圈，场质量好于±3.5％的区域半径可高达50mm，此类磁体类筒型的结构易于多层嵌套实现功能增强需求，也易于同其他结构类型的磁体集成，使矢量磁体结构具有结构紧凑，样品空间大，好场区大，分辨率高等特点；

2、本实用新型采用超导技术可实现高磁场以及三维全空间旋转磁场，可适用于高精度大样品矢量场要求的技术领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为现有矢量磁体的一种常见结构示意图；

图2为圆环型(螺管)结构磁体示意图；

图3为跑道型结构磁体示意图；

图4(a)和(b)均为马鞍型结构磁体示意图；

图5为本实用新型由三组方向相互垂直的矢量磁场叠加实现所需矢量磁场的示意图；

图6为本实用新型第一线圈和第二线圈组合而成的可实现平面旋转矢量磁场的二维空间矢量磁体结构。

图7为本实用新型第一线圈、第二线圈和第三线圈组合而成的可实现三维空间矢量磁场的三维空间矢量磁体结构。

图8为本实用新型DCT型结构二极磁体示意图；其中，

附图标记为：

1、第一线圈，11、单极线圈，2、第二线圈，3、第三线圈。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本实施例中XYZ坐标系可采用笛卡尔右手坐标系，也可采用笛卡尔左手坐标系，本实施例以图8例，本实施例定义Z轴为DCT线圈圆柱骨架的中心轴方向，通常亦为样品沿长度位置放置的方向，DCT二极线圈极头方向为Y轴，DCT二极线圈极间对称面上垂直于Z轴的方向为X轴，当然为了描述方便，本实施例的X轴、Y轴和Z轴仅作为三个坐标轴的区分性阐述，实际使用中不应被上述名称所限制，可以根据实际需要定义各坐标轴的名称。

如图5～7所示，本实施例提供的矢量磁体结构包括第一线圈1、第二线圈2和/或第三线圈3。

第一线圈1采用一对极头沿X轴方向放置的DCT二极线圈，位于矢量磁体结构的最内侧，用以产生沿X轴方向分布的Bx矢量磁场，其中，极头为多极磁体磁力线聚集的某个空间位置，例如螺管型二极磁体，其极头分别为两个螺管的几何中心区域，DCT二极线圈其极头为最内侧电流环所包围的区域。

第二线圈2采用一对极头沿Y轴方向放置的DCT二极线圈，设置在第一线圈1外侧，第二线圈2呈包覆第一线圈1的形式，用于产生沿Y轴方向分布的By矢量磁场。

第三线圈3采用一个或多个常规线圈，在磁体孔径区域产生一个沿Z轴方向分布矢量磁场；遵循紧凑结构的原则，可以设置在第二线圈2外侧(空间结构上呈现套于第一线圈1和第二线圈2的线圈组合)，或与第一线圈1和第二线圈2线圈同骨架(Z方向上第三线圈的两个线圈结构加持着第一线圈1和第二线圈2)，或内嵌于第一线圈Bx内部，用于产生沿Z轴方向分布的Bz矢量磁场；优选地，第三线圈3可以采用圆环型(螺管)、跑道型、马鞍型磁体或其他类型磁体，只要能够在温孔区产生具有一定空间分布和场质量的恒方向磁场即可，上述三组线圈共同组成三维矢量磁体结构。

本实用新型的一些实施例中，第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3可两两结合，实现二维平面矢量场磁体，例如第一线圈1和第二线圈2组合可得到在XY平面旋转变化的矢量磁场；另外，第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3还可以共同组成的矢量磁体为三维立体矢量磁体，可在内孔空间得到类长方体分布的三维矢量磁场分布。

本实用新型的一些实施例中，第一线圈1和第二线圈2均采用DCT二极线圈结构，通常两个线圈的磁场方向相互垂直。

如图8所示，DCT二极线圈结构包括两单极线圈11围设成筒式电磁线，其中，筒式电磁线固化在圆柱骨架上形成筒式磁体结构，单极线圈11之间相互串联连接，每一单极线圈11包括间隔环绕设置的N匝电磁线圈，其中，N为正整数，是指设定的单极线圈11的总电磁线匝数，筒式电磁线分布易于实现不同DCT二极线圈的嵌套，即易于实现性能增强或者组合功能设计，即可以采用多个同轴不同R的DCT二极线圈组合成具有设定磁场要求的磁体，多层组合DCT二极线圈可采用串联或并联连接加电，也可各自独立加电，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径。

DCT线圈结构以离散电流线位置的方式近似实现电流密度的cos(mθ)分布需求，其中，筒式电磁线的等效电流密度j_z在环向分布近似呈cosm(θ规律分布，即j_z＝j₀cos(mθ，其中，j₀为通过电磁线横截面的电流密度，j_z为环向分布的等效电流密度Z分量，为纯2m极磁场真正所需的电流。m指线圈由2m个单极构成，m＝1时，可设计得到一个在电磁线所包围(gap)空间以较高均匀度分布的二极磁场，即得到DCT二极线圈，θ指以X轴为起始轴，绕Z轴逆时针旋转的角度。筒式电磁线在环向(指沿θ增长的方向)的位置分布满足流函数sin(mθ)＝(i-1/2)/N，i为电磁线序号，为{1，N}之间的任意整数；θ为对应于第i匝电磁线的位置角度。通过流函数可得到2m极磁场所需的电流线角度分布θ_i＝Arcsin((i-1/2)/N)/m。由此，筒式电磁线各匝的直边段坐标为(Rcos(mθ_i)，Rsin(mθ_i)，z)，R为电磁线在极坐标下的分布半径；筒式电磁线各匝连续要求的弧段，其坐标z满足流函数：cos(π·(z-hl)/(2·he))·sin(mθ)＝(i-1/2)/N，以修正非无限长线圈的尾场效应，从而使磁体的整体积分场质量最佳，其中，hl指直边段长度的一半；he指线圈弧段在z方向的最大长度；弧段电磁线位置可依需求设置不同的流函数，例如相邻匝一致间距分布(相邻匝间距始终保持一致)或弧段最远端等间距分布等(仅对弧段最远端匝间距控制，以保证最佳匝密度而不至匝间空间干涉)。当然，DCT二极线圈结构的线圈的层匝、运行电流、最高磁场、线圈长度等参数具体依用户物理要求进行设计，如图6所示，DCT二极线圈的层匝N＝40，电流密度J₀＝594A/mm²，骨架半径R＝100mm，好场区磁场By＝0.5T，磁体长度L＝500。

本实用新型的一些实施例中，第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3分别单独供电，用户可依据测试标定的手册数据控制电源得到所需大小、方向的矢量磁场，亦可通过传感器闭环反馈调整得到所需磁场，如图6所示，是由相互垂直布置的第一线圈1和第二线圈2组成的二维XY平面矢量磁体，现实验测得当仅给第一线圈1通I＝150A电流时，温孔中心区域可产生(0.5T，0T，0T)的矢量磁场，同样测得仅给第二线圈2通I＝150A电流时，温孔中心区域产生(0T，0.5T，0T)的矢量磁场，那么需要在温孔中心区域产生(0.5T，0.5T，0T)的矢量磁场时，只要同时给第一线圈1和第二线圈2通I＝150A的电流即可，以此为例，可以根据需要进行选择。

本实用新型的一些实施例中，第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3的电磁线可使用铜、铝等低导电性能的常规导线缆制作，亦可用包括NbTi，Nb₃Sn等在内的超导线缆制作。

本实用新型的一些实施例中，第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3可共用同一支撑骨架，也可各自单独分立，最后组装成矢量磁体，支撑骨架的具体结构不做限定，可以根据实际情况采用相应结构。

本实用新型的一些实施例中，三组线圈磁场方向夹角亦可以非垂直，以适应特殊磁场要求的磁体，具体可以根据实际要求进行确定。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1.一种矢量磁体结构，其特征在于，该磁体结构包括第一线圈、第二线圈和/或第三线圈；

所述第三线圈，用于产生沿Z轴方向分布的Bz矢量磁场；

2.根据权利要求1所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述第三线圈放置在所述第二线圈外侧组成矢量磁体，空间结构上呈现套于所述第一线圈和第二线圈的线圈组合；

或者所述第三线圈内嵌于所述第一线圈内部组成矢量磁体。

3.根据权利要求2所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述第三线圈采用螺管型磁体、跑道型磁体或马鞍型磁体。

4.根据权利要求1所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述DCT二极线圈包括由两个单极线圈围设成的筒式电磁线，所述筒式电磁线固化在骨架上形成筒式磁体结构，所述单极线圈之间串联连接；其中，每一所述单极线圈包括间隔环绕设置的N匝电磁线圈，其中，N为整数，是设定的单极线圈的总电磁线匝数。

5.根据权利要求4所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述筒式电磁线的电流密度J在环向分布近似呈cos(θ)的规律分布，即j_z＝j₀ cos(θ)，其中，j₀为通过电磁线横截面内的电流密度，j_z为环向分布的等效电流密度Z分量，θ指以X轴为起始轴，绕Z轴逆时针旋转的角度。

6.根据权利要求5所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述筒式电磁线在环向的位置分布满足流函数sin(θ)＝(i-1/2)/N，其中，i为电磁线序号，为{1，N}之间的任意整数。

7.根据权利要求6所述的矢量磁体结构，其特征在于，电流线角度分布θ_i＝Arcsin((i-1/2)/N)。

8.根据权利要求7所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述筒式电磁线各匝的直边段坐标为(Rcos(θ_i)，Rsin(θ_i)，z)，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径，筒式电磁线各匝连续要求的弧段其坐标z满足流函数：

cos(π·(z-hl)/(2·he))·sin(θ)＝(i-1/2)/N，

9.根据权利要求1所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述DCT二极线圈可以多层嵌套组合实现功能增强需求，即采用多个同轴不同R的DCT二极线圈组合成具有设定磁场要求的磁体，多层组合DCT二极线圈可采用串联或并联连接加电，也可各自独立加电，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径。

10.根据权利要求1～9任一项所述的矢量磁体结构，其特征在于，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈均采用超导线缆制作；

或者，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈均采用低导电性能的常规线缆制作。