一种基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法，涉及弱磁补偿的匀场线圈技术领域，本方法包括步骤S1：双平面线圈由匀场线圈和屏蔽线圈两组构成，在平面线圈中间设置均匀磁场的目标区，在平面线圈和屏蔽房铁磁边界之间设置屏蔽区；S2：选取离散方式得到目标区和屏蔽区的有序排列的离散点坐标，根据离散点个数得到目标矩阵；S3：利用镜像法根据线圈平面与磁屏蔽房铁磁边界处的距离关系得到镜像电流。本方法能够抑制线圈与铁磁边界之间的耦合作用，提高真实磁屏蔽房环境中平面线圈目标区域的均匀度。面线圈目标区域的均匀度。面线圈目标区域的均匀度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法


[0001]本专利技术涉及弱磁补偿的匀场线圈
，具体而言，涉及一种基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着量子理论的快速发展与量子传感器的日益成熟，以原子作为敏感介质的元器件得到了空前的关注，部分原子器件已经突破原有的测试极限，并走入工程应用，这对传感器的测试环境也提出了新的要求。磁性作为物质的基本属性，磁场环境作为重要的环境因素和科学研究条件，是磁科学技术发展的重要基础。原子磁强计作为新型的量子器件已经超越超导量子干涉仪，使人类磁场测量灵敏度从fT级进入aT级，并且在人体极弱磁测量、惯性测量、物理学基础研究等诸多领域逐步开始应用，需要利用零磁装置提供符合要求的弱磁测试环境。
[0003]弱磁环境的产生需要采用磁屏蔽技术，磁屏蔽技术主要基于以磁屏蔽结构和材料为重点的被动磁屏蔽技术和以通电线圈为重点的主动磁补偿系统。主动磁补偿系统主要通过控制线圈产生的磁场来补偿磁屏蔽装置内的剩磁，从而提升空间内磁场屏蔽的效果。主动磁补偿系统由高均匀性补偿线圈与动态磁场控制系统构成。双平面补偿线圈通常放置于磁屏蔽房内使用，磁屏蔽房的铁磁边界一般是由高磁导率的坡莫合金组成，这种高磁导率的材料具有汇聚磁力线的作用，因此会放大内部线圈的的磁场分布，造成线圈常数增加，均匀性严重减小。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的问题是如何抑制线圈与铁磁边界之间的耦合作用，提高真实磁屏蔽房环境中平面线圈目标区域的均匀度。
>[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法，包括步骤：
[0006]S1：双平面线圈由匀场线圈和屏蔽线圈两组构成，在平面线圈中间设置均匀磁场的目标区，在平面线圈和屏蔽房铁磁边界之间设置屏蔽区；
[0007]S2：选取离散方式得到目标区和屏蔽区的有序排列的离散点坐标，根据离散点个数得到目标矩阵；
[0008]S3：利用镜像法根据线圈平面与磁屏蔽房铁磁边界处的距离关系得到镜像电流；
[0009]S4：通过毕奥—萨伐尔定理建立平面线圈的原电流和镜像电流的叠加值与离散点的磁场矩阵，利用Tikhonov正则化求解矩阵得到两组平面线圈的流函数；离散流函数得到平面线圈绕组和两组平面电流比值关系。
[0010]在上述方法中，利用平面线圈自屏蔽设计和镜像法结合使其在目标区域产生均匀的磁场，在屏蔽区域磁场快速衰减，在磁屏蔽房的铁磁边界处耦合效应降低，从而提高在真实磁屏蔽房环境中平面线圈目标区域的均匀度。
[0011]进一步地，所述步骤S2中离散目标区与屏蔽区得到有序排列的离散点坐标为r
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
)，平面线圈上的电流的坐标为r＝(x,y,z)。
[0012]进一步地，所述步骤S3中根据镜像法叠加原理将空间任一点的磁场值有原电流和镜像电流叠加，平面电流的坐标为r
s
＝(x
s
,y
s
,z
s
)。
[0013]进一步地，所述步骤S4中根据毕奥—萨伐尔定理：
[0014][0015]得到电流密度和磁场的关系：
[0016][0017][0018][0019]其中，和分别表示为镜像电流和原电流的叠加后两块匀场线圈对目标点产生的磁场矩阵；α表示为镜像展开阶数；i，j，k分别表示为X，Y，Z方向的镜像展开。
[0020]进一步地，匀场线圈流函数坐标x
s1
，y
s1
，z
s1
分别表示为：
[0021][0022][0023][0024]其中，INT()表示为取整函数；h
11
，h
12
分别表示为匀场线圈与上边下边屏蔽仓表面的距离，即X方向；w
11
，w
12
分别表示为匀场线圈与前边后边屏蔽仓表面的距离，即Y方向；l
11
，l
12
分别表示为匀场线圈与左边右边屏蔽仓表面的距离，即Z方向；D1表示为平面线圈位于中心点的Z方向位置；
[0025]屏蔽线圈为B
x2
(x
i
,y
i
,z
i
)；
[0026]根据匀场线圈和屏蔽线圈电流方向相反，得到任一点X方向的磁场值为：B
x
＝B
x1
‑
B
x2
。
[0027]进一步地，选取线圈总功率为约束项，通过Tikhonov正则化求解，利用最小二乘法，将B
x
＝B
target
转变为误差函数形式：
[0028]||AP
‑
b||2+αP
T
GP
→
min；
[0029]其中，A表示为磁场矩阵，P表示为二维傅里叶级数参数即流函数矩阵，α表示为正则化参数，G表示为线圈总功率矩阵；
[0030]求解矩阵分别得到匀场线圈和屏蔽线圈的流函数，离散流函数得到线圈绕组。
[0031]本专利技术采用上述技术方案包括以下有益效果：
[0032]本专利技术能够基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法，解决了平面线圈和磁屏蔽房铁磁边界耦合效应过大，单一镜像法得到的真实磁屏蔽房环境中平面线圈目标区域均匀度减小的问题，有效的抑制了铁磁边界与平面线圈的耦合效应，从而提高在真实磁屏蔽房环境中平面线圈目标区域的均匀度。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例提供的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法流程图；
[0034]图2为本专利技术实施例提供的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法中Bx的线圈绕组；
[0035]图3为本专利技术实施例提供的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法中线圈的参数示意图；
[0036]图4为本专利技术实施例提供的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法中离散目标区和屏蔽区的结构示意图；
[0037]图5为本专利技术实施例提供的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法中磁屏蔽房和双平面线圈的结构示意图；
[0038]附图标记说明：
[0039]1‑
磁屏蔽房门、2
‑
磁屏蔽房外层、3
‑
磁屏蔽房内层、4
‑
通风孔、5
‑
波导孔、6
‑
支撑孔、7
‑
屏蔽线圈、8
‑
匀场线圈、9
‑
屏蔽区离散点、10
‑
目标区离散点。
具体实施方式
[0040]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法，其特征在于，包括步骤：S1：双平面线圈由匀场线圈和屏蔽线圈两组构成，在平面线圈中间设置均匀磁场的目标区，在平面线圈和屏蔽房铁磁边界之间设置屏蔽区；S2：选取离散方式得到目标区和屏蔽区的有序排列的离散点坐标，根据离散点个数得到目标矩阵；S3：利用镜像法根据线圈平面与磁屏蔽房铁磁边界处的距离关系得到镜像电流；S4：通过毕奥—萨伐尔定理建立平面线圈的原电流和镜像电流的叠加值与离散点的磁场矩阵，利用Tikhonov正则化求解矩阵得到两组平面线圈的流函数；离散流函数得到平面线圈绕组和两组平面电流比值关系。2.根据权利要求1所述的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法，其特征在于，所述步骤S2中离散目标区与屏蔽区得到有序排列的离散点坐标为r
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
)，平面线圈上的电流的坐标为r＝(x,y,z)。3.根据权利要求2所述的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法，其特征在于，所述步骤S3中根据镜像法叠加原理将空间任一点的磁场值有原电流和镜像电流叠加，平面电流的坐标为r
s
＝(x
s
,y
s
,z
s
)。4.根据权利要求3所述的基于磁屏蔽房铁磁边界耦合的双平面线圈设计方法，其特征在于，所述步骤S4中根据毕奥—萨伐尔定理：得到电流密度和磁场的关系：得到电流密度和磁场的关系：得到电流密度和磁场的关系：其中，和分别表示为镜像电流和原电流的叠加后两块匀场线圈对目标点产生的磁场矩阵；α表示为镜像展开阶数；i，j，k分别表示为X，Y，Z方向的镜像展开；其中，L
x1
表示为匀场线圈尺寸；m，n表示为二维傅里叶展开阶数；Pmn1表示为匀场线圈系数矩阵；x
s1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩邦成，陈忆闽，文通，刘习凯，方云飞，上官晟翌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：