[发明专利]被动抵消式磁屏蔽装置

权利要求书

1.一种被动抵消式磁屏蔽装置，其特征在于，第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)、第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)、第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)和第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)同轴排列，其中，第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)和第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)半径相等，匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与第一级亥姆霍兹线圈半径相同，组成第一级亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为N1，第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)和第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)半径相等，匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与第二级亥姆霍兹线圈半径相同，组成第二级亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为N2，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈的匝数比α＝N₁/N₂，第二级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径r₂大于第一级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径r₁，第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)与第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)的间距大于第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)与第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)的间距，上述四个线圈均支撑在导轨(5)上，并可在导轨(5)上轴向移动；所述第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)、第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)、第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)和第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)均为用超导线材或者超导带材绕制的超导线圈，第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)、第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)、第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)和第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)依次同向串联焊接构成整体的闭合回路；一组第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈构成被动抵消式磁屏蔽装置；

所述第一级亥姆霍兹屏蔽线圈每个线圈的匝数N₁、第二级亥姆霍兹屏蔽线圈每个线圈的匝数N₂以及匝数比α＝N₁/N₂按如下步骤确定：

步骤1)求解不同匝数比下，在外磁场激励下分别在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中产生的安匝数N₁I和N₂I：

四个线圈之间以同向串联的方式连接构成的串联闭合回路在变化外磁场下的等效电路简化为电感电阻串联电路，每个线圈分别等效为电感与电阻的串联元件，假设外磁场以B₀sin(ωt)正弦变化，B₀为外磁场幅值，在此情况下等效电路中电流i响应由公式1描述，

Ldidt+Ri=2N1πr12dB0sin(ωt)dt+2N2πr22dB0sin(ωt)dt......1]]>

其中L为电路总电感，R_i为电路总电阻，由于采用超导材料绕制线圈，电路中的感抗分量远远大于电阻分量，在此情况下，公式1中电阻部分忽略，考虑四个线圈串联情况下，求解公式1得线圈中每匝之中电流如下：

i=-N1πr12+N2πr22N12L10+N22L20+2N1N2(M210+M230)+N22M240+N12M130B0sin(ωt)...(2)]]>

其中B₀为外磁场，L₁₀、L₂₀分别为第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)和第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)的自感，M₂₁₀为第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)与第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)的互感，M₂₃₀为第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)与第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)的互感，M₂₄₀为第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)与第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)之间的互感，M₁₃₀为第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)与第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)的互感。由公式2可见，线圈中的感应电流产生的磁场抵消外磁场；

公式2经过整理并代入α＝N₁/N₂求得第一级亥姆霍兹屏蔽线圈感应电流安匝数，即线圈每匝之中电流乘以匝数N₁I为：

N1I=B0πr12+1αB0πr22(L10+(1α)2L20)+21α(M210+M230)+(1α)2M240+M130...3]]>

式中，I为线圈中感应电流的幅值；

同理第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中感应电流安匝数为N₁I/α，由公式3求得在外磁场幅值B₀时不同α情况下在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中产生的安匝数；

步骤2)确定线圈在中心点产生磁场的公式：

一对亥姆霍兹线圈在中心点产生磁场的计算公式为

Bcenter=(45)3/2μ0NIr......4]]>

其中B_center为亥姆霍兹线圈中心点磁场，NI为线圈携带的安匝数，r为线圈半径，将N₁I，N₂I代入公式4，求得随α变化，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈在中心点o产生的磁场，再减去外磁场B₀即为屏蔽之后中心点剩余磁场B为，

B=(45)3/2μ0N1Ir1+(45)3/2μ0N2Ir2-B0...5]]>

步骤3)按照完全屏蔽的要求，令公式5中B＝0，计算对应的匝数比α；

或者，按照对外磁场B₀按比例屏蔽的要求计算对应的匝数比α；

步骤4)由以上三个步骤求解的两级线圈的匝数比α和线圈所用超导带材的临界电流，按照完全屏蔽要求确定每级线圈的匝数，或者按照对外磁场B₀按比例屏蔽要求确定每级线圈的匝数：

一般规定线圈每匝之中运行的电流不得超过导线临界电流的一半，线圈具体匝数由：2×安匝数/临界电流简单求得。