[发明专利]被动抵消式磁屏蔽装置

说明书

技术领域

本发明属于超导电工学领域，特别涉及一种被动抵消式磁屏蔽装置。

背景技术

磁屏蔽技术是现代科学的一项重要保障技术，广泛应用在高能物理，航天探测，医疗器械，精密电磁测量等领域。从所屏蔽磁场的频率来分，大体上可分为两种，一种是对高频磁场的屏蔽，另外一种是对低频磁场，包括准静态或者静态磁场的屏蔽。屏蔽高频磁场多利用高电导率的金属，在需要屏蔽的空间外部搭建一个金属外壳，由于高频电磁波在高电导率金属中会快速衰减，磁场无法穿透高电导率的金属，在金属外壳所包围的区域，达到磁屏蔽效果。

而屏蔽低频磁场和准静态磁场有两种方法，一种方法是利用高磁导率的合金材料搭建屏蔽腔，依靠高磁导率材料所具有的低磁阻，对磁通分流作用，在屏蔽腔体内部形成磁场屏蔽效果。这种屏蔽方法的特点是在磁场迎面方向必须有铁磁材料，否则对于外磁场没有屏蔽效果，但这样一来，在磁场迎面相方向相当于加载了一个光学上不透明的阻挡层。在某些应用领域如需要光学探测，或者发射接收光学信号的时候，这种利用高磁导率材料搭建的磁屏蔽室就显示出局限性。

针对这种局限性，还有一种基于抵消原理的磁屏蔽方式，这种方法是在所需屏蔽空间外部利用线圈产生一个与外磁场反向的磁场，抵消外磁场，从而在所需屏蔽空间产生磁场屏蔽效果，称为主动抵消式屏蔽装置。通过特殊设计的线圈，再配以探测系统，控制系统和供电系统可达到对外磁场的屏蔽。这种方法相对利用高磁导率材料搭建屏蔽室的方法解决了在磁场迎面方向光学不透明的弱点，但这种方法系统复杂，需要精密的探测系统，配合复杂的控制反馈电路，并且驱动线圈的能耗较多，还会产生热量，在一些需要严格控制能耗，和对系统稳定性有苛刻要求的领域有局限性。

针对以上屏蔽装置的不足，需要一种新型的磁屏蔽装置，这种新型的磁屏蔽装置从屏蔽磁场的原理上来讲也属于抵消式，与主动抵消式屏蔽装置同样，都是通过线圈产生一个与外磁场大小相等，方向相反的磁场来抵消外磁场，实现磁屏蔽。但在实现方式上，这种新型磁屏蔽不需要复杂的探测，控制系统，也不需要外加电源和辅助电路，具有零损耗和可根据外磁场自适应地产生抵消磁场的特点。根据这种屏蔽方法的使用特点，其装置称其为被动抵消式磁屏蔽装置。

发明内容

本发明的目的为解决传统的利用高磁导率材料搭建磁屏蔽室的方式，在磁场迎面方向视线狭窄阻碍光学探测的问题，以及利用有源线圈产生主动抵消外磁场的屏蔽方式，系统复杂和能耗大的问题，提出了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。

所述第二级亥姆霍兹屏蔽线圈半径r₂和第一级亥姆霍兹屏蔽线圈半径r₁的比值大于1。

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：