[发明专利]一种磁屏蔽桶内高均匀磁场与梯度复合磁场产生方法

说明书

本发明公开了一种磁屏蔽桶内高均匀磁场与梯度复合磁场产生方法，它包括如下步骤：第一步，通过改进的Helmholtz线圈产生Z均匀磁场；第二步，通过马鞍形线圈产生X、Y方向均匀磁场；第三步，通过马鞍形梯度线圈产生和一阶梯度磁场；第四步，通过同轴圆环线圈产生一阶梯度磁场线圈第五步，通过同轴圆环线圈产生二阶梯度磁场线圈本发明的有益效果在于：本发明提出了一种磁屏蔽桶内高均匀磁场与梯度复合磁场产生方法，其主要优势在于可以分别提供不同方向的均匀磁场、一阶梯度磁场和二阶梯度磁场，为原子操控提供不同磁场环境。

技术领域

本发明属于一种磁场产生方法，具体涉及一种磁屏蔽桶内高均匀磁场与梯度复合磁场产生方法。

背景技术

磁屏蔽桶内的磁场线圈为核自旋系综的精密操控提供执行元件。传统的磁场线圈仅提供X、Y、Z三维均匀磁场，无法满足在均匀场下叠加各方向梯度磁场的操控需求，在上述需求下，需要研究一种磁屏蔽桶内高均匀磁场与梯度复合磁场产生方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁屏蔽桶内高均匀磁场与梯度复合磁场产生方法，分别用于产生X、Y、Z、的磁场，可满足核自旋操控对不同磁场分布趋势的需求。

本发明的技术方案如下：一种磁屏蔽桶内高均匀磁场与梯度复合磁场产生方法，它包括如下步骤：

第一步，通过改进的Helmholtz线圈产生Z均匀磁场；

第二步，通过马鞍形线圈产生X、Y方向均匀磁场；

第三步，通过马鞍形梯度线圈产生和一阶梯度磁场；

第四步，通过同轴圆环线圈产生一阶梯度磁场线圈

第五步，通过同轴圆环线圈产生二阶梯度磁场线圈

所述的第一步为在主磁场Z方向提供一个Z均匀磁场，将半径为R的线圈1、线圈2、线圈3串联在一起，通过它们的电流为I，线圈1、线圈3的匝数相同均为N，线圈2的匝数为kN，k为比例系数，线圈1、线圈3距线圈2均为a，μ₀为空气的磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m，可以得到轴向的磁场为

将公式(1)展开为泰勒级数，令B²(0)＝0、B⁴(0)＝0，可以得到改进的Helmholtz线圈参数：a/R在0.7到1.0之间，k在0.5到0.7之间。

所述的第二步为在X、Y方向分别提供横向均匀磁场，X方向线圈采用马鞍形线圈，其中D、H分别代表跨距角、圆弧段直径和轴向长度，选取在110°到130°之间，H/D在2.0到3.0之间，可以得到X方向均匀磁场线圈，将X线圈沿轴向旋转90°即可得到Y方向均匀磁场线圈；

所述的第三步为分别提供一阶梯度磁场线圈和线圈采用马鞍形梯度磁场线圈，其直导线平行于z轴，不会产生z方向的磁场分量，θ₀为线圈中心到内圆弧上的点与Z轴的夹角，θ_r为线圈中心到外圆弧上的点与Z轴的夹角，计算弧形导线产生的磁场可得到，当θ₀在70°到75°之间，θ_r在20°到30°之间时，可产生x方向的一阶梯度磁场，将线圈沿轴向旋转90°，即可得到一阶梯度磁场线圈

所述的第四步为在Z方向提供一个一阶梯度磁场线圈一阶梯度磁场线圈的结构是由与主磁场线圈同轴绕制的圆环组成，构成线圈的基本单元为单束电流圆环，其所产生的磁场为轴对称磁场，场点P(r,θ,φ)的轴向磁场可表示为

其中P_n-1(cosθ)为勒让德多项式；r、θ、φ依次分别为标准球形坐标系的三个参数；h_n为场源参数(与电流环的位置、尺寸及电流大小有关)，即