[发明专利]一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法

说明书

本发明公开了一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法，包括确定偶极均匀磁场线圈的结构参数和性能需求，设置匝数和位置分布；利用磁屏蔽内线圈磁场理论优化偶极均匀磁场线圈的结构参数，仿真计算偶极均匀磁场线圈的性能；判断偶极均匀磁场线圈的性能是否满足性能需求，若不满足性能需求，则跳转修改线圈环数和匝数分布直至得到最优的结构参数。本发明在磁屏蔽内使用能有效减小线圈与磁屏蔽耦合效应，能够避免实际磁屏蔽非理想情况对线圈磁场均匀性的影响，有利于弱磁条件下的新型量子器件的研制，与现有无矩均匀磁场线圈相比具有单层结构，结构简单，加工容易，空间利用率高等优势，且能充分利用磁屏蔽内部空间。

技术领域

本发明涉及工程电磁学与量子器件领域，具体涉及一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法，用于在磁屏蔽内使用且能减小线圈与磁屏蔽耦合效应，对新一代弱磁环境下的小型化量子器件研制有重要意义。

背景技术

随着科学技术的不断发展，原子钟、原子磁力仪及原子陀螺仪等量子器件因其高精度和易于小型化甚至芯片化等优异性能，逐渐受到国内外的广泛关注。在这些器件中，用来屏蔽外界磁场干扰的磁屏蔽系统，以及磁屏蔽内在主轴功能区内产生可控均匀磁场的磁场线圈系统，共同构成了整体系统的主要磁环境。以原子陀螺为例，首先需要将敏感单元置于高效磁屏蔽系统中，从而隔绝外部地磁场与其它环境磁场对系统内部磁环境和器件的影响；同时，为使陀螺正常工作，还需要在磁屏蔽内产生一个均匀的磁场，该磁场的均匀性会直接影响功能原子的信号强度与横向弛豫时间等主要参数，从而直接影响仪器性能。

目前能够产生均匀磁场的线圈种类较多，如螺线管线圈、各种类型的四环线圈以及美国诺格公司专利(US20100194506A1)中提到的多环线圈等。然而，这些线圈应用于上述量子器件时，还面临一个重要问题——磁屏蔽对线圈的耦合效应。在设计时，这些线圈通常被作为独立单元来进行相应磁场及均匀区的计算，设计过程往往忽略高磁导率磁屏蔽对其磁场空间分布的影响，导致最终放置于磁屏蔽内的磁场线圈产生的磁场值大于独立计算时的磁场值，且相应的主轴均匀区也会发生明显变化。特别是当线圈的尺寸越接近磁屏蔽的尺寸，这种耦合效应带来的磁场值和均匀区的变化越显著，这种耦合效应造成的线圈磁场和均匀区的改变对于这些量子器件的小型化来说是极其不利的。虽然采用现代有限元仿真设计方法可以考虑磁屏蔽与线圈磁场的耦合效应，但实际用到的磁屏蔽磁导率与形状结构并不如仿真设计时的那么理想，所以处理线圈与磁屏蔽耦合最好的方式还是要尽量从物理上减小耦合效应。为了减小耦合效应带来的问题，人们设计了无矩均匀磁场线圈，其与磁屏蔽配合使用后，线圈外部磁场衰减迅速，可有效降低磁屏蔽对线圈产生磁场的耦合效应，提高磁屏蔽内线圈磁场的线性度。然而，无矩均匀磁场线圈的结构比较复杂，通常需要两层以上的线圈结构，这就形成了其空间利用率较低的缺点，这对量子器件的小型化与实用化是极其不利的。因此本发明提出一种在磁屏蔽内使用，能有效减小线圈与磁屏蔽耦合效应，且能充分利用磁屏蔽内空间的偶极均匀磁场线圈设计方案来解决以上技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈设计方法，本发明在磁屏蔽内使用能有效减小线圈与磁屏蔽耦合效应，能够避免实际磁屏蔽非理想情况对线圈磁场均匀性的影响，有利于弱磁条件下的新型量子器件的研制，与现有无矩均匀磁场线圈相比具有单层结构，结构简单，加工容易，空间利用率高等优势，且能充分利用磁屏蔽内部空间。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈，包括以Z轴作为线圈中心对称轴的偶数组闭环的线圈，所述偶数组闭环的线圈以垂直于Z轴的r轴作为对称轴对称布置，所述偶数组闭环的线圈的口径相同且以两组线圈为单位分布，每一个单位内的两组线圈之间电流方向相反，且围绕r轴对称的两组线圈之间的电流方向相同，r轴同一侧的所有线圈的匝数总和为零。

可选地，同一单位内的线圈之间、相邻单位之间的距离不同。

本发明还提供一种前述可降低磁屏蔽耦合效应的偶极均匀磁场线圈的设计方法，包括：