[发明专利]一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法

说明书

本发明属于原子传感器技术领域，具体涉及一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法。本发明的大均匀区三维磁线圈包括支撑体、纵线圈和横线圈；本发明还提供一种大均匀区三维磁线圈的线圈参数设计方法，包括计算磁场分量、有效均匀性计算、优化求解和误差考量的步骤。本发明需要解决的技术问题为：现有的三维线圈内的均匀区不足够大的问题。本发明的大均匀区三维磁线圈具有大的球形均匀区，均匀区均匀性良好，满足了纵线圈高均匀性的要求；还提供了实现高均匀三维线圈的参数设计方法，可根据不同线圈结构方案找出最优参数，使线圈方案突破传统定式，实现线圈形式和性能的突破。

技术领域

本发明属于原子传感器技术领域，具体涉及一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法。

背景技术

自旋型原子传感器包括核磁共振陀螺、SERF原子自旋陀螺及原子磁强计。自旋型原子传感器通过激光和磁场对原子自旋的操控，实现角运动和磁场的精密测量。

核磁共振陀螺的磁场精密控制包括磁屏蔽、磁补偿和三维磁场激励控制。磁补偿和磁场激励控制的磁场发生部件是三维磁线圈。线圈的均匀性越高，对原子自旋的作用就越一致，可实现的原子传感精度就越高。因此，三维磁线圈的高均匀是实现高精度核磁共振陀螺的重要保障。核磁共振陀螺的一个重要特点是小体积，为保证在高精度下实现更小体积，需要三维线圈具有较大均匀区，不占过多空间，同时方便线圈内部器件的装配。

传统的亥姆霍兹三维线圈虽然结构简单，但均匀性无法满足纵线圈高均匀性的要求，且占据体积较大，横线圈对中心区域形成一定封闭，使得线圈内部件装配不便。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有的三维线圈内的均匀区不足够大。

本发明的技术方案如下所述：

一种大均匀区三维磁线圈，包括支撑体(1)、纵线圈(2)和横线圈(3)；所述支撑体(1)为上、下底面开放中心对称的筒状，在支撑体(1)的表面沿其周向和轴向分别设置有线槽，用于安装纵线圈(2)和横线圈(3)，所述线槽的数量依据纵线圈(2)和横线圈(3)的数量确定；所述纵线圈(2)由绕支撑体(1)表面周向缠绕的导线构成，相邻的两个纵线圈(2)之间平行且导线连通；所述横线圈(3)由绕支撑体(1)表面轴向和上下底面边缘缠绕的导线构成，在空间内形成空间多边形，所述横线圈(3)为两对，每对横线圈(3)对称安装于支撑体(1)之上，使两对横线圈(3)的磁场正交。

优选的，所述支撑体(1)为无上、下底的圆筒状或方筒状。

优选的，所述纵线圈(2)缠绕的匝数为一匝或多于一匝，所述纵线圈(2)的个数为三个、四个或更多个。

优选的，所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕圆筒状的支撑体(1)的轴向和底面圆弧缠绕所形成的空间四边形。

优选的，所述纵线圈(2)在空间中形成的多边形为绕方筒状的支撑体(1)的轴向和底面边缘缠绕所形成的空间四边形、六边形或八边形。

优选的，设纵线圈的磁场方向为z轴正方向，两组横线圈磁场方向分别为x轴和y轴正方向，构成三维直角坐标系；设纵线圈的参数为h₁，h₂，…，h_N，所述纵线圈的参数可以为线圈半径、两线圈间距离、匝数比、导线截面积、导线线径以及其它参数；设横线圈的参数为t₁，t₂，…，t_V，所述横线圈的参数可以为线圈半径、总长度、张角弧度以及其它参数；线圈中心坐标为O(0,0,0)，均匀区(4)为以线圈中心为球心，半径为a的球体，所述半径a根据使用需求确定，该设计方法包括以下步骤：

步骤一、计算磁场分量