[发明专利]一种三维磁场发生装置

说明书

技术领域

本发明属于磁场技术领域，具体涉及一种三维磁场发生装置。

背景技术

众所周知，通电线圈可以在空间产生磁场，这一原理使人们可以根据实际需要设计制作一维、二维和三维的磁场发生器，以满足对环境磁场有特殊要求的应用场合。

传统的磁场发生器结构一般采用环形或者矩形结构亥姆霍兹线圈设计。然而这种传统结构的磁场发生器产生的磁场均匀区尺度非常有限，空间利用率低(空间利用率定义为磁场均匀区体积除以磁场发生器所占空间体积)，只能在空间充裕的场合使用，无法满足对磁场发生器体积、磁场均匀区、磁场均匀度三者都有较高要求的场合。

以一维磁场发生器为例，采用线圈结构相同、绕组相同的两个环形线圈或者正方形，假如要求在磁场发生器几何中心获得800mm×800mm×800mm、均匀度为0.3％的三维磁场。根据计算，圆形线圈直径至少需要5m以上(5m对应的磁场均匀度约为0.29％)，而正方形线圈的边长需要达到6.6m以上(6.6m对应的磁场均匀度为0.276％)，很少有实验室满足此空间要求。

为了更进一步的证明现有技术无法满足空间要求，现结合具体实例详述如下：

如图1所示，传统三维磁场发生器采用3组正交的方形亥姆霍兹线圈，XYZ每个维度1组，每组2个线圈。图2示出了X维度的一组主线圈，主线圈平面与X轴垂直，距离为2*R1*J1，线圈所占高度为2*R1，当N＝3时，线圈为正三角形，当N＝4时，线圈为正方形，当N为无穷大时，线圈为圆形。为了使中心磁场均匀度满足应用的需求，需要调整N、R1以及J1共3个参数，其中，N为主线圈的边数，N越大，线圈越接近圆形；R1为与主线圈边长成正比的变量，R1越大，主线圈的边长越大，占用的空间高度越大；J1为主线圈之间的间距，J1越大，两只主线圈隔得越远，占用的空间长度越大。

如果在空间限制在2.2米以下采用以上传统的三维磁场发生器，要形成800mm×800mm×800mm、均匀度为0.3％的三维磁场区。

首先我们计算空间限制在2.2米以下，采用N边形线圈方案，调节R1、J1，三维磁场区所能达到的最佳均匀度。如表1所示，随着N增加，三维磁场区磁场趋于均匀，但均匀度为1.92％，不能满足0.3％的要求。

表1传统磁场发生器所能达到的最佳均匀度

其次，我们反推要使三维磁场区达到0.3％的均匀度，分别采用方形和圆形线圈所占用的空间尺寸，计算结果如表2，正方形线圈需要占用6.6米，正512边形(可近似圆形线圈)则需要占用5米，由此可知，无论采用方形还是圆形，线圈占用的尺寸均大于2.2米，不满足空间要求，(其中，正512边形就是正多边形的一种，边数为512)。

表2传统磁场发生器需要占用的空间尺寸

NR1J1均匀度占用的尺寸4(正方形)3.30.38470.276％6.6m3600(近似圆形)2.50.50.29％5m