[发明专利]一种八边形轴向匀场线圈设计方法

说明书

一种八边形轴向匀场线圈设计方法，该设计方法以目标区域上线圈的轴向间距最大值和间距最小值的约束为出发点，以目标区域的轴向磁场非均匀度为着眼点，以八边形线圈的边长比值、八边形线圈长边与轴向间距最大值的比值、每一组八边形线圈的轴向间距、不同组八边形线圈的匝数为约束条件进行轴向匀场线圈设计，该线圈与传统圆形亥姆霍兹线圈相比，具有安装误差小、易于定位的优点，与方形亥姆霍兹线圈组相比，同体积下的均匀区更大，适用于采用方形气室的小型化磁强计等对小尺寸、高均匀区的磁补偿线圈的需求，从结构设计上为提高小型化磁强计轴向线圈的磁补偿精度奠定基础。

技术领域

本发明涉及用于弱磁补偿的匀场线圈技术，例如确定线圈结构参数等，特别是一种八边形轴向匀场线圈设计方法，能够应用于SERF原子磁强计、核磁共振磁强计等磁强计的轴向剩余磁场补偿的匀场线圈的结构设计，实际上，这一技术发明思想可作为类似各类轴向匀场线圈的设计教导。

背景技术

原子磁强计是目前已知的具有最高灵敏度指标的磁强计，其小型化装置已成为深空深地探测及脑磁心磁等弱磁测量的重要工具之一。而限制原子磁强计灵敏度指标的主要噪声来源为空间磁噪声，需要对外界地磁场及干扰磁场进行有效的屏蔽和补偿，匀场线圈作为进一步降低磁场的补偿方式有着重要的作用。其均匀区的大小表征了可补偿偏置剩余磁场的有效区域，同时对核磁共振原理的原子磁强计而言，主磁场需要更高的均匀度来确保原子的拉莫尔进动频率一致性，从而抑制检测信号的噪声。

随着小型化原子磁强计研究的不断深入，为了进一步提升磁场测量灵敏度，对剩磁补偿精度和驱动磁场的均匀度提出了更高的要求。现有常用的轴向匀场线圈组为正方形或圆形亥姆霍兹线圈对或匝数比为9:4:4:9的Lee-Whiting线圈等。对于亥姆霍兹线圈对的方案，其结构上决定了均匀区的范围，因此产生较高均匀度的均匀区范围不可调，通常体积较大，不利于小型化和集成化。对于Lee-Whiting线圈，其产生的轴向均匀区较亥姆霍兹线圈更大，但是由于其所需的线圈骨架为圆柱形结构，在实际安装中会存在碱金属气室不易定位的缺陷，这会引入很大的磁场非正交误差。为了便于装配，QUSPIN公司生产的弱磁探头采用了基于长方体线圈骨架的长方形线圈组的匀场线圈方案，但是其均匀区较小，在该结构基础上优化潜力有限。此外，对于现有的轴向匀场线圈的设计方法是基于谐波展开的方法，多边形的线圈使用该方法时需重新建立数学模型和进行多阶求导计算，有时无法得到解析解，难以满足尺寸约束条件下的线圈均匀区设计要求。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种八边形轴向匀场线圈设计方法，能够应用于SERF原子磁强计、核磁共振磁强计等磁强计的轴向剩余磁场补偿的匀场线圈的结构设计，实际上，这一技术发明思想可作为类似各类轴向匀场线圈的设计教导。

本发明的技术解决方案如下：

一种八边形轴向匀场线圈设计方法，其特征在于，以轴向匀场目标区域安装的线圈对轴向间距最大值和线圈对轴向间距最小值的约束为出发点，以轴向匀场目标区域的轴向磁场非均匀度为着眼点，以八边形线圈的边长比值，八边形线圈长边与轴向间距最小值的比值，每一组八边形线圈的轴向间距，以及不同组八边形线圈的匝数为约束条件进行轴向匀场线圈设计以确定八边形轴向匀场线圈的结构参数。

所述设计方法包括以下步骤：

步骤1，设定目标均匀区的形状为边长为a的正方体区域，以目标均匀区的磁场非均匀度ε₀作为设计线圈的目标，在正方体区域中产生目标磁场的方向上的中心轴线上等间隔取m个目标点P(m)，用于评估轴向上的磁场非均匀度的分布情况；