[发明专利]能产生均匀磁场的马鞍形线圈

说明书

本发明属于均匀磁场线圈技术。

磁场源的设计与制造直接关系到生产和科学技术的发展，它除了具有一定的磁场强度，还应在某个空间内按一定要求分布，如磁场的均匀度，即在一定的空间内磁场的强度和分布基本一致。在各国标准局内均存放着均匀度很高的标准磁场源，作为本国的计量标准，此标准一般采用圆环形线圈，如赫姆霍兹线圈。

CN    85    1    02592-7专利文献，提出了一种能产生均匀磁场的马鞍形线圈，它是在同一对称面放置三组马鞍形线圈，它们的半径和长度彼此相同，并使三组线圈的中心点也相同，且长度是半径的3.96至4.04倍，马鞍形线圈的两端圆弧对园心的张角分别为167°至168.5°;119°至121°;71°至72.5°，每组线圈间的安匝数和电流方向相同。如果把张角改为143.5°至145°;119.5°至121.5°;23.5°至24.5°，其均匀度比第一种线圈略低，这两种线圈叠加同样是一种均匀磁场线圈。如果把第一种线圈与第二种线圈安匝数比例规定为1∶0.3至0.4其均匀度又有所提高。

对比文献的设计思想是：“以文献‘偏转磁场场参数的理论分析与计算’（丁守谦，物理学报30，1981，459）为理论基础，将数组这种半径R、长度L相同，但θ不同的线圈叠加使H₂（z）为零，同时又使H₄（z）为最小。”

偏转磁场场参数H₀（z）、H₂（z）、H₄（z）一般用于分析磁二极场即偏转磁场的近轴区域的磁场分布，不适用于远轴区，例如当x＝0.5时已明显看出仅考虑到H₄（z）的局限性。下面由两种方法的理论计算进行比较：

xδB_yδH_y

0.1    -1.64E-7    -1.79E-7

0.2    -2.30E-6    -2.50E-6

0.3    -8.86E-6    -9.84E-6

0.4    -1.57E-5    -3.63E-6

0.5    0    2.28E-4

0.6    1.96E-3

表中x＝x/R，x为沿x轴的距离，R为马鞍形线圈的半径，δB_y摘自CN 85 1 02592-7专利文献表2，δH_y为考虑到场参数高次项贡献时的均匀度，电流比为1∶3。

我们用场参数理论分析了x＝0.6以内马鞍形线圈磁场的均匀度，计算时考虑了H₀（z）至H₁₂（z）场参数理论公式和H₁₄（z）至H₂₀（z）的场参数近似表达式。这些高次项场参数的表达式至今在所有公开的文献中没有发现，这些场参数对分析马鞍形线圈磁场性质是十分有益的。本发明的线圈可用作为标准磁场计量。

CN    85    1    02592-7专利文献中仅给出两组不同角度分布的线圈和这两组线圈的叠加，其它满足均匀磁场的角度分布并没有提出。本发明解决了这方面的问题，并指出了这类均匀场所遵守的原则，给出了一系列的满足均匀场的马鞍形线圈的结构尺寸和角度分布，重要的是这种角度分布可以是连续的。

CN    85    1    02592-7专利文献中所述的线圈导线所占空间非常狭小，所产生的磁场强度为弱磁场，一般为≤10^-4T（T为特斯拉），这就限制了这种均匀磁场线圈的应用范围。本发明所提出的线圈不仅具有均匀场的特征，而且其场强可达到10^-1T量级，与对比专利文献相比提高了三个数量级，扩大了实用范围，故可广泛用与近代物理仪器中。

CN    85    1    02592-7专利文献曾指出，它比同样半径的赫姆霍兹线圈的均匀度高一个数量级以上。本发明同样具有这种特点，由于本发明的线圈角度分布可以连续，所以可以得到高强度的均匀磁场，且在同一技术指标下与赫姆霍兹线圈相比其所用导线的重量及线圈的体积有显著地降低。现举例如下（理论计算）：

技术指标：中心磁场强度为B₀＝0.01T;均匀区半径为18mm;均匀度为5×10^-5。