一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法

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，特别是一种八棱柱形径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径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径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。

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，对剩磁补偿精度均匀度提出了更高的要求，现有常用径向匀场线圈为鞍形线圈或鸟笼形线圈。但是由于鞍形线圈或鸟笼形线圈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亥姆霍兹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，对于现有的径向匀场线圈的设计方法是基于谐波展开的方法，八棱柱形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，步骤繁琐，且无法立即验证所得参数是否满足设计要求，仍需后续的仿真验证环节。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种八棱柱形径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径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径向匀场线圈的设计教导。

本发明的技术解决方案如下：

一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法，其特征在于，以径向匀场目标区域的径向最长跨度为出发点，以径向匀场目标区域的径向磁场均匀度为着眼点，以外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值，内八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值，外八棱柱线圈的径向长边与轴向边长比值，内八棱柱线圈的径向长边与轴向边长比值，内八棱柱线圈与外八棱柱线圈的电流比值为约束条件进行径向匀场线圈设计以八棱柱形径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，设定目标均匀区为边长a的正方体区域，以目标均匀区的磁场非均匀度ε作为设计线圈的目标，在产生目标磁场的方向上将沿正方体区域的径向中心轴线的x轴或y轴等间隔取m个目标点P(m)，用于评估该轴线上的磁场非均匀度的分布情况；

步骤2，以步骤1所述正方体区域的中心点作为原点，建立以原点为中心的对称的八棱形线圈，其基本形状为向内弯折的八棱柱形，由内外尺寸不同的两组八棱柱形线圈嵌套组成，其中一组为外八棱柱线圈对，另一组为内八棱柱线圈对；设定外八棱柱线圈和内八棱柱线圈的径向长边边长均为L，定义待确定参数：外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值为δ

步骤3，根据外八棱柱的径向长边边长L和外八棱柱径向短边边长与长边边长的比值δ

步骤4，根据线圈组的径向最大长度s

步骤5，根据外八棱柱线圈的电流I

步骤6，根据径向轴线中心点处的磁感应强度B

步骤7，根据径向匀场要求建立非线性规划模型，设定均匀区内磁场非均匀度作为优化目标，线圈的尺寸参数作为约束条件，所建立的非线性规划模型如下：

minε

s.t.ε

0＜δ

0＜δ

1/2≤σ

0＜σ

-5＜I

I

寻找到约束条件范围内使得径向轴线坐标区域范围内的最大非均匀度ε

步骤8，输出满足设计要求的线圈组参数，y方向的匀场线圈由x轴匀场线圈中心沿z轴旋转90°得到。

所述的八棱柱线圈径向的内角均为135°。

所述的磁场非均匀度ε可用公式

所述的均匀区在线圈骨架所覆盖体积中的比例K为0.1～0.8。

所述的正方体各边按等间隔划分的份数m取奇数。

非线性规划模型采用内点法、梯度下降法等数值优化算法或粒子群算法等智能优化算法实现非线性优化求解。

本发明的技术效果如下：本发明一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法，该线圈的设计以目标区域的径向最长跨度为出发点，以目标区域的径向磁场均匀度为着眼点，以外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值、内八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值、外八棱柱线圈的径向长边与轴向边长比值、内八棱柱线圈的径向长边与轴向边长比值、内八棱柱线圈与外八棱柱线圈的电流比值为约束条件进行径向匀场线圈设计，该线圈与传统鞍形线圈相比，具有安装误差小、易于定位的优点，内外八棱柱线圈嵌套的方式可使同体积下的磁场均匀区更大，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径向线圈的磁补偿精度奠定基础。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用内外嵌套的八棱柱形线圈，因而对应的线圈骨架结构为八棱柱形，与现有的圆形亥姆霍兹线圈的结构相比更易安装定位，采用非线性优化的方式确定线圈参数，可以更容易根据需求得到具体尺寸及结构参数，且能够可靠的得到在空间中产生的磁场均匀度情况，有效依据需求合理设计，减小线圈体积。

附图说明

图1是实施本发明针对的八棱柱形x轴径向匀场线圈的结构示意图。图1中设计了一组径向内外嵌套的八棱柱线圈，用于产生沿x轴方向的匀强磁场。图1中P径向x轴上目标点；d

图2是实施本发明针对的八棱柱形y轴径向匀场线圈的结构示意图。图2中y轴方向上线圈的外形与x轴方向上的匀场线圈一致。图2是图1中x轴方向上的匀场线圈沿z轴旋转90°得到。

图3是实施本发明针对的八棱柱线圈骨架结构示意图。图3中包括如下附图标记：1-y方向外八棱柱线圈缠绕凹槽；2-y方向内八棱柱线圈缠绕凹槽；3-x方向内八棱柱线圈缠绕凹槽；4-x方向外八棱柱线圈缠绕凹槽；5-通光孔。

图4是实施本发明一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法的流程示意图。图4中包括如下步骤：步骤1，确定轴向匀场线圈设计目标，即设定均匀区在线圈骨架所覆盖体积中的比例K和目标均匀区的磁场非均匀度ε作为设计线圈的目标，在设计目标区域均匀选取目标点；步骤2，根据设定的八棱柱线圈和内八棱柱线圈的径向长边的边长L，外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值和均匀区在线圈骨架所覆盖体积中的比例K，确定均匀区在径向上的坐标区域范围为[-K·s

具体实施方式

下面结合附图(图1-图4)和实施例对本发明进行说明。

图1是实施本发明针对的八棱柱形x轴径向匀场线圈的结构示意图。图2是实施本发明针对的八棱柱形y轴径向匀场线圈的结构示意图。图3是实施本发明针对的八棱柱线圈骨架结构示意图。图4是实施本发明一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法的流程示意图。参考图1至图4所示，一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法，以径向匀场目标区域的径向最长跨度为出发点，以径向匀场目标区域的径向磁场均匀度为着眼点，以外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值，内八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值，外八棱柱线圈的径向长边与轴向边长比值，内八棱柱线圈的径向长边与轴向边长比值，内八棱柱线圈与外八棱柱线圈的电流比值为约束条件进行径向匀场线圈设计以八棱柱形径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，设定目标均匀区为边长a的正方体区域，以目标均匀区的磁场非均匀度ε作为设计线圈的目标，在产生目标磁场的方向上将沿正方体区域的径向中心轴线的x轴或y轴等间隔取m个目标点P(m)，用于评估该轴线上的磁场非均匀度的分布情况；步骤2，以步骤1所述正方体区域的中心点作为原点，建立以原点为中心的对称的八棱形线圈，其基本形状为向内弯折的八棱柱形，由内外尺寸不同的两组八棱柱形线圈嵌套组成，其中一组为外八棱柱线圈对，另一组为内八棱柱线圈对；设定外八棱柱线圈和内八棱柱线圈的径向长边边长均为L，定义待确定参数：外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值为δ

步骤5，根据外八棱柱线圈的电流I

minε

s.t.ε

0＜δ

0＜δ

1/2≤σ

0＜σ

-5＜I

I

寻找到约束条件范围内使得径向轴线坐标区域范围内的最大非均匀度ε

所述的八棱柱线圈径向的内角均为135°。所述的磁场非均匀度ε可用公式

所述的均匀区在线圈骨架所覆盖体积中的比例K为0.1～0.8。所述的正方体各边按等间隔划分的份数m取奇数。非线性规划模型采用内点法、梯度下降法等数值优化算法或粒子群算法等智能优化算法实现非线性优化求解。

一种八棱柱形线圈的基本形状为向内弯折的八棱柱形，由内外尺寸不同的两组八棱柱形线圈嵌套组成。

一种八棱柱形径向匀场线圈，需要确定：外八棱柱线圈和内八棱柱线圈的径向长边的边长L，外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值δ

一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法，该方法基于外八棱柱线圈和内八棱柱线圈的径向长边边长，其具体步骤如下：

(1)设定均匀区在线圈骨架所覆盖体积中的已知比例K和目标均匀区的已知磁场非均匀度ε作为设计线圈的目标，在设计目标区域均匀选取目标点，将评价均匀度的区域定为正方体形，在x、y、z三个方向上将正方体各边按等间隔划分m份，三条边线交点即有m

(2)根据设定的八棱柱线圈和内八棱柱线圈的径向长边的边长均为L，外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值δ

(3)根据外八棱柱线圈径向长边的边长L和外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值为δ

(4)根据内外八棱柱线圈径向长边的边长L、外八棱柱线圈的径向短边长度l

(5)根据外八棱柱线圈上所通的电流I

式中μ

(6)根据x轴方向中心点处的磁感应强度B

(7)根据径向坐标区域范围内的最大均匀度ε

minε

s.t.ε

0＜δ

0＜δ

1/2≤σ

0＜σ

-5＜I

I

寻找到约束条件范围内使得径向轴线坐标区域范围内的最大非均匀度ε

(8)输出满足设计要求的线圈组参数，y方向的匀场线圈由x轴匀场线圈中心沿z轴旋转90°得到。

本发明的匀场线圈的线径宽度在非线性规划模型构建过程中忽略，即为半径为零的理想线形结构。

如图1和图2所示，设计了两组径向内外嵌套的八棱柱线圈，分别用于产生沿x轴方向和沿y轴方向的匀强磁场。

如图3所示，设计了符合线圈包覆需求的线圈骨架结构，用于在其上缠绕已经设计好的沿x轴、y轴方向的匀场线圈。

如图4所示，一种八棱柱形径向匀场线圈设计方法如下：

第一步，确定轴向匀场线圈设计目标，即设定均匀区在线圈骨架所覆盖体积中的比例K和目标均匀区的磁场非均匀度ε作为设计线圈的目标，在设计目标区域均匀选取目标点；

第二步，根据设定的八棱柱线圈和内八棱柱线圈的径向长边的边长均为L，外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值δ

第三步，根据外八棱柱线圈上所通的电流I

第四步：根据轴向中心点处的磁感应强度B

第五步：根据径向坐标区域范围内的最大均匀度ε

第六步：求解第五步所得模型，输出满足设计要求的x方向匀场线圈电流及尺寸参数，y方向的匀场线圈由x轴匀场线圈中心沿z轴旋转90°得到；

至此，完成八棱柱形径向匀场线圈的设计。

下面具体的实施方法以实际设计需求为例进一步说明：

设定正方体形均匀区范围为20mm×20mm×20mm，要求在该范围内的磁场非均匀度小于等于0.2％，设定L为3.0cm，外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值δ

minε

s.t.ε

0＜δ

0＜δ

1/2≤σ

0＜σ

-5＜I

I

代入数据后，则该模型可以简化为：

minε

s.t.ε

δ

0＜δ

σ

0＜σ

-5＜I

I

I

其中，外八棱柱线圈的径向短边与长边边长比值为δ

寻找到约束条件范围内使得径向轴线坐标区域范围内的最大非均匀度ε

则外八棱柱线圈的径向短边长度l

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。