[發明專利]用于測量空間磁體二極磁矩的裝置及方法

有效

• 申請號: 201010209712.6
• 申請日: 2010-06-18
• 公開（公告）號: CN101865982A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 王秋良;王厚生;胡新寧;宋濤;嚴陸光
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G01R33/12
• 分類號: G01R33/12;G01L3/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種磁體二極磁矩的測量裝置和測量方法，特別涉及一種用于大型空間磁體的二極磁矩的測量裝置和測量方法。

背景技術

空間探測技術中，通常采用具有較高磁場的超導或永磁磁體。對空間反物質探測的大型永磁磁體的二極磁矩的測量和補償技術對于其他的空間磁體同樣具有重要的應用意義?？臻g磁探測的科學使命是尋找宇宙中的反物質和暗物質，并對宇宙中各種同位素的相對豐度和高能γ光子進行精確的測量。磁譜儀是粒子物理、核物理研究的關鍵設備，它可測量帶電粒子在磁場中的偏轉，得到帶電粒子的電荷和能譜。磁譜儀對宇宙帶電粒子的直接觀測，開創一個全新的科學領域，帶來粒子物理學的新突破。磁譜儀的關鍵部件是由永磁磁體或超導磁體組成的。目前的永磁體采用新型高磁能積釹鐵硼(NdFeB)材料，內徑1.1m，外徑1.4m，長0.8m，磁鋼凈重約1.9噸，由按圓周分成扇形磁條，磁化方向各異的磁體條組成。這64種磁化方向的磁塊，每種磁化方向角度依次相差11.25°。由于組成磁體各條磁體工作點的不同，使磁體有一個與主磁場方向相反的二極磁矩。尋找宇宙中的反物質和暗物質的空間磁探測的科學使命的需求，有可能使用運載火箭將磁體系統送入太空。由于永磁體和超導磁體使用衛星平臺發射，衛星平臺應該消除由二極磁矩(永磁磁譜儀大于7300Am²和超導磁體的二極磁矩大約27200Am²)帶來的影響。但是由于衛星平臺的質量較小，目前設計的磁體的二極磁矩產生的干擾力矩是衛星內外干擾力矩的1000倍以上。根據AMS衛星姿態的控制，為了消除磁體二極磁矩對于承載磁體的姿態和軌道控制的影響，衛星須要隨帶大約300kg的原料。因此磁體的二極磁矩問題對于磁譜儀在外空間的運行非常重要?；谧畛醯拿绹鳱ASA設計的要求，使用航天飛機將磁體送達空間站，因此磁體的二極磁矩和地磁場的相互作用的力矩應該小于2.7N·m，如果在磁體運行的軌道上，地磁場的大小為0.5G，等效于對應的磁體的二極磁矩小于5.4×10⁴Am²。

二極磁矩的存在對于搭載磁體的衛星平臺在外太空運行有很大影響，如果磁體的二極磁矩不為零，由于磁矩和地磁場之間的較強的相互作用力產生力矩，使得衛星在空間運動不可控制，因此對于二極磁矩的補償顯得尤為重要。

發明內容

為了克服現有技術的缺點，本發明提出一種永磁探測器空間磁體的二極磁矩的測量裝置和測量方法。本發明測量裝置和測量方法具有結構簡單、對磁體的磁場分布影響較小等特點。

本發明采用在探測器磁體外安裝永磁塊，將其磁化方向和探測器磁體的磁場方向相反的技術方案，從而補償二極磁矩到幾乎為零，以便使衛星平臺可承載這種磁體，實現衛星的姿態控制。

本發明采用的原理是：基于二極磁矩的定義，對于環形電流可以計算P＝Ids，式中：I是環的電流，ds是環的面積。任何永磁塊可以使用一系列的電流環進行等效計算?？臻g磁體如果具有二極磁矩，當空間磁體處在均勻的外磁場中，二極磁矩和磁場的相互作用產生力矩，其力矩的大小可以使用下面的方程計算：是力矩，是二極磁矩，是磁場。因此，為了測量磁體的二極磁矩，只需要測量外加均勻磁場以及二極磁矩和外加均勻磁場之間的相互作用的力矩就可由公式可以直接得到均勻磁化的永磁塊的二極磁矩可以使用下面的方程表示其中為磁化強度，單位為A/m，V為磁塊體積，單位為m³。探測器永磁體和補償磁塊均由NdFeB永磁材料制作，相對磁導率μ_r≈1，可認為是線性材料。在對空間磁體(例如阿爾法磁譜儀(AMS)磁體)的二極磁矩補償中可直接以數學加減處理，即可用永磁塊產生的二極磁矩對空間磁體的二極磁矩進行反向抵消。

本發明用于空間磁體的二極磁矩的測量裝置包括空間磁體、支撐桿、旋轉架、吊桿、赫爾姆茲線圈、支承座、測力儀和固定架。在支承座上放置空間磁體，在空間磁體上方放置支撐桿，支撐桿上安裝旋轉架，旋轉架通過吊桿將兩個赫爾姆茲線圈吊在吊桿的兩端，其中一個赫爾姆茲線圈連接測力儀，測力儀的另一端通過固定架固定。由于赫爾姆茲(Helmholtz)線圈產生的磁場和空間磁體的磁矩相互作用，產生旋轉力矩。赫爾姆茲(Helmholtz)線圈受到旋轉力矩作用，通過旋轉架和吊桿使赫爾姆茲線圈在支承座承載支撐桿上旋轉。通過測量Helmholtz線圈的轉動力矩測量磁體的二極磁矩的大小。