[發(fā)明專利]一種磁屏蔽筒內(nèi)軸向勻場線圈的設(shè)計(jì)方法

有效

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• 申請日: 2021-12-13
• 公開（公告）號: CN114200368B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周向陽;趙風(fēng)文;王維乾;謝曉旋
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;顧煒

本發(fā)明公開一種磁屏蔽筒內(nèi)軸向勻場線圈的設(shè)計(jì)方法，首先，結(jié)合磁場函數(shù)，磁屏蔽筒的邊界條件和鏡像法確定了磁屏蔽筒中軸向線圈的連續(xù)面電流密度產(chǎn)生的磁場表達(dá)式。其次，通過目標(biāo)場法求解出未知的面電流密度系數(shù)，然后離散流函數(shù)等值線得到線圈的初始繞組；最后結(jié)合多階粒子群優(yōu)化算法在初始繞組附近的尺寸空間中優(yōu)化線圈的位置以減少目標(biāo)區(qū)域的磁場偏差。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)有兩點(diǎn)：一是在設(shè)計(jì)過程中考慮了磁屏蔽層的有限磁導(dǎo)率和厚度，可以準(zhǔn)確分析線圈與高磁導(dǎo)率屏蔽材料之間的耦合效應(yīng)；二是可以通過多階粒子群優(yōu)化算法智能獲取性能最佳的線圈參數(shù)，減少了在目標(biāo)場法中使用較少的離散導(dǎo)線來近似連續(xù)面電流密度引起磁場產(chǎn)生偏差問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于磁屏蔽技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁屏蔽筒內(nèi)軸向勻場線圈的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

無交換弛豫(SERF)原子磁力計(jì)憑借其超高靈敏度而被廣泛用于心磁圖和腦磁圖測量中。SERF原子磁強(qiáng)計(jì)需要工作在極弱的磁場條件下，才能實(shí)現(xiàn)原子自旋的SERF狀態(tài)。磁場的增加會導(dǎo)致磁力計(jì)的信噪比降低，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)對生物磁場信號的測量。為了建立極弱的磁場環(huán)境，通常采用高磁導(dǎo)率的被動磁屏蔽柱筒來衰減地磁場和電子設(shè)備引起的磁場擾動，然后利用主動補(bǔ)償技術(shù)對剩磁進(jìn)行精確補(bǔ)償。此外，線圈與MSC的結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)某些實(shí)驗(yàn)所需的特定強(qiáng)度和頻率的均勻磁場的產(chǎn)生。

上述研究工作要求磁場具有較高的均勻性，否則會導(dǎo)致弛豫時(shí)間增加，從而直接影響磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度。但是，有源補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場會分布被鐵氧體、坡莫合金等高磁導(dǎo)率的磁屏蔽材料扭曲，磁場強(qiáng)度也得到了增強(qiáng)。特別是軸向線圈的磁場受磁屏蔽筒的縱橫比和與磁屏蔽筒的距離的影響很大。因此，結(jié)合有源載流線圈和高磁導(dǎo)率無源屏蔽材料之間的耦合作用來優(yōu)化軸向線圈的磁場的均勻性至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磁屏蔽筒內(nèi)軸向勻場線圈的設(shè)計(jì)方法，解決了軸向線圈產(chǎn)生的磁場在靠近磁屏蔽面時(shí)被高磁導(dǎo)率磁屏蔽材料扭曲的問題，有助于提升磁場均勻性，降低SERF原子磁力計(jì)的弛豫時(shí)間，進(jìn)而提升磁力計(jì)的靈敏度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種磁屏蔽筒內(nèi)軸向勻場線圈的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

第一步，結(jié)合磁場函數(shù)，磁屏蔽筒的邊界條件和鏡像法確定了磁屏蔽筒中軸向線圈的連續(xù)面電流密度產(chǎn)生的磁場表達(dá)式；

第二步，結(jié)合步驟一中得到的磁場表達(dá)式并給出目標(biāo)場點(diǎn)的期望磁場值，通過目標(biāo)場法求解出未知的面電流密度系數(shù)，然后離散流函數(shù)等值線得到線圈的初始繞組；

第三步，在步驟二中得到的線圈初始繞組附近的尺寸空間中隨機(jī)初始化尺寸參數(shù)作為粒子，結(jié)合多階粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化軸向勻場線圈載流環(huán)的位置，以減少目標(biāo)區(qū)域的磁場偏差。

在上述一種磁屏蔽筒內(nèi)軸向勻場線圈的設(shè)計(jì)方法所述的第一步中，在磁屏蔽筒中軸向線圈的連續(xù)面電流密度產(chǎn)生的磁場表達(dá)式為：

其中：

α_b＝(μ_rμ₀-μ₀)I′₀(ka)K₀(kb)

β_b＝μ_rμ₀I₀(kb)K′₀(kb)-μ₀I′₀(kb)K₀(kb)

γ_b＝(μ_rμ₀-μ₀)I₀(kb)K′₀(kc)