一種零磁空間系統(tǒng)裝置及其調節(jié)方法
【專利摘要】一種零磁空間系統(tǒng)裝置及其調節(jié)方法，由線圈、電源、主控計算機和三維梯度磁強計組成。其線圈為三組兩兩正交的線圈，三組線圈嵌套安裝。其中每組線圈由一對主線圈和一對子線圈組成。每對主線圈串聯后連接一路直流電流源，兩個子線圈反向串聯后連接一路直流電流源。通過三維梯度磁強計測量當前線圈產生磁場的大小，計算機根據采集到的磁場數據調節(jié)直流電流源的輸出電流，分別控制主線圈和子線圈中的電流，生成所需的磁場來反向抵消地磁場的三軸分量。
【專利說明】一種零磁空間系統(tǒng)裝置及其調節(jié)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種零磁空間系統(tǒng)裝置及其調節(jié)方法。
【背景技術】
[0002]在地球的表面，雖然地磁場的強度平均不超過0.05mT,但是它的存在和變化對地球上各種生物和生命活動卻有著普遍而深遠的意義和影響。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，遠低于地磁場的空間磁場環(huán)境的生物學效應研究逐漸引起了人們的興趣和關注。目前，一些國家已取得大量有關地磁場生物效應的統(tǒng)計數據和實驗結果，揭示了地磁場對生物不同程度的影響以及在生命演化過程中地磁場所起到的作用。
[0003]地磁場對生物體有影響的直接證據是消除地磁場會極大地干擾生物體的功能。消除地磁場后的環(huán)境即被稱為零磁空間。
[0004]一般消除背景磁場可采取兩種方式，即磁屏蔽式和補償式。屏蔽式零磁空間是利用高磁導率的材料搭建屏蔽室以屏蔽背景磁場來實現，其價格相對比較貴，技術要求也比較高。而采取電流補償的方式相比之下簡便很多，一般是采用亥姆霍茲線圈來形成相對均勻的磁場以補償地磁場。
[0005]在利用電流補償方式消除背景磁場即生成零磁空間的時候，由于實際中背景磁場并不均勻，而所用的亥姆霍茲線圈在兩個線圈中點附近的較大范圍生成的是相對均勻的磁場，直接由三組正交的亥姆霍茲線圈產生的磁場來完全抵消存在一定不均勻性的地磁場是不可能的，所以利用額外的子線圈對磁場進行進一步微調以補償背景磁場的非均勻分量是十分必要的。
[0006]專利201020687927.4提供了一種能在設定的大小和任意三維方向產生交直流磁場的三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，該裝置只能產生均勻的磁場，對于零磁空間而言，不能補償背景磁場的非均勻分量。專利201320167326.4也給出了一種產生三維磁場的磁場發(fā)生系統(tǒng)，包括三維亥姆霍茲線圈、三維梯度磁強計、三維高精度恒流電源以及計算機組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。但此發(fā)明只適用于背景磁場比較均勻的情況，不具有普適性，對于零磁空間這種要求比較高的情況并不適用，而且調節(jié)起來比較麻煩，對電源的要求也比較聞。
【發(fā)明內容】
[0007]本發(fā)明的目的是克服現有技術不能對不均勻的背景磁場進行補償的缺點，提出了一種零磁空間系統(tǒng)裝置及其調節(jié)方法。本發(fā)明通過控制主線圈中的電流產生磁場反向補償地磁場的三軸分量的同時，調節(jié)子線圈中的電流以抵消不均勻的磁場分量，從而使背景磁場盡可能達到零磁場的水平。
[0008]本發(fā)明零磁空間裝置是在三組兩兩正交的亥姆霍茲線圈的骨架上增加子線圈，并通過獨立的直流電流源進行控制。調節(jié)該零磁空間系統(tǒng)裝置的方法是首先調節(jié)主線圈的電流，將三維磁場反向調節(jié)到與地磁場相近的范圍，再調節(jié)子線圈的電流，進行磁場微調，以抵消背景磁場中的不均勻分量，最大程度補償掉背景磁場。
[0009]本發(fā)明的技術方案如下:
[0010]本發(fā)明零磁空間系統(tǒng)裝置包括線圈、電源、主控計算機和三維梯度磁強計。
[0011]所述的線圈包括三組線圈，三組線圈兩兩相互垂直布置，并且從小尺寸到大尺寸嵌套安裝。三組線圈兩兩正交，三組線圈的軸中心交于坐標系的原點O。每組線圈由一對主線圈和兩個子線圈構成，一對主線圈為亥姆霍茲線圈。同一方向上的兩個子線圈的中心關于坐標系原點O對稱。一對主線圈之間相互串聯后連接一路直流電流源，用以生成主磁場來抵消地磁場的三軸分量。兩個子線圈反向串聯后再連接另一路直流電流源，形成一對梯度線圈，用以調節(jié)主磁場的偏差。采用既可以測量磁場大小又可以測量磁場梯度值的三維梯度磁強計對磁場進行測量，將三維梯度磁強計放置在坐標系的原點O處。三維梯度磁強計通過RS232接口與計算機相連。計算機根據采集到的磁場數據通過數據采集卡對直流電流源進行控制，反饋調節(jié)直流電流源的輸出電流，從而使一定范圍內的背景磁場接近零磁場。
[0012]所述的電源包括6路直流電流源，三對主線圈X、Y、Z間互相串聯并分別連接一路直流電流源。三對子線圈χ’、γ’、ζ’反向串聯后各分別連接一路直流電流源。該直流電源均有遙控輸入端口，主控計算機根據三維梯度磁強計測量的磁場數值和磁場梯度值通過直流電流源的遙控輸入端口反饋調節(jié)通過子線圈中電流大小。
[0013]本發(fā)明對主線圈生成的磁場進行進一步地調節(jié)，使空間生成的磁場最大程度地抵消背景磁場，其原理及實現方法如下述:
[0014]根據Maxwell方程,在無源空間,靜磁場滿足Laplace方程:
[0015]V2B = O(I)
[0016]在直角坐標系下等式(I)可以展開成，
[0017]V 2B = V 2Bxex+ V 2Byey+ V 2Bzez = O(2)
[0018]其中ex、ey、ez分別是x、y和z方向的單位矢量,Bx、By、Bz分別為B在x、y、z三個方向上的分量。但從其中的任一方向來看，以z為例，等式(2)可以簡化成:
[0019]V2Bz = O(3)
[0020]可得到B在z方向上的分量Bz (X，y, z)在直角坐標系下的展開式為:
[0021]
(x, v,z) = am +a10z + anx+Z?nj + a20[z2 ~~(χ2 + V2)] + ?2ιOzx) + b2](3zy) +(4)
_ 33—
a22 [3(x2 'V2)] + b22 (6xy) + a30 z3 -—z(x2 + v2) +a31 6z2x-—x(x2 + v ) +
/λ,(3()ζλ>.) + (15λ;' -45 v'x) + (-1 Sy' + 45.x" y) +...
[0022]等式(4)右邊的常數項Btltl表示一個均勻磁場分量，即主磁場，其余的項是需要用子線圈產生的磁場抵消掉的磁場分量。通常高次的磁場分量值很小，所以只需要針對低次的磁場分量來進行補償校正。等式(4)右邊的第二到第四項是一次的磁場分量，分別表示X、y以及z方向的一次線性梯度磁場，通常采用將梯度線圈通入一個小的直流偏置電流的方法對磁場中的一次磁場分量進行補償。
[0023]本發(fā)明裝置采用的亥姆霍茲線圈和梯度線圈的作用原理如下:
[0024]當兩個半徑和匝數完全相同的線圈同軸排列，并令其間距等于半徑，通以同方向的電流，兩個線圈產生的總磁場在軸的中點附近的較大范圍是均勻的。這種線圈稱之為亥姆霍茲線圈。此時，產生的磁場在z軸的分量如公式(5)所示:
【權利要求】
1.一種零磁空間系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的裝置包括線圈、電源、主控計算機和三維梯度磁強計；所述的線圈為三組兩兩正交的線圈，三組線圈按照大小尺寸嵌套安裝，三組線圈的軸中心交于坐標系的原點O ;每一組線圈由一對主線圈和兩個子線圈組成，一對主線圈為亥姆霍茲線圈；一對主線圈之間相互串聯后連接一路直流電流源,用以生成主磁場來抵消地磁場的三軸分量；兩個子線圈反向串聯后再連接另一路直流電流源，形成一對梯度線圈，用以調節(jié)主磁場的偏差；所述的電源為6路直流電流源，一組主線圈串聯之后連接一路直流電流源，兩個子線圈反向串聯后連接一路直接電流源；三對主線圈間各自互相串聯并分別連接一路直流電流源；三對子線圈反向串聯后分別連接一路直流電流源；三維梯度磁強計放置在坐標系的原點O處，通過RS232接口與計算機相連。
2.按照權利要求1所述的零磁空間系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的三組線圈中，同一方向上的兩個子線圈的中心關于坐標系的原點O對稱。
3.按照權利要求1所述的零磁空間系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的兩個子線圈的匝數約為主線圈匝數的1/5。
4.按照權利要求1所述的零磁空間系統(tǒng)裝置的調節(jié)方法，其特征在于由所述的主控計算機控制3路直流電流源，使3對主線圈分別產生沿X、Y、Z三個坐標軸的磁場，在空間合成所需要的磁場，用來抵消地磁場的三軸分量；同時，主控計算機控制另外3路直流電流源，通過三維梯度磁強計測量得到的當前磁場的梯度值，反饋調節(jié)3對子線圈中的電流，使子線圈在X、Y、Z三個方向產生一個微調磁場，以調節(jié)主線圈補償磁場后的偏差。
【文檔編號】H01F7/00GK104134511SQ201410350681
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權日:2014年7月22日
【發(fā)明者】王馨, 董志強, 徐建省, 呂琰, 宋濤 申請人:中國科學院電工研究所