專利名稱：方向可調的均勻磁場和均勻一階梯度磁場的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁場產生方法及相應的裝置，更確切地說本發明涉及一種方向可調的均勻磁場和均勻一階梯度磁場的方法及裝置。屬于磁場技術領域。
背景技術：
超導量子干涉器件(SQUID)是以磁通量子化和約瑟夫森效應為理論基礎的量子器件，它能將耦合到器件內部的微弱磁通量轉換為可測量的電壓，相當于一個磁通一電壓轉換器，其磁通靈敏度通常在10_60Q/HZ1/2量級(Φ。= 2.07X10_15Wb)，是目前最靈敏的磁通探測器，因此，SQUID在弱磁檢測及可轉化為磁通的物理量(如磁場、磁場梯度、位移等)檢測等領域具有很大的應用潛力，如將超導探測線圈連接到SQUID器件時，可以探測弱的磁信號，其磁場靈敏度達fT/Hz"2量級(IfT = I X 10_15T);這些弱的信號測量所達到的靈敏度都遠優于其它同類型的傳感器，因此，SQUID在生物磁場測量、大地磁場及磁場梯度測量等弱信號探測領域具有極大的應用前景和發展潛力。另外，超導SQUID器件的尺寸比較小，可以使用超導SQUID器件制作多通道的SQUID探測模塊以增加探測信息，例如使用超導SQUID磁強計制作三軸探測模塊來探測磁場在空間不同方向的磁場；使用平面超導SQUID梯度計制作的全張量梯度探測模塊來探測空間中的全張量磁場梯度。這些探測模塊所得到的信息能夠極大提高待測量信息的完備性、準確性和效率。使用基于SQUID器件的探測模塊進行微弱磁信號測量時，每個探測器的輸出是電壓信息，為了確定輸出電壓數值所對應的磁場信息，必須在測量前對SQUID探測模塊進行標定，即確定SQUID輸出電壓的與磁信號的對應關系。對于基于單個SQUID器件的探測系統來說，標定操作是必需的。對于基于多通道SQUID器件的探測模塊來說，更加不可缺少。這是因為每個通道的SQUID探測器的電壓一磁通轉換系數并非完全一致，存在著一定的差異，若不對其先進行標定，所測量結果將不準確。然而，SQUID標定操作的關鍵在于將SQUID磁強計(SQUID梯度計) 放置于空間均勻的已知磁場(梯度磁場)中，磁場(梯度磁場)方向垂直于SQUID器件的平面,此時SQUID電壓輸出信息與已知磁場(梯度磁場)對應，進而標定出SQUID磁強計(SQUID梯度計)的磁場一電壓轉換系數(梯度磁場一電壓轉換系數)。產生空間均勻磁場的裝置主要有亥姆霍茲線圈，它是將兩個半徑和匝數完全相同的線圈進行同軸排列，當線圈間距等于半徑時而構成的，在這兩個線圈中通入方向相同的電流時，即在軸線的中點附近范圍內產生均勻磁場。在這兩個線圈中通入方向相反的電流時，即在軸線的中點附近范圍內產生梯度磁場，這種線圈稱之為麥克斯韋線圈。產生梯度磁場的裝置還有其它結構，如平面梯度線圈。上述是關于單通道SQUID磁強計(SQUID梯度計)標定的順序，同理可對基于多通道SQUID磁強計(SQUID梯度計)的探測模塊進行標定操作，但由于多通道探測模塊器件數量多、方向各異，如三軸SQUID探測模塊有3個SQUID器件，分別對應空間的X、Y和Z的三個方向；如圖1 (a)中某種結構的基于SQUID梯度計的全張量磁場梯度探測模塊有5個器件，方向分別對應空間的不同方向；圖1 (b)中另一種結構的基于SQUID梯度計的全張量磁場梯度探測模塊有6個器件，它們在空間中構成一個錐形；還有其它不同結構的SQUID探測模塊。因此，在標定這些具有不規則形狀的SQUID探測模塊時，就需要產生不同方向的均勻磁場或梯度磁場。目前，磁場產生裝置所產生的均勻磁場或磁場梯度方向不能調節，因為目前廣泛應用的SQUID探測模塊主要是單通道SQUID或三軸SQUID探測模塊，這些探測模塊的標定只需要產生也只能單一方向的磁場或梯度磁場，而不要求磁場產生裝置具有調節磁場或磁場梯度方向的功能。但對于較少應用的不規則形狀的多通道SQUID探測模塊標定而言，由于其標定研究處于開始階段，因此，尚無適合其標定的可調節方向磁場或磁場梯度產生裝置的報道。標定時通過變換探測模塊的位置或磁場產生裝置的位置來變換磁場方向，在使用時效率較低。鑒于以上的認知，從而引導出本申請的構思。
發明內容
本發明的目的在于提供一種方向可調的均勻磁場及均勻一階梯度磁場的設計方法及相應的裝置，為標定SQUID器件尤其是多通道SQUID探測模塊方面不僅提供空間均勻的磁場和一階梯度磁場，而且磁場和磁場梯度的方向能夠在空間進行靈活的調節，以滿足多通道不規則形狀的SQUID探測模塊標定對磁場或磁場梯度的需求。具體地說，本發明提供的方向可調的均勻磁場和梯度磁場的方法及相應的裝置是這樣實現的:(I)均勻磁場發生裝置由如下方法設計而成，均勻磁場包括三個方向的磁場，這三個方向相互正交，由三對相互正交的亥姆霍茲線圈產生。亥姆霍茲線圈是將兩個尺寸和匝數相同的線圈進行同軸排列并調節其間距，如圖2 (a)所示，在線圈Al和A2中通入方向相同的電流，可以在線圈中間產生均勻的磁場，其均勻磁場的空間隨亥姆霍茲線圈的尺寸和磁場均勻度而變化。這種產生均勻磁場的裝置是一種比較成熟的方法。將三對亥姆霍茲線圈組合在一起，構成能夠產生X、Y、Z三個方向的均勻磁場的亥姆霍茲線圈，如圖2 (b)所
/Jn ο(2)均勻一階全張量梯度磁場發生裝置由如下方法設計而成，均勻一階梯度磁場包括九個分量的一階梯度磁場，分別是Bxx、Bxy> Bxz> Byx、Byy> Byz> Bzx、Bzy、Bzz,其中Bxx> Byy, Bzz由三對相互正交的麥克斯韋線圈產生，即將圖2 Ca)中所述的亥姆霍茲線圈中的兩個線圈Al和A2通入相反的電流，即可產生梯度磁場Bzz，同樣，在圖2 (b)中的三對線圈中通入相反的電流，即可產生梯度磁場Bxx、Byy和Bzz。其它六個梯度分量Bxy、Bxz>Byx、Byz> Bzx、Bzy分別由六對平面梯度線圈產生。每對梯度線圈由一對共軸和平行的線圈組合而成，如圖3 (a)中所示，它可以在線圈對的中心區域產生均勻的梯度磁場Byx。將圖3 Ca)中的平面梯度線圈安裝于正方體的六個平面上，即可構成六個梯度分量Bxy、BxZ、Byx、Byz、Bzx、Bzy,如圖3 (b)中所示,能夠產生分別是Byx, Byz兩個分量的梯度磁場。利用圖2 (b)中亥姆霍茲線圈的框架，可以將圖3 (b)中的平面張量梯度磁場線圈集成在一起，如圖4所示，構成一個既能產生均勻磁場也可產生全張量梯度磁場的裝置。(3)由本發明提供的方向可調均勻磁場和一階梯度磁場設計方法構筑的相應發生裝置是由兩部分組成:一部分是均勻磁場和 均勻一階全張量梯度磁場產生裝置，主要是通入電流時，可在裝置內部產生均勻磁場或均勻一階全張量梯度磁場，根據具體使用要求，在線圈的不同端子通入同向或反向電流，以滿足使用要求；另一部分是調節磁場方向的裝置，主要用途是調節磁場和全張量一階梯度磁場的方向。將這兩部分集成在一起，構成方向可調節的磁場和梯度磁場發生裝置。(4)對磁場方向進行調節的裝置由如下設計而成，它由內、外兩個球殼構成，兩個球殼的球心處于同一點，內部球殼與磁場產生裝置固定在一起，內部球殼與外部球殼在Cl和C2點處通過軸承連接在一起，連接Cl和C2點的直線通過球心，如此內部球殼可以繞框C1-C2線進行旋轉；同理，內部球殼和外部球殼在D處通過軸承連接在一起，內部球殼可以繞連接D和球心的直線進行旋轉，如此，內部球殼的旋轉帶動磁場產生裝置的旋轉，進而能夠調節磁場的方向。綜上所述，本發明的特征在于將磁場和梯度磁場發生裝置與方向調節裝置結合在一起，構成一個全方向磁場和梯度磁場產生裝置，通過調節裝置內的通電電流和轉動角度等參數，可以實現上述功能。本發明設計的裝置所產生的方向可調的均勻磁場和均勻一階梯度磁場不僅可以應用于磁傳感器標定，而且對于多通道復雜結構的SQUID探測模塊標定具有重要的作用，提高了標定操作的效率和準確性。本發明設計的裝置不僅能夠在一定空間中產生三個方向的均勻磁場和均勻的一階全張量梯度磁場，而且可以對所產生的磁場和一階磁場梯度的方向進行大范圍的調節。本裝置為超導SQUID探測器以及基于SQUID探測器的多通道磁場梯度探測模塊的性能測試和標定研究提供了所需的均勻磁場和磁場梯度裝置，尤其對于具有各種不同形狀的SQUID全張量磁場梯度探測模塊的測試和·標定尤其具有重要的作用。
圖1不規則形狀的多通道SQUID探測模塊結構，此外a)基于5個SQUID梯度計構成的全張量梯度模塊，b)基于6個SQUID梯度計構成的錐形結構全張量梯度模塊。圖2三個方向均勻磁場產生裝置三維亥姆霍茲線圈的設計方法，a) Z方向產生均勻磁場，b)三維亥姆霍茲線圈。圖3 —階梯度磁場產生裝置的設計方法，a)平面梯度線圈所產生的磁場梯度為Byz, b)按照此原理可構成全張量磁場梯度的其它分量。圖4產生均勻磁場與全張量梯度磁場的裝置設計方法。圖5提供的可調方向的磁場產生裝置。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，進一步闡明本發明的實質性特點和顯著的進步。實施例1根據SQUID器件及SQUID探測模塊的標定要求，確定所需要的磁場和梯度磁場的空間范圍大小，設計裝置的尺寸；并根據其測量磁場的要求，制作裝置所使用的材料，盡量多采用無磁非金屬材料而少用磁性或金屬材料，產生磁場的線圈采用漆包線繞制而成。具體制備過程如下:(a)選取比線圈尺寸稍大的正方形固定架，然后在上面嵌套上尺寸規格與所需線圈規格相同的支架。在支架之上，鑿刻出以單位間距為間隔的刻槽。刻槽用來固定線圈之間的相對位置。然后根據線圈設計參數使用漆包線在支架上繞制線圈，構成亥姆霍茲線圈和全張量梯度線圈(圖4)；(b)使用無磁材料制作兩個同心球殼，內部球殼和外部球殼通過軸承連接，構成方向調節裝置(圖5);(C)將磁場發生裝置和方向調節裝置安裝在一起，并安裝整個裝置的支撐腳，完成裝置的安裝。經過上述制備步驟，方向可調的磁場和梯度磁場發生裝置制作完成，可以進行裝置的測試或 標定。
權利要求
1.一種方向可調的均勻磁場和均勻一階梯度磁場的設計方法，其特征在于: ①均勻磁場包括三個方向的磁場，這三個方向相互正交，由三對相互正交的亥姆霍茲線圈產生；亥姆霍茲線圈是將兩個尺寸和匝數相同的線圈進行同軸排列并調節其間距；將三對亥姆霍茲線圈組合在一起，構成產生X、Y和Z三個方向的均勻磁場的亥姆霍茲線圈； ②均勻一階梯度磁場包括九個分量的一階梯度磁場，分別是Bxx、Bxy>Bxz> Byx、Byy>Byz、Bzx、Bzy、Bzz,其中Bxx、Byy、Bzz由三對相互正交的麥克斯韋線圈產生,余下的六個梯度分量分別由六對平面梯度線圈產生，每對梯度線圈由一對共軸和平行的線圈組合成； ③使用無磁材料制作兩個同心球殼，內部球殼和外部球殼通過軸承連結構成方向可調節裝置。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于均勻一階梯度磁場的設計方法中平面梯度線圈安裝于正方體的六個平面上，構成六個梯度分量。
3.由權利要求1或2所述的方法構筑的相應發生裝置，其特征在于將均勻磁場和梯度磁場發生裝置與磁場方向調節裝置結合在一起，構成一個方向可調的均勻磁場和均勻一階梯度磁場裝置；所述的裝置由兩部分組成:一部分是均勻磁場和均勻一階梯度磁場產生裝置，通入電流時，在裝置內部產生均勻磁場或均勻一階梯度磁場，根據具體使用要求，在線圈的不同端子通入同向或反向電流，以滿足使用要求；另一部分是調節磁場方向裝置，以調節磁場和全張量一階梯度磁場的方向；將這兩部分集成在一起，構成方向可調節的磁場和梯度磁場發生裝置。
4.按權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的均勻磁場和均勻一階梯度線圈發生裝置是選取比線圈尺寸稍大的正方形固定架，然后在上面嵌套上尺寸規格與所需線圈規格相同的支架；在支架之上，鑿刻出以單位間距為間隔的刻槽；刻槽用來固定線圈之間的相對位置；然后根據線圈設計參數使用漆包線在支架上繞制線圈，構成亥姆霍茲線圈均勻磁場和均勻一階梯度線圈。`
5.按權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的對磁場方向進行調節的裝置由內、夕卜兩個球殼構成，兩個球殼的球心處于同一點，內部球殼與磁場產生裝置固定在一起，內部球殼與外部球殼在Cl和C2點處通過軸承連接在一起，連接Cl和C2點的直線通過球心，內部球殼繞框C1-C2線進行旋轉；同理，內部球殼和外部球殼在D處通過軸承連接在一起，內部球殼繞連接D和球心的直線進行旋轉，內部球殼的旋轉帶動磁場產生裝置的旋轉，進而能夠調節磁場的方向。
6.按權利要求3所述的裝置，其特征在于通過調節裝置的通電電流和轉動角度，實現方向可調的均勻磁場和均勻一階梯度磁場。
7.按權利要求3或6所述的裝置的應用，其特征在于應用于磁傳感器標定或多通道復雜結構的SQUID探測模塊的標定。
全文摘要
本發明涉及一種方向可調的均勻磁場和均勻一階梯度磁場的方法及相應的裝置，其特征在于將均勻磁場和梯度磁場發生裝置與磁場方向調節裝置結合在一起，構成一個方向可調的磁場和梯度磁場產生裝置；所述的裝置由兩部分組成一部分是均勻磁場和均勻一階梯度磁場產生裝置，在裝置中通入電流時，在裝置內部產生均勻磁場或均勻一階梯度磁場，根據具體使用要求，在線圈的不同端子通入同向或反向電流，以滿足使用要求；另一部分是調節磁場方向裝置，以調節磁場和全張量一階梯度磁場的方向；將這兩部分集成在一起，構成方向可調節的磁場和梯度磁場發生裝置。應用于磁傳感器標定或多通道復雜結構的SQUID探測模塊的標定。
文檔編號G01R35/00GK103245928SQ201310195809
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月23日 優先權日2013年5月23日
發明者王會武, 榮亮亮, 邱隆清, 伍俊, 常凱, 徐婷, 侍文, 蔣坤, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所