本發明涉及核磁共振陀螺儀的磁場發生技術領域，特別涉及一種用于核磁共振陀螺儀的高精度靜磁場發生裝置，用于產生陀螺儀所需的高精度、高穩定度縱向磁場。可以用于戰略、戰術武器裝備、微小型空間飛行器等領域。
背景技術：
核磁共振陀螺具有小體積、低功耗、高性能、大動態范圍等特性，已成為新型慣性器件的研究重點和熱點。核磁共振陀螺儀利用原子核自旋磁矩的拉莫爾進動感知載體轉動信息，理論上需要在縱向上制備一個均勻、穩定的高精度靜磁場，如上述磁場不夠穩定或均勻性不好，會導致磁共振頻率變寬，使陀螺儀系統的信噪比降低。磁場的均勻性主要由產生磁場的線圈的幾何形狀決定，而穩定性可通過在電路上增加控制反饋進行調控。
現階段經常使用的是一對方形亥姆赫茲線圈作為靜磁場發生裝置，但由于磁屏蔽設計為圓柱形具有較好的屏蔽效果，利用方形亥姆赫茲線圈不易安裝且對空間的使用率非常低，不利于核磁共振陀螺儀的小型化設計，且方形亥姆赫茲線圈只有在線圈間距等于1.1倍的線圈邊長時才具有較好的磁場均勻性，其他尺寸的線圈均勻性極差，不利于陀螺儀內部光路結構的設計與排布。此外，還有使用圓形亥姆赫茲線圈以克服磁屏蔽內空間利用率的問題，但圓形亥姆赫茲會與橫向磁場線圈構成籠式結構，與內部光路結構相干涉，拆裝與調試時的可維護性較差。
技術實現要素：
本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種用于核磁共振陀螺儀的高精度靜磁場發生裝置，該裝置由多對同軸的環形線圈按一定比例的距離排布，用于在氣室所在的陀螺儀中心區域產生高穩定度、高均勻性的縱向靜磁場，配合線圈支撐骨架結構整體構成了一個易于拆裝的高精度靜磁場發生裝置。
本發明的技術解決方案為：一種用于核磁共振陀螺儀的高精度靜磁場發生裝置，該裝置包括線圈支撐骨架和N對靜磁場線圈，線圈支撐骨架為空心圓筒狀，沿中心軸線一端中心處開有用于探測筒內泵浦光的通光孔(108)，外側壁開有N對環形繞線凹槽，環形繞線凹槽所在的平面彼此平行且垂直于線圈支撐骨架的中心軸線，每對環形繞線凹槽以線圈支撐骨架的中心橫截面為對稱面對稱分布，N對靜磁場線圈繞制在環形繞線凹槽內。
各環形繞線凹槽內的線圈匝數相同，每對環形繞線凹槽的間距di,i＝1～N，通過解算下列方程組確定：
其中，Bi(z)為第i對線圈軸線上距離線圈對稱中心點z處的磁感應強度：
為Bi(z)在z＝0處的2j階偏導數，j＝1～N，μ0為真空磁導率，I為線圈總電流，為匝數與通電電流乘積，R為環形線圈半徑。
線圈支撐骨架外側壁上還開有與線圈支撐骨架中心軸線平行的通線槽104，N對環形線圈采用一根漆包線繞制，且各線圈繞制方向相同，線頭引出線安放于通線槽內。
線圈支撐骨架下端部外側開有對稱的兩個沉頭孔)，用于將支撐骨架固定安裝。
線圈支撐骨架底部開有限位槽，與其安裝結構的凸起配合限位，防止拆裝過程中部件裝反。
支撐骨架的通光孔直徑大于3mm。
線圈支撐骨架采用能耐高于150℃高溫的無磁性材料制成。
所述無磁性材料選擇為聚酰亞胺。
本發明與現有技術相比具有以下優點：
(1)、本發明采用多對環形線圈作為產生核磁共振陀螺儀縱向靜磁場的線圈，不僅可以提供高穩定度、高均勻度的靜磁場，并且具備緊湊的結構，拆裝方便，可維護性強；
(2)、本發明多組線圈由一根漆包線繞制而成，頭尾相接，其實是一組線圈，只需一個電流控制器產生控制與反饋電流即可，控制十分方便；
(3)、本發明通過控制多組線圈分布距離的不同使各對線圈產生的磁場互相作用，達到抵消單對線圈產生的磁場的非均勻性，以獲得均勻性較高的縱向靜磁場，這種方式控制方便、實施簡單；
(4)、本發明將線圈支撐骨架與其安裝結構的固定孔設計為沉頭孔，這樣可使定位更加精準，固定時更易找準位置；
(5)、本發明線圈支撐骨架底部設計了一個限位槽，由于結構具有高度的對稱性，每次拆裝時，極有可能將線圈支撐骨架裝反，而對于原子的共振來說，極微小的結構差異就能引起輸出結果的不同，限位槽可避免此類情況發生，這種定位方式簡單可靠，裝配工藝性更好；
(6)、本發明靜磁場發生裝置裝配完畢后為圓筒形，便于裝入圓柱形的磁屏蔽筒內，提高了空間的利用率，利于核磁共振陀螺儀的小型化發展，且與光路結構不干涉，安裝和拆卸線圈時不會破壞光路結構，具有更強的可維護性。
(7)、本發明線圈支撐骨架采用能耐高溫的無磁性材料聚酰亞胺加工而成，且包裹性很好，一方面防止了骨架對磁場的影響，另一方面具有保溫作用，可保證內部氣室的溫度穩定性。
附圖說明
圖1為本發明的高精度靜磁場發生裝置的結構爆炸圖；
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述：
如圖1所示的是高精度靜磁場發生裝置的結構爆炸圖，本發明提供的用于核磁共振陀螺儀的高精度靜磁場發生裝置包括線圈支撐骨架1和靜磁場線圈2。
本發明中的線圈支撐骨架1為空心圓筒形狀，便于安裝在圓柱形的磁屏蔽筒內，其內部空心結構用于放置核磁共振陀螺儀的氣室、加熱片、溫度傳感器以及部分光路結構零件，并通過支撐骨架1上部的兩個通孔105固定在氣室等相關結構件上，實現了磁場線圈與內部光路結構的分離，安裝和拆卸線圈時不會對光路結構造成破壞，具有更高的可維護性。支撐骨架外側開有多組環形繞線凹槽，如101、102和103，這些環形繞線凹槽所在的平面彼此平行且垂直于線圈支撐骨架1的中心軸線，成對的線圈均以線圈支撐骨架1的中心橫截面為對稱面上下對稱分布；同時，側壁上開有與線圈支撐骨架1中心軸線平行的通線槽104，用于將纏繞線圈的漆包線引出到線圈支撐骨架1上部。
本發明中的線圈支撐骨架1底部開有對稱的兩個沉頭孔106，用于將支撐骨架1與下部結構固定；限位槽107與下部結構的凸起配合限位，防止拆裝過程中部件裝反；為了在外部實時觀測陀螺儀泵浦光的變化，支撐骨架1上部中心處開有大于3mm的通光孔，本實施例中，所述通光孔直徑為6mm。
本發明中的靜磁場線圈2由多組相互平行的環形線圈構成，兩個線圈組成一對，關于支撐骨架1的中心平面上下對稱分布，如201、202和203，這些線圈通過將漆包線繞制在環形繞線凹槽101、102和103內得到，線頭引出線安放于通線槽104內。
本發明中的線圈支撐骨架1需采用無磁性材料，為了確保其能在高溫環境下工作，要求線圈支架的材料的耐高溫性能要高于150℃，且由于原子氣室的溫度穩定性控制要求，不僅材料要具有較好的保溫特性，結構設計上頂端除了必須的通光孔外也設計為封閉式，具有較好的保溫性能，能滿足陀螺儀工作需求。本發明中采用聚酰亞胺材料制作線圈支撐骨架1。
本發明中的靜磁場線圈2為多對互相平行的環形線圈，具體實現方式為：通過將一整根漆包線繞制在環形繞線凹槽101、102和103內得到，
對于其中一對線圈，如201，由畢奧-薩伐爾定律：
式中：為磁感應強度，為電流，為位置矢量，μ0為真空磁導率。可推知對于一對圓形線圈而言，線圈軸線上距離線圈對稱中心點z處的磁感應強度B(z)為：
式中，I為線圈總電流，為匝數與通電電流乘積，R為環形線圈半徑。
將B(z)圍繞z＝0作泰勒級數展開，其奇次項為零，則有下式：
其中，為B(z)在z＝0處的2n階偏導數，B(0)為常數項，由于級數的收斂特性，其高階量隨階數增大而越來越小。若線圈之間的距離d選擇合適，則有磁感應強度的二階偏導數為零，即則二次項被抵消，那么有B(z)＝B(0)+O(z4)，O(z4)代表z的4次方以及更高次冪的小量，所以B(z)將在軸線上的相當大范圍內均勻。
為進一步提高均勻區范圍以及中心空間的磁場均勻度，則應該使B(z)級數的二次項以及四次項均為0，即B(z)＝B(0)+O(z6)，O(z6)代表z的6次方以及更高次冪的小量，所以B(z)將在中心軸線上具有更好的均勻度。這時就需要通過增加變量參數實現，所以施加第二組同軸環形線圈。綜合考慮兩組線圈產生的磁場，則有：
其中，
式中，μ0為真空磁導率，I為線圈總電流，為匝數與通電電流乘積，R為環形線圈半徑，di,i＝1～N為N對環形繞線凹槽的間距。
和項中包含參數d1，和項中包含參數d2，則有
解上述二元方程就可以得到使磁場二次項和四次項均為零的參數d1、d2，從而確定兩組線圈的線圈間距。
對于磁場均勻性更高的三組線圈，其磁場有：
其中，和項中包含參數d1，和項中包含參數d2，和項中包含參數d3，則有：
解這個三元方程就可以得到使磁場二次項、四次項和六次項均為零的參數d1、d2、d3，從而確定三組線圈的線圈間距。
利用這種方式，通過調整合適的線圈間距，再通過數值仿真配比合適的匝數比，就可實現最優的磁場均勻性和最大的磁場均勻范圍。同理可施加第四、第五組環形線圈，使磁場表達式的八次項和十次項為零，線圈組數越多，增加的變量參數就越多，通過合適的配比，就可實現氣室區域更高的磁場均勻性。
對于N對線圈解如下方程組即可得到N組線圈的間距：
其中，
z為線圈軸線上任一點距線圈對稱中心點的距離，為Bi(z)在z＝0處的2j階偏導數，j＝1～N，μ0為真空磁導率，I為線圈總電流，為匝數與通電電流乘積，R為環形線圈半徑。
實施例：
本發明實施時，線圈支撐骨架1開有3對環形繞線凹槽，以線圈支撐骨架1的中心橫截面為中心，由內向外分別為第一對環形繞線凹槽101、第二對環形繞線凹槽102、第三對環形繞線凹槽103，第一對環形繞線凹槽101的徑向距離為其半徑的0.3倍，第二對環形繞線凹槽102的徑向距離為其半徑的1.5倍，第三對環形繞線凹槽103的徑向距離為其半徑的2倍，各凹槽內的線圈匝數相同，均為12圈，仿真及實驗結果表明構建的縱向靜磁場強度均勻性優于0.1％。
本發明中采用多對環形線圈作為產生核磁共振陀螺儀縱向靜磁場的線圈，不僅可以提供高穩定度、高均勻度的靜磁場，并且具備緊湊的結構，不與光路結構相干涉，拆裝方便，可維護性強。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。