專利名稱：方向可調(diào)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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場產(chǎn)生方法及相應(yīng)的裝置，更確切地說本發(fā)明涉及一種方向可調(diào)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(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)是以磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的量子器件，它能將耦合到器件內(nèi)部的微弱磁通量轉(zhuǎn)換為可測量的電壓，相當(dāng)于一個(gè)磁通一電壓轉(zhuǎn)換器，其磁通靈敏度通常在10_60Q/HZ1/2量級(jí)(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(zhuǎn)化為磁通的物理量(如磁場、磁場梯度、位移等)檢測等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，如將超導(dǎo)探測線圈連接到SQUID器件時(shí)，可以探測弱的磁信號(hào)，其磁場靈敏度達(dá)fT/Hz"2量級(jí)(IfT = I X 10_15T);這些弱的信號(hào)測量所達(dá)到的靈敏度都遠(yuǎn)優(yōu)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(hào)探測領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。另外，超?dǎo)SQUID器件的尺寸比較小，可以使用超導(dǎo)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(dǎo)SQUID磁強(qiáng)計(jì)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(dǎo)SQUID梯度計(jì)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(zhǔn)確性和效率。使用基于SQUID器件的探測模塊進(jìn)行微弱磁信號(hào)測量時(shí)，每個(gè)探測器的輸出是電壓信息，為了確定輸出電壓數(shù)值所對應(yīng)的磁場信息，必須在測量前對SQUID探測模塊進(jìn)行標(biāo)定，即確定SQUID輸出電壓的與磁信號(hào)的對應(yīng)關(guān)系。對于基于單個(gè)SQUID器件的探測系統(tǒng)來說，標(biāo)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?yàn)槊總€(gè)通道的SQUID探測器的電壓一磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)并非完全一致，存在著一定的差異，若不對其先進(jìn)行標(biāo)定，所測量結(jié)果將不準(zhǔn)確。然而，SQUID標(biāo)定操作的關(guān)鍵在于將SQUID磁強(qiáng)計(jì)(SQUID梯度計(jì)) 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(shí)SQUID電壓輸出信息與已知磁場(梯度磁場)對應(yīng)，進(jìn)而標(biāo)定出SQUID磁強(qiáng)計(jì)(SQUID梯度計(jì))的磁場一電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)(梯度磁場一電壓轉(zhuǎn)換系數(shù))。產(chǎn)生空間均勻磁場的裝置主要有亥姆霍茲線圈，它是將兩個(gè)半徑和匝數(shù)完全相同的線圈進(jìn)行同軸排列，當(dāng)線圈間距等于半徑時(shí)而構(gòu)成的，在這兩個(gè)線圈中通入方向相同的電流時(shí)，即在軸線的中點(diǎn)附近范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻磁場。在這兩個(gè)線圈中通入方向相反的電流時(shí)，即在軸線的中點(diǎn)附近范圍內(nèi)產(chǎn)生梯度磁場，這種線圈稱之為麥克斯韋線圈。產(chǎn)生梯度磁場的裝置還有其它結(jié)構(gòu)，如平面梯度線圈。上述是關(guān)于單通道SQUID磁強(qiáng)計(jì)(SQUID梯度計(jì))標(biāo)定的順序，同理可對基于多通道SQUID磁強(qiáng)計(jì)(SQUID梯度計(jì))的探測模塊進(jìn)行標(biāo)定操作，但由于多通道探測模塊器件數(shù)量多、方向各異，如三軸SQUID探測模塊有3個(gè)SQUID器件，分別對應(yīng)空間的X、Y和Z的三個(gè)方向；如圖1 (a)中某種結(jié)構(gòu)的基于SQUID梯度計(jì)的全張量磁場梯度探測模塊有5個(gè)器件，方向分別對應(yīng)空間的不同方向；圖1 (b)中另一種結(jié)構(gòu)的基于SQUID梯度計(jì)的全張量磁場梯度探測模塊有6個(gè)器件，它們在空間中構(gòu)成一個(gè)錐形；還有其它不同結(jié)構(gòu)的SQUID探測模塊。因此，在標(biāo)定這些具有不規(guī)則形狀的SQUID探測模塊時(shí)，就需要產(chǎn)生不同方向的均勻磁場或梯度磁場。目前，磁場產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的均勻磁場或磁場梯度方向不能調(diào)節(jié)，因?yàn)槟壳皬V泛應(yīng)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(biāo)定只需要產(chǎn)生也只能單一方向的磁場或梯度磁場，而不要求磁場產(chǎn)生裝置具有調(diào)節(jié)磁場或磁場梯度方向的功能。但對于較少應(yīng)用的不規(guī)則形狀的多通道SQUID探測模塊標(biāo)定而言，由于其標(biāo)定研究處于開始階段，因此，尚無適合其標(biāo)定的可調(diào)節(jié)方向磁場或磁場梯度產(chǎn)生裝置的報(bào)道。標(biāo)定時(shí)通過變換探測模塊的位置或磁場產(chǎn)生裝置的位置來變換磁場方向，在使用時(shí)效率較低。鑒于以上的認(rèn)知，從而引導(dǎo)出本申請的構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種方向可調(diào)的均勻磁場及均勻一階梯度磁場的設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)的裝置，為標(biāo)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(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，以滿足多通道不規(guī)則形狀的SQUID探測模塊標(biāo)定對磁場或磁場梯度的需求。具體地說，本發(fā)明提供的方向可調(diào)的均勻磁場和梯度磁場的方法及相應(yīng)的裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的:(I)均勻磁場發(fā)生裝置由如下方法設(shè)計(jì)而成，均勻磁場包括三個(gè)方向的磁場，這三個(gè)方向相互正交，由三對相互正交的亥姆霍茲線圈產(chǎn)生。亥姆霍茲線圈是將兩個(gè)尺寸和匝數(shù)相同的線圈進(jìn)行同軸排列并調(diào)節(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(gòu)成能夠產(chǎn)生X、Y、Z三個(gè)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(fā)生裝置由如下方法設(shè)計(jì)而成，均勻一階梯度磁場包括九個(gè)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(chǎn)生，即將圖2 Ca)中所述的亥姆霍茲線圈中的兩個(gè)線圈Al和A2通入相反的電流，即可產(chǎn)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(chǎn)生梯度磁場Bxx、Byy和Bzz。其它六個(gè)梯度分量Bxy、Bxz>Byx、Byz> Bzx、Bzy分別由六對平面梯度線圈產(chǎn)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(qū)域產(chǎn)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(gè)平面上，即可構(gòu)成六個(gè)梯度分量Bxy、BxZ、Byx、Byz、Bzx、Bzy,如圖3 (b)中所示,能夠產(chǎn)生分別是Byx, Byz兩個(gè)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(gòu)成一個(gè)既能產(chǎn)生均勻磁場也可產(chǎn)生全張量梯度磁場的裝置。(3)由本發(fā)明提供的方向可調(diào)均勻磁場和一階梯度磁場設(shè)計(jì)方法構(gòu)筑的相應(yīng)發(fā)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(chǎn)生裝置，主要是通入電流時(shí)，可在裝置內(nèi)部產(chǎn)生均勻磁場或均勻一階全張量梯度磁場，根據(jù)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(diào)節(jié)磁場方向的裝置，主要用途是調(diào)節(jié)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(gòu)成方向可調(diào)節(jié)的磁場和梯度磁場發(fā)生裝置。(4)對磁場方向進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置由如下設(shè)計(jì)而成，它由內(nèi)、外兩個(gè)球殼構(gòu)成，兩個(gè)球殼的球心處于同一點(diǎn)，內(nèi)部球殼與磁場產(chǎn)生裝置固定在一起，內(nèi)部球殼與外部球殼在Cl和C2點(diǎn)處通過軸承連接在一起，連接Cl和C2點(diǎn)的直線通過球心，如此內(nèi)部球殼可以繞框C1-C2線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；同理，內(nèi)部球殼和外部球殼在D處通過軸承連接在一起，內(nèi)部球殼可以繞連接D和球心的直線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如此，內(nèi)部球殼的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁場產(chǎn)生裝置的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而能夠調(diào)節(jié)磁場的方向。綜上所述，本發(fā)明的特征在于將磁場和梯度磁場發(fā)生裝置與方向調(diào)節(jié)裝置結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)全方向磁場和梯度磁場產(chǎn)生裝置，通過調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的通電電流和轉(zhuǎn)動(dòng)角度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)上述功能。本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置所產(chǎn)生的方向可調(diào)的均勻磁場和均勻一階梯度磁場不僅可以應(yīng)用于磁傳感器標(biāo)定，而且對于多通道復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SQUID探測模塊標(biāo)定具有重要的作用，提高了標(biāo)定操作的效率和準(zhǔn)確性。本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置不僅能夠在一定空間中產(chǎn)生三個(gè)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(chǎn)生的磁場和一階磁場梯度的方向進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)。本裝置為超導(dǎo)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(biāo)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(biāo)定尤其具有重要的作用。


圖1不規(guī)則形狀的多通道SQUID探測模塊結(jié)構(gòu)，此外a)基于5個(gè)SQUID梯度計(jì)構(gòu)成的全張量梯度模塊，b)基于6個(gè)SQUID梯度計(jì)構(gòu)成的錐形結(jié)構(gòu)全張量梯度模塊。圖2三個(gè)方向均勻磁場產(chǎn)生裝置三維亥姆霍茲線圈的設(shè)計(jì)方法，a) Z方向產(chǎn)生均勻磁場，b)三維亥姆霍茲線圈。圖3 —階梯度磁場產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)方法，a)平面梯度線圈所產(chǎn)生的磁場梯度為Byz, b)按照此原理可構(gòu)成全張量磁場梯度的其它分量。圖4產(chǎn)生均勻磁場與全張量梯度磁場的裝置設(shè)計(jì)方法。圖5提供的可調(diào)方向的磁場產(chǎn)生裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。實(shí)施例1根據(jù)SQUID器件及SQUID探測模塊的標(biāo)定要求，確定所需要的磁場和梯度磁場的空間范圍大小，設(shè)計(jì)裝置的尺寸；并根據(jù)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(chǎn)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(guī)格與所需線圈規(guī)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?？滩塾脕砉潭ň€圈之間的相對位置。然后根據(jù)線圈設(shè)計(jì)參數(shù)使用漆包線在支架上繞制線圈，構(gòu)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(gè)同心球殼，內(nèi)部球殼和外部球殼通過軸承連接，構(gòu)成方向調(diào)節(jié)裝置(圖5);(C)將磁場發(fā)生裝置和方向調(diào)節(jié)裝置安裝在一起，并安裝整個(gè)裝置的支撐腳，完成裝置的安裝。經(jīng)過上述制備步驟，方向可調(diào)的磁場和梯度磁場發(fā)生裝置制作完成，可以進(jìn)行裝置的測試或 標(biāo)定。
權(quán)利要求
1.一種方向可調(diào)的均勻磁場和均勻一階梯度磁場的設(shè)計(jì)方法，其特征在于: ①均勻磁場包括三個(gè)方向的磁場，這三個(gè)方向相互正交，由三對相互正交的亥姆霍茲線圈產(chǎn)生；亥姆霍茲線圈是將兩個(gè)尺寸和匝數(shù)相同的線圈進(jìn)行同軸排列并調(diào)節(jié)其間距；將三對亥姆霍茲線圈組合在一起，構(gòu)成產(chǎn)生X、Y和Z三個(gè)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(gè)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(chǎn)生,余下的六個(gè)梯度分量分別由六對平面梯度線圈產(chǎn)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(gè)同心球殼，內(nèi)部球殼和外部球殼通過軸承連結(jié)構(gòu)成方向可調(diào)節(jié)裝置。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于均勻一階梯度磁場的設(shè)計(jì)方法中平面梯度線圈安裝于正方體的六個(gè)平面上，構(gòu)成六個(gè)梯度分量。
3.由權(quán)利要求1或2所述的方法構(gòu)筑的相應(yīng)發(fā)生裝置，其特征在于將均勻磁場和梯度磁場發(fā)生裝置與磁場方向調(diào)節(jié)裝置結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)方向可調(diào)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(chǎn)生裝置，通入電流時(shí)，在裝置內(nèi)部產(chǎn)生均勻磁場或均勻一階梯度磁場，根據(jù)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(diào)節(jié)磁場方向裝置，以調(diào)節(jié)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(gòu)成方向可調(diào)節(jié)的磁場和梯度磁場發(fā)生裝置。
4.按權(quán)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(fā)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(guī)格與所需線圈規(guī)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(jù)線圈設(shè)計(jì)參數(shù)使用漆包線在支架上繞制線圈，構(gòu)成亥姆霍茲線圈均勻磁場和均勻一階梯度線圈。`
5.按權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述的對磁場方向進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置由內(nèi)、夕卜兩個(gè)球殼構(gòu)成，兩個(gè)球殼的球心處于同一點(diǎn)，內(nèi)部球殼與磁場產(chǎn)生裝置固定在一起，內(nèi)部球殼與外部球殼在Cl和C2點(diǎn)處通過軸承連接在一起，連接Cl和C2點(diǎn)的直線通過球心，內(nèi)部球殼繞框C1-C2線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；同理，內(nèi)部球殼和外部球殼在D處通過軸承連接在一起，內(nèi)部球殼繞連接D和球心的直線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部球殼的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁場產(chǎn)生裝置的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而能夠調(diào)節(jié)磁場的方向。
6.按權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于通過調(diào)節(jié)裝置的通電電流和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)方向可調(diào)的均勻磁場和均勻一階梯度磁場。
7.按權(quán)利要求3或6所述的裝置的應(yīng)用，其特征在于應(yīng)用于磁傳感器標(biāo)定或多通道復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SQUID探測模塊的標(biāo)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方向可調(diào)的均勻磁場和均勻一階梯度磁場的方法及相應(yīng)的裝置，其特征在于將均勻磁場和梯度磁場發(fā)生裝置與磁場方向調(diào)節(jié)裝置結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)方向可調(diào)的磁場和梯度磁場產(chǎn)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(chǎn)生裝置，在裝置中通入電流時(shí)，在裝置內(nèi)部產(chǎn)生均勻磁場或均勻一階梯度磁場，根據(jù)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(diào)節(jié)磁場方向裝置，以調(diào)節(jié)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(gòu)成方向可調(diào)節(jié)的磁場和梯度磁場發(fā)生裝置。應(yīng)用于磁傳感器標(biāo)定或多通道復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SQUID探測模塊的標(biāo)定。
文檔編號(hào)G01R35/00GK103245928SQ201310195809
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月23日
發(fā)明者王會(huì)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(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所