一种径向开口的无矩螺线管磁场线圈

摘要

本发明公开了一种径向开口的无矩螺线管磁场线圈，磁场线圈由内外两个螺线管组合而成，每个螺线管上沿中心剖面为中轴左右对称分布有两对绕组，每对绕组包括两段绕组，处于中轴同一侧的一对绕组，两段绕组之间留有空隙；其中中轴两侧的两段绕组间的空隙开设径向开口；内外两个螺线管的中心磁轴重合，内外两个螺线管反向串联；且两个螺线管的绕组间距与半径之间、线圈绕组匝数与间距之间、线圈绕组匝数与螺线管半径之间均需满足一定的关系，从而符合无矩线圈的径向测试需求。

说明书

技术领域

本发明涉及磁场线圈技术，特别是涉及一种径向开口的无矩螺线管磁场线 圈技术。

背景技术

在磁测量、原子光学等领域，为了轴向、径向都能进行测试工作，经常需 要使用径向开口的无矩磁场线圈。而常规的无矩磁场线圈一般选用同轴但半径 不等的两个螺线管磁场线圈的组合方式。这种常规的无矩磁场线圈具有结构简 单的优点，但只有轴向具有开口空间，无法满足径向的测试需求。如采用亥姆 霍兹型无矩线圈，虽然能满足轴向、径向同时开口的需求，但至少需要4个环 才能组成无矩磁场线圈，增加了结构难度，特别是在需要小尺寸无矩线圈的场 合。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种径向开口的无矩螺线管磁场线圈，其结构简 单、且且轴向、径向均有开口空间，并符合无矩线圈的径向测试需求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：该磁场线圈由内外两个螺线管 组合而成，每个螺线管上沿中心剖面为中轴左右对称分布有两对绕组，每对绕 组包括两段绕组，处于中轴同一侧的一对绕组，两段绕组之间留有空隙；其中 中轴两侧的两段绕组间的空隙开设径向开口。

内外两个螺线管的中心磁轴重合，内外两个螺线管反向串联；

在中轴的同一侧，以R₁、R₂为内外两螺线管绕线后的有效半径；L_1,1、L_1,2、 L_1,3、L_1,4分别为内螺线管在该侧的一对绕组边缘与中轴的距离，L_1,1与L_1,2之间 为靠近中轴的一段绕组，匝数为w_1,1，L_1,3与L_1,4之间为另一段绕组，匝数为w_1,2； L_2,1、L_2,2、L_2,3、L_2,4分别为外螺线管在该侧的一对绕组边缘与中轴的距离，L_2,1与L_2,2之间为靠近中轴的一段绕组，匝数为w_2,1，L_2,3与L_2,4之间为另一段绕组， 匝数为w_2,2。

两个螺线管的绕组间距与半径之间满足以下关系。

$\frac{L_{1,1}}{R_1}=\frac{L_{2,1}}{R_2};\frac{L_{1,2}}{R_1}=\frac{L_{2,2}}{R_2};\frac{L_{1,3}}{R_1}=\frac{L_{2,3}}{R_2};\frac{L_{1,4}}{R_1}=\frac{L_{2,4}}{R_2};$

线圈绕组匝数与间距之间满足以下关系：

$\frac{w_{1,1}}{w_{1,2}}=\frac{L_{1,2}-L_{1,1}}{L_{1,4}-L_{1,3}};\frac{w_{2,1}}{w_{2,2}}=\frac{L_{2,2}-L_{2,1}}{L_{2,4}-L_{2,3}};$

线圈绕组匝数与螺线管半径之间满足以下关系：

$(w_{1,1}+w_{1,2})R_1^2=(w_{2,1}+w_{2,2})R_2^2.$

进一步地，单个螺线管的绕组间距与半径之间满足以下关系。

当$\frac{L_{1,1}}{R_1}=0.22$时，$\frac{L_{1,2}}{R_1}=0.267,\frac{L_{1,3}}{R_1}=0.890,\frac{L_{1,4}}{R_1}=0.996;$

当$\frac{L_{1,1}}{R_1}=0.20$时，$\frac{L_{1,2}}{R_1}=0.287,\frac{L_{1,3}}{R_1}=0.849,\frac{L_{1,4}}{R_1}=\mathrm{1.049.}$

有益效果：

1、本发明公开了一种径向开口的无矩螺线管磁场线圈，该磁场线圈的骨 架采用由两个同轴但半径不等的螺线管组合而成，具有结构简单且轴向、径向 均有开口空间，并符合无矩线圈的径向测试需求。

2、本发明中通过设计螺线管中各绕组和螺线管半径之间的关系，能够保 证线圈产生磁场的均匀性，且均匀区近似球形，径向开口的球形空间磁场非均 匀性优于0.01％。

附图说明

图1为径向开口的无矩螺线管磁场线圈的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、磁场线圈的骨架采用由两个同轴但半径不等的螺线管组合而成， 每个螺线管上沿中心剖面为中轴左右对称分布有两对绕组，每对绕组包括两段 绕组，处于中轴同一侧的一对绕组，两段绕组之间留有空隙；其中中轴两侧的 两段绕组间的空隙用于径向开口。

内外两个螺线管的中心磁轴重合，内外两个螺线管反向串联。

两个螺线管的尺寸、绕组如图1所示，在中轴的同一侧，以R₁、R₂为内外 两螺线管绕线后的有效半径；L_1,1、L_1,2、L_1,3、L_1,4分别为内螺线管在该侧的一对 绕组边缘与中轴的距离，L_1,1与L_1,2之间为靠近中轴的一段绕组，匝数为w_1,1， L_1,3与L_1,4之间为另一段绕组，匝数为w_1,2；L_2,1、L_2,2、L_2,3、L_2,4分别为外螺线管 在该侧的一对绕组边缘与中轴的距离，L_2,1与L_2,2之间为靠近中轴的一段绕组， 匝数为w_2,1，L_2,3与L_2,4之间为另一段绕组，匝数为w_2,2。

保证线圈的无矩性，即磁矩为0的特性，需满足以下关系式：

1、L_1,1、L_1,2、L_1,3、L_1,4、L_2,1、L_2,2、L_2,3、L_2,4与R₁、R₂之间有以下关系。

$\frac{L_{1,1}}{R_1}=\frac{L_{2,1}}{R_2}$

$\frac{L_{1,2}}{R_1}=\frac{L_{2,2}}{R_2}$

$\frac{L_{1,3}}{R_1}=\frac{L_{2,3}}{R_2}$

$\frac{L_{1,4}}{R_1}=\frac{L_{2,4}}{R_2}$

2、w_1,1、w_1,2与L_1,1、L_1,2、L_1,3、L_1,4及w_2,1、w_2,2与L_2,1、L_2,2、L_2,3、L_2,4之间有以下关系。

$\frac{w_{1,1}}{w_{1,2}}=\frac{L_{1,2}-L_{1,1}}{L_{1,4}-L_{1,3}}$

$\frac{w_{2,1}}{w_{2,2}}=\frac{L_{2,2}-L_{2,1}}{L_{2,4}-L_{2,3}}$

3、w_1,1、w_1,2、w_2,1、w_2,2与R₁、R₂之间有以下关系。

$(w_{1,1}+w_{1,2})R_1^2=(w_{2,1}+w_{2,2})R_2^2$

单个螺线管上的线圈绕制好后，将内外两个螺线管反向串联。

为了保证线圈产生磁场的均匀性，L_1,1、L_1,2、L_1,3、L_1,4与R₁之间有以下关 系。

当$\frac{L_{1,1}}{R_1}=0.22$时，$\frac{L_{1,2}}{R_1}=0.267,\frac{L_{1,3}}{R_1}=0.890,\frac{L_{1,4}}{R_1}=0.996;$

当$\frac{L_{1,1}}{R_1}=0.20$时，$\frac{L_{1,2}}{R_1}=0.287,\frac{L_{1,3}}{R_1}=0.849,\frac{L_{1,4}}{R_1}=\mathrm{1.049.}$

这种螺线管的线圈常数k_B可以通过标准磁强计进行标定，线圈复现的标准 磁场为线圈常数与线圈通过电流的乘积B＝k_B×I。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。