專利名稱：用于測(cè)量空間磁體二極磁矩的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁體二極磁矩的測(cè)量裝置和測(cè)量方法，特別涉及一種用于大型空 間磁體的二極磁矩的測(cè)量裝置和測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
空間探測(cè)技術(shù)中，通常采用具有較高磁場(chǎng)的超導(dǎo)或永磁磁體。對(duì)空間反物質(zhì)探測(cè) 的大型永磁磁體的二極磁矩的測(cè)量和補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于其他的空間磁體同樣具有重要的應(yīng)用 意義?？臻g磁探測(cè)的科學(xué)使命是尋找宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)，并對(duì)宇宙中各種同位素的 相對(duì)豐度和高能Y光子進(jìn)行精確的測(cè)量。磁譜儀是粒子物理、核物理研究的關(guān)鍵設(shè)備，它 可測(cè)量帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏 轉(zhuǎn)，得到帶電粒子的電荷和能譜。磁譜儀對(duì)宇宙帶電粒子的 直接觀測(cè)，開創(chuàng)一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域，帶來(lái)粒子物理學(xué)的新突破。磁譜儀的關(guān)鍵部件是由 永磁磁體或超導(dǎo)磁體組成的。目前的永磁體采用新型高磁能積釹鐵硼(NdFeB)材料，內(nèi)徑 1. lm，外徑1. 4m，長(zhǎng)0. 8m，磁鋼凈重約1. 9噸，由按圓周分成扇形磁條，磁化方向各異的磁體 條組成。這64種磁化方向的磁塊，每種磁化方向角度依次相差11.25°。由于組成磁體各 條磁體工作點(diǎn)的不同，使磁體有一個(gè)與主磁場(chǎng)方向相反的二極磁矩。尋找宇宙中的反物質(zhì) 和暗物質(zhì)的空間磁探測(cè)的科學(xué)使命的需求，有可能使用運(yùn)載火箭將磁體系統(tǒng)送入太空。由 于永磁體和超導(dǎo)磁體使用衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)射，衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)該消除由二極磁矩(永磁磁譜儀大于 7300Am2和超導(dǎo)磁體的二極磁矩大約27200Am2)帶來(lái)的影響。但是由于衛(wèi)星平臺(tái)的質(zhì)量較 小，目前設(shè)計(jì)的磁體的二極磁矩產(chǎn)生的干擾力矩是衛(wèi)星內(nèi)外干擾力矩的1000倍以上。根據(jù) AMS衛(wèi)星姿態(tài)的控制，為了消除磁體二極磁矩對(duì)于承載磁體的姿態(tài)和軌道控制的影響，衛(wèi)星 須要隨帶大約300kg的原料。因此磁體的二極磁矩問題對(duì)于磁譜儀在外空間的運(yùn)行非常重 要。基于最初的美國(guó)NASA設(shè)計(jì)的要求，使用航天飛機(jī)將磁體送達(dá)空間站，因此磁體的二極 磁矩和地磁場(chǎng)的相互作用的力矩應(yīng)該小于2. 7N · m，如果在磁體運(yùn)行的軌道上，地磁場(chǎng)的大 小為0. 5G，等效于對(duì)應(yīng)的磁體的二極磁矩小于5. 4X 104Am2。二極磁矩的存在對(duì)于搭載磁體的衛(wèi)星平臺(tái)在外太空運(yùn)行有很大影響，如果磁體的 二極磁矩不為零，由于磁矩和地磁場(chǎng)之間的較強(qiáng)的相互作用力產(chǎn)生力矩，使得衛(wèi)星在空間 運(yùn)動(dòng)不可控制，因此對(duì)于二極磁矩的補(bǔ)償顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種永磁探測(cè)器空間磁體的二極磁矩的測(cè) 量裝置和測(cè)量方法。本發(fā)明測(cè)量裝置和測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)磁體的磁場(chǎng)分布影響較 小等特點(diǎn)。本發(fā)明采用在探測(cè)器磁體外安裝永磁塊，將其磁化方向和探測(cè)器磁體的磁場(chǎng)方向 相反的技術(shù)方案，從而補(bǔ)償二極磁矩到幾乎為零，以便使衛(wèi)星平臺(tái)可承載這種磁體，實(shí)現(xiàn)衛(wèi) 星的姿態(tài)控制。本發(fā)明采用的原理是基于二極磁矩的定義，對(duì)于環(huán)形電流可以計(jì)算P = Ids，式中1是環(huán)的電流，ds是環(huán)的面積。任何永磁塊可以使用一系列的電流環(huán)進(jìn)行等效計(jì)算?？?間磁體如果具有二極磁矩，當(dāng)空間磁體處在均勻的外磁場(chǎng)中，二極磁矩和磁場(chǎng)的相互作用 產(chǎn)生力矩，其力矩的大小可以使用下面的方程計(jì)算-H^b，矛是力矩，；？是二極磁矩，5 是磁場(chǎng)。因此，為了測(cè)量磁體的二極磁矩，只需要測(cè)量外加均勻磁場(chǎng)以及二極磁矩和外加均 勻磁場(chǎng)之間的相互作用的力矩？，就可由公式可以直接得到；。均勻磁化的永磁塊的二極磁 矩可以使用下面的方程表示？ = MV，其中A為磁化強(qiáng)度，單位為A/m，V為磁塊體積，單位 為m3。探測(cè)器永磁體和補(bǔ)償磁塊均由NdFeB永磁材料制作，相對(duì)磁導(dǎo)率μ, 1，可認(rèn)為是 線性材料。在對(duì)空間磁體(例如阿爾法磁譜儀(AMS)磁體)的二極磁矩補(bǔ)償中可直接以數(shù) 學(xué)加減處理，即可用永磁塊產(chǎn)生的二極磁矩對(duì)空間磁體的二極磁矩進(jìn)行反向抵消。 本發(fā)明用于空間磁體的二極磁矩的測(cè)量裝置包括空間磁體、支撐桿、旋轉(zhuǎn)架、吊 桿、赫爾姆茲線圈、支承座、測(cè)力儀和固定架。在支承座上放置空間磁體，在空間磁體上方 放置支撐桿，支撐桿上安裝旋轉(zhuǎn)架，旋轉(zhuǎn)架通過吊桿將兩個(gè)赫爾姆茲線圈吊在吊桿的兩 端，其中一個(gè)赫爾姆茲線圈連接測(cè)力儀，測(cè)力儀的另一端通過固定架固定。由于赫爾姆 茲(Helmholtz)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和空間磁體的磁矩相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。赫爾姆茲 (Helmholtz)線圈受到旋轉(zhuǎn)力矩作用，通過旋轉(zhuǎn)架和吊桿使赫爾姆茲線圈在支承座承載支 撐桿上旋轉(zhuǎn)。通過測(cè)量Helmholtz線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)量磁體的二極磁矩的大小。本發(fā)明測(cè)量方法是將磁體放置在和自磁場(chǎng)垂直的均勻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)之間相互產(chǎn)生 作用，測(cè)量磁體所受的力矩T，采用線性插補(bǔ)方法處理測(cè)試數(shù)據(jù)。由磁體的力矩、磁場(chǎng)以及二 極磁矩之間的關(guān)系公式P = T/B就可以計(jì)算間接測(cè)量出磁體的二極磁矩的大小。本發(fā)明采用線性插補(bǔ)方法處理測(cè)量得到的旋轉(zhuǎn)力矩?cái)?shù)據(jù)。線性插補(bǔ)的理論依據(jù)于 整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置為線性系統(tǒng)。赫爾姆茲線圈中電流為零時(shí)其受到的力矩也應(yīng)該為零，實(shí) 驗(yàn)初值不為零是由于本發(fā)明測(cè)量裝置存在摩擦阻力矩，應(yīng)將摩擦阻力矩去除。數(shù)據(jù)處理過 程是令赫爾姆茲線圈中電流I為X軸，所測(cè)拉力F為y軸，輸入一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到系列散 點(diǎn)；利用最小二乘法對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到直線方程y = kx+b ；其中k為直線斜率，b為 截距。令b = 0，使直線過零點(diǎn)，即消除掉實(shí)驗(yàn)中的摩擦阻力矩。本發(fā)明為了補(bǔ)償消除空間磁體的二極磁矩，使用對(duì)稱性磁化方向和主磁場(chǎng)方向相 反的高磁能的永磁塊一和永磁塊二對(duì)稱地放置在永磁體的兩端，從而將磁場(chǎng)體的二級(jí)磁矩 補(bǔ)償?shù)搅恪１景l(fā)明的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于1)通過赫爾姆茲線圈對(duì)產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)來(lái)模擬地磁場(chǎng)，磁矩和磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生 力，通過力和力臂的乘積就可以直接測(cè)量出力矩?；诤?jiǎn)單的公式計(jì)算就可以得到磁體的 二極磁矩的大?。?)通過固定大型空間探測(cè)磁體和磁場(chǎng)線圈的旋轉(zhuǎn)方法可以極大簡(jiǎn)化裝置的測(cè)量 方法，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度；3)采用線性化數(shù)值處理方法，消除摩擦阻力矩，從而提高系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠 性；4)發(fā)展的FEM分析計(jì)算技術(shù)可以高精度的計(jì)算磁體的磁矩，從而校正測(cè)量和計(jì)算 值；5)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使用較小重量的永磁塊可以極大減小磁體的二極磁矩，同時(shí)對(duì)于磁體的磁場(chǎng)影響非常小。


圖1為磁體的二極磁矩的測(cè)量裝置示意圖，圖中1空間磁體、2支撐桿、3旋轉(zhuǎn)架、 4吊桿、5赫爾姆茲線圈、6支承座、7測(cè)力儀、8固定架；圖2，測(cè)量二極磁矩方法流程示意圖；圖3，二極磁矩補(bǔ)償方法示意圖，圖中12永磁塊一、13永磁塊二、14永磁體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明用于空間磁體的二極磁矩的測(cè)量裝置包括空間磁體1、支撐桿 2、旋轉(zhuǎn)架3、吊桿4、赫爾姆茲線圈5、支承座6、測(cè)力儀7和固定架8。在支承座6上放置空 間磁體1，在空間磁體1上方放置支撐桿2，支撐桿2上安裝旋轉(zhuǎn)架3，旋轉(zhuǎn)架3通過吊桿4 將兩個(gè)赫爾姆茲線圈5吊在吊桿4的兩端，其中一個(gè)赫爾姆茲線圈5連接測(cè)力儀7的一端， 測(cè)力儀7的另一端通過固定架8固定。由于赫爾姆茲線圈5產(chǎn)生的磁場(chǎng)和空間磁體1的磁 矩相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。赫爾姆茲線圈5受到旋轉(zhuǎn)力矩作用，通過旋轉(zhuǎn)架3和吊桿4使 赫爾姆茲線圈5在支承座6承載支撐桿2上旋轉(zhuǎn)。通過測(cè)量赫爾姆茲線圈5的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè) 量空間磁體1的二極磁矩的大小。本實(shí)施例的Helmholtz線圈5，直徑為3. 4m，兩線圈距離為1. 8m。產(chǎn)生所要求的恒 定均勻磁場(chǎng)。為使磁場(chǎng)均勻，線圈應(yīng)該越大越好；赫爾姆茲(Helmholtz)線圈5有150匝， 根據(jù)穩(wěn)流電源和導(dǎo)線的規(guī)格設(shè)計(jì)線圈，要求線圈中心磁場(chǎng)大于15. OGs，最好能達(dá)到20Gs ； 連續(xù)工作時(shí)間大于4小時(shí)，使用穩(wěn)定直流電源供電。如圖2所示，本發(fā)明測(cè)量方法是將空間磁體放置在和自磁場(chǎng)垂直的，由赫爾姆茲 線圈5產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)中。磁場(chǎng)之間相互產(chǎn)生作用，赫爾姆茲線圈5產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)和空 間磁體的二極磁矩相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。通過測(cè)力儀7測(cè)量赫爾姆茲線圈5的旋轉(zhuǎn)力 矩，這個(gè)力矩也是空間磁體1受到的力矩，測(cè)量赫爾姆茲線圈5所受的旋轉(zhuǎn)力矩T。然后采 用線性插補(bǔ)方法處理測(cè)量得到的旋轉(zhuǎn)力矩?cái)?shù)據(jù)。通過旋轉(zhuǎn)力矩除以赫爾姆茲線圈5產(chǎn)生的 均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度，即可得到控制本發(fā)明間永磁體1的二極磁矩的大小。由磁體的力矩、磁場(chǎng)以及二極磁矩之間的關(guān)系公式P = T/B可以計(jì)算間接測(cè)量出 磁體的二極磁矩的大小。線性插補(bǔ)的理論依據(jù)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置為線性系統(tǒng)，包括磁體。 赫爾姆茲線圈5中的電流為零時(shí)，其受到的力矩也應(yīng)該為零。實(shí)驗(yàn)初值不為零是由于系統(tǒng) 存在摩擦阻力矩，應(yīng)將摩擦阻力矩去除。數(shù)據(jù)處理過程如下畫出數(shù)據(jù)點(diǎn)，例如令赫爾姆茲 線圈5中電流I為χ軸，所測(cè)拉力F為y軸，輸入一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到系列散點(diǎn)；將數(shù)據(jù)進(jìn) 行線性擬合，也就是利用最小二乘法對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到直線方程y = kx+b ；其中k 為直線斜率，b為截距；將擬合的直線平移到通過原點(diǎn)，例如令b = 0，使直線過零點(diǎn)，即消 除掉實(shí)驗(yàn)中的摩擦阻力矩，由電流得到力的大小，以直線上χ坐標(biāo)為20A的點(diǎn)的y值作為系 統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)拉力，力臂取1. 472m，背景場(chǎng)強(qiáng)取16GuaSS，計(jì)算出磁體的二極磁矩。如圖3所示， 使用對(duì)稱性磁化方向和主磁場(chǎng)方向相反的高磁能的磁塊12和13對(duì)稱地放在永磁體14截 面上過直徑的上端和下端，使用圖1的測(cè)量裝置測(cè)得到的永磁體二極磁矩幾乎每為零。例如，放置用NbFeB永磁材料來(lái)補(bǔ)償，體積為9. 5X 10_4m3的永磁塊可以抵消掉IOOOAm2的二極磁矩，重量約為7kg (NbFeB的密度為7. 5X103kg/m3)。如果要完全抵消掉AMS的二極磁矩 7300Am2，大約需要50多千克的永磁塊。使用永磁塊能夠有效減小磁體的二極磁矩。
權(quán)利要求
一種用于空間磁體的二極磁矩的測(cè)量裝置，其特征在于，所述的測(cè)量裝置包括空間磁體(1)、支撐桿(2)、旋轉(zhuǎn)架(3)、吊桿(4)、赫爾姆茲線線圈(5)、支承座(6)、測(cè)力儀(7)和固定架(8)；支承座(6)上放置空間磁體(1)，在空間磁體(1)的上方放置支撐桿(2)，支撐桿(2)上安裝旋轉(zhuǎn)架(3)，旋轉(zhuǎn)架(3)通過吊桿(4)將兩個(gè)赫爾姆茲線圈(5)吊在吊桿(4)的兩端，其中一個(gè)赫爾姆茲線圈(5)連接測(cè)力儀(7)的一端，測(cè)力儀(7)的另一端通過固定架(8)固定。
2.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的用于空間磁體的二極磁矩的測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征 在于將所述的空間磁體(1)放置在和自磁場(chǎng)垂直的、由赫爾姆茲線圈(5)產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng) 中；赫爾姆茲線圈(5)產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)和空間磁體(1)的二極磁矩相互作用，赫爾姆茲線圈(5)受到旋轉(zhuǎn)力矩的作用旋轉(zhuǎn)，通過測(cè)力儀(7)測(cè)量赫爾姆茲線圈(5)的旋轉(zhuǎn)力矩T，然后 采用線性插補(bǔ)方法處理測(cè)得的旋轉(zhuǎn)力矩?cái)?shù)據(jù)；用旋轉(zhuǎn)力矩T除以均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度B，即得到空 間磁體(1)的二極磁矩P。
3.按照權(quán)利要求2所述的用于空間磁體的二極磁矩的測(cè)量方法，其特征在于在所述的 空間磁體(1)的區(qū)域?qū)ΨQ放置對(duì)稱性磁化方向和主磁場(chǎng)方向相反的永磁塊一(12)和永磁 塊二(13)，將空間磁體(1)的二級(jí)磁矩補(bǔ)償?shù)搅恪?br> 全文摘要
一種用于空間磁體的二極磁矩的測(cè)量裝置包括空間磁體(1)、支撐桿(2)、旋轉(zhuǎn)架(3)、吊桿(4)、Helmholtz線圈(5)、支承座(6)、測(cè)力儀(7)和固定架(8)。由于Helmholtz線圈(5)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和空間磁體(1)的磁矩相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。Helmholtz線圈(5)受到旋轉(zhuǎn)力矩作用，通過旋轉(zhuǎn)架(3)和吊桿(4)使Helmholtz線圈(5)在支承座(6)承載支撐桿(2)上旋轉(zhuǎn)。通過測(cè)量Helmholtz線圈(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)量磁體的二極磁矩的大小。
文檔編號(hào)G01R33/12GK101865982SQ20101020971
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者嚴(yán)陸光, 宋濤, 王厚生, 王秋良, 胡新寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所