專利名稱：能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于均勻磁場線圈技術。
磁場源的設計與制造直接關系到生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，它除了具有一定的磁場強度，還應在某個空間內(nèi)按一定要求分布，如磁場的均勻度，即在一定的空間內(nèi)磁場的強度和分布基本一致。在各國標準局內(nèi)均存放著均勻度很高的標準磁場源，作為本國的計量標準，此標準一般采用圓環(huán)形線圈，如赫姆霍茲線圈。
CN 85 1 02592-7專利文獻，提出了一種能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈，它是在同一對稱面放置三組馬鞍形線圈，它們的半徑和長度彼此相同，并使三組線圈的中心點也相同，且長度是半徑的3.96至4.04倍，馬鞍形線圈的兩端圓弧對園心的張角分別為167°至168.5°;119°至121°;71°至72.5°，每組線圈間的安匝數(shù)和電流方向相同。如果把張角改為143.5°至145°;119.5°至121.5°;23.5°至24.5°，其均勻度比第一種線圈略低，這兩種線圈疊加同樣是一種均勻磁場線圈。如果把第一種線圈與第二種線圈安匝數(shù)比例規(guī)定為1∶0.3至0.4其均勻度又有所提高。
對比文獻的設計思想是“以文獻‘偏轉(zhuǎn)磁場場參數(shù)的理論分析與計算’(丁守謙，物理學報30，1981，459)為理論基礎，將數(shù)組這種半徑R、長度L相同，但θ不同的線圈疊加使H2(z)為零，同時又使H4(z)為最小。”偏轉(zhuǎn)磁場場參數(shù)H0(z)、H2(z)、H4(z)一般用于分析磁二極場即偏轉(zhuǎn)磁場的近軸區(qū)域的磁場分布，不適用于遠軸區(qū)，例如當x＝0.5時已明顯看出僅考慮到H4(z)的局限性。下面由兩種方法的理論計算進行比較xδByδHy0.1 -1.64E-7 -1.79E-70.2 -2.30E-6 -2.50E-60.3 -8.86E-6 -9.84E-60.4 -1.57E-5 -3.63E-60.5 0 2.28E-40.6 \ 1.96E-3表中x＝x/R，x為沿x軸的距離，R為馬鞍形線圈的半徑，δBy摘自CN 85 1 02592-7專利文獻表2，δHy為考慮到場參數(shù)高次項貢獻時的均勻度，電流比為1∶3。
我們用場參數(shù)理論分析了x＝0.6以內(nèi)馬鞍形線圈磁場的均勻度，計算時考慮了H0(z)至H12(z)場參數(shù)理論公式和H14(z)至H20(z)的場參數(shù)近似表達式。這些高次項場參數(shù)的表達式至今在所有公開的文獻中沒有發(fā)現(xiàn)，這些場參數(shù)對分析馬鞍形線圈磁場性質(zhì)是十分有益的。本發(fā)明的線圈可用作為標準磁場計量。
CN 85 1 02592-7專利文獻中僅給出兩組不同角度分布的線圈和這兩組線圈的疊加，其它滿足均勻磁場的角度分布并沒有提出。本發(fā)明解決了這方面的問題，并指出了這類均勻場所遵守的原則，給出了一系列的滿足均勻場的馬鞍形線圈的結構尺寸和角度分布，重要的是這種角度分布可以是連續(xù)的。
CN 85 1 02592-7專利文獻中所述的線圈導線所占空間非常狹小，所產(chǎn)生的磁場強度為弱磁場，一般為≤10-4T(T為特斯拉)，這就限制了這種均勻磁場線圈的應用范圍。本發(fā)明所提出的線圈不僅具有均勻場的特征，而且其場強可達到10-1T量級，與對比專利文獻相比提高了三個數(shù)量級，擴大了實用范圍，故可廣泛用與近代物理儀器中。
CN 85 1 02592-7專利文獻曾指出，它比同樣半徑的赫姆霍茲線圈的均勻度高一個數(shù)量級以上。本發(fā)明同樣具有這種特點，由于本發(fā)明的線圈角度分布可以連續(xù)，所以可以得到高強度的均勻磁場，且在同一技術指標下與赫姆霍茲線圈相比其所用導線的重量及線圈的體積有顯著地降低?，F(xiàn)舉例如下(理論計算)技術指標中心磁場強度為B0＝0.01T;均勻區(qū)半徑為18mm;均勻度為5×10-5。
赫姆霍茲線圈外徑484mm，高度260mm，線圈所占空間體積為4.78×107mm3，導線長度14.7km(線徑Φ0.35)，消耗功率為611W，數(shù)據(jù)的計算請參考《磁場的產(chǎn)生》張寶勻編，1987年機械工業(yè)出版社，P100～101。
本發(fā)明的線圈l0＝180mm，R0＝90mm，△l＝14mm，△R＝10mm，θ1為0°～4°，θ2為24°～28°，θ3為32°～36°，θ4為60°～64°，外徑為200mm，高度為388mm，體積為1.22×107mm3，導線長度為6.3km(線徑Φ0.35)，功率為263W。
本發(fā)明的線圈與赫姆霍茲線圈所用導線長度之比為0.43，體積之比為0.26，功率之比為0.43。
本發(fā)明的線圈所施加的電流不但適用于直流，而且還可適用于幾十千赫茲的交流。
本發(fā)明的目的是找出一系列符合能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈的結構條件及理由，并使這類線圈的中心磁場強度達到10-1T量級，或者更強，來滿足生產(chǎn)和科研的需求，同時該線圈在同一技術指標下其線圈的體積、所用導線數(shù)量和消耗的功率比赫姆霍茲線圈均有顯著地降低。
本發(fā)明是根據(jù)以下理論提出了能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈在直角坐標系中，馬鞍形線圈滿足二極場的要求，設磁場的主方向為y方向，則在xz平面上，磁場的三個分量為Hx(x，0，z)＝0 (1)Hy(x，0，z)＝H0(z)+∑H2s(z)x2s+△H (2)Hz(x，0，z)＝0 (3)其中H0(z)和H2s(z)為場參數(shù)，△H為誤差，x＝x/R，R為馬鞍形線圈圓弧部分[1]的半徑或者說該線圈直線部分[2]離z軸的距離，∑為求和號，從s＝1到s＝6。一組馬鞍形線圈的示意圖如

圖1所示，其中l(wèi)表示線圈總長度的一半，R表示線圈的半徑。把如圖1所示的馬鞍形線圈進行疊加，這種具有多個角度分布的單匝或多匝馬鞍形線圈的場參數(shù)理論公式如下H0(z)＝A·C1·B01(4)H2(z)＝A(C3·B23+C1·B21) (5)H4(z)＝A(C5·B45+C3·B43+C1·B41) (6)H6(z)＝A(C7·B67+C5·B65+C3·B63+C1·B61) (7)H8(z)＝A(C9·B89+C7·B87+C5·B85+C3·B83+C1·B81) (8)H10(z)＝A(C11·B1011+C9·B109+C7·B107
+C5·B105+C3·B103+C1·B101) (9)H12(z)＝A(C13·B1213+C11·B1211+C9·B1209+C7·B1207+C5·B1205+C3·B1203+C1·B1201) (10)其中A＝(μ0·I)/(π·R)，μ0＝4π×10-7B01＝F1+F3B23＝B01-(4F3-3F5-5F7)/8B21＝3(-F5+5F7)/8B45＝B23-(40F7-35F9-63F11)/128B43＝105(-F9+3F11)/128B41＝5(4F7-49F9+63F11)/64B67＝B45-(252F11-231F13-429F15)2-10B65＝231(-5F13+13F15)2-10B63＝63(24F11-143F13+143F15)2-10B61＝35(-8F9+180F11-561F13+429F15)2-10B89＝B67-143(48F15-45F17-85F19)2-15B87＝6435(-7F17+17F19)2-15B85＝6435(4F15-19F17+17F19)2-13B83＝1155(-16F13+156F15-351F17+221F19)2-13B81＝63(64F11-2288F13+12584F15-22165F17+12155F19)2-14B1011＝B89-221(220F19-209F21-399F23)2-18
B109＝138567(-3F21+7F23)2-18B107＝12155(112F19-475F21+399F23)2-18B105＝2145(-840F17+6188F19-11951F21+6783F23)2-18B103＝6435(64F15-920F17+3468F19-4845F21+2261F23)2-17B101＝231(-128F13+6656F15-56160F17+167960F19-205751F21+88179F23)2-17B1213＝B1011-2261(312F23-299F25-575F27)2-22B1211＝676039(-11F25+25F27)2-22B1209＝88179(180F23-713F25+575F27)2-21B1207＝323323(-96F21+612F23-1081F25+575F27)2-21B1205＝7735(7040F19-73568F21+230736F23-283613F25+120175F27)2-22B1203＝3003(-5760F17+114240F19-7752(82F21-189F23)-22287(67F25-25F27))2-22B1201＝429(512F15-36480F17+435200F19-1938000F21+2261(1740F23-1633F25+575F27))2-20Cn＝∑aicos(nθi)，n＝1，3，5，7，9，11，13…，I為電流強度，單位為安培(A)，∑是求和號，從i＝1至M，M為角度的個數(shù)，ai為電流系數(shù)，θi為線圈直線部分[2]所在xy平面上的方位值，一般為第一象限中矢徑與x軸的夾角。
Fn為分布函數(shù)，定義為
Fn＝P/(1+P2)n/2+Q/(1+Q2)n/2P＝l/R-z/R，Q＝l/R+z/R為了分析x＝0.6處的均勻度，按照場參數(shù)表達式的規(guī)律進行計算推理，當l＝2R，z＜0.3R時，場參數(shù)H14(z)～H20(z)的近似表達式為H14(z)＝2AC15(11)H16(z)＝2AC17(12)H18(z)＝2AC19(13)H20(z)＝2AC21(14)因此(2)式中△H變?yōu)椤鱄＝H14(z)x14+H16(z)x16+H18(z)x18+H20(z)x20+△ (15)為了方便地分析磁場的均勻性，定義磁場的均勻度δH為δH＝｜1-Hy(x，0，z)/Hy(0，0，0)｜ (16)從(15)式中可知△內(nèi)第一項為H22(z)x22，H22(z)含有C23項，可以推出，當｜C23｜/C1≤1時，△的誤差對均勻度δH的貢獻可以由x22計算出，當x＝0.6時，此處的誤差為1.3×10-5，也就是說，利用(4)～(14)式計算x＝0.6時均勻度δH的上限為10-5量級，同理x＝0.5時均勻度δH的上限為10-7量級。
根據(jù)(2)式和(4)～(15)式，要使馬鞍形線圈的磁場均勻度δH為最小，則要求H0(z)隨z的變化為最小，因為H0(z)是磁場的主要成分，H0(z)隨z變化最小，可使z方向的磁場均勻度最佳。根據(jù)均勻度δH的定義，要求(2)式中除H0(z)以外其他項的總和為最小。
為了實現(xiàn)上述兩點要求，所設計的線圈應滿足以下原則
1.由于H0(z)正比于(F1+F3)，分布函數(shù)Fn與線圈的幾何尺寸有關，與導線的方位角分布無關，它是z的函數(shù)，這就需要選擇最佳的幾何尺寸l、R，根據(jù)對比文獻CN 85 1 02592-7，我們同樣取l＝2R，由計算表明，這種幾何尺寸結構的H0(z)隨z的變化基本為最小，而且還可以證明，當l＝2R時，(5)式中Fn項的綜合效果使得z＝0時H2(0)＝0，這對于實現(xiàn)均勻場十分有益。由(1)～(14)式也可以看到l＝2R時，H14(z)～H20(z)隨z的變化非常小，這在理論上分析磁場的均勻度是十分有用的，這樣可以定量的給出磁場均勻度的極限值。綜合以上效果，線圈的幾何結構l＝2R為最佳尺寸。
2.為了使均勻場的磁場強度達到10-1T量級，需要線圈有一定的安匝數(shù)，當電流一定時就需要增加匝數(shù)，導線所占空間將使線圈的最佳幾何尺寸發(fā)生偏離，這樣將在一定程度上降低均勻度，如果使線圈仍具有均勻場的性質(zhì)，偏離的極限是什么范圍？我們設線圈的參考半長度為l0、參考半徑為R0，導線所占空間的范圍為l0±△l，R0±△R，疊加起來的綜合影響則有(l0-△l)/R0+(l0+△l)/R0＝2l0/R0(17a)l0/(R0-△R)+l0/(R0+△R)＝2l0/R0·1/(1-(△R/R0)2) (17b)當(△R/R)2＜＜1時，(17)式的值均近似為4，所以基本滿足l0＝2R0。
由此可以看出Ⅰ 以R0為參考位置對稱增加△R長度，若滿足(△R/R0)2＜＜1，則對線圈的均勻度影響不大，故選擇△R的上限為0.3R0，另外，根據(jù)理論計算也可以R0為參考位置非對稱地增加△R1和△R2長度，但△R1+△R2＝2△R，△R2≤△R1。
Ⅱ 以l0為參考位置對稱增加△l長度，從直線部分[4]考慮，其對線圈的均勻度影響不大，但從圓弧部分[3]考慮也有上述類似的影響，故選擇△l的上限為0.3l0，另外也可l0為參考位置非對稱地增加△l1和△l2長度，但△l1+△l2＝2△l，△l1≤△l。
Ⅲ增加了△l、△R，還需要導出滿足均勻場的另一重要條件，即導線所占方位角應具有連續(xù)分布，才能有效地增加安匝數(shù)。
3.當線圈的幾何尺寸一定后，其H0(z)/H0(0)的歸一化值不隨角度變化，而H2s(z)/H0(0)的大小與角度分布有關，找出一定的角度分布可使場參數(shù)H2s(z)中的某些Cn項為零，則H2s(z)的值就小了，這是設計均勻場所希望的。由三角函數(shù)規(guī)律可以找出當 θi±θJ＝180m/n，m，n＝1，3，5，7，9，……則 cos(nθi)+cos(nθJ)＝0，θi，θJ＜270°。
根據(jù)上述原則，選出θi，θJ使之滿足下式cos(3θi)+cos(3θJ)＝0， (18)cos(5θi)+cos(5θJ)＝0。 (19)則也滿足cos(9θi)+cos(9θJ)＝0， (20)cos(15θi)+cos(15θJ)＝0， (21)cos(21θi)+cos(21θJ)＝0。 (22)如果角度分布滿足上述條件，則H2s(Z)中的某些Cn項就有C3＝∑cos(3θi)＝0，C5＝∑cos(5θi)＝0，C9＝∑cos(9θi)＝0，C15＝∑cos(15θi)＝0，
C21＝∑cos(21θi)＝0。
由(4)～(10)式可知，C3，C5在場參數(shù)表達式中具有很大的權重，它是決定該線圈是否是均勻場的條件之一。因此線圈的導線分布所占方位角要滿足(18)～(22)式的要求，這就是本發(fā)明線圈的角度分布所遵循的一般原則，也可用計算機直接計算角度分布使之滿足均勻場的要求，例如，θ1＝11.64°，θ2＝26.95°，θ3＝56.05°我們按照上述三項原則找出了一系列能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈，并以場強的大小分為兩大類。
(一)弱磁場線圈這種線圈由數(shù)組同樣半徑和長度的馬鞍形線圈疊加而成，其幾何尺寸應滿足l＝2R，l為線圈的半長度，R為線圈的半徑，直線部分[2]的方位角θi應滿足<1>θ1＝11.64°，θ2＝26.95°，θ3＝56.05°<2>0°≤θ1≤36°，θ2＝36°-θ1，θ3＝24°+θ1，θ4＝60°+θ1<3>0°＜θ1≤12°，θ2＝36°+θ1，θ3＝24°-θ1，θ4＝60°-θ1<4>0°＜θ1＜42°，θ2＝36°+θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝96°+θ1<5>0°≤θ1≤60°，θ2＝60°-θ1，θ3＝48°+θ1，θ4＝108°+θ1<6>0°＜θ1≤24°，θ2＝48°-θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝108°-θ1
<7>0°＜θ1＜6°，θ2＝60°+θ1，θ3＝108°+θ1，θ4＝168°+θ1<8>12°＜θ1≤40°，θ2＝60°+θ1，θ3＝108°+θ1，θ4＝168°+θ1<9>上述八種線圈相互可以疊加，它們之間施加的電流大小各異。
(二)強磁場線圈這種線圈是用數(shù)組不同半徑和長度的馬鞍形線圈疊加而成，其幾何尺寸應滿足l0＝2R0R0-△R1≤R≤R0+△R2(23)△R1≥△R2，△R1+△R2＝2△R，△R＜0.3R0l0-△l1≤L≤l0+△l2(24)△l1≤△l2，△l1+△l2＝2△l，△l＜0.3l0其中l(wèi)0為線圈的參考半長度，R0為線圈的參考半徑，R為線圈的導線在矢徑方向分布的范圍，L為線圈的導線圓弧部分[3]在z方向分布的范圍。△R可由下式確定△R＝5.82×102·B0/(w·J·C＊) (25)其中B0為中心磁場強度，單位為特斯拉T，w為導線的占空系數(shù)，且w＜1，J為導線中的電流密度，單位為安培/平方毫米(A/mm2)，△R的單位為毫米。
C＊＝∫δ(θ)cos(θ)dθ，當通正向電流時，δ(θ)＝1，無導線時，δ(θ)＝0，通反向電流時δ(θ)＝-1，∫的積分上下限分別為π/2和0?！鱨可由下式確定△l＝8.73×10-3·k·R0·∑Θi(26)
式中k為修正系數(shù)，一般1≤k＜2，Θi為θi所對應的園心角度，求和∑為從1到M，M為導線的組數(shù)，R0的單位為毫米，△l的單位為毫米。線圈直線部分[4]的方位角分布θi應滿足<1>0°≤θ1≤6°，θ2＝36°-θ1，θ3＝24°+θ1，θ4＝60°+θ1<2>18°≤θ1≤36°，θ2＝36°-θ1，θ3＝24°+θ1，θ4＝60°+θ1<3>0°≤θ1≤12°，θ2＝36°+θ1，θ3＝24°-θ1，θ4＝60°-θ1<4>0°≤θ1≤24°，θ2＝36°+θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝96°+θ1<5>24°≤θ1≤36°，θ2＝36°+θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝96°+θ1<6>36°≤θ1≤42°，θ2＝36°+θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝96°+θ1<7>0°≤θ1≤6°，θ2＝60°-θ1，θ3＝48°+θ1，θ4＝108°+θ1<8>6°≤θ1≤30°，θ2＝60°-θ1，θ3＝48°+θ1，θ4＝108°+θ1<9>30°≤θ1≤60°，θ2＝60°-θ1，θ3＝48°+θ1，θ4＝108°+θ1<10>0°≤θ1≤24°，θ2＝48°-θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝108°-θ1<11>0°≤θ1≤6°，θ2＝60°+θ1，θ3＝108°+θ1，
θ4＝168°+θ1<12>12°≤θ1≤30°，θ2＝60°+θ1，θ3＝108°+θ1，θ4＝168°+θ1<13>上述十二種角度分布所構成的線圈互相之間可以疊加，它們之間施加的電流大小各異。為了保證較好的均勻度，不允許組與組角度分布之間的重疊，但允許它們的部分角度分布重疊，且此角度分布上的組與組之間的導線施加的電流大小相同而方向相反，這時視為此角度分布上無導線。
上述的強、弱磁場線圈中不同角度分布的導線所施加電流有如下規(guī)定0°≤θ1≤90°，通正向電流，ai＞0;
90°＜θ1≤180°，Ψi＝180°-θ1，通反向電流，ai＜0;
180°＜θ1≤270°，Φi＝θi-180°，通反向電流，ai＜0，其中Ψi和Φi是把θi折合到第一象限時所對應的角度分布，ai為電流系數(shù)。
第一象限的角度分布已知后，根據(jù)二極磁場的對稱性，其他象限的角度就可以知道了。因此本說明書和權利要求書中僅給出第一象限的角度分布。弱磁場馬鞍形線圈的導線分布參看圖2，強磁場馬鞍形線圈的導線分布參看圖3，有關參量已在圖中標注。
弱磁場線圈所產(chǎn)生的磁場強度一般為10-4T量級，除非使用超導線繞制。在設計制造這類線圈時一般誤差控制在l＝(2±0.03)R，(θi±0.3)°以內(nèi)，角度可以是單值或連續(xù)分布，例如單值θ1＝12°，θ2＝48°θ1＝0.5°，θ2＝35.5°，θ3＝24.5°，θ4＝60.5°
連續(xù)θ1＝0°～6°，θ2＝24°～36°，θ3＝60°～66°對于弱磁場線圈，我們給出了八組角度分布的遞推公式，由此可以得到許多能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈的角度分布，這對于技術人員設計這類線圈是十分有用的，他們可根據(jù)不同的要求設計制造出不同角度分布的線圈。下面我們給出部分線圈z＝0時沿x軸的均勻度δH(理論計算)x ① ② ③0.1 9.54E-07 -1.79E-07 -5.96E-080.2 7.15E-07 -3.34E-06 5.72E-060.3 -3.90E-05 -1.62E-05 8.57E-050.4 -4.04E-04 5.58E-06 5.58E-040.5 -2.40E-03 6.34E-04 2.56E-030.6 -1.04E-02 5.36E-03 1.02E-02x ④ ⑤ ⑥0.1 -1.19E-07 -1.79E-07 -1.79E-070.2 4.77E-07 -2.03E-06 -2.21E-060.3 1.38E-05 -5.66E-06 -7.51E-060.4 -2.76E-05 -7.78E-07 -9.06E-060.5 -1.14E-03 -1.80E-06 5.56E-060.6 -9.17E-03 -4.08E-04 -5.33E-05上述所對應的角度分布為① 11.64°，26.95°，56.05°② 1°，35°，25°，61°③ 1°，37°，23°，59°
④ 15.95°，51.95°，75.95°，111.95°⑤ Ⅰ∶1°，35°，25°，61°;
Ⅱ∶14.45°，45.55°，62.45°，122.45°電流比為Ⅰ∶Ⅱ＝1∶2.4⑥Ⅰ1.05°，34.95°，25.05°，61.05°;
Ⅱ15.95°，51.95°，75.95°，111.95°;
Ⅲ14.45°，45.55°，62.45°，122.45°電流比為Ⅰ∶Ⅱ∶Ⅲ＝0.64∶0.2∶1由上面給出的數(shù)據(jù)可以看出均勻度δH在x＝0.4的下限為10-4量級。弱磁場線圈中心的磁場強度計算公式為B0＝8.59·NI·C1/R×10-4(T特斯拉) (27)其中NI為安匝數(shù)(安培)，R的單位為毫米，C1定義為C1＝∑aicos(θi)強磁場線圈的設計首先要確定該線圈的技術指標磁場強度、均勻度、均勻區(qū)域。
首先我們選擇θi的角度分布，由于H0(z)是磁場的主要成分，故導線分布一般要取在60°以內(nèi)。由(25)式求出△R，根據(jù)△R＜0.3R0可定出R0，△R/R0＜＜1告訴我們，R0選擇大一些為好，按照技術指標和線圈成本費用可選擇滿意的R0。接著根據(jù)l0＝2R0來確定l0和利用(26)式確定△l，首先使△R1＝△R2＝△R，△l1＝△l2＝△l，用場參數(shù)理論計算公式(2)、(4)～(14)和(16)式，計算均勻度和均勻區(qū)域，看是否滿足要求，否則改變△R1或△R2，△l1或△l2重新計算，如果△R1≠△R2，△l1≠△l2時，它們應滿足△R1＞△R2，△R1+△R2＝2△R，△l1＜△l2，△l1+△l2＝2△l的條件。角度分布θi對磁場強度、均勻度和均勻區(qū)域這三項指標影響很大，其次是△R1，△R2，△l1和△l2。因此要選擇最佳的角度分布θ1。本發(fā)明提供了十三種角度分布，它們之間可以迭加，施加的電流大小可以各異。
上述線圈均沒有考慮利用磁屏蔽，如果在線圈的外部包有均勻的導磁材料，除可以增加磁場強度，也可以提高磁場的均勻度。經(jīng)理論計算證明，當導磁材料的屏蔽筒緊包在線圈的外側(cè)，其中心的磁場強度一般可提高到1.8B0，如果線圈外徑與屏蔽筒的內(nèi)徑之比為0.7～0.8時，其中心磁場強度約為1.4B0，但后者提高均勻度的效果要比前者明顯，因此線圈的外徑與屏蔽筒的內(nèi)徑之比可為0.7～1。
制作這類線圈均需骨架支承導線，一種是用導線直接繞在具有導線槽的骨架上，另一種方式是用自粘導線在繞線機的模具內(nèi)繞制并成形，再把所繞的線圈組裝在骨架上。骨架是用非導磁材料制成的，如陶瓷、玻璃、塑料等。
需要注意的是，當線圈施加較大的電流時，線圈要發(fā)熱，需要對線圈進行冷卻，風冷或施加冷卻液。
線圈制成以后會有一定的誤差，可以用導磁材料(如硅鋼片)放在線圈的外壁，當然也可貼在內(nèi)壁進行修正，由于其導磁作用，可改變線圈內(nèi)的磁場分布，因此可以邊測量邊貼，使磁場的均勻性達到所設計的要求。
綜上所述，本發(fā)明所提出的能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈是在理論指導下得出了一系列滿足均勻場線圈的有關參數(shù)，重要的是該線圈的角度分布是連續(xù)的，于是可把這類線圈的中心磁場強度提高到10-1T量級，甚至更強，這樣，該線圈在生產(chǎn)和科研中能夠獲得更加廣泛的應用，克服了CN 85 1 02592-7專利文獻中的技術不足。與赫姆霍茲線圈相比除均勻度比它高一個數(shù)量級以上外，在線圈的體積、所用導線數(shù)量及消耗的功率均有顯著地降低。
圖1.一組馬鞍形線圈示意圖。
圖2.弱磁場馬鞍形線圈示意圖。此圖由四組馬鞍形線圈疊加而成，直線部分的方位角分別為θ1、θ2、θ3和θ4，圓弧部分的半徑為R，線圈的半長為2R。圖中的xy坐標圖為該線圈的俯視圖，xz坐標圖為該線圈的側(cè)視圖。[1]表示弱磁場馬鞍形線圈的圓弧部分，[2]表示弱磁場馬鞍形線圈的直線部分。
圖3.強磁場馬鞍形線圈示意圖。此圖由兩組多匝馬鞍形線圈疊加而成，直線部分的方位角分布所對應的圓心角分別為Θ1和Θ2，圓弧部分的半徑分布范圍為(R0-△R1)至(R0+△R2)，這里R0為參考半徑，線圈半長為2R0+△l2，圓弧部分在z方向的分布范圍為(2R0-△l1)至(2R0+△l2)。圖中的xy坐標圖為該線圈的俯視圖;另一幅為剖視圖，xz坐標圖為該線圈的側(cè)視圖。[3]表示強磁場馬鞍形線圈的圓弧部分，[4]表示強磁場馬鞍形線圈的直線部分。
上述圖均在xyz坐標系中，圖中的→表示電流的方向。
上面所敘述的能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈分為弱磁場線圈和強磁場線圈，所給出的幾何尺寸、角度分布和設計公式均可作為實施的依據(jù)。下面我們?nèi)越o出三個強磁場線圈的結構實施例(理論計算)1.中心磁場強度為B0＝1×10-2T，均勻區(qū)半徑為18mm，均勻度為10-5量級，l0＝180mm，R0＝90mm，△R＝10mm，△l＝14mm，θ1＝0°～4°，θ2＝24°～28°，θ3＝32°～36°，θ4＝60°～64°。
2.中心磁場強度為B0＝3×10-2T，均勻區(qū)半徑為15mm，均勻度為10-5量級，l0＝150mm，R0＝75mm，△R1＝20mm，△R2＝10mm，△l1＝25.9mm，△l2＝36.9mm，θ1＝0°～24°，θ2＝36°～60°。
3.中心磁場強度為B0＝1×10-1T，均勻區(qū)半徑為180mm，均勻度為10-5量級，l0＝1800mm，R0＝900mm，△R＝100mm，△l＝140mm，θ1＝0°～4°，θ2＝24°～28°，θ3＝32°～36°，θ4＝60°～64°。
上述三種線圈如加屏蔽套筒，中心磁場強度一般可增加到B0的1.4～1.8倍。實施例3是實施例1的幾何尺寸放大，如果需要的磁場強度更大，可按比例放大線圈的有關幾何尺寸。
權利要求
1.一種能產(chǎn)生均勻磁場的線圈，它由數(shù)組同樣半徑和長度的馬鞍形線圈疊加而成，且?guī)缀纬叽鐫M足l=2R，其特征是直線部分[2]的方位角θ1為(1)θ1=11.64°，θ2=26.95°，θ3=56.05°，或(2)0°≤θ1≤36°，θ2=36°-θ1，θ3=24°+θ1，θ4=60°+θ1，或(3)0°＜θ1≤12°，θ2=36°+θ1，θ3=24°-θ1，θ4=60°-θ1，或(4)0°＜θ1≤42°，θ2=36°+θ1，θ3=60°+θ1，θ4=96°+θ1，或(5)0°≤θ1≤60°，θ2=60°-θ1，θ3=48°+θ1，θ4=108°+θ1，或(6)0°＜θ1≤24°，θ2=48°-θ1，θ3=60°+θ1，θ4=108°-θ1，或(7)0°＜θ1＜6°，θ2=60°+θ1，θ3+108°+θ1，θ4=168°+θ1，或(8)12°＜θ1≤40°，θ2=60°+θ1，θ3=108°+θ1，θ4=168°+θ1，或(9)上述八種角度分布所構成的線圈相互之間可以疊加，它們之間施加電流的大小各異。
2.一種能產(chǎn)生均勻磁場的線圈，它由數(shù)組不同半徑和長度的馬鞍形線圈疊加而成，其特征是線圈的幾何尺寸應滿足l0＝2R0R0-△R1≤R≤R0+△R2△R1≥△R2，△R1+△R2＝2△R，△R＜0.3R0△R＝5.82×102·Bo/(w·J·C＊)l0-△l1≤L≤l0+△l2△l1≤△l2，△l1+△l2＝2△l，△l＜0.3l0△l＝8.73×10-3·k·RO·∑Θ1線圈直線部分[4]的方位角分布θ1應滿足(1)0°≤θ1≤6°，θ2＝36°-θ1，θ3＝24°+θ1，θ4＝60°+θ1，或(2)18°≤θ1≤36°，θ2＝36°-θ1，θ3＝24°+θ1，θ4＝60°+θ1，或(3)0°≤θ1≤12°，θ2＝36°+θ1，θ3＝24°-θ1，θ4＝60°-θ1，或(4)0°≤θ1≤24°，θ2＝36°+θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝96°+θ1，或(5)24°≤θ1≤36°，θ2＝36°+θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝96°+θ1，或(6)36°≤θ1≤42°，θ2＝36°+θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝96°+θ1，或(7)0°≤θ1≤6°，θ2＝60°-θ1，θ3＝48°+θ1，θ4＝108°+θ1，或(8)6°≤θ1≤30°，θ2＝60°-θ1，θ3＝48°+θ1，θ4＝108°+θ1，或(9)30°≤θ1≤60°，θ2＝60°-θ1，θ3＝48°+θ1，θ4＝108°+θ1，或(10)0°≤θ1≤24°，θ2＝48°-θ1，θ3＝60°+θ1，θ4＝108°-θ1，或(11)0°≤θ1≤6°，θ2＝60°+θ1，θ3＝108°+θ1，θ4＝168°+θ1，或(12)12°≤θ1≤30°，θ2＝60°+θ1，θ3＝108°+θ1，θ4＝168°+θ1，或(13)上述十二種角度分布所構成的線圈互相之間可以疊加，它們之間施加的電流大小各異，而角度分布之間不允許重疊，但允許角度分布重疊時施加的電流大小相同而方向相反。
3.根據(jù)權利要求1所述的線圈，其特征是l0＝(2±0.03)R0θ1±0.3°
4.根據(jù)權利要求2所述的線圈，其特征是l0＝180mm，R0＝90mm，△R＝10mm，△l＝14mm，θ1＝O°至4°，θ2＝24°至28°，θ3＝32°至36°，θ4＝60°至64°。
5.根據(jù)權利要求2所述的線圈，其特征是l0＝150mm，R0＝75mm，△R1＝20mm，△R2＝10mm，△l1＝25.9mm，△l2＝36.9mm，θ1＝0°至24°，θ2＝36°至60°。
6.根據(jù)權利要求2所述的線圈，其特征是l0＝1800mm，R0＝900mm，△R＝100mm，△l＝140mm，θ1＝0°至4°，θ2＝24°至28°，θ3＝32°至36°，θ4＝60°至64°。
7.根據(jù)權利要求1～6所述的線圈，其特征是在線圈的外部包有均勻介質(zhì)導磁材料，其線圈的外徑與屏蔽筒的內(nèi)徑之比為0.7～1。
全文摘要
能產(chǎn)生均勻磁場的馬鞍形線圈，屬于均勻磁場線圈技術。它提供一個均勻度很高、強度較大的磁場，比現(xiàn)有的馬鞍形均勻磁場線圈的強度高三個數(shù)量級，達到10該線圈滿足磁二極場性質(zhì)，是用數(shù)組相同或不相同的半徑和長度的馬鞍形線圈疊加而成，線圈的直線部分要滿足一定的角度分布。它可用于物理儀器中，也可用作標準磁場計量。
文檔編號H01F5/00GK1061486SQ90109340
公開日1992年5月27日 申請日期1990年11月16日 優(yōu)先權日1990年11月16日
發(fā)明者李國峰 申請人:南開大學