一种磁屏蔽装置

1.本发明涉及氢原子选态技术领域，更具体地涉及一种磁屏蔽装置。


背景技术：

2.如图1所示，氢脉泽的二次选态系统包括一级选态磁铁、量子态反转装置和二次选态磁铁，量子态反转装置分别与一级选态磁铁和二级选态磁铁连通，以实现氢原子束的流通。在量子态反转装置中，需要通过多组线圈产生横向0-4gs的梯度磁场以及0.2gs的纵向线偏振磁场，其他任何高于0.01gs的外磁场都会影响二次选态系统的运行，甚至使得二次选态系统失效。然而与量子态反转装置相连接的一级选态磁铁和二级选态磁铁的极尖场强高达10000gs，地球所产生的地磁场也不低于0.5gs，因此需要在量子态反转装置外设置磁屏蔽装置对强外磁场进行屏蔽，使其低于0.01gs。
3.如图2所示，磁屏蔽结构通常采用多层圆柱筒嵌套的形式，其中ri和li分别为第i层(i＝1,2
…
n)的平均半径和平均长度，δr与δl分别为层与层间的径向间隔与轴向间隔。如图3所示，现有的一种磁屏蔽装置包括四层屏蔽筒100，每层均由厚度为0.8mm的高磁导率1j85坡莫合金制成，层与层间隔为7mm；除最外层顶盖外其余每个顶盖在圆心处开直径为20mm的孔101，用于放置机械调谐用的扳手，屏蔽筒100与屏蔽底200采用接插方式进行紧固，该屏蔽装置外至内环境中心轴处磁场强度由0.5e-4t降至2e-8t，屏蔽系数为2500。
4.但是，现有的磁屏蔽装置采用坡莫合金1j85，虽然1j85的磁导率非常高，在屏蔽地磁场等较弱外磁场时具有优异性能，但是其饱和磁感应强度仅为7000gs，而量子态反转装置外由选态磁铁产生的磁场最高可超过10000gs，如果直接将1j85作为外屏蔽筒材质，外屏蔽将被强外磁场磁化而失去屏蔽效果；且现有的磁屏蔽装置的筒与底的边为直角边，不利于屏蔽筒壁中磁力线的通过，屏蔽效果较差；此外，由于量子态反转装置中的线圈在产生磁场的同时也会产生热量，而二次选态系统在真空环境下运行，线圈所散发的热量仅能通过热传导和热辐射的形式消散，现有的磁屏蔽装置的层与层之间没有传热设计，这将导致线圈产生的热量无法传出而不断增加，使量子态反转装置的温度持续上升甚至到达线圈熔点，从而导致二次选态系统失效。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种磁屏蔽装置，可有效屏蔽外部磁场并传导热量，使量子态反转装置可正常运行。
6.本发明提供一种磁屏蔽装置，包括：
7.磁屏蔽主体，包括多层嵌套的屏蔽筒，所述屏蔽筒的侧面与顶面和底面均为圆滑过渡；
8.套筒，套设在所述磁屏蔽主体外侧且由大小形状均一致的两个半套筒拼合而成。
9.进一步地，相邻两层屏蔽筒之间设置有上支撑件和下支撑件，所述上支撑件与相邻两层屏蔽筒的上部均紧密贴合，所述下支撑件与相邻两层屏蔽筒的下部均紧密贴合。
10.进一步地，所述上支撑件和下支撑件均由氮化硼材料制成。
11.进一步地，所述屏蔽筒包括屏蔽筒本体和屏蔽底，所述屏蔽筒本体与所述屏蔽底插接相连。
12.进一步地，相邻两层屏蔽筒之间的间距为2-5mm。
13.进一步地，相邻两层屏蔽筒之间的间距为4mm。
14.进一步地，所述屏蔽筒有四层，外两层屏蔽筒采用1j50坡莫合金，内两层屏蔽筒采用1j85坡莫合金。
15.进一步地，每层屏蔽筒的顶面和底面均开设有原子束通孔。
16.进一步地，每个半套筒的一端均设置有法兰盘，两个半套筒通过所述法兰盘相互连接。
17.进一步地，两个半套筒内均设置有固定爪，所述磁屏蔽主体位于两半套筒的固定爪之间。
18.本发明的磁屏蔽装置，其磁屏蔽主体包括多层嵌套的屏蔽筒，屏蔽筒的侧面与顶面和底面之间圆滑过渡，屏蔽效果好；各层屏蔽筒之间上支撑件和下支撑件，既可以保持各层屏蔽筒之间的间距，又可以将屏蔽筒内部的热量传导至外界。
附图说明
19.图1为现有的氢脉泽的二次选态系统的结构框图；
20.图2为现有的多层圆柱嵌套磁屏蔽结构的示意图；
21.图3为现有的一种磁屏蔽装置的结构示意图；
22.图4为根据本发明实施例的磁屏蔽装置沿轴线剖开后的一半的结构示意图；
23.图5为根据本发明实施例的磁屏蔽装置的整体结构示意图；
24.图6为根据本发明实施例的磁屏蔽主体沿轴线剖开后的一半的结构示意图；
25.图7为根据本发明实施例的磁屏蔽主体的整体结构示意图；
26.图8为根据本发明实施例的上支撑件的结构示意图；
27.图9为根据本发明实施例的下支撑件的结构示意图；
28.图10为根据本发明实施例的磁屏蔽主体与上支撑件和下支撑件的关系示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
30.如图4所示，本发明实施例提供一种磁屏蔽装置，包括套筒1和磁屏蔽主体2，套筒1套设在磁屏蔽主体2的外侧，其由大小形状均一致(均为空心筒状结构)的两个半套筒11拼合而成，其材质为铝合金，用于固定磁屏蔽主体2；套筒1同时与一级选态磁铁和二级选态磁铁相连，因此其可将磁屏蔽主体2表面的热量传导至选态磁铁，从而使磁屏蔽主体2内部的热量散出，避免其温度过高而熔化量子态反转装置的线圈。
31.每个半套筒11的一端均设置有法兰盘111，法兰盘111上沿周向开设有若干螺纹孔，从而使两个半套筒11通过所述法兰盘111螺纹连接。通过法兰盘111可实现半套筒11之间的精确定位。
32.两个半套筒11内均设置有固定爪112，其分别与一级选态磁铁和二级选态磁铁相
连，从而将磁屏蔽装置固定至选态磁铁。如图5所示，磁屏蔽主体2可置于两个半套筒11的固定爪112之间，当两个半套筒11相互连接后，即可通过固定爪112将磁屏蔽主体2压紧。
33.如图6所示，磁屏蔽主体2包括多层嵌套的屏蔽筒21，量子态反转装置位于最内层的屏蔽筒21内并与其螺纹连接。在本实施例中，屏蔽筒21有四层，其中，外两层采用1j50坡莫合金，内两层采用1j85坡莫合金。1j50相较于1j85虽然磁导率有所降低，但其饱和磁感应强度较高，不容易被外磁场磁化而失去屏蔽效果，因此将其作为外两层的材料。通过外两层的屏蔽，外磁场强度可降低至1j85坡莫合金的饱和磁感应强度以下，因此为了提高磁屏蔽的屏蔽效果，内两层选用磁导率更高的1j85坡莫合金。
34.屏蔽筒21包括屏蔽筒本体211和屏蔽底212，如图7所示，屏蔽筒本体211和屏蔽底212可采用插接方式相连，即屏蔽筒本体211插入屏蔽底212中，从而形成封闭的屏蔽筒21，这样可以便于各层屏蔽筒21和量子态反转装置的安装。
35.为了进一步提高屏蔽效果，屏蔽筒本体211和屏蔽底212的侧面与顶面或底面之间均为圆滑过渡，与直角过渡相比，其更有利于磁力线的通过，从而使磁屏蔽效果更好。
36.每层屏蔽筒21的屏蔽筒主体211和屏蔽底212上均开设有原子束通孔22，用于氢原子束的入射与出射。
37.各层屏蔽筒21之间的间距可通过有限元仿真计算得到，层间距越大，屏蔽系数越高，磁屏蔽效果越好，但是磁屏蔽装置的体积与质量也会随之增加，不利于氢脉泽二次选态系统的小型化，因此间距的选择需要综合考虑磁屏蔽效果和磁屏蔽装置的体积与质量。在本实施例中，相邻两层屏蔽筒21之间的间距为2-5mm，优选为4mm，这样既可以实现较好的磁屏蔽效果，又能满足二次选态系统的小型化要求。
38.相邻两层屏蔽筒21之间夹设有上支撑件23和下支撑件24，以将量子态反转装置产生的热量通过各层的屏蔽筒21和支撑件传导至套筒1，并最终传导至外界；同时上支撑件23和下支撑件24还可使各层之间的间隙保持在预设值。
39.如图8-10所示，上支撑件23为圆环状且与屏蔽筒本体211的顶部仿形设计，从而使其与相邻两层屏蔽筒本体211均紧密贴合。下支撑件24为圆盘状且其顶面与屏蔽底212的底面仿形设计，侧面则与相邻层的屏蔽底212的内表面仿形设计，从而使其与相邻两层屏蔽底212均紧密贴合。上支撑件23和下支撑件24中间均为空心设计，一方面可以使原子束顺利通过，另一方面也可以在确保传热的情况下尽量减小整体的质量。上支撑件23和下支撑件24放置在相应的位置后，通过套筒1压紧，防止其掉落。
40.上支撑件23和下支撑件24均由立方氮化硼粉末烧结压制而成，导热系数可达79.54w/m
·
k，各层之间的上支撑件和下支撑件除大小外形状均相同。
41.二次选态系统运行于真空环境，为比较有无氮化硼支撑件对磁屏蔽装置的影响，对磁屏蔽装置进行传热有限元仿真。在仿真时，量子态反转装置表面为线圈热源，发热功率为10w/m2，初始环境温度为303.15k，在没有支撑件的情况下，线圈产生的热量不断积累，温度不断升高最终可高于2500k，此时量子态反转装置将由于线圈熔融而无法正常运行；在添加上支撑件和下支撑件后，线圈产生的热量可及时通过支撑件和屏蔽筒传导至外界，量子态反转装置的温度与环境温度相比只升高了0.17k，可正常运行。通过仿真结果可知，本发明的磁屏蔽装置可以很好的传导热量。
42.本发明实施例提供的磁屏蔽装置，其磁屏蔽主体2包括多层嵌套的屏蔽筒21，屏蔽
筒21的侧面与顶面和底面之间圆滑过渡，屏蔽效果好；各层屏蔽筒21之间上支撑件23和下支撑件24，既可以保持各层屏蔽筒21之间的间距，又可以将屏蔽筒21内部的热量传导至外界。
43.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。