专利名称：被动抵消式磁屏蔽装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超导电工学领域，特别涉及一种被动抵消式磁屏蔽装置。
背景技术：
磁屏蔽技术是现代科学的一项重要保障技术，广泛应用在高能物理，航天探测，医 疗器械，精密电磁测量等领域。从所屏蔽磁场的频率来分，大体上可分为两种，一种是对高 频磁场的屏蔽，另外一种是对低频磁场，包括准静态或者静态磁场的屏蔽。屏蔽高频磁场多 利用高电导率的金属，在需要屏蔽的空间外部搭建一个金属外壳，由于高频电磁波在高电 导率金属中会快速衰减，磁场无法穿透高电导率的金属，在金属外壳所包围的区域，达到磁 屏蔽效果。 而屏蔽低频磁场和准静态磁场有两种方法，一种方法是利用高磁导率的合金材料 搭建屏蔽腔，依靠高磁导率材料所具有的低磁阻，对磁通分流作用，在屏蔽腔体内部形成磁 场屏蔽效果。这种屏蔽方法的特点是在磁场迎面方向必须有铁磁材料，否则对于外磁场没 有屏蔽效果，但这样一来，在磁场迎面相方向相当于加载了一个光学上不透明的阻挡层。在 某些应用领域如需要光学探测，或者发射接收光学信号的时候，这种利用高磁导率材料搭 建的磁屏蔽室就显示出局限性。 针对这种局限性，还有一种基于抵消原理的磁屏蔽方式，这种方法是在所需屏蔽 空间外部利用线圈产生一个与外磁场反向的磁场，抵消外磁场，从而在所需屏蔽空间产生 磁场屏蔽效果，称为主动抵消式屏蔽装置。通过特殊设计的线圈，再配以探测系统，控制系 统和供电系统可达到对外磁场的屏蔽。这种方法相对利用高磁导率材料搭建屏蔽室的方法 解决了在磁场迎面方向光学不透明的弱点，但这种方法系统复杂，需要精密的探测系统，配 合复杂的控制反馈电路，并且驱动线圈的能耗较多，还会产生热量，在一些需要严格控制能 耗，和对系统稳定性有苛刻要求的领域有局限性。 针对以上屏蔽装置的不足，需要一种新型的磁屏蔽装置，这种新型的磁屏蔽装置 从屏蔽磁场的原理上来讲也属于抵消式，与主动抵消式屏蔽装置同样，都是通过线圈产生 一个与外磁场大小相等，方向相反的磁场来抵消外磁场，实现磁屏蔽。但在实现方式上，这 种新型磁屏蔽不需要复杂的探测，控制系统，也不需要外加电源和辅助电路，具有零损耗和 可根据外磁场自适应地产生抵消磁场的特点。根据这种屏蔽方法的使用特点，其装置称其 为被动抵消式磁屏蔽装置。
发明内容
本发明的目的为解决传统的利用高磁导率材料搭建磁屏蔽室的方式，在磁场迎面 方向视线狭窄阻碍光学探测的问题，以及利用有源线圈产生主动抵消外磁场的屏蔽方式， 系统复杂和能耗大的问题，提出了一种被动抵消式磁屏蔽装置，其特征在于，第一级亥姆霍 兹线圈左线圈3、第一级亥姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线圈左线圈4和第二级亥 姆霍兹线圈右线圈2同轴排列，其中，第一级亥姆霍兹线圈左线圈3和第一级亥姆霍兹线圈右线圈l半径相等，匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与线圈半径相同，组成第一级 亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为N"第二级亥姆霍兹线圈左线圈4和第二级亥姆霍兹 线圈右线圈2半径相等，匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与线圈半径相同，组成第 二级亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为^，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍 兹屏蔽线圈的匝数比a =^/^2，第二级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径1~2大于第一级亥姆霍兹 屏蔽线圈的半径巧，第二级亥姆霍兹线圈左线圈4与第二级亥姆霍兹线圈右线圈2的间距 大于第一级亥姆霍兹线圈左线圈3与第级亥姆霍兹线圈右线圈1的间距，上述四个线圈均 支撑在导轨5上，并可在导轨5上轴向移动；所述第一级亥姆霍兹线圈左线圈3、第一级亥 姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线圈左线圈4和第二级亥姆霍兹线圈右线圈2均为用 超导线材或者超导带材绕制的超导线圈，第一级亥姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线 圈右线圈2、第一级亥姆霍兹线圈左线圈3和第二级亥姆霍兹线圈左线圈4依次同向串联焊 接构成整体的闭合回路，一组第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈构成被 动抵消式磁屏蔽装置。 所述第二级亥姆霍兹屏蔽线圈半径^和第一级亥姆霍兹屏蔽线圈半径巧的比值 大于l。 所述第一级亥姆霍兹屏蔽线圈每个线圈的匝数Np第二级亥姆霍兹屏蔽线圈每个 线圈的匝数^以及匝数比a = N乂K按如下步骤确定 步骤1)求解不同匝数比下，在外磁场激励下分别在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和 第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中产生的安匝数NJ和NJ : 四个线圈之间以同向串联的方式连接构成的串联闭合回路在变化外磁场下的等 效电路可简化为电感电阻串联电路，每个线圈分别可等效为电感与电阻的串联元件，假设 外磁场以B。sin("t)正弦变化，B。为磁场幅值，在此情况下等效电路中电流i响应由公式 (1)描述， 其中L为电路总电感，R为电路总电阻，由于采用超导带材绕制线圈，电路中的感 抗分量远远大于电阻分量，在此情况下，公式(1)中电阻部分可忽略，考虑四个线圈串联情 况下，求解公式(l)，可得线圈中每匝之中电流如下'"^T^T3p^Ti] S^7+玩劝〗+^p^np7^一"""
(2) 其中B。为外磁场，L1Q、L2。分别为第一级亥姆霍兹屏蔽线圈右线圈1和第二级亥姆 霍兹屏蔽线圈右线圈2的自感，M，为第二级亥姆霍兹线圈右线圈2与第一级亥姆霍兹线圈 右线圈1的互感，M，为第二级亥姆霍兹线圈右线圈2与第一级亥姆霍兹线圈左线圈3的互 感，M，为第二级亥姆霍兹线圈右线圈2与第二级亥姆霍兹线圈左线圈4之间的互感，M^为 第一级亥姆霍兹线圈右线圈1与第一级亥姆霍兹线圈左线圈3的互感。由公式(2)可见， 线圈中的感应电流产生的磁场可抵消外磁场； 公式(2)经过整理并代入a 二N乂^可求得第一级亥姆霍兹屏蔽线圈感应电流安 匝数，即线圈每匝之中电流乘以匝数NJ为
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式中，I为线圈中感应电流的幅值； 同理第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中感应电流安匝数为NJ/a ，由公式(3)可求得在 外磁场幅值B。时不同a情况下在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中 产生的安匝数； 步骤2)确定线圈在中心点产生磁场的公式
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将NJ，NJ代入公式(4)，求得随a变化，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽
线圈在中心点o产生的磁场，再减去外磁场B。即为屏蔽之后中心点剩余磁场B为，G =」一^ + (*f....... S|) 步骤3)按照完全屏蔽的要求，令公式(5)中B = O，计算对应的匝数比a ; 或者，按照对外磁场B。按比例屏蔽的要求计算对应的匝数比a ; 步骤4)由以上三个步骤求解的两级线圈的匝数比a和线圈所用超导带材的临界
电流，按照完全屏蔽要求确定每级线圈的匝数，或者按照对外磁场B。按比例屏蔽要求确定
每级线圈的匝数 —般规定线圈每匝之中运行的电流不得超过导线临界电流的一半，线圈具体匝数 可由2X安匝数/临界电流简单求得。 所述第一级亥姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线圈右线圈2、第一级亥姆霍 兹线圈左线圈3和第二级亥姆霍兹线圈左线圈4依次同向串联焊接为锡焊或超导焊接。
两组或三组第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈关于同一个中 心点o正交设置构成屏蔽来自两个或三个正交方向的变化磁场的被动抵消式磁屏蔽装置。
本发明是超导磁体在电磁学上的一种新型应用，其磁屏蔽方法从屏蔽磁场的原理 上来讲属于抵消式，与主动抵消式屏蔽装置相似，都是通过线圈产生一个与外磁场大小相 等，方向相反的磁场来抵消外磁场，实现磁屏蔽。但在实现方式上，这种新型磁屏蔽不需要 复杂的探测，控制系统，也不需要外加电源，和辅助电路，具有零损耗，与外磁场自适应的特 点，是一种被动抵消式磁屏蔽方法。在两级线圈的半径比确定的情况下，通过调节两级线圈 绕组的匝数比，可实现对磁场的完全屏蔽。在半径比固定的情况下，一般可找到实现屏蔽的 两级线圈匝数比的特征值，在此匝数比的情况下可实现对磁场的完全屏蔽。也可经过对两 线圈精确的半径比与匝数比的计算控制，实现对外磁场按比例的屏蔽，如屏蔽至原磁场的 腦等。 本发明的有益效果为，所用的屏蔽方法相比传统的利用高磁导率材料搭建磁屏蔽 室的方式，具有在磁场迎面方向视线开阔，不阻碍光学探测的特点；相比利用有源线圈产生 的磁场主动抵消外磁场的屏蔽方式，具有系统简单、能耗小、自动调整，使用灵活的特点。
图1.被动抵消式磁屏蔽装置的屏蔽线圈组示意图。
图2.闭合屏蔽线圈组等效电路图。 图中L2、 L3、 L4， &、 R2、 R3、 R4， E2、 E3、 E4分别表示为第一级亥姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线圈右线圈2、第一级亥姆霍兹线圈左线圈3、第二级亥姆霍兹线圈左线圈4各个线圈的电感、电阻和产生的感应电动势。 图3被动抵消式磁屏蔽装置中心点磁场及第一级亥姆霍兹屏蔽线圈上感应电流安匝数随匝数比的变化关系。 图4.图l所示屏蔽线圈组内部轴向平面在外磁场最大时刻的磁场等高线分布图，等高线包围区域表示区域内磁场均小于此处等高线所示磁场强度。由于线圈轴对称结构，仅显示四分之一区域。 其中磁场各等高线的磁感应强度分别为A为0. 500E-04T， B为0. 100E-03T， C为0. 200E-03T， D为0. 400E-03T， E为0. 800E-03T， F为0. 0016T， G为0. 0032T， H为0. 0064T。
图5正交屏蔽线圈组示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例详细说明以亥姆霍兹线圈为屏蔽线圈的基本单元，以屏蔽匀强外磁场为目标，寻找第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈半径比特征值以及匝数比特征值的方法。实施例中所述的方法虽然针对两级亥姆霍兹线圈为例，但寻找线圈半径比特征值和匝数比特征值的方法同样适用于基于更多级线圈的磁屏蔽装置，也适用于屏蔽其它形状磁场的磁屏蔽装置设计。 实施例为用于抵消匀强外磁场的基于亥姆霍兹线圈结构的完全屏蔽的被动抵消式磁屏蔽装置。线圈可采用Bi2223高温超导带材或YBC0高温超导带材绕制，本实施例用Bi2223高温超导带材绕制，Bi2223高温超导带材几何尺寸大约宽4. 2mm，厚0. 23mm。
如图1所示，一组第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈构成被动抵消式磁屏蔽装置。第一级亥姆霍兹线圈左线圈3、第一级亥姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线圈左线圈4和第二级亥姆霍兹线圈右线圈2同轴排列，以中心点o为坐标原点，线圈的径向为x坐标，线圈的轴向为y坐标，第一级亥姆霍兹线圈左线圈3和第一级亥姆霍兹线圈右线圈l的半径为A，匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与线圈半径相同，组成第一级亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为N"第二级亥姆霍兹线圈左线圈4和第二级亥姆霍兹线圈右线圈2半径为iv匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与线圈半径相同，组成第二级亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为^，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈的匝数比a =^/^2，第二级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径大于第一级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径，第二级亥姆霍兹线圈左线圈4与第二级亥姆霍兹线圈右线圈2的间距大于第一级亥姆霍兹线圈左线圈3与第一级亥姆霍兹线圈右线圈1的间距，上述四个线圈均支撑在导轨5上，并可在导轨5上轴向移动，线圈之间的相对的位置可通过导轨5调整；所述第一级亥姆霍兹线圈左线圈3、第一级亥姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线圈左线圈4和第二级亥姆霍兹线圈右线圈2均为用高温超导带材绕制的超导线圈，第一级亥姆霍兹线圈右线圈1、第二级亥姆霍兹线圈右线圈2、第一级亥姆霍兹线圈左线圈3和第二级亥姆霍兹线圈左线圈4依次同向串联焊接构成整体的闭合回路； 第一级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径为O. l米，第二级亥姆霍兹屏蔽线圈半径0.3米，即半径比值为3。 第一级亥姆霍兹屏蔽线圈每个线圈的匝数K、第二级亥姆霍兹屏蔽线圈每个线圈的匝数^以及匝数比a = N乂K按如下步骤确定 步骤1)求解不同匝数比下，在外磁场激励下分别在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中产生的安匝数NJ和NJ : 四个线圈之间以同向串联的方式连接构成的串联闭合回路在变化外磁场下的等效电路可简化为如图2所示的电感电阻串联电路，每个线圈分别可抽象为电感与电阻的串联元件，假设外磁场以B。sin("t)，正弦变化，其中B。为外磁场幅值，在此情况下等效电路中电流i响应由以下公式描述
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<formula>formula see original document page 8</formula>(1) 其中L为电路总电感，R为电路总电阻，由于采用超导带材绕制线圈，电路中的感
抗分量远远大于电阻分量，在此情况下，公式(1)中电阻部分可忽略，考虑四个线圈串联情
况下，求解公式(1)可得线圈中每匝之中感应电流如下
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_ (2) 其中B。为外磁场，L,L加分别为第一级亥姆霍兹屏蔽线圈右线圈1和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈右线圈2的自感，M，为第二级亥姆霍兹线圈右线圈2与第一级亥姆霍兹线圈右线圈1的互感，M23。为第二级亥姆霍兹线圈右线圈2与第一级亥姆霍兹线圈左线圈3的互感，M，为第二级亥姆霍兹线圈右线圈2与第二级亥姆霍兹线圈左线圈4之间的互感，M，为第一级亥姆霍兹线圈右线圈1与第一级亥姆霍兹线圈左线圈3的互感，由公式(2)可见，线圈中的感应电流产生的磁场可抵消外磁场；公式(2)经过整理并代入a 二N乂^可求得第一级亥姆霍兹屏蔽线圈感应电流安匝数，即线圈每匝之中电流乘以匝数NJ为<formula>formula see original document page 8</formula>
(3) 式中，I为线圈中感应电流的幅值。 同理第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中感应电流安匝数为NJ/a ，由公式(3)可求得在外磁场幅值B。时不同a情况下在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中产生的安匝数； 步骤2)确定线圈在中心点产生磁场的公式
—对亥姆霍兹线圈在中心点产生磁场的计算公式为<formula>formula see original document page 8</formula> (4) 其中B。entCT为亥姆霍茨中心点磁场，NI为线圈携带的安匝数，r为线圈半径。将NJ，NJ代入公式(4)，求得随a变化，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈在中心点o产生的磁场，减去外磁场B。即为屏蔽之后中心点剩余磁场B为，
S = (4 3一A、J + 4 3/2p.0i^J — 步骤3)令公式(5)中B = O，求出此时对应的匝数比a ; 由于直接求解公式(5)比较麻烦，采用作图的方法，如图3所示由公式(5)给出装置的中心点磁场随匝数比变化关系曲线，由公式(3)画出第一级亥姆霍兹屏蔽线圈上感应的安匝数NJ随匝数比的关系曲线。在图3中画一条B = 0的直线，由中心点磁场曲线与B = O直线的交点可以很快确定一级线圈和二级线圈的匝数比，理论上在此匝数比的情况下可达到对磁场的完全屏蔽。由图3可知，在第一级线圈半径0. l米，第二级屏蔽线圈半径0.3米，即半径比为3的情况下，满足完全屏蔽的a有两个，分别是a = 0. 66， a =6.25。如果縮小半径比，图3中的磁场随a变化曲线会出现与B = 0没有交点的情况，即无法满足完全屏蔽的情况。通过这种方法寻找可满足完全屏蔽的最小半径比。
步骤4)由以上三个步骤求解的两级线圈的匝数比a和线圈所用超导带材的临界电流，确定每级线圈的匝数 线圈具体匝数的确定需要考虑超导带材的实际通流能力。电路时间常数与频率的相互关系，焊接工艺水准等技术指标。其中最重要的是线圈的通流能力。由于高温超导带材具有临界电流特性，工程上单根导线中所通电流不允许超过临界电流，超过临界电流时超导带材的电压会迅速上升，即等效电阻迅速上升。本发明的屏蔽装置一个重要特点正是利用了超导的无阻特性，如果线圈阻值上升，公式(2)所基于的假设就会破坏。因此在实际应用中，规定线圈每匝所通电流不能超过临界电流的一半，实施例中所选用的Bi系高温超导带材临界电流为120A，但绕制成线圈由于线圈自身产生的磁场，临界电流会下降至80A。根据线圈每匝所通电流不能超过临界电流的一半的规定，每匝所通电流不能大于40A。再根据图3可知，在a 二0.66时，一级线圈作为整体的产生的安匝数为720A，根据计算可得一级线圈不少于18匝，可满足每匝电流不超过40A的规定。 但在实际应用中，由公式(3)计算得到的电流与实际情况总有偏差，这主要是因为电感计算理论模型与实际线圈几何尺寸的偏差。所以由图3得到的a值需要根据有限元软件模拟修正和实验修正。实际应用中首先固定第一级线圈的匝数，通过调节第二级线圈的匝数来修正。本实施例中选择有限元软件模拟的方法修正，最终选择第一级线圈半径0. l米，匝数为18匝，第二级线圈半径0. 3米，匝数38. 4匝。 本实施例的超导线圈采用已经得到商业化生产的Bi2223高温超导带材绕制，线圈之间的连接以及最后闭合回路之间的连接均采用普通的锡焊。在此线圈参数下，利用通用有限元软件ANSYS模拟了屏蔽线圈内部在外磁场最大时刻的磁场分布图，如图4所示，以等高线形式给出。等高线包围区域表示，区域内磁场均小于此处等高线所示磁场强度。其中外磁场是以幅值B。 = 0. OIT，频率O. 1Hz变化的正弦磁场，本实施例中心区的磁感应强度小于O. 500E-04T，可以看出屏蔽装置线圈的中心点附近形成很好的屏蔽区。
本实施例中讲述的方法虽然以两级亥姆霍兹线圈为例，但寻找线圈半径比特征值和匝数比特征值的方法同样适用于基于更多级线圈的磁屏蔽装置，也适用于屏蔽其它形状磁场的磁屏蔽装置设计。如图5所示，两组正交屏蔽线圈可构成屏蔽来自两个方向的变化磁场BQ1和B。2，按照上述实施例的求解步骤确定每组线圈的匝数比和线圈匝数。
本发明在航天、高能物理等领域具有很大的应用潜力。
9
权利要求
一种被动抵消式磁屏蔽装置，其特征在于，第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)、第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)、第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)和第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)同轴排列，其中，第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)和第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)半径相等，匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与线圈半径相同，组成第一级亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为N1，第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)和第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)半径相等，匝数相同，关于中心点o对称，两线圈距离与线圈半径相同，组成第二级亥姆霍兹屏蔽线圈，每个线圈的匝数为N2，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈的匝数比α＝N1/N2，第二级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径r2大于第一级亥姆霍兹屏蔽线圈的半径r1，第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)与第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)的间距大于第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)与第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)的间距，上述四个线圈均支撑在导轨(5)上，并可在导轨(5)上轴向移动；所述第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)、第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)、第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)和第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)均为用超导线材或者超导带材绕制的超导线圈，第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)、第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)、第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)和第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)依次同向串联焊接构成整体的闭合回路；一组第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈构成被动抵消式磁屏蔽装置。
2. 根据权利要求1所述的一种被动抵消式磁屏蔽装置，其特征在于，所述第二级亥姆霍兹屏蔽线圈半径1~2和第一级亥姆霍兹屏蔽线圈半径巧的比值大于1。
3. 根据权利要求1所述的一种被动抵消式磁屏蔽装置，其特征在于，所述第一级亥姆霍兹屏蔽线圈每个线圈的匝数^、第二级亥姆霍兹屏蔽线圈每个线圈的匝数^以及匝数比a = N/N2按如下步骤确定:步骤1)求解不同匝数比下，在外磁场激励下分别在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中产生的安匝数NJ和NJ :四个线圈之间以同向串联的方式连接构成的串联闭合回路在变化外磁场下的等效电路可简化为电感电阻串联电路，每个线圈分别可等效为电感与电阻的串联元件，假设外磁场以B。sin("t)正弦变化，B。为外磁场幅值，在此情况下等效电路中电流i响应由公式1描述，<formula>formula see original document page 2</formula>其中L为电路总电感，R为电路总电阻，由于采用超导材料绕制线圈，电路中的感抗分量远远大于电阻分量，在此情况下，公式1中电阻部分可忽略，考虑四个线圈串联情况下，求解公式1可得线圈中每匝之中电流如下<formula>formula see original document page 2</formula>其中B。为外磁场，L『L2。分别为第一级亥姆霍兹屏蔽线圈右线圈(1)和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈右线圈(2)的自感，M，为第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)与第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)的互感，M^为第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)与第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)的互感，M，为第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)与第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)之间的互感，M，为第一级亥姆霍兹线圈右线圈(1)与第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)的互感。 由公式2可见，线圈中的感应电流产生的磁场可抵消外磁场；公式2经过整理并代入a 二N乂N2可求得第一级亥姆霍兹屏蔽线圈感应电流安匝数， 即线圈每匝之中电流乘以匝数NJ为<formula>formula see original document page 3</formula>式中，l为线圈中感应电流的幅值；同理第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中感应电流安匝数为NJ/ a ，由公式3可求得在外磁场 幅值B。时不同a情况下在第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈中产生的 安匝数；步骤2)确定线圈在中心点产生磁场的公式 一对亥姆霍兹线圈在中心点产生磁场的计算公式为<formula>formula see original document page 3</formula>其中B。^r为亥姆霍茨线圈中心点磁场，NI为线圈携带的安匝数，r为线圈半径，将N山 NJ代入公式4，求得随a变化，第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈在中 心点o产生的磁场，再减去外磁场B。即为屏蔽之后中心点剩余磁场B为，<formula>formula see original document page 3</formula>步骤3)按照完全屏蔽的要求，令公式5中B = O，计算对应的匝数比a ; 或者，按照对外磁场B。按比例屏蔽的要求计算对应的匝数比a ;步骤4)由以上三个步骤求解的两级线圈的匝数比a和线圈所用超导带材的临界电 流，按照完全屏蔽要求确定每级线圈的匝数，或者按照对外磁场B。按比例屏蔽要求确定每 级线圈的匝数一般规定线圈每匝之中运行的电流不得超过导线临界电流的一半，线圈具体匝数可 由2X安匝数/临界电流简单求得。
4. 根据权利要求1所述的一种被动抵消式磁屏蔽装置，其特征在于，所述第一级亥姆 霍兹线圈右线圈(1)、第二级亥姆霍兹线圈右线圈(2)、第一级亥姆霍兹线圈左线圈(3)和 第二级亥姆霍兹线圈左线圈(4)依次同向串联焊接为锡焊或超导焊接。
5. 根据权利要求1所述的一种被动抵消式磁屏蔽装置，其特征在于，两组或三组所述 的第一级亥姆霍兹屏蔽线圈和第二级亥姆霍兹屏蔽线圈关于同一个中心点o正交设置构 成屏蔽来自两个或三个正交方向的变化磁场的被动抵消式磁屏蔽装置。
全文摘要
本发明涉及一种被动抵消式磁屏蔽装置，属于超导电工学领域。装置由两级同轴而且关于中心点o对称的串联闭合亥姆霍兹超导线圈组构成，闭合的超导线圈组在外磁场中感应电流产生的磁场自动抵消外来磁场，达到屏蔽低频或准静态磁场的效果。本发明还公开了计算被动抵消式磁屏蔽装置的两级亥姆霍兹屏蔽线圈的匝数比和各个线圈匝数的方法。本发明相比传统的利用高磁导率材料搭建屏蔽室屏蔽磁场的方式，具有结构简单，制造方便，并且在磁场加载方向，光学透明的特点；相比利用有源线圈产生磁场主动抵消外磁场的屏蔽方式，具有系统简单、能耗小、自动调整，使用灵活的特点。本发明在航天、高能物理等领域具有很大的应用潜力。
文档编号H05K9/00GK101707860SQ20091023748
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者韩征和, 顾晨 申请人:清华大学