一种抑制磁场的电加热片及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于量子传感器件技术领域，具体涉及一种抑制磁场的电加热片及设计方 法。
【背景技术】
[0002] 核磁共振陀螺仪通过检测原子系综内的一种或几种原子核信息，来获取载体转动 或环境磁场等目标信息的新兴传感技术。在核磁共振陀螺仪中所用敏感原子的原子核至少 存在一个质子或中子的不成对（即原子量为奇数，如 129Χθ、131Χθ、21Νθ等）。这类原子核具 有的不对称性使得原子核对磁场敏感。因此，核磁共振陀螺仪对磁场的影响敏感，外来的无 关磁场的变化会影响核磁共振陀螺仪的精度。而核磁共振陀螺仪为了提高敏感核心碱金属 气室内部的碱金属原子的密度，需要对气室进行电加热。电加热就成为了外来的无关磁场 的主要来源之一。降低电加热过程中带来的外来磁场是核磁共振陀螺仪研制的一项关键技 术。
【发明内容】
[0003] 本发明需要解决的技术问题为：现有的核磁共振陀螺仪用电加热片会产生强的无 关磁场。
[0004] -种抑制磁场的电加热片，包括绝缘层和加热元件，所述加热元件通过胶粘剂高 温压合粘结于绝缘层之上，所述加热元件为两段加热导体条在平面内反复折回环绕构成的 消磁结构。
[0005] 优选的，所述反复折回环绕的具体方式为：第一段加热导体条以第一接线端为起 点，沿逆时针方向以正方形轨迹环绕回起点一侧并与起点保持空隙，构成不闭合正方形形 状的第五线圈。加热导体条在第五线圈的终点处向第五线圈的外侧折回，以此为起点沿顺 时针方向以正方形轨迹环绕回起点一侧并与起点保持空隙，构成不闭合正方形形状的第四 线圈。加热导体条在第四线圈的终点处向第四线圈的外侧折回，以此为起点沿逆时针方向 以正方形轨迹环绕回起点一侧并与起点保持空隙，构成不闭合正方形形状的第三线圈。加 热导体条在第三线圈的终点处向第五线圈的内侧折回，以此为起点沿顺时针方向以正方形 轨迹环绕回起点一侧并与第二接线端相连接，构成不闭合正方形形状的第六线圈。所述第 一段加热导体条在平面内反复折回环绕构成四磁极矩消磁结构。
[0006] 第二段加热导体条以第三接线端为起点，沿逆时针方向以正方形轨迹环绕回起点 一侧并与起点保持空隙，构成不闭合正方形形状的第八线圈，第八线圈位于第六线圈之内。 加热导体条在第八线圈的终点处向第三线圈的外侧折回，以此为起点沿顺时针方向以正方 形轨迹环绕回起点一侧并与起点保持空隙，构成不闭合正方形形状的第一线圈。加热导体 条在第一线圈的终点处向第三线圈的外侧和第一线圈的内侧折回，以此为起点沿逆时针方 向以正方形轨迹环绕回起点一侧并与起点保持空隙，构成不闭合正方形形状的第二线圈。 加热导体条在第二线圈的终点处向第八线圈的内侧和第六线圈的外侧折回，以此为起点沿 顺时针方向以正方形轨迹环绕回起点一侧并与第四接线端相连接，构成不闭合正方形形状 的第七线圈。所述两段加热导体条在平面内反复折回环绕构成八磁极矩消磁结构。
[0007] 第一接线端、第二接线端、第三接线端和第四接线端平行，第一接线端和第四接线 端中电流方向相同，第二接线端和第三接线端中电流方向相同，第一接线端和第二接线端 中电流方向相反。
[0008] 优选的，构成八磁极矩消磁结构每一个线圈的所述加热导体条的宽度相同，每一 个线圈间的间距相同；
[0009] 或者，构成八磁极矩消磁结构每一个线圈的所述加热导体条的宽度不完全相同， 每一个线圈间的间距也不完全相同；
[0010] 或者，构成八磁极矩消磁结构每一个线圈的所述加热导体条的宽度渐变，每一个 线圈间的间距也渐变。
[0011] 优选的，所述加热导体条在平面内以圆形或椭圆形或长方形或其它的对称多边形 轨迹环绕构成线圈。
[0012] 优选的，以八磁极矩消磁结构中加热导体条的所述环绕方式在所述八磁极矩结构 的外部和内部继续环绕加热导体条，构成十六磁极矩或三十二磁极矩或更高磁极矩的消磁 结构。
[0013] 优选的，所述电加热片包含三层上下层叠设置的绝缘层，任意相邻的绝缘层间设 置有加热导体条，加热导体条在平面上构成所述八磁极矩、十六磁极矩、三十二磁极矩或更 高磁极矩的消磁结构；任意相邻的绝缘层和加热导体条间通过胶粘剂高温压合粘结；在平 面内位置相同的上、下两层加热导体条中的电流方向相反而强度相同。
[0014] 优选的，所述电加热片包含四层上下层叠设置的绝缘层，任意相邻的绝缘层间设 置有加热导体条，加热导体条在平面上构成所述八磁极矩、十六磁极矩、三十二磁极矩或更 高磁极矩的消磁结构；任意相邻的绝缘层和加热导体条间通过胶粘剂高温压合粘结；在平 面内位置相同的顶层和底层加热导体条中的电流方向和强度一致，在平面内位置相同的中 间层与顶层和底层加热导体条中的电流方向与顶层和底层相反，强度是顶层或底层加热导 体条中电流的两倍。
[0015] 优选的，所述电加热片包含五层上下层叠设置的绝缘层，任意相邻的绝缘层间设 置有加热导体条，加热导体条在平面上构成所述八磁极矩、十六磁极矩、三十二磁极矩或更 高磁极矩的消磁结构；任意相邻的绝缘层和加热导体条间通过胶粘剂高温压合粘结；在平 面内位置相同的顶层和底层加热导体条中的电流方向和强度相同，在平面内位置相同的中 间两层加热导体条中的电流方向和强度也相同，但与外侧两层在平面内位置相同的加热导 体条中的电流方向相反、强度相同。
[0016] -种抑制磁场的电加热片的设计方法，包含以下步骤：
[0017] 1)确定加热片的外形尺寸和所需电阻，并据此估计加热导体条（1)的宽度和厚 度，以及线圈间距，按照消磁结构进行初步排布；
[0018] 2)忽略加热导体条⑴的宽度和厚度，假设其内部电流为通过导体条中心轴线的 线电流，求取该线电流在空间P点产生的磁场，通过优选，得到P点磁场取得极小值时电流 中心轴线的空间位置；
[0019] 3)采用有限元的思想，假设初始设定加热导体条⑴的宽度为w，厚度为h，将同一 条导体条划分成mXη条线电流，m为在导体条宽度方向的划分条数，η为在导体条厚度方向 的划分条数，分别计算后进行迭加，可以很好的进行近似数值计算，评价导体条的宽度和厚 度对磁场的影响，以确定加热导体条（1)的宽度和厚度。利用有限元法可以有效降低计算 量，提高设计计算的效率；
[0020] 4)估算电阻R，具体方法为，计算加热导体的总长度L和横截面积Α，利用电阻公式
，.其中Ρ为电阻率；
[0021] 5)将以上计算结果综合考虑，确定加热导体材料、加热导体合金箔厚度、刻蚀后导 体的宽度，导体条间距、导体层的层间距等；
[0022] 6)根据确定的参数进行复算，验证是否满足设计要求，并利用有限元的方法进行 软件模拟，验证设计的有效性。
[0023] 本发明的有益效果为：
[0024] (1)本发明抑制磁场的电加热片，电加热片通过合理的加热导体的排布，首先实现 单层上电流的偶磁极矩消磁效果，在通过双层或者多层结构进一步消磁，实现在电加热片 的近场磁场控制在极低的水平。
[0025] (2)本发明抑制磁场的电加热片的设计方法，利用分步数值计算和有限元法有效 降低了计算量，提高了设计计算的效率。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的单层八磁极矩消磁结构电加热片的结构示意图；
[0027] 图2为消磁结构原理说明和磁场计算示意图；
[0028] 图3为本发明的双层电加热片的截面示意图；
[0029] 图4为本发明的三层电加热片的截面示意图；
[0030] 图5为本发明的四层电加热片的截面示意图；
[0031] 图中，1-加热导体条，11-第一线圈，12-第二线圈，13-第三线圈，14-第四线圈， 15-第五线圈，16-第六线圈，17-第七线圈，18-第八线圈，21-第一接线端，22-第二接线 端，23-第三接线端，24-第四接线端，3-绝缘层，4-胶粘剂。
【具体实施方式】
[0032] 下面