一种基于异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统的制作方法

本发明涉及超导电工学的技术领域，尤其涉及一种基于异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统。

背景技术：

随着电子工业的发展，精密电子仪器在科学研究中得到广泛的应用，其中，一些精密仪器的传感器对微小磁场的变化非常敏感，如磁通门传感器、超导量子干涉仪、光泵磁力仪、磁共振成像原子磁力仪等，磁灵敏度甚至可以达到ft·hz^-1/2级别。因此，需要利用磁场屏蔽技术去除背景噪音对传感器的干扰。

基于线圈的磁场屏蔽系统，可以分为主动屏蔽和被动屏蔽。对于被动磁场屏蔽系统，降低屏蔽线圈的电阻有利于提高磁屏蔽效率，尤其是在低磁场强度、低磁场频率的环境下。原理上讲，由于磁屏蔽导体存在电阻，干扰磁场的变化率越低，磁屏蔽效率也越低，常规导体线圈适用于屏蔽中频、高频磁场，如果要实现低频被动屏蔽，则需要尽可能降低线圈的电阻。众所周知，处于超导态的超导材料电阻为零，清华大学曾报道了一种将两个不同半径的bi2223(bi2sr2ca2cu3ox)超导线圈同心绕制，并通过一根re123(reba2cu3ox,re＝y、gd等稀土元素)超导带材连接，形成内线圈+外线圈串联的复合磁场屏蔽线圈。但是，将高温超导线材/带材绕制成闭合线圈时，需要对线圈接头进行焊接，目前，即使是采用超导焊接技术，依然存在很小的电阻。当干扰磁场的变化率大于μt·hz^-1/2时，超导线圈的微小电阻对磁屏蔽效率影响不大，但一些精密仪器的传感器精度达到nt·hz^-1/2和ft·hz^-1/2级别。在这种情况下，为了实现足够高的屏蔽效率，需要尽可能消除超导线圈的微小电阻。近年出现了一种无接头电阻的re123线圈设计，从re123(reba2cu3ox,re＝y、gd等稀土元素)高温超导带材中间切开一条足够长的缝隙，将缝隙撑开，就可形成闭环线圈，由于这种线圈不存在接头，也就没有接头电阻，但是单匝环形线圈的磁场屏蔽效率很低，即使将多个环形线圈堆叠，由于相互之间独立，累加的磁场屏蔽效率依然达不到精密仪器的需求。因此需要一种新的线圈设计，在确保没有接头电阻的同时，将线圈各匝之间相互串联。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统，解决了现有超导线圈存在接头电阻，导致对低频磁场的屏蔽效率低、不能达到精密仪器需求等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种基于异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统，包括多匝闭合串联在一起的内线圈和外线圈，所述内线圈和外线圈同轴共面设置，其通过对单根超导带材或者堆叠在一起的多根超导带材进行横向和纵向切割形成异形闭合线径，再将部分的异形闭合线径撑开形成串联在一起的多匝的内线圈和外线圈。

进一步，从所述单根超导带材的下端至上端，沿其长度方向进行等间隔的横向切割，形成多条长度不同的横向路径，从所述单根超导带材的右端至左端，沿其宽度方向进行等间隔的纵向切割，将不同位置的横向路径连接起来，从而使切割后的超导带材形成包括多条平行的横向窄带和纵向窄带连接起来的异形闭合线径。

进一步，记所述内线圈和外线圈的匝数之和为n，其中n为自然数，则横向窄带的个数为2n，从所述单根超导带材的下端至上端，将处于奇数位的横向窄带和偶数位的横向窄带相向撑开，

其中，若内线圈和外线圈的匝数均为n/2，将处于第1位至第n/2位、第(3n/2)+1位到第2n位的横向窄带对应撑开形成外线圈；将第(n/2)+1位到(3n/2)位的横向窄带撑开形成内线圈；

若内线圈的匝数为a，而外线圈的匝数为b，a+b＝n，则将处于第1位至第b位、第2a+b+1位到第2n位的横向窄带对应撑开形成外线圈；将第b+1位到2a+b位的横向窄带对应撑开形成内线圈。

进一步，所述内线圈和外线圈的形状设置为圆形、椭圆形、矩形、方形或者正多边形。

进一步，记纵向窄带的宽度为tzd，相邻纵向窄带之间的间隔宽度设置tzl，若所述内线圈和外线圈的匝数之和为n，则需要2n-1条横向路径，

其中，第1条、第2n-1条横向路径的右端与单根超导带材的右端之间距离为tzd，第2条、第2n-2横向路径的右端与单根超导带材的右端之间距离为tzd+(tzd+tzl)，依此类推，第n条、第(2n-n)条横向路径的右端与单根超导带材的右端之间距离为tzd+(tzd+tzl)(n-1)，其中n为不大于n的自然数；

在大于n且小于2n的横向路径中，第n+2、n+4、...、2n-2条横向路径的左端与单根超导带材的左端之间距离为tzd+(tzd+tzl)，小于等于n的横向路径中，第2、4、...n条横向路径的左端与单根超导带材的左端之间距离为零，其它各条横向路径的左端与单根超导带材的左端之间距离为tzd。

进一步，从所述单根超导带材的右端往左端数第1条纵向路径连接第1条、第(2n-1)条横向路径，第2条纵向路径连接第2条、第(2n-2)条横向路径，以此类推，第n-1条纵向切缝连接第n-1条、第n+1条横向路径，

当n大于2时，在距离单根超导带材的左端tzd处，设置一条纵向路径连接第n+1、第2n-1条横向路径。

进一步，堆叠在一起的多根所述超导带材彼此绝缘，当所述内线圈和外线圈的匝数为1时，堆叠在一起的超导带材不超过四根。

本发明有益的技术效果在于：

由于本发明的内线圈和外线圈之间的串联没有额外的连接线，而是通过对单根超导带材或者堆叠在一起的多根超导带材进行切割形成的异形闭合线径中的一部分，因此不存在接头电阻，使得内线圈和外线圈的电阻仅为超导带材的电阻，同时，将部分的异形闭合线径撑开形成串联在一起的多匝的内线圈和外线圈，提高了磁场屏蔽效率，实现在低磁场强度、低磁场频率环境下的被动屏蔽。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明和现有的屏蔽线圈结构，其中，图1(a)表示现有的同心内线圈和外线圈相互独立；图1(b)表示内线圈和外线圈通过采用本发明的单根超导带材的切割路径，串联连接；

图2为本发明的异形闭环re123磁屏蔽线圈，图2(a)表示匝数为2+2匝，图2(b)表示匝数为3+3匝；

图3为本发明的干扰磁场变化过程，不同线圈的中心点屏蔽效果，图3(a)展了不同线圈的磁场屏蔽过程，图3(b)表示不同线圈对应的屏蔽系数数值；

图4为本发明的coil1-1在不同外线圈半径下的中心点屏蔽系数变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、2和3所示，本发明提供了一种基于异形闭环超导线圈的磁场屏蔽系统，包括多匝闭合串联在一起的内线圈和外线圈，该内线圈和外线圈同轴共面设置，其通过对单根超导带材或者堆叠在一起的多根超导带材进行横向和纵向切割形成异形闭合线径，再将部分的异形闭合线径撑开形成串联在一起的多匝的内线圈和外线圈。这样，将内径较小的内线圈和内径较大的外线圈串联后，由于外线圈有着较大的电磁感应区域，当环境施加一个变化磁场即干扰磁场时，外线圈得到的感应电流可以驱动内线圈产生反向磁场，由于内线圈更靠近磁场屏蔽的核心区域，反向磁场可以充分地抵消干扰场，从而达到较高的磁场屏蔽效率。同时，由于本发明的内线圈和外线圈之间的串联没有额外的连接线，而是通过对单根超导带材或者堆叠在一起的多根超导带材进行切割形成的异形闭合线径中的一部分，因此不存在接头电阻，使得内线圈和外线圈的电阻仅为超导带材的电阻，同时，将部分的异形闭合线径撑开形成串联在一起的多匝的内线圈和外线圈，提高了磁场屏蔽效率，实现在低磁场强度、低磁场频率环境下的被动屏蔽，同时也可以实现对高中频的有效屏蔽。

以下以单根超导带材为例详细阐述切割方法和对应的撑开方式。

切割方法可以采用从单根超导带材的下端至上端，沿其长度方向进行等间隔的横向切割，形成多条长度不同的横向路径，从单根超导带材的右端至左端，沿其宽度方向进行等间隔的纵向切割，将不同位置的横向路径连接起来，从而使切割后的超导带材形成包括多条平行的横向窄带和纵向窄带连接起来的异形闭合线径，从而为后续形成多匝的内线圈和外线圈做准备。

具体地，在进行横向切割时，假设内线圈和外线圈的匝数之和为n，n为自然数，则需要2n条横向窄带和2n-1条横向路径。

记纵向窄带的宽度为tzd，相邻纵向窄带之间的间隔宽度设置tzl，那么第1条、第2n-1条横向路径的右端与单根超导带材的右端之间距离为tzd，第2条、第2n-2横向路径的右端与单根超导带材的右端之间距离为tzd+(tzd+tzl)，依此类推，第n条、第(2n-n)条横向路径的右端与单根超导带材的右端之间距离为tzd+(tzd+tzl)(n-1)，其中n为不大于n的自然数；

在大于n且小于2n的横向路径中，第n+2、n+4、...、2n-2条横向路径的左端与单根超导带材的左端之间距离为tzd+(tzd+tzl)，小于等于n的横向路径中，第2、4、...n条横向路径的左端与单根超导带材的左端之间距离为零，其它各条横向路径的左端与单根超导带材的左端之间距离为tzd。

至于横向路径和横向窄带的宽度可以根据超导带材的具体的情况而定，一般超导带材的宽度不超过几十毫米，所以横向路径的宽度可以设置为0.5毫米或1毫米，横向窄带的宽度可设置为1毫米。

在进行纵向切割时，从单根超导带材的右端往左端数第1条纵向路径连接第1条、第(2n-1)条横向路径，第2条纵向路径连接第2条、第(2n-2)条横向路径，以此类推，第n-1条纵向切缝连接第n-1条、第n+1条横向路径，

当n大于2时，在距离单根超导带材的左端tzd处，设置一条纵向路径连接第n+1、第2n-1条横向路径。

利用上述切割方法对超导带材进行切割可获得到异形闭合线径，然后从单根超导带材的下端至上端，将处于奇数位的横向窄带和偶数位的横向窄带相向撑开，其中，若内线圈和外线圈的匝数均为n/2，则将处于第1位至第n/2位、第(3n/2)+1位到第2n位的横向窄带对应撑开形成外线圈，将第(n/2)+1位到(3n/2)位的横向窄带撑开形成内线圈；若内线圈的匝数为a，外线圈的匝数为b，a+b＝n，则将处于第1位至第b位、第2a+b+1位到第2n位的横向窄带对应撑开形成外线圈；将第b+1位到2a+b位的横向窄带对应撑开形成内线圈。

该内线圈和外线圈的整体具有规则的几何形状，如圆形、椭圆形、矩形、方形、正多边形等几何形状，两者的整体形状可相同或不同。

考虑到超导带材的普遍宽度，针对单根超导带材的切割和撑开所制作的内线圈和外线圈的匝数有限，很难对现实中高磁场强度的干扰磁场进行抗干扰处理，因此，可以将多根超导带材堆叠在一起，它们彼此绝缘，采用与上述相同的切割方法对堆叠在一起的多根超导带材进行切割形成异形闭合线径，上述相同的撑开方法获得更多匝的内线圈和外线圈，从而使其可以承载更大的电流，产生更高磁场强度反向磁场，充分地抵消干扰磁场，从而达到较高的磁场屏蔽效率。但是堆叠的超导带材不能过多，否则内线圈感应产生的反向磁场会大于干扰磁场，会产生过度屏蔽现象，经理论推导，当内线圈和外线圈的匝数为1时，堆叠在一起的超导带材不超过四根，避免产生过屏蔽现象。

为了验证本发明的磁场屏蔽系统的屏蔽效果，本发明进行了一系列的对比试验，具体如下：

超导磁屏蔽线圈的工作过程为先在零场环境下将re123线圈冷却到77k液氮温区，进入超导态，开始被动磁屏蔽工作状态，当出现一个变化的外磁场时，屏蔽线圈生成反向的感应磁场，部分抵消外磁场，从而实现磁场屏蔽效果。

衡量磁屏蔽效果的指标为屏蔽效率sh和屏蔽系数sf。屏蔽效能即屏蔽效率sh可以用公式1表示，其中，h0为没有屏蔽时的磁场强度，h1为屏蔽后的磁场强度，sh为磁场屏蔽效率，单位为db。

sh＝20lg(h0/h1)(1)

为了更直观的描述磁场屏蔽效果，本发明引入屏蔽系数sf的概念。sf可以用公式2描述，其中b0为没有屏蔽时的磁场强度，br为屏蔽后的磁场强度。可以看出，sf值越接近零，屏蔽效果越好。也就是说，屏蔽系数的绝对值越低，屏蔽效果越好。

sf＝(br/b0)×100％(2)

首先，设计了一类基于re123超导带材的新型结构的无接头电阻磁屏蔽线圈，并对比分析它们的磁场屏蔽效率。每毫米宽度超导带材在77k温度、自场下的临界电流为40a，一是基本的独立堆叠线圈模型，如图1(a)所示，线圈1/1(coil1/1)由两个同心线圈组成，可以看出，内线圈和外线圈相互独立，内线圈半径为r1＝70mm，匝数为n1＝1，外线圈半径为r2＝180mm，匝数为n2＝1。

相对应的，图1(b)所示的线圈1-1(coil1-1)，通过本发明的特定带材缝隙切割路径，实现了内线圈和外线圈的无接头串联连接，内线圈半径为r1＝70mm，匝数为n1＝1，外线圈半径为r2＝180mm，匝数为n2＝1。理论上，由于外线圈的磁通感应面积较大，在变化外磁场下能得到较大的感应电动势，并推动与之串联的内线圈产生较大的感应电流，由于内线圈距离中心磁屏蔽区域较近，反向感应磁场可以更高效的抵消外磁场。

为了提高磁场屏蔽效率，设计了4匝串联线圈和6匝串联线圈，如图2所示。线圈2-2(coil2-2)的内线圈半径为r1＝70mm，匝数为n1＝2；外线圈半径为r2＝180mm，匝数为n2＝2；线圈3-3(coil3-3)的内线圈半径为r1＝70mm，匝数为n1＝3；外线圈的半径为r2＝180mm，匝数为n2＝3。

然后，本发明设定一个幅值为10μt，频率为10^-5hz的干扰磁场，并验证在中心位置不同线圈对干扰磁场的屏蔽效果。

图3(a)展示了在coil1/1、coil1-1、coil2-2、coil3-3的磁屏蔽过程，从中以看出，在干扰磁场变化过程中，屏蔽后的磁场强度与干扰场强度的呈等比关系，更直观的屏蔽系数数值如图3(b)所示。对比coil1/1和coil1-1可以看出，相似的线圈结构下，串联连接的屏蔽线圈比独立线圈有着更好的屏蔽效果；对比coil1-1、coil2-2、coil3-3，可以看出，同为串联连接的屏蔽线圈，匝数越多，屏蔽效果越好，线圈3-3的中心点屏蔽系数达到0.2％，但如果进一步增加匝数至4+4匝，有可能达到过度屏蔽状态，得到负剩余磁场。

最后，为了验证外线圈、内线圈半径比值与屏蔽效率的关系，基于模型线圈coil1-1，设计了在内线圈固定为70mm的前提下，不同半径外线圈情况下的屏蔽系数。

屏蔽线圈组中，外线圈的面积更大，包含的磁通量更多，因而外线圈提供了内线圈产生反向屏蔽磁场所需的大部分感生电势。理论上说，外线圈面积越大，屏蔽线圈整体感应电动势就越大，提供给内线圈的电流就越大，从而得到更好的反向磁场。设定环境干扰磁场强度为10μt，频率为0.00001hz。如图4所示，外线圈半径r2从100mm到400mm，随着r2的增加，屏蔽系数持续降低。当r2大于300mm时，屏蔽系数降为负数，负屏蔽系数意味着过屏蔽状态，也就是说反向感应磁场大于外磁场，因此，过屏蔽状态同样是应该避免的。相对于线圈1-1，尽管r2＝300mm时可以达到接近0的屏蔽系数，但大半径线圈占用了太多的空间，增大屏蔽设备体积，因此，可以选择占用体积较小的r2＝180mm，并通过增加线圈匝数来提高屏蔽效率。如前文可得，两匝或者三匝可以达到较好的屏蔽效率，且节约空间。

由于无接头串联的超导线圈的零电阻特性，其在极低磁场强度、极低磁场变化率的环境下依然能保持稳定的磁场屏蔽效率，理论上可以屏蔽ft·hz^-1/2级别的微小干扰磁场。本发明的磁场屏蔽系统可明显消除磁通门磁强计、磁阻磁强计、squid梯度仪、光泵磁强计等精密仪器传感器上的干扰场，此外，该屏蔽线圈结构简单，仅需一根或者多根堆叠经特定裁剪的re123超导带材，通过灵活调整线圈半径，可以低成本建造大空间范围的磁场屏蔽设备，为较大的仪器如临床医学设备创造磁场屏蔽空间。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。