本發(fā)明屬于電磁領(lǐng)域，具體涉及一種磁屏蔽裝置。
背景技術(shù)：
：堿金屬原子SERF磁強計在2002年首創(chuàng)于美國普林斯頓大學(xué)Romalis小組，因其超高的理論靈敏度而備受各國關(guān)注。這種原子磁強計是一種需要工作在極弱磁環(huán)境下(10nT以內(nèi))的測量裝置，因此需要一種非常高效能的磁屏蔽筒來制造這樣的弱磁環(huán)境。由于原子磁強計的理論靈敏度已經(jīng)遠遠小于一般的背景磁場噪聲(如地磁等)，并且實驗上，SERF原子磁強計的實際噪聲水平往往都是受限于背景磁場噪聲。所以開發(fā)高屏蔽效能的磁屏蔽裝置成為弱磁探測技術(shù)的一個核心工藝。在高效能的磁屏蔽材料中，坡莫合金(μ-metal)是磁導(dǎo)率最高的材料。同時也是一種造價最昂貴的磁屏蔽材料。如果單層坡莫合金足夠厚，就可以達到高效能的磁屏蔽的目的，但是材料消耗極其巨大，成本極高。AlanK.Thomas.,《MagneticShieldedEnclosureDesignintheDCandVLFRegion》IEEETransactionsonElectromagneticCompatibility,March(1968)提供了一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其指出，在使用材料總體積不變的情況下，第一層和第二層的半徑比為時，磁屏蔽效能可以達到最大。但是，該文獻只給出了使用兩層磁屏蔽罩時數(shù)值模擬的最優(yōu)解，并沒有給出屏蔽效能更高的多層磁屏蔽筒的普適的優(yōu)化結(jié)構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)要素：因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種磁屏蔽裝置，包括同軸的N(N為大于2的整數(shù))層磁屏蔽筒，其中，最內(nèi)層的所述磁屏蔽筒的半徑為R1，第i(1≤i≤N)層所述磁屏蔽筒的半徑為：R1NN+1-i.]]>根據(jù)本發(fā)明的磁屏蔽裝置，優(yōu)選地，還包括覆蓋所述N層磁屏蔽筒的每一個的兩端的蓋。根據(jù)本發(fā)明的磁屏蔽裝置，優(yōu)選地，所述磁屏蔽筒的最內(nèi)層筒的長度大于等于最內(nèi)層筒直徑的三倍。根據(jù)本發(fā)明的磁屏蔽裝置，優(yōu)選地，所述N層磁屏蔽筒的長度相等。根據(jù)本發(fā)明的磁屏蔽裝置，優(yōu)選地，所述磁屏蔽筒的材料為坡莫合金。根據(jù)本發(fā)明的磁屏蔽裝置，優(yōu)選地，所述N小于等于5。。本發(fā)明的磁屏蔽裝置能夠在使用相同材料的情況下達到最優(yōu)化的磁屏蔽效能，或者能夠在實現(xiàn)相同磁屏蔽效能的情況下最大化地節(jié)約材料，本發(fā)明設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，可以廣泛應(yīng)用于電磁領(lǐng)域來制造弱磁環(huán)境。附圖說明以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中：圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的五層磁屏蔽裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的五層磁屏蔽裝置的實物照片；圖3為圖2所示的五層磁屏蔽裝置內(nèi)部的磁場強度的測量值；圖4為圖2所示的五層磁屏蔽裝置內(nèi)部的磁場噪聲水平的測量值。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。為了達到高效能的磁屏蔽的目的，以及最大化的降低材料的使用量，最佳的辦法是制造多層薄層的磁屏蔽材料，組成套筒逐級地屏蔽磁場。針對如何選擇多層磁屏蔽材料的尺寸，發(fā)明人從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出一套設(shè)計方案，只要給定需要屏蔽的工作空間，就可以快速得到最優(yōu)化的多層磁屏蔽罩各層的尺寸，從而得到一種磁屏蔽裝置，其能夠在高效能磁屏蔽的同時最大化地節(jié)約成本。以下詳細(xì)描述其推導(dǎo)過程。已知：橫向磁屏蔽效能其中，H0為磁屏蔽裝置外的磁場強度，H1為磁屏蔽裝置內(nèi)部中心位置的磁場強度。根據(jù)AlanK.Thomas.,《MagneticShieldedEnclosureDesignintheDCandVLFRegion》IEEETransactionson ElectromagneticCompatibility,March(1968)，單層磁屏蔽裝置的屏蔽效能為：Si=12μitiRi.---(1),]]>其中，μi為材料磁導(dǎo)率，ti為材料厚度，Ri為材料半徑；多層磁屏蔽裝置的屏蔽效能為：S=1+S1+S2+S3+...+SN+S1·S2(1-V1V2)·S3(1-V2V3)...SN(1-VN-1VN)---(2),]]>其中，Vi為第i層材料的外表面包圍的體積，N為磁屏蔽裝置的層數(shù)。1、雙層磁屏蔽裝置的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)推演：發(fā)明人以上述公式(1)和(2)為基礎(chǔ)進一步推演，得出雙層磁屏蔽裝置的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。在雙層材料時，只考慮橫向屏蔽效能，并假設(shè)各層材料等長，公式(2)簡化為：S=1+S1+S2+S1S2(1-A1A2)=1+μrt12R1+μrt22R2+μrt12R1μrt22R2(1-A1A2)]]>其中，Ai為磁屏蔽裝置的第i層筒的橫截面積。當(dāng)各層筒的長度相等時，V1/V2＝A1/A2。令：A1A2=x,]]>即R1R2=x,]]>第一層筒材料體積為T1＝2πR1t1L，第二層筒材料體積為T2＝2πR2t2L，則：t1R1=T12πLR12,t2R2=T2x2πLR12,]]>S=1+μrT14πLR12+μrT2x4πLR12+(μr4πLR12)2T1T2x(1-x),]]>T1為常數(shù)，當(dāng)我們使用材料總體積不變時，T2也是常數(shù)，令：∂S∂x=μrT24πLR12+(μr4πLR12)2T1T2(1-2x)=0,]]>可以得到極值條件為：2x-1=4πLR12μrT1=2R1μ1t1=1S1,]]>等式右邊是已知常數(shù)，對于理想情況，屏蔽效能無限大，則等式右端約等于0，即可得到且∂2S∂x2=-2T1T2(μr4πLR12)2<0]]>即雙層時，內(nèi)外層半徑比為時，S達到極大值。這是一個近似的解析解，說明了為什么半徑為時，磁屏蔽效能達到最優(yōu)，以及它能成立的條件。由此，發(fā)明人得到如下結(jié)論：(1)、當(dāng)使用兩層磁屏蔽筒，且用料總體積為一固定值時，內(nèi)外半徑比為時，橫向屏蔽效能可以達到最大。(與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)論相同)。(2)、該結(jié)論成立是因為在該點，S的一階導(dǎo)數(shù)近似為零，出現(xiàn)極值。且二階偏導(dǎo)小于零，說明該極值為極大值。(3)、一階導(dǎo)數(shù)近似為零成立的條件為：內(nèi)層屏蔽效能S的倒數(shù)可以約等于0。2、N層(N為大于2的整數(shù))磁屏蔽裝置的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)的推演發(fā)明人仍然以上述公式(1)和(2)為基礎(chǔ)進一步推演，得出N層(N為大于2的整數(shù))磁屏蔽裝置的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。使用三層屏蔽筒時，S=1+S1+S2+S3+S1S2S3(1-A1A2)(1-A2A3)=1+μrt12R1+μrt22R2+μrt32R3+μrt12R1μrt22R2μrt32R3(1-A1A2)(1-A2A3)]]>令A(yù)1A2=x,A2A3=y]]>第一層筒的材料體積為T1＝2πR1t1L，第二層筒的材料體積為T2＝2πR2t2L，第三層筒的材料體積為T3＝2πR3t3L，則t1R1=T12πLR12,t2R2=T2x2πLR12,t3R3=T3xy2πLR12]]>S=1+μrT14πLR12+μrT2x4πLR12+μrT3xy4πLR12+(μr4πLR12)3T1T2T3x2y(1-x)(1-y),]]>每層筒用料量固定時，Ti皆為常數(shù)，且x、y不相關(guān)，令∂S∂x=(T2+T3y)+(μr4πLR12)2T1T2T3y(1-y)(2x-3x2)=0]]>∂S∂y=μrT3x4πLR12+(μr4πLR12)3T1T2T3(1-x)(1-2y)=0]]>化簡可得S出現(xiàn)極值時的條件：(3x-2)x==1S12[T1T2(1-y)+T1T3y(1-y)]]]>2y-1=1S12T1T2x(1-x)]]>由于理想情況下，S1無限大，所以可以令上面二式右端約等于0,得到：x=23,y=12]]>同理，可以推導(dǎo)出更多層的情況：多層筒的半徑比值以屏蔽效能最大化為目標(biāo)函數(shù)時的駐點表中的x、y、z、w分別表示A1/A2、A2/A3、A3/A4、A4/A5的值。更一般的情況，在N層結(jié)構(gòu)時，可以由上表推導(dǎo)出普適的公式：根據(jù)本 發(fā)明的磁屏蔽裝置包括同軸的多個筒和覆蓋多個筒的兩端的蓋。所述多個筒的半徑從內(nèi)到外依次為R1、R2…Ri…RN，所述筒和蓋的厚度遠遠小于R1，所述筒的長度為L。其中，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，球形磁屏蔽結(jié)構(gòu)的磁屏蔽效能是最好的，但是球形磁屏蔽結(jié)構(gòu)不容易加工和使用。在實際制作時，當(dāng)筒的長度大于筒直徑的3倍時，圓筒的軸向屏蔽效能已經(jīng)近似等于球形的磁屏蔽效能，所以在本發(fā)明中，優(yōu)選地，L≥3·2R1，L為最內(nèi)層筒的筒壁長度，R1為最內(nèi)層筒的半徑。下面通過示例說明本發(fā)明的具有五層磁屏蔽筒的磁屏蔽裝置，圖1示出本發(fā)明的具有五層磁屏蔽筒的磁屏蔽裝置，其中的五層磁屏蔽筒的直徑從內(nèi)向外依次為：其直徑滿足：D(2)=D(1)54=16×1.118=17.888≈18cm]]>D(3)=D(1)53=16×1.291=20.656≈20cm]]>D(4)=D(1)52=16×1.581=25.298≈25cm]]>D(5)=D(1)51=16×2.236=35.777≈35cm]]>長度滿足：L(1)≥D(1)×3＝16×3＝48cm需要說明的是，在實際制作過程中，各層套筒都比其內(nèi)層套筒略長，這是為筒兩端的頂蓋預(yù)留的長度，幾乎不會影響整個磁屏蔽裝置的效果。圖2展示了依照圖1尺寸，用厚度1mm的1J85坡莫合金材料制備的多層磁屏蔽裝置結(jié)構(gòu)實例，以及應(yīng)用在研發(fā)超高靈敏度原子磁強計實驗中的應(yīng) 用實例。圖3展示了利用原子磁強計測量五層磁屏蔽筒內(nèi)部磁場的信號。圖中色散線寬為原子磁強計的磁場響應(yīng)信號。其響應(yīng)線寬為2nT。信號為對稱性良好的奇函數(shù)。如果磁屏蔽筒內(nèi)部有超過1nT的剩磁，信號將會發(fā)生畸變。該圖說明5層磁屏蔽桶內(nèi)剩磁遠小于1nT。圖4展示了利用原子磁強計測量的筒內(nèi)部的磁場噪聲。實測值顯示5層磁屏蔽筒內(nèi)部磁場噪聲小于50fTHz-1/2。為了充分體現(xiàn)本發(fā)明的效果，發(fā)明人提供了現(xiàn)有技術(shù)公開的(http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mumetal_box_by_Zureks.jpg)的采用五層坡莫合金的磁屏蔽筒，其材料厚度達到5mm厚，最終可以將地磁消除1500倍。而本發(fā)明的磁屏蔽裝置同樣使用5層坡莫合金，材料厚度僅為1mm，卻可以將地磁消除50000倍以上。通過比較可以看出，本發(fā)明的磁屏蔽裝置大大節(jié)約了成本，并且將磁屏蔽效果提高了至少33倍。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，對于本發(fā)明的磁屏蔽裝置中，可以根據(jù)實際需要去設(shè)置材料的厚度，只要按照本發(fā)明的方案設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)，就會使得成本和效果最優(yōu)化。雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實施例進行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。當(dāng)前第1頁1 2 3