本發(fā)明涉及磁屏蔽，尤其是涉及一種磁屏蔽室中磁場(chǎng)梯度抑制方法。

背景技術(shù)：

1、利用被動(dòng)磁屏蔽技術(shù)可以在磁屏蔽室內(nèi)部得到極低的剩余磁場(chǎng)，但在磁屏蔽室內(nèi)部不同的空間位置，磁場(chǎng)屏蔽性能不同；靠近磁屏蔽室位置的剩余磁場(chǎng)較大，而中心位置磁場(chǎng)較小，其中磁場(chǎng)的變化導(dǎo)致在各個(gè)方向出現(xiàn)了梯度磁場(chǎng)。梯度磁場(chǎng)對(duì)許多精密物理實(shí)驗(yàn)，如電子電偶極矩測(cè)量、心磁、腦磁信號(hào)測(cè)量等會(huì)造成較大的誤差。因此對(duì)磁屏蔽室內(nèi)的梯度磁場(chǎng)進(jìn)行抑制，能為各類前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供更均勻的零磁環(huán)境，減小由于梯度磁場(chǎng)而帶來(lái)的誤差是磁屏蔽研究的重點(diǎn)。2014年，c.p.bidinostia等人開(kāi)展了在被動(dòng)磁屏蔽下，對(duì)無(wú)限長(zhǎng)圓柱形的磁屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)靜態(tài)梯度磁場(chǎng)的研究。2018年，諾丁漢大學(xué)進(jìn)行的腦磁實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)多個(gè)方向的梯度磁場(chǎng)進(jìn)行處理。

2、高性能的梯度磁場(chǎng)線圈是提升磁屏蔽室內(nèi)梯度磁場(chǎng)抑制的能力的關(guān)鍵因素?；谀嫦蛟O(shè)計(jì)，利用目標(biāo)場(chǎng)法設(shè)計(jì)的平面線圈具有正交性好、空間利用率高和均勻度誤差小等優(yōu)點(diǎn)，且各個(gè)方向下的梯度磁場(chǎng)可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此適用于抑制磁屏蔽室內(nèi)的梯度磁場(chǎng)。

3、經(jīng)過(guò)近年來(lái)的發(fā)展，利用目標(biāo)場(chǎng)法設(shè)計(jì)的梯度線圈有了很大的發(fā)展，2020年，王等人利用粒子群算法優(yōu)化了平面線圈，使其均勻度得到了較大的提升；2023年，shuai等人利用漏斗算法設(shè)計(jì)了均勻磁場(chǎng)線圈和梯度磁場(chǎng)線圈，提升了空間利用率。然而，現(xiàn)有的研究都是對(duì)單個(gè)方向或單個(gè)磁場(chǎng)值進(jìn)行的研究，而磁屏蔽室內(nèi)存在多個(gè)磁場(chǎng)梯度對(duì)各種實(shí)驗(yàn)造成了干擾，因此如何同時(shí)對(duì)磁屏蔽室內(nèi)多個(gè)磁場(chǎng)梯度進(jìn)行抑制成了問(wèn)題的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種磁屏蔽室中磁場(chǎng)梯度抑制方法，該方法通過(guò)多個(gè)梯度線圈同時(shí)補(bǔ)償磁屏蔽室內(nèi)部所有的梯度磁場(chǎng)，從而有效地降低磁屏蔽室內(nèi)的梯度磁場(chǎng)。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種磁屏蔽室中磁場(chǎng)梯度抑制方法，包括下列步驟：

3、s1、定義磁屏蔽室中某點(diǎn)的磁場(chǎng)變化率為：其中，bx+δx表示磁屏蔽室內(nèi)沿x軸方向的偏移δx磁場(chǎng)分量；bx表示磁屏蔽室內(nèi)沿x軸方向的磁場(chǎng)分量，定義待設(shè)計(jì)的補(bǔ)償線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度的三個(gè)分量bx、by以及bz在空間的x軸方向、y軸方向以及z軸方向表示為：根據(jù)麥克斯韋方程組可以得到表達(dá)式：則得到在封閉的磁屏蔽室內(nèi)，空間磁場(chǎng)梯度環(huán)境表示為：

4、s2、根據(jù)所述的空間磁場(chǎng)梯度環(huán)境表達(dá)式，在磁屏蔽室內(nèi)設(shè)計(jì)五個(gè)梯度線圈控制所有梯度磁場(chǎng)，所述五個(gè)梯度線圈為以及所述的五個(gè)梯度線圈平行放置于所述磁屏蔽室內(nèi)，所述磁屏蔽室內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域被劃分為num個(gè)點(diǎn)；

5、s3、利用二維傅里葉級(jí)數(shù)作為基函數(shù)來(lái)表示任意一個(gè)梯度線圈的電流流函數(shù)：其中，αn，βn，γm，δm表示未知傅里葉變換系數(shù)，m和n表示變換階數(shù)，l表示線圈邊長(zhǎng)；

6、s4、針對(duì)線圈根據(jù)梯度線圈的對(duì)稱性原則，將所述電流流函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化后的電流流函數(shù)，其表達(dá)式為：其中，-l≤x，y≤l，z＝+d，pmn表示系數(shù)矩陣；根據(jù)畢奧薩法爾定律，得到x軸方向的磁場(chǎng)表達(dá)式為：其中，z和z′分別表示目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)和雙平面線圈的z坐標(biāo)，|r-r′|3表示它們之間的距離；考慮目標(biāo)區(qū)域預(yù)設(shè)的磁場(chǎng)分布，得到目標(biāo)區(qū)域磁場(chǎng)分布函數(shù)表示為：其中，μ0表示真空磁導(dǎo)率，btarget表示目標(biāo)區(qū)域的磁場(chǎng)值；

7、s5、將所述的目標(biāo)區(qū)域的磁場(chǎng)分布函數(shù)均勻離散為num個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，得到關(guān)于目標(biāo)區(qū)域的磁場(chǎng)分布的最小二乘誤差函數(shù)表示為：

8、s6、將所述的最小二乘誤差函數(shù)引入懲罰函數(shù)，所述懲罰函數(shù)表示為：得到tikhonov泛函數(shù)為：其中，γ表示吉洪諾夫正則矩陣，λ表示正則系數(shù),δs表示線圈的弧度,b(xnum，ynum，znum)表示目標(biāo)場(chǎng)內(nèi)其他點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

9、s7、將所述tikhonov泛函數(shù)進(jìn)行最小化，即可求解得到系數(shù)矩陣pmn；將求解得到的系數(shù)矩陣pmn運(yùn)用到步驟s4中簡(jiǎn)化后的電流流函數(shù)中，繪制出流函數(shù)的等值曲線圖，根據(jù)所述等值曲線圖設(shè)計(jì)出梯度線圈同理，根據(jù)步驟s4～s7，依次設(shè)計(jì)出梯度線圈以及

10、本發(fā)明的有益效果是：采用上述一種磁屏蔽室中磁場(chǎng)梯度抑制方法，能夠在一定的目標(biāo)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高精度可控補(bǔ)償梯度磁場(chǎng)，從而解決了磁屏蔽室內(nèi)殘留較大的梯度磁場(chǎng)，最終增大磁屏蔽室內(nèi)部的均勻性。本文同時(shí)設(shè)計(jì)了五組梯度線圈用于抑制磁屏蔽室內(nèi)的梯度磁場(chǎng)，給梯度線圈施加激勵(lì)后，磁場(chǎng)的三個(gè)分量沿三個(gè)方向的梯度得到了明顯下降，梯度線圈的設(shè)計(jì)能夠有效抑制磁屏蔽室內(nèi)全部方向的梯度磁場(chǎng)。該方法能夠?yàn)閷?duì)梯度磁場(chǎng)要求高的精密物理實(shí)驗(yàn)、生物磁信號(hào)測(cè)量和零磁科學(xué)研究等提供必要條件。

技術(shù)特征：

1.一種磁屏蔽室中磁場(chǎng)梯度抑制方法，其特征在于：包括下列步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種磁屏蔽室中磁場(chǎng)梯度抑制方法，包括：將五個(gè)梯度線圈平行放置于所述磁屏蔽室，所述磁屏蔽室內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域被劃分為NUM個(gè)點(diǎn)；獲取磁屏蔽室內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域磁場(chǎng)分布函數(shù)；并將該函數(shù)均勻離散為NUM個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，得到關(guān)于目標(biāo)區(qū)域的磁場(chǎng)分布的最小二乘誤差函數(shù)，并采用吉洪諾夫正則化對(duì)最小二乘誤差函數(shù)求解得到系數(shù)矩陣P<subgt;mn</subgt;從而設(shè)計(jì)出梯度線圈。本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)了五組梯度線圈用于抑制磁屏蔽室內(nèi)的梯度磁場(chǎng)，給梯度線圈施加激勵(lì)后，磁場(chǎng)的三個(gè)分量沿三個(gè)方向的梯度得到了明顯下降，梯度線圈的設(shè)計(jì)能夠有效抑制磁屏蔽室內(nèi)全部方向的梯度磁場(chǎng)。

技術(shù)研發(fā)人員：文通,宋鵬飛,鄧亞,劉習(xí)凱,王立明,李海濤,張亞寬,章懰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30