超导磁屏蔽热电流消除方法与流程

1.本发明属于调节磁变量的系统技术领域，具体为一种超导磁屏蔽热电流消除方法。


背景技术：

2.在利用超导线圈对外磁场进行被动磁屏蔽的过程中，需要将闭环的高温超导线圈浸泡在液氮中。通常，闭环超导线圈是将一根超导带材绕制在线圈骨架上，再将接头进行焊接，形成闭环。在加热器关闭后的降温过程中，超导线圈进入超导态的过程中，外磁场会随时间波动，难以准确的调控外磁场线圈，保持中心区域零磁场。且加热器带来的热电势作用也会在线圈中产生电流，带来额外的磁场。因此在线圈进入超导态时，难以避免的会使得中心区域的磁场偏离预期值。且线圈中会有电流，并在接头电阻作用下持续衰减，表现为磁场中的噪音。
3.因此，针对对直流磁场的调节时，在消除磁场的过程中，由于超导线圈的磁场噪声，往往需要进行匹配性调整的问题；有必要对该热电流进行消除。


技术实现要素：

4.针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种超导磁屏蔽热电流消除方法，其特征在于，包括：步骤1、进行超导屏蔽并对数据进行收集
5.先关闭主动控制线圈组，再开启加热器；将主动控制线圈组通电流i
a0
，使得目标区域磁场与目标值接近；之后关闭加热器电源，使得超导线圈降温；观测磁探头磁场的变化，并收集数据；
6.步骤2、根据对收集到的数据进行拟合，获得超导线圈中电流引入的磁场bh、τ和b0(t0)；其中bh为超导线圈中电流引入的磁场，t0为线圈进入超导态时刻，t为磁探头收集数据的时刻，τ为由超导线圈的电感和接头电阻决定的常数；
7.步骤3、计算在拟合稳态磁场bs；
8.稳态磁场bs符合t0为线圈进入超导态时刻，t为磁探头收集数据的时刻，为测量值；bc(t)为t时刻的磁探头中磁场自然变化，为测量值；
9.同时获得b0(t0)，并将计算完成的时刻记录为t1时刻；符合bs＝b0(t0)+ba(t0)，b0(t0)为线圈进入超导态时刻的背景磁场，ba(t0)为线圈进入超导态时刻的主动线圈磁场，由主动控制线圈组电流决定，为设定值；
10.然后进入选择步骤、根据进入需求进行单次控制操作或两次控制操作：
11.当需要进行单次控制操作时，进入步骤a4；当需要进行两次控制操作时，进入步骤b4；
12.所述步骤a4、计算出线圈中磁场稳定的条件，包括当在t1时刻之后的第二时刻t2、以及最终磁场与目标值一致需施加的电流；
13.若在t2时刻主动控制线圈组磁场改变δba＝k(ia(t2)-ia(t0))，其中k为线圈电流与产生磁场的系数，ia(t2)是t2时刻施加的电流，ia(t0)是已知项是t0时刻施加的电流；磁探头中磁场自然变化为
14.因此，在t2时刻改变主动控制线圈组电流，使得t2时刻需要对主动控制线圈组施加的电流即可使得线圈中磁场稳定在bs+δba；为了使最终磁场与目标值b
t
一致，计算随后进入步骤a5；
15.步骤a5、在t2时刻改变主动控制线圈组电流ia(t2)；操作结束；
16.所述步骤b4、在t1时刻对主动控制线圈组施加电流
17.在计算得出bh、τ、b0(t0)时，同时也收集到了t1时刻磁探头中磁场自然变化bc(t1)；t1时刻为完成计算，进行第一次对主动控制线圈组进行操作的时刻；
18.若bc(t1)《b
t
,则在t1时刻施加一个较大的δbsa，使得bc(t)快速增加；若bc(t1)》b
t
,则在t1时刻施加一个较大的-δbsa，使得bc(t)快速减小，电场施加值δbsa为设定值；随后进入步骤b5；
19.步骤b5、随后收集数据并计算t3时刻并再次主动控制线圈组施加电流
20.可以计算出在t3时刻，有bcs(t3)＝b
t
，b
t
为目标值；在t3时刻调整磁场，使得在t3时刻的再次操作的稳态磁场bcs(t3)＝b
t
，则目标磁场b
t
稳定在设定值；
21.t3时刻的计算方法为：
22.其中，bh为超导线圈中电流引入的磁场，bs为稳态磁场；
23.在时得到：调整后的再次电场实际施加值δbs
′a＝b
t-b
s-δbsa；进入步骤b6；
24.步骤b6、在t3时刻对磁场施加δbs
′a；操作结束。
25.所述ba(t0)符合：ba(t0)＝-b0(t0)
±
200nt。
26.在所述步骤a4中，如果t2没有结果，则进入判断：
27.若返回步骤1并在选择步骤中直接进入步骤a4，控制主动控制线圈组选取稍小些的电流，返回计算稳态磁场bs的步骤重新操作并计算，得到更小的ba(t0)和bs，使得bs》b
t
；
28.若返回步骤1并在选择步骤中直接进入步骤a4，控制主动控制线圈组选取稍大些的电流，返回计算稳态磁场bs的步骤重新操作并计算，得到更大的ba(t0)和bs，使得bs》b
t-bh。
29.本发明的有益效果在于：
30.1.解决了超导磁场不稳定，目前对该热电流进行消除时，耗时较长的问题。
31.2.解决了由于超导磁场随时间变化而变化，消除时产生的磁场和预期值不一样的
问题。
32.3.针对时间和操作次数不同的约束需求，提供了单次和两次控制两种操作方法以消除热电流。
附图说明
33.图1为本发明一种超导磁屏蔽热电流消除方法实施例的结构示意图。
34.其中，1-超导线圈，2-焊接接头，3-加热器，4-磁探头，5-主动控制线圈组。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
36.如图1所示的本发明实施例，所使用的装置包括：设置在超导线圈1中央的磁探头4，超导线圈1通过焊接接头2与外部电源相连，超导线圈1上设有加热器3，超导线圈1外设有同心的主动控制线圈组组5；由于超导线圈只能屏蔽交流磁场，需要配合主动控制线圈组来调节直流磁场，使得目标磁屏蔽区域满足指定实验要求。
37.在本实施例中，主动控制线圈组一般为一组或多组铜或铝线圈，与控制电源连接；当主动控制线圈为多组时，各主动控制线圈可以与超导线圈1处于不同的平面中，但在各种布置情况中主动控制线圈组的中心区域产生均匀外磁场。
38.在本实施例中，超导线圈1也可以为一圈或多圈。
39.在操作时，主动控制线圈组中通过电流ia，可在目标区域产生正比于电流的磁场ba＝kia，k为线圈电流与产生磁场的系数，由主动给电流的这个线圈的大小和匝数位置等决定；当超导线圈中有电流时，该电流会指数衰减，则t时刻的磁探头4中磁场自然变化bc(t)符合下式(1)bh为超导线圈中电流引入的磁场，bc(t)为t时刻的测量值，t0为线圈进入超导态时刻，t为磁探头收集数据的时刻，τ为常数，由超导线圈的电感和接头电阻决定。
40.步骤1、进行超导屏蔽并对数据进行收集
41.先关闭主动控制线圈组，再开启加热器；将主动控制线圈组通电流i
a0
，使得目标区域磁场与目标值接近；(由于t时刻的背景磁场b0(t)会存在实时波动，此时很难精准的控制目标区域磁场，只能控制到目标值附近)；之后关闭加热器电源，使得超导线圈降温；观测磁探头磁场的变化，并收集数据；
42.步骤2、根据对收集到的数据进行拟合，获得超导线圈中电流引入的磁场bh、τ和b0(t0)；
43.步骤3、拟合稳态磁场bs；
44.稳态磁场bs符合t0为线圈进入超导态时刻，t为磁探头收集数据的时刻，为测量值；bc(t)为t时刻的磁探头中磁场自然变化，为测量值；
45.同时获得b0(t0)，并将计算完成的时刻记录为t1时刻；符合bs＝b0(t0)+ba(t0)，b0(t0)为线圈进入超导态时刻的背景磁场，ba(t0)为线圈进入超导态时刻的主动线圈磁场，由主动控制线圈组电流决定，为设定值，在本实施例中ba(t0)设定的过程为：先把稳态磁场设
成0，所有目标ba(t0)是-b0(t0)；由于b0随时间波动，一般在200nt左右，所以实际取得的ba(t0)＝-b0(t0)
±
200nt；
46.然后进入选择步骤、根据需求进行单次控制操作或两次控制操作：
47.当需要进行单次控制操作时，进入步骤a4；当需要进行两次控制操作时，进入步骤b4；
48.其中步骤a4、计算出线圈中磁场稳定的条件，包括当在t1时刻之后的第二时刻t2、以及最终磁场与目标值一致需施加的电流；
49.若在t2时刻主动控制线圈组磁场改变δba＝k(ia(t2)-ia(t0))，其中k为线圈电流与产生磁场的系数，ia(t2)是t2时刻施加的电流，ia(t0)是已知项是t0时刻施加的电流；磁探头中磁场自然变化为
50.因此，在t2时刻改变主动控制线圈组电流，使得t2时刻需要对主动控制线圈组施加的电流即可使得线圈中磁场稳定在bs+δba；为了使最终磁场与目标值b
t
一致，计算
51.步骤a5、当t2有结果时，在t2时刻改变主动控制线圈组电流ia(t2)；操作结束；
52.如果t2没有结果，则进入判断：
53.若可以再次开启加热器(返回步骤1)，控制主动控制线圈组选取稍小些的电流，返回计算稳态磁场bs的步骤重新操作并计算，得到更小的ba(t0)和bs，使得bs》b
t
；
54.若可以再次开启加热器(返回步骤1)，控制主动控制线圈组选取稍大些的电流，返回计算稳态磁场bs的步骤重新操作并计算，得到更大的ba(t0)和bs，使得bs》b
t-bh。
55.步骤b4、在t1时刻对主动控制线圈组施加电流
56.在计算得出bh、τ、b0(t0)时，同时也收集到了t1时刻磁探头中磁场自然变化bc(t1)；t1时刻为完成计算，进行第一次对主动控制线圈组进行操作的时刻。
57.若bc(t1)《b
t
,则在t1时刻施加一个较大的δbsa，使得bc(t)快速增加；若bc(t1)》b
t
,则在t1时刻施加一个较大的-δbsa，使得bc(t)快速减小。电场施加值δbsa为假想的设定值，快速达到目标值，因此在硬件条件的允许下尽可能的大，此处取-9900；需额外说明的是，如果该取值过大，虽然会，但是可能会难以操作，因此两次控制操作实际是根据设备客观条件不同的一个不断优化的经验取值，他可能在设备经过一些次数的运行之后，才能取到一个更恰当的数值，相对而言单次控制操作可以在调试次数更少的情况下有效运行；
58.步骤b5、随后收集数据并计算t3时刻并再次主动控制线圈组施加电流
59.可以计算出在t3时刻，有bcs(t3)＝b
t
，b
t
为目标值；在t3时刻调整磁场，使得在t3时刻的再次操作的稳态磁场bcs(t3)＝b
t
，则目标磁场b
t
稳定在设定值；
60.t3时刻的计算方法为：
61.其中，bh为超导线圈中电流引入的磁场，bs为稳态磁场；
62.在时；对主动控制线圈组5进行再次操作，再次电场实际施加值δbs
′a＝k(ia(t3)-ia(t1))＝b
t-b
s-δbsa，其中k为线圈电流与产生磁场的系数，ia(t3)为t3时刻需要对主动控制线圈组施加的电流；
63.步骤b6，对主动控制线圈组5施加ia(t3)。
64.步骤b4和步骤b5通过两次对控制主动控制线圈的电流进行控制，以消除热电流；使得最终可以在短时间内消除热电流所带来的磁场偏置和漂移问题；例如，现有对系统磁场稳定在230nt的直流屏蔽需求，则b
t
＝230nt；且在t1时刻，bs＝200nt，bh＝100nt；
65.在单次消除方法步骤a4和步骤a5中，如果在磁场衰减至70nt时(此时为t2)，通过主动控制线圈组施加30nt的磁场，即可使系统磁场稳定在230nt；如τ＝1000s时，需要t
2-t1＝357s。
66.在本发明所提供的两次消除方法中，若通过主动控制线圈组先施加一个δbsa＝-9900nt的磁场(此时为t1)，则τ＝1000s时计算出时刻t3＝t1+7s；
67.随后，在7s后施加δbs
′a＝9930nt(此时为t3),即可使系统磁场稳定在230nt；虽然操作了两次，但时间大幅缩短。