王秋良 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
WANG, Housheng (No.6, Beiertiao Zhongguancun,Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
王厚生 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
HU, Xinning (No.6, Beiertiao Zhongguancun,Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
中国科学院电工研究所 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
WANG, Qiuliang (No.6, Beiertiao Zhongguancun,Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
王秋良 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
WANG, Housheng (No.6, Beiertiao Zhongguancun,Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
王厚生 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
| 1、 一种用于测量空间磁体的二极磁矩的测量装置， 其特征 在于， 所述的测量装置包括空间磁体（1) 、 支撑杆（2) 、 旋转 架 （3) 、 吊杆（4) 、 赫尔姆兹线线圈 （5) 、 支承座 （6) 、 测 力仪（7)和固定架（8) ； 支承座 （6)上放置空间磁体（1) , 在空间磁体（1) 的上方放置支撑杆（2) , 支撑杆 （2) 上安装 旋转架 （3) ， 旋转架 （3) 与^杆（4)耦接， 两个赫尔姆兹线 圏 （5) 悬吊在吊杆（4) 的两端， 其中一个赫尔姆兹线圏 （5) 连接测力仪（7) 的一端， 测力仪（7) 的另一端通过固定架 （8) 固定。 2、 如权利要求 1所述的测量装置， 其中所述空间磁体（1) 由 NdFeB永磁材料制成。 3、一种利用如权利要求 1所述的测量装置来测量空间磁体的 二极磁矩的方法， 其特征在于包括以下步骤： 将所述的空间磁体（1)放置在与自磁场垂直的、 由赫尔姆 兹线圏 （5)产生的均匀磁场中； 赫尔姆兹线圏（5)产生的均匀磁场和空间磁体（1)的二极 磁矩相互作用， 赫尔姆兹线圏 （5) 受到旋转力矩的作用旋转， 通过测力仪（7) 测量赫尔姆兹线圏 （5) 所受的旋转力矩 T, 然 后采用线性插补方法处理测得的旋转力矩数据以消除摩擦阻力 矩； 以及 用旋转力矩 T除以均匀磁场强度 B, 得到空间磁体（1)的二 极磁矩 P 4、 一种用于补偿空间磁体的二极磁矩的方法， 其特征在于 在所述空间磁体（1) 的两端对称放置对称性磁化方向与主磁场 方向相反的第一永磁块（12)和第二永磁块（13) ， 将空间磁体 (1) 的二极磁矩补偿到零。 5、 如权利要求 4所述的方法， 其中所述第一永磁块 （12) 和第二永磁块 （ 13 ) 由 NdFeB永磁材料制成。 |
二极磁矩的方法 技术领域
本发明涉及一种磁体二极磁矩的测量装置和测 量方法，特别 涉及一种用于大型空间磁体的二极磁矩的测量 装置和测量方法， 以及一种用于补偿空间磁体二极磁矩的方法。 背景技术
空间探测技术中， 通常采用具有较高磁场的超导或永磁磁 体。 对用于空间反物质探测的大型永磁磁体的二极 磁矩的测量和 补偿技术对于其他的空间磁体同样具有重要的 应用意义。 空间磁 探测的科学使命是寻找宇宙中的反物质和暗物 质， 并对宇宙中各 种同位素的相对丰度和高能 光子进行精确的测量。 磁谱仪是粒 子物理、 核物理研究的关键设备， 它可测量带电粒子在磁场中的 偏转， 得到带电粒子的电荷和能谱。 磁谱仪对宇宙带电粒子的直 接观测，开创了一个全新的科学领域，带来粒 子物理学的新突破。 磁谱仪的关键部件是由永磁磁体或超导磁体组 成的。 目前的永磁 体采用新型高磁能积钕铁硼（ NdFeB )材料，内径 l.lm, 外径 1.4m， 长 0.8m， 磁钢净重约 1.9吨， 由按圆周分成扇形磁条、 磁化方向 各异的磁体条组成。 这 64种磁化方向的磁体条， 每种磁化方向 角度依次相差 11.25°。 由于组成磁体的各磁体条工作点的不同， 使磁体有一个与主磁场方向相反的二极磁矩。 寻找宇宙中的反物 质和暗物质的空间磁探测的科学使命的需求， 有可能使用运载火 箭将磁体系统送入太空。 由于永磁体和超导磁体使用卫星平台发 射， 卫星平台应该消除由二极磁矩（永磁磁语仪的 二极磁矩大约 7300 Am 2 , 超导磁体的二极磁矩大约 27200Am 2 ) 带来的影响。 但是由于卫星平台的质量较小， 目前设计的磁体的二极磁矩产生 的干扰力矩是卫星内外干扰力矩的 1000倍以上。根椐 AMS卫星 姿态的控制， 为了消除磁体二极磁矩对于承栽磁体的姿态和 轨道 控制的影响， 卫星需要随带大约 300kg的原料。 因此磁体的二极 磁矩问题对于磁谱仪在外空间的运行非常重要 。 基于最初的美国 NASA设计的要求， 使用航天飞机将磁体送达空间站， 因此磁体 的二极磁矩和地磁场的相互作用的力矩应该小 于 2,7 Ν·ιη， 如果 在磁体运行的轨道上， 地磁场的大小为 0.5 G, 等效于对应的磁 体的二极磁矩小于 5.4xl0 4 Am 2 。
二极磁矩的存在对于搭栽磁体的卫星平台在外 太空运行有 很大影响， 如果磁体的二极磁矩不为零， 由于磁矩和地磁场之间 的较强的相互作用力产生力矩， 使得卫星在空间运动不可控制， 因此对于二极磁矩的补偿显得尤为重要。 发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提出一种空 间探测器中空 间磁体的二极磁矩的测量装置和测量方法， 和一种用于补偿空间 磁体的二极磁矩的方法。 本发明的测量装置、 测量方法和补偿方 法具有结构简单、 对磁体的磁场分布影响较小等特点。
本发明采用在探测器磁体外安装永磁块，使其 磁化方向和探 测器磁体的磁场方向相反的技术方案， 从而补偿二极磁矩到几乎 为零， 以便使卫星平台可承载这种磁体， 实现卫星的姿态控制。
本发明采用的原理是：基于二极磁矩的定义， 对于环形电流 可以计算 = / ， 式中： /是环的电流， 是环的面积。 任何永磁 块可以使用一系列的电流环进行等效计算。 空间磁体如果具有二 极磁矩， 当空间磁体处在均勾的外磁场中， 二极磁矩和外磁场的 相互作用产生力矩， 其力矩的大小可以使用下面的方程计算： Τ = Ρχ Β , ？是力矩， ？是二极磁矩， 是磁场。 因此， 为了测量 磁体的二极磁矩， 只需要测量外加均勾磁场以及二极磁矩和外加 均匀磁场之间的相互作用的力矩？， 就可由公式可以直接得到？。 均匀磁化的永磁块的二极磁矩可以使用下面的 方程表示 = ^ ， 其中^为磁化强度， 单位为 A/m， 为磁块体积， 单位为 m 3 。 探测器永磁体和补偿磁块均由 NdFeB永磁材料制作， 相对磁导 率 ^ 1， 可认为是线性材料。 在对空间磁体（例如阿尔法磁谱 仪（ AMS )磁体）的二极磁矩补偿中可直接以数学加减 理， 即 可用永磁块产生的二极磁矩对空间磁体的二极 磁矩进行反向抵 消。
本发明的用于空间磁体的二极磁矩的测量装置 包括空间磁 体、 支撑杆、 旋转架、 吊杆、 赫尔姆兹 （Helmholtz ) 线圏、 支 承座、 测力仪和固定架。 在支承座上放置空间磁体， 在空间磁体 上方放置支撑杆， 支撑杆上安装旋转架， 旋转架通过吊杆将两个 赫尔姆兹线圏悬吊在吊杆的两端， 其中一个赫尔姆兹线圏连接测 力仪的一端， 测力仪的另一端通过固定架固定。 由于赫尔姆兹线 圏产生的磁场和空间磁体的磁矩相互作用， 产生旋转力矩。 赫尔 姆兹线圏受到旋转力矩作用， 通过旋转架和吊杆使赫尔姆兹线圏 在支承座承载的支撑杆上旋转。 通过测量赫尔姆兹线圏的旋转力 矩测量磁体的二极磁矩的大小。
本发明的测量方法是将磁体放置在与自磁场垂 直的均匀磁 场中， 磁场之间相互产生作用， 测量磁体所受的力矩 T， 采用线 性插补方法处理测试数据。 由磁体受到的力矩、 磁场以及二极磁 矩之间的关系公式 Ρ=Τ/Β就可以计算出磁体的二极磁矩的大小。
本发明采用线性插补方法处理测量得到的旋转 力矩数据。线 性插补的理论依据于整个实验测量装置为线性 系统。 赫尔姆兹线 圏中电流为零时其受到的力矩也应该为零， 实验初值不为零是由 于本发明测量装置存在摩擦阻力矩， 应将摩擦阻力矩去除。 数据 处理过程是： 令赫尔姆兹线圏中电流 I为 X轴， 所测拉力 F为 y轴， 输入一次实验数据， 得到系列散点； 利用最小二乘法对散点进行 线性拟合， 得到直线方程 y = kx + b; 其中 k为直线斜率， b为截 距。 令 b = 0， 使直线过零点， 即消除掉实验中的摩擦阻力矩。
本发明为了补偿消除空间磁体的二极磁矩，使 用对称性磁化 方向与主磁场方向相反的高磁能的第一永磁块 和第二永磁块对 称地放置在空间磁体的两端， 从而将磁体的二极磁矩补偿到零。
本发明的主要技术优点在于：
1 ) 通过赫尔姆兹线囷对产生均匀磁场来模拟地磁 场， 磁矩 和磁场的相互作用产生力， 通过力和力臂的乘积就可以直接测量 出力矩。 基于简单的公式计算就可以得到磁体的二极磁 矩的大 小；
2 ) 通过固定大型空间探测磁体和磁场线圏的旋转 方法可 以极大简化装置的测量方法， 进一步提高系统的测量精度；
3 ) 采用线性化数值处理方法， 消除摩擦阻力矩， 从而提高 系统的测量数据的可靠性；
4 ) 发展的 FEM分析计算技术可以高精度地计算磁体的磁 矩， 从而校正测量和计算值；
5 ) 使用较小重量的永磁块可以极大地减小磁体的 二极磁 矩， 同时对于磁体的磁场影响非常小。 附图说明
图 1 为根据本发明实施例的空间磁体的二极磁矩的 测量装 置示意图；
图 2 为根据本发明实施例的测量空间磁体二极磁矩 的方法 流程示意图；
图 3 为根据本发明实施例的空间磁体二极磁矩补偿 方法的 示意图。 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一 步说明。
如图 1所示， 根据本发明实施例的用于测量空间磁体的二极 磁矩的测量装置包括空间磁体 1、 支撑杆 2、 旋转架 3、 吊杆 4、 赫 尔姆兹 （Helmholtz ) 线圏 5、 支承座 6、 测力仪 7和固定架 8。 在 支承座 6上放置空间磁体 1， 在空间磁体 1上方放置支撑杆 2， 支撑 杆 2上安装旋转架 3， 旋转架 3通过吊杆 4将两个赫尔姆兹线圏 5悬 吊在吊杆 4的两端， 其中一个赫尔姆兹线圈 5连接测力仪 7的一端， 测力仪 7的另一端通过固定架 8固定。 由于赫尔姆兹线圏 5产生的 磁场和空间磁体 1的磁矩相互作用， 产生旋转力矩。 赫尔姆兹 圏 5受到旋转力矩作用， 通过旋转架 3和吊杆 4使赫尔姆兹线圏 5在 支承座 6承载的支撑杆 2上旋转。 通过测量赫尔姆兹线圏 5的旋转 力矩测量空间磁体 1的二极磁矩的大小。
本实施例的赫尔姆兹线圏 5的直径为 3.4m， 两线圏距离:为 1.8m, 产生所要求的恒定均匀磁场。 为使磁场均匀， 线圏应该 大越好。 赫尔姆兹线圏 5有 150匝， 根据稳流电源和导线的规格设 计线圏， 要求线圏中心磁场大于 15.0 Gs， 最好能达到 20 Gs; 连 续工作时间大于 4小时， 使用稳定直流电源供电。
如图 2所示 , 本发明实施例的测量二极磁矩的方法是将空间 磁体 1放置在与自磁场垂直的、 由赫尔姆兹线圏 5产生的均匀磁场 中。 磁场之间相互产生作用， 赫尔姆兹线圏 5产生的均匀磁场和 空间磁体 1的二极磁矩相互作用产生旋转力矩。 通过测力仪 7测量 赫尔姆兹线圏 5受到的旋转力矩 T (通过力和力臂的乘积可以简单 地得出力矩） ， 这个力矩也是空间磁体 1受到的力矩。 然后采用 线性插补方法处理测量得到的旋转力矩数据， 以消除摩擦阻力矩 (后面将对其进行更具体的 i兌明） 。 通过旋转力矩除以赫尔姆兹 线圈 5产生的均匀磁场强度， 即可得到空间永磁体 1的二极磁矩的 大小。
由磁体所受的力矩、 磁场以及二极磁矩之间的关系公式 P=T/B可以计算出磁体的二极磁矩的大小。 线性插补的理论依据 为整个实验测量装置 （包括磁体） 为线性系统。 赫尔姆兹线圈 5 中的电流为零时， 其受到的力矩也应该为零。 实验初值不为零是 由于系统存在摩擦阻力矩， 应将摩擦阻力矩去除。 数据处理过程 如下： 画出数据点， 例如令赫尔姆兹线圏 5中电流 I为 X轴， 所测拉 力 F为 y轴， 输入一次实验数据， 得到系列散点； 将数据进行线性 拟合， 也就是利用最小二乘法对散点进行线性拟合， 得到直线方 程 y = kx + b; 其中 k为直线斜率， b为截距； 将拟合的直线平移 到通过原点， 例如令 b = 0， 使直线过零点， 即消除掉实验中的摩 擦阻力矩。 依据该平移后的直线， 由电流得到力的大小。 例如， 以直线上 X坐标为 20A的点的 y值作为系统的实检拉力， 力臂为 1.472 m, 在这种情况下测量的背景场强为 16 Guass, 计算出磁体 的二极磁矩。
如图 3所示，在根据本发明实施例的用于补偿空间 体的二 极磁矩的方法中， 使用对称性磁化方向与主磁场方向相反的高磁 能的第一永磁块 12和第二永磁块 13对称地放在永磁体 14截面 上经过直径的上端和下端，使用图 1 的测量装置测量得到的永磁 体二极磁矩几乎为零。 例如， 放置用 NbFeB永磁材料制成的永 磁块来补偿， 体积为 9.5X10- 4 m 3 的永磁块可以抵消掉 1000 Am 2 的二极磁矩， 重量约为 Ί kg ( NbFeB的密度为 7.5 <10 3 kg/m 3 ) 。 如果要完全抵消掉 AMS的二极磁矩 7300Am 2 ，大约需要 50多千 克的永磁块。 使用永磁块能够有效减小空间磁体的二极磁矩 。 以上结合具体实施例描述了本发明，但这些实 施例仅仅是为 了示例的目的， 而不是旨在限制本发明的范围。 在不脱离本发明 的精神和范围的情况下， 可以对此处描述的实施例做出各种变 型、 替换和改变。 所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的范围和 精神内的这些变型、 替换和改变。