如何让高频亥姆霍兹线圈产生强磁场

2076062 2020-10-12 | pdf | 0.29 MB | 次下载 | 1积分

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　　诸如磁场感应、校准和科学实验的许多应用都经常用高频亥姆霍兹线圈来产生均匀但随时间变化的高频磁场。产生这样的磁场需要用到高频亥姆霍兹线圈驱动器。因为磁场密度正比于电流，所以为了产生大的磁场，需要产生大的电流。然而，在高频情况下线圈阻抗也变成高阻抗了。对于一个给定的驱动器电压幅度，线圈电流反比于线圈阻抗。因此影响磁场的两个相反因素是电流和频率。实现高频磁场是很困难的。本文讨论了三种帮助高频亥姆霍兹线圈产生强磁场的技术。

　　亥姆霍兹线圈是因德国物理学家Hermann von Helmholtz而命名的，由两个完全相同且并行放置的电磁线圈组成，这两个线圈中心在同一轴线上，就像镜像一样，如图1所示。当电流以相同方向经过这两个高频亥姆霍兹线圈时，就会在线圈内的三维空间内产生一个高度均匀的磁场。这些亥姆霍兹线圈经常用于抵消背景（地球）磁场、测量和校准，以及电子设备敏感性测试中的磁场。

　　高频亥姆霍兹线圈是由两个线圈搭建而成的。因为两个磁性线圈设计成完全相同，因此当线圈半径等于间隔距离时就能产生均匀的磁场。这两个线圈以串联的方式连接在一起，因此给它们馈送的电流相同，从而产生两个相同的磁场。这两个磁场叠加在一起就会在两个并行线圈中心的圆柱形空间中产生均匀的磁场。这个圆柱形空间的均匀磁场约等于25%的线圈半径（R），长度等于两个线圈之间间距的50%。高频亥姆霍兹线圈可以做成1、2 或3轴。多轴磁性线圈可以在亥姆霍兹线圈对内部的三维空间内产生任意方向的磁场。最常见的高频亥姆霍兹线圈是圆形的。方形的亥姆霍兹线圈也经常使用。

　　高频亥姆霍兹线圈可以串联（图2）或并联（图4）。串联使得流经两个磁性线圈的电流完全相同。一般串联可以支持最大的电流，从而可以产生最强的磁场。然而，由于两个线圈是串联的，总的阻抗也加倍了。更高的阻抗要求更高的驱动放大器电压。如果使用下面所述的谐振技术，阻抗就可以减小。

　　并联亥姆霍兹线圈的优势是具有更低的阻抗。事实上阻抗减小一半，但电流也减小一半（电流被分成了两份），因此磁场更小。如果在一半电流条件下达到了所要求的磁场密度，并且要求低阻抗，比如在低压放大驱动器场合，那么并联就是可接受的。有关亥姆霍兹线圈阻抗的更多细节将在下面的直接驱动法章节中讨论。

磁场放大器驱动器亥姆霍兹

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