一种广角氦三中子极化装置的磁场系统及磁场控制方法

1.本发明涉及极化氦三技术领域，具体涉及一种广角氦三中子极化装置的磁场系统及磁场控制方法。


背景技术：

2.极化中子的xyz极化分析是一种分离磁、核相干和非相干散射的有效方法，特别适用于配备广角探测器的中子仪器。在这种技术中，中子极化以选定的方向绝热传输到样品中，散射束沿入射束极化相同的方向进行自旋分析。与普通的中子极化分析相比，这种广角xyz极化分析可以在很大范围的散射角下进行，分析速度快、探测效率高。
3.目前国际上建设的用于广角极化分析的广角极化谱仪分别是使用超镜阵列和极化氦三中子装置。虽然超镜阵列也可以考虑用于广角极化分析，但其极化中子束宽和接收角度较小，并且造价昂贵。相比之下，广角极化氦三中子装置的工作波长谱宽，接收角度大，极化分析能力均匀，并且造价相对便宜。因此使用极化氦三中子自旋过滤器建设广角极化谱仪是最具吸引力的解决方案。然而，广角极化氦三装置的退极化时间由磁场梯度决定，需要的均匀磁场区域比较大，为了保持极化氦三极化率的长期稳定，需要一个能提供高度均匀磁场的磁场装置，由于中子源谱仪空间有限，还要求磁场装置总体直径和高度尽量小，从而实现把磁场装置通过通用法兰安装在通用谱仪里面。在中子实验中，需要改变极化氦三的主磁场方向，从而得到不同极化方向的极化中子。
4.目前国际上最先进的磁场装置是使用亥姆霍兹线圈嵌套式构型，常见的一套或者两套亥姆霍兹线圈构型，但是其存在中子黑区并且主磁场方向无法切换。像四套亥姆霍兹线圈嵌套构型，磁场装置中不存在中子黑区，中子的散射角度大，但是其本身形成的主磁场方向只能在二维平面内切换。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是提供一种磁场方向在三维空间内进行切换的广角氦三中子极化装置的磁场系统。
6.根据第一方面，一种实施例中提供一种广角氦三中子极化装置的磁场系统，包括第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈；
7.所述第一套亥姆霍兹线圈套设于所述第二套亥姆霍兹线圈，所述第一套亥姆霍兹线圈的内径大于所述第二套亥姆霍兹线圈的外径；所述第一套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面相交，并且，所述第一套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交线，通过所述第一套亥姆霍兹线圈和第二套亥姆霍兹线圈所处圆的圆心；
8.所述第二套亥姆霍兹线圈套设于所述第三套亥姆霍兹线圈，所述第二套亥姆霍兹线圈的内径大于所述第三套亥姆霍兹线圈的外径；所述第三套亥姆霍兹线圈套设于所述第四套亥姆霍兹线圈，所述第三套亥姆霍兹线圈的内径大于所述第四套亥姆霍兹线圈的外
径；所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第四套亥姆霍兹线圈所处平面相交，并且，所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第四套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交线，通过所述第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈所处圆的圆心；
9.其中，所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第一套亥姆霍兹线圈所处平面垂直；所述第四套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面垂直；
10.所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，所述磁场方向用于维持所述氦三的自旋方向。
11.一种实施例中，还包括电源模块，
12.各套亥姆霍兹线圈分别连接独立的电源模块，通过所述电源模块对应控制通过每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向。
13.一种实施例中，所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，包括：
14.所述第一套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第一磁场；
15.所述第二套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第二套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第二磁场；
16.所述第三套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈施加顺时针方向的电流，以生成第三磁场；
17.所述第四套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈施加顺时针方向的电流，以生成第四磁场；
18.各电源模块调整向第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈施加的电流大小，用以根据第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场生成磁场方向指向第一方向的磁场。
19.一种实施例中，所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，包括：
20.所述第一套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第一磁场；
21.所述第二套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第二套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第二磁场；
22.所述第三套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第三磁场；
23.所述第四套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第四磁场；
24.各电源模块调整向第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈施加的电流大小，用以根据第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场生成磁场方向指向第二方向的磁场。
25.一种实施例中，所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，包括：
26.所述第一套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈施加逆时针方
向的电流，以生成第一磁场；
27.所述第二套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第二套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第二磁场；
28.所述第三套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第三磁场；
29.所述第四套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈施加顺时针方向的电流，以生成第四磁场；
30.各电源模块调整第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈施加的电流大小，用以根据第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场生成磁场方向指向第三方向的磁场。
31.一种实施例中，根据所述第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场确定的磁场梯度小于设定梯度。
32.一种实施例中，所述设定梯度为10-3
/cm。
33.一种实施例中，所述第一套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交角度小于90度。
34.一种实施例中，所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第四套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交角度小于90度。
35.根据第二方面，一种实施例中提供一种广角氦三中子极化装置的磁场控制方法，所述方法采用上述的磁场系统，在所述磁场系统中，控制流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和方向，以确定磁场方向；通过所述磁场方向维持氦三的自旋方向。
36.根据上述实施例的广角氦三中子极化装置的磁场系统及磁场控制方法，其磁场系统包括四套亥姆霍兹线圈，第一套亥姆霍兹线圈和第二套亥姆霍兹线圈交叉设置，第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈交叉设置，其中，第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈分别与第一套亥姆霍兹线圈和第二套亥姆霍兹线圈垂直。通过第一套亥姆霍兹线圈和第二套亥姆霍兹线圈可以生成两个方向的磁场，再加上垂直的第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈就可以确定出第三个方向的磁场，以此就可以确定出一种磁场方向在三维空间内进行切换的广角氦三中子极化装置的磁场系统。
附图说明
37.图1为一种实施例中广角氦三中子极化装置的磁场系统的四套亥姆霍兹线圈二维空间的结构示意图一；
38.图2为一种实施例中广角氦三中子极化装置的磁场系统的两套亥姆霍兹线圈三维空间的结构示意图；
39.图3为一种实施例中广角氦三中子极化装置的磁场系统的四套亥姆霍兹线圈二维空间的结构示意图二；
40.图4为一种实施例中广角氦三中子极化装置的磁场系统的两套亥姆霍兹线圈产生的磁场方向示意图一；
41.图5为一种实施例中广角氦三中子极化装置的磁场系统的两套亥姆霍兹线圈产生的磁场方向示意图二；
42.图6为另一种实施例中广角氦三中子极化装置的磁场控制方法的方法流程图。
具体实施方式
43.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
44.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
45.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
46.请参考图1，本技术提供一种广角氦三中子极化装置的磁场系统，该磁场系统的主体由四套亥姆霍兹线圈组合而成，具体为第一套亥姆霍兹线圈(即为图1中的b1)、第二套亥姆霍兹线圈(即为图1中的b2)、第三套亥姆霍兹线圈(即为图1中的b1c)和第四套亥姆霍兹线圈(即为图1中的b2c)。亥姆霍兹线圈由一对完全相同的圆形导体线圈组成。
47.请参考图2，一些实施例中，本技术所采用的磁场系统中，第一套亥姆霍兹线圈b1的内径大于第二套亥姆霍兹线圈b2的外径，将第一套亥姆霍兹线圈b1套设于第二套亥姆霍兹线圈b2。第一套亥姆霍兹线圈b1所处平面与第二套亥姆霍兹线圈b2所处平面相交，并且，第一套亥姆霍兹线圈b1所处平面与第二套亥姆霍兹线圈b2所处平面相交的相交线通过第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四条亥姆霍兹线圈所处圆的圆心。也即，第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2相交，且相交线通过第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2的直径。一些实施例中，第一套亥姆霍兹线圈b1所处平面与第二套亥姆霍兹线圈b2所处平面相交的相交角度小于90度。
48.本技术采用的磁场系统中，第二套亥姆霍兹线圈b2的内径大于第三套亥姆霍兹线圈b1c的外径，第三套亥姆霍兹线圈b1c的内径大于第四套亥姆霍兹线圈b2c的外径。第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c同样交叉设置，且交叉的方式与第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2的交叉方式类似。即：第三套亥姆霍兹线圈b1c所处平面与第四套亥姆霍兹线圈b2c所处平面相交，并且，第三套亥姆霍兹线圈b1c所处平面与第四套亥姆霍兹线圈b2c所处平面相交的相交线，通过第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c所处圆的圆心。一些实施例中，第三套亥姆霍兹线圈b1c所处平面与第四套亥姆霍兹线圈b2c所处平面相交的相交角度小于90度。
49.但是，第三套亥姆霍兹线圈b1c所处平面与第一套亥姆霍兹线圈b1所处平面垂直，第四套亥姆霍兹线圈b2c所处平面与第二套亥姆霍兹线圈b2所处平面垂直。
50.请参考图1为磁场系统中四套亥姆霍兹线圈的正视图，也就是从第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2所处平面看，能看到完整的第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c，也即第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c，与，第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2垂直。
51.请参考图3为磁场系统中四套亥姆霍兹线圈的侧视图，也就是从第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c所处平面看，能看到完整的第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2，也即第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2，与，第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c垂直。
52.一些实施例中，磁场系统还包括电源模块，各套亥姆霍兹线圈分别连接独立的电源模块，通过电源模块调整通过每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向。
53.由于电流的磁效应，每一套亥姆霍兹线圈由独立的电源模块供电，这样每一对亥姆霍兹线圈都会在中心区域产生一个非常均匀的磁场区域，因此就可以在中心轴线上形成四个方向矢量，最后通过改变四对线圈的电流大小和电流方向，四套亥姆霍兹线圈就可以在中心区域叠加产生一个在三维空间任意可调的磁场方向。
54.一些实施例中，由于氦三存在自旋，需要通过磁场系统中产生的磁场方向维持氦三的自旋方向。
55.一些实施例中，请参考图4，一对亥姆霍兹线圈可以在中心产生均匀的磁场区域，并且可以在沿线圈中心轴线上产生一个矢量磁场，定义以图4中z轴正方向向下看的顺时针为正方向。当第一套亥姆霍兹线圈b1连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈b1施加逆时针方向的电流时，第一套亥姆霍兹线圈b1生成第一磁场，如图4中标号为1的磁场方向。当第二套亥姆霍兹线圈b2连接电源模块向第二套亥姆霍兹线圈b2施加逆时针方向的电流时，第二套亥姆霍兹线圈b2生成第二磁场，如图4中标号为2的磁场方向。此时，请参考图5，当第三套亥姆霍兹线圈b1c连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈b1c施加顺时针方向的电流时，第三套亥姆霍兹线圈b1c会产生第三磁场，如图5中标号为3的磁场方向。当第四套亥姆霍兹线圈b2c连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈b2c施加顺时针方向的电流时，第四套亥姆霍兹线圈b2c会产生第四磁场，如图5中标号为4的磁场方向。基于此，便已经确定了第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场的磁场方向，此时通过调整每个亥姆霍兹线圈的电流大小就可以影响第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场的大小，此时通过磁场叠加原理，就可以生成指向第一方向的磁场。一些实施例中，第一方向为y轴所在方向。
56.一些实施例中，当生成的磁场方向为y轴所在方向时，通过如下公式计算放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度：
[0057][0058]
其中，gradient为放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度大小，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在空间中的梯度大小，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在空间中的梯度大小。
[0059][0060][0061]
其中，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在x轴的偏导，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在y轴的偏导，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在z轴的偏导；为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在x轴的偏导，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在y轴的偏导，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在z轴的偏导。
[0062]
一些实施例中，通过上述计算便可计算得到放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度小于10-3
/cm。
[0063]
同样的，当第一套亥姆霍兹线圈b1连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈b1施加逆时针方向的电流时，第一套亥姆霍兹线圈b1生成第一磁场。当第二套亥姆霍兹线圈b2连接电源模块向第二套亥姆霍兹线圈b2施加逆时针方向的电流时，第二套亥姆霍兹线圈b2生成第二磁场。当第三套亥姆霍兹线圈b1c连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈b1c施加逆时针方向的电流时，第三套亥姆霍兹线圈b1c会产生第三磁场。当第四套亥姆霍兹线圈b2c连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈b2c施加逆时针方向的电流时，第四套亥姆霍兹线圈b2c会产生第四磁场。此时就确定了第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场的磁场方向，再通过调整每个亥姆霍兹线圈的电流大小就可以影响第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场的大小，此时通过磁场叠加原理，就可以生成指向第二方向的磁场。一些实施例中，第二方向为x轴所在方向。
[0064]
一些实施例中，当生成的磁场方向为x轴所在方向时，通过如下公式计算放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度：
[0065][0066]
其中，gradient为放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度大小，为设定点的磁场强度在y轴方向的分量by在空间中的梯度大小，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在空间中的梯度大小。
[0067][0068]
[0069]
其中，为设定点的磁场强度在y轴方向的分量by在x轴的偏导，为设定点的磁场强度在y轴方向的分量by在y轴的偏导，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量by在z轴的偏导；为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在x轴的偏导，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在y轴的偏导，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量bz在z轴的偏导。
[0070]
一些实施例中，通过上述计算便可计算得到放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度小于10-3
/cm。
[0071]
当第一套亥姆霍兹线圈b1连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈b1施加逆时针方向的电流时，第一套亥姆霍兹线圈b1生成第一磁场。当第二套亥姆霍兹线圈b2连接电源模块向第二套亥姆霍兹线圈b2施加逆时针方向的电流时，第二套亥姆霍兹线圈b2生成第二磁场。当第三套亥姆霍兹线圈b1c连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈b1c施加逆时针方向的电流时，第三套亥姆霍兹线圈b1c会产生第三磁场。当第四套亥姆霍兹线圈b2c连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈b2c施加顺时针方向的电流时，第四套亥姆霍兹线圈b2c会产生第四磁场。此时就确定了第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场的磁场方向，再通过调整每个亥姆霍兹线圈的电流大小就可以影响第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场的大小，此时通过磁场叠加原理，就可以生成指向第三方向的磁场。一些实施例中，第三方向为z轴所在方向。
[0072]
一些实施例中，当生成的磁场方向为z轴所在方向时，通过如下公式计算放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度：
[0073][0074]
其中，gradient为放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度大小，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在空间中的梯度大小，为设定点的磁场强度在y轴方向的分量by在空间中的梯度大小。
[0075][0076][0077]
其中，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在x轴的偏导，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在y轴的偏导，为设定点的磁场强度在x轴方向的分量b
x
在
z轴的偏导；为设定点的磁场强度在y轴方向的分量by在x轴的偏导，为设定点的磁场强度在y轴方向的分量by在y轴的偏导，为设定点的磁场强度在z轴方向的分量by在z轴的偏导。
[0078]
一些实施例中，通过上述计算便可计算得到放置在极化氦三区域中设定点的磁场标准化梯度小于10-3
/cm。
[0079]
以此，本技术所提供的磁场系统就实现了磁场方向在三维空间任意可调，并且根据第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场确定的磁场梯度小于设定梯度，一些实施例中，设定梯度为10-3
/cm。广角氦三中子极化装置的中子过滤器放置在四套亥姆霍兹线圈叠加产生的磁场中心，从而实现了中子过滤器放置的区域内磁场梯度高度均匀，除此之外，本技术提供的磁场系统还可以实现中子通过无黑区。
[0080]
请参考图6，一些实施例中，本技术还提供一种广角氦三中子极化装置的磁场控制方法，该方法采用上述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，具体包括如下步骤：
[0081]
步骤s100：控制流经每一条亥姆霍兹线圈的电流大小和方向，以确定每一套亥姆霍兹线圈的磁场方向。
[0082]
在该磁场系统中，控制流经每一条亥姆霍兹线圈的电流大小和方向，从而就可以确定出每一套亥姆霍兹线圈的磁场方向。
[0083]
步骤s200：根据每一套亥姆霍兹线圈的磁场方向确定磁场系统的磁场方向。
[0084]
在确定出每一套亥姆霍兹线圈的磁场方向后，通过磁场的叠加就可以确定出磁场系统的磁场方向，最终通过磁场方向控制氦三中子的自旋方向。
[0085]
一些实施例中，以图4中z轴正方向向下看的顺时针为正方向，给第一套亥姆霍兹线圈b1和第二套亥姆霍兹线圈b2施加逆时针方向的电流，给第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c施加顺时针方向的电流，此时就确定了各亥姆霍兹线圈的磁场方向，再通过调整每个亥姆霍兹线圈的电流大小就可以影响各亥姆霍兹线圈的磁场大小，此时通过磁场叠加原理，就可以生成指向第一方向的磁场。一些实施例中，第一方向为y轴所在方向。
[0086]
给第一套亥姆霍兹线圈b1、第二套亥姆霍兹线圈b2、第三套亥姆霍兹线圈b1c和第四套亥姆霍兹线圈b2c均施加逆时针方向的电流，此时就确定了各亥姆霍兹线圈的磁场方向，再通过调整每个亥姆霍兹线圈的电流大小就可以影响各亥姆霍兹线圈的磁场大小，此时通过磁场叠加原理，就可以生成指向第二方向的磁场。一些实施例中，第二方向为x轴所在方向。
[0087]
给第一套亥姆霍兹线圈b1、第二套亥姆霍兹线圈b2和第三套亥姆霍兹线圈b1c施加逆时针方向的电流，给第四套亥姆霍兹线圈b2c施加顺时针方向的电流，此时就确定了各亥姆霍兹线圈的磁场方向，再通过调整每个亥姆霍兹线圈的电流大小就可以影响各亥姆霍兹线圈的磁场大小，此时通过磁场叠加原理，就可以生成指向第三方向的磁场。一些实施例中，第三方向为z轴所在方向。
[0088]
因此在本技术提供的磁场系统的基础上，通过调整通过亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向就可以形成在三维空间内进行磁场方向切换的磁场，以此维持氦三自旋方向的
稳定。
[0089]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

技术特征：
1.一种广角氦三中子极化装置的磁场系统,其特征在于，包括第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈；所述第一套亥姆霍兹线圈套设于所述第二套亥姆霍兹线圈，所述第一套亥姆霍兹线圈的内径大于所述第二套亥姆霍兹线圈的外径；所述第一套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面相交，并且，所述第一套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交线，通过所述第一套亥姆霍兹线圈和第二套亥姆霍兹线圈所处圆的圆心；所述第二套亥姆霍兹线圈套设于所述第三套亥姆霍兹线圈，所述第二套亥姆霍兹线圈的内径大于所述第三套亥姆霍兹线圈的外径；所述第三套亥姆霍兹线圈套设于所述第四套亥姆霍兹线圈，所述第三套亥姆霍兹线圈的内径大于所述第四套亥姆霍兹线圈的外径；所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第四套亥姆霍兹线圈所处平面相交，并且，所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第四套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交线，通过所述第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈所处圆的圆心；其中，所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第一套亥姆霍兹线圈所处平面垂直；所述第四套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面垂直；所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，所述磁场方向用于维持所述氦三的自旋方向。2.如权利要求1所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，还包括电源模块，各套亥姆霍兹线圈分别连接独立的电源模块，通过所述电源模块对应调整通过每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向。3.如权利要求1所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，包括：所述第一套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第一磁场；所述第二套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第二套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第二磁场；所述第三套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈施加顺时针方向的电流，以生成第三磁场；所述第四套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈施加顺时针方向的电流，以生成第四磁场；各电源模块调整向第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈施加的电流大小，用以根据第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场生成磁场方向指向第一方向的磁场。4.如权利要求1所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，包括：所述第一套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第一磁场；所述第二套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第二套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的
电流，以生成第二磁场；所述第三套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第三磁场；所述第四套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第四磁场；各电源模块调整向第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈施加的电流大小，用以根据第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场生成磁场方向指向第二方向的磁场。5.如权利要求1所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，所述磁场系统的磁场方向根据流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和电流方向确定，包括：所述第一套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第一套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第一磁场；所述第二套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第二套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第二磁场；所述第三套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第三套亥姆霍兹线圈施加逆时针方向的电流，以生成第三磁场；所述第四套亥姆霍兹线圈连接的电源模块向第四套亥姆霍兹线圈施加顺时针方向的电流，以生成第四磁场；各电源模块调整第一套亥姆霍兹线圈、第二套亥姆霍兹线圈、第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈施加的电流大小，用以根据第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场生成磁场方向指向第三方向的磁场。6.如权利要求3-5任一项所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，根据所述第一磁场、第二磁场、第三磁场和第四磁场确定的磁场梯度小于设定梯度。7.如权利要求6所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，所述设定梯度为10-3
/cm。8.如权利要求1所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，所述第一套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交角度小于90度。9.如权利要求1所述的广角氦三中子极化装置的磁场系统，其特征在于，所述第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第四套亥姆霍兹线圈所处平面相交的相交角度小于90度。10.一种广角氦三中子极化装置的磁场控制方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-9任一项所述的磁场系统，在所述磁场系统中，控制流经每一套亥姆霍兹线圈的电流大小和方向，以确定磁场方向；通过所述磁场方向维持氦三的自旋方向。

技术总结
一种广角氦三中子极化装置的磁场系统及磁场控制方法，涉及极化氦三技术领域。系统包括四套亥姆霍兹线圈；第一套亥姆霍兹线圈套设于第二套亥姆霍兹线圈；第一套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面相交，其相交线通过第一套亥姆霍兹线圈和第二套亥姆霍兹线圈所处圆的圆心；第二套亥姆霍兹线圈套设于第三套亥姆霍兹线圈；第三套亥姆霍兹线圈套设于第四套亥姆霍兹线圈；第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第四套亥姆霍兹线圈所处平面相交，其相交线通过第三套亥姆霍兹线圈和第四套亥姆霍兹线圈所处圆的圆心；第三套亥姆霍兹线圈所处平面与第一套亥姆霍兹线圈所处平面垂直；第四套亥姆霍兹线圈所处平面与第二套亥姆霍兹线圈所处平面垂直。霍兹线圈所处平面垂直。霍兹线圈所处平面垂直。


技术研发人员：唐健 张俊佩 童欣 邓昌东 王天昊 李君 齐欣 郑玉杰 黄楚怡
受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/25