基于等效磁化电流和量子粒子群优化的非对称自屏蔽均匀磁场线圈设计及其在极弱磁场检测中的应用

《Sensing and Bio-Sensing Research》：The optimized asymmetric self-shielded uniform magnetic field coils in extremely weak magnetic field detection

本文提出了一种应用于心磁图(OPM-MCG)设备的非对称自屏蔽均匀磁场线圈创新设计方法。通过引入等效磁化电流(EMC)在非对称表面优化线圈路径，结合量子粒子群优化(QPSO)算法提升计算效率，成功解决了屏蔽层与线圈系统的耦合效应问题。实验表明，自屏蔽线圈将目标磁场最大相对误差从0.937%优化至0.240%，耦合反应因子从1.356降至1.003，为基于自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计的极弱磁场检测提供了高性能均匀场环境。

　　

研究亮点

通过应用本文提出的方法，主要创新点如下：(1)基于等效磁化电流(EMC)的自屏蔽均匀磁场线圈(UMF)可在不考虑安装表面形状限制的情况下找到最优线圈路径，有效解决了心磁图(OPM-MCG)设备中的非对称结构问题；(2)通过量子粒子群优化(QPSO)算法优化计算模型的校正权重，显著提升了均匀磁场线圈的性能并提高了计算效率；(3)自屏蔽线圈的布局在保证磁场高均匀度的同时有效抑制了线圈与屏蔽层之间的耦合效应，对心磁图(OPM-MCG)设备中建立更优背景场的磁屏蔽系统具有重要意义。

设计结果与仿真

基于考虑用户体验的心磁图(OPM-MCG)设备结构约束，自屏蔽均匀磁场线圈的内侧部分（主线圈）安装在半径R=0.4m的表面上。距离H₁为0.6m，距离H₂为1m。综合考虑成本和设备体积，自屏蔽均匀磁场线圈的外侧部分（屏蔽线圈）被限制在半径小于0.5m的表面上。目标区域的边长为d=0.2m。在参数优化阶段...

实验验证

为验证所设计的均匀磁场-QPSO(UMF-QPSO)线圈在磁屏蔽层中安装时的理论性能，我们搭建了实验验证平台（图6）。验证用线圈采用数控加工(CNC)制造，包含主线圈框架和屏蔽线圈框架。为匹配磁屏蔽舱尺寸，主线圈框架半径R按比例缩放至89.5mm...

结论

本文提出了一种基于等效磁化电流(EMC)并经量子粒子群优化(QPSO)方法进一步优化的自屏蔽非对称均匀磁场线圈创新方案，用于在具有非对称屏蔽层的心磁图(OPM-MCG)设备中提升线圈性能同时解决耦合问题。自屏蔽线圈结构旨在确保目标磁场分布的同时有效抑制外部磁场。引入经QPSO优化的等效磁化电流方法可获得更高均匀度...