一种应用于法拉第磁旋转光谱的轴向永磁场产生方法与流程

1.本发明涉及法拉第磁旋转光谱技术领域，尤其是一种应用于法拉第磁旋转光谱的轴向永磁场产生方法。


背景技术：

2.法拉第磁旋转光谱技术是：一种基于原子分子能级在磁场中产生的赛曼效应为基础，以共振入射线偏振光通过分裂的能级后产生的共振法拉第效应使入射光的偏振面旋转一定角度为基本探测手段，进而探测待测原子分子浓度的一种气体检测技术。
3.目前国内外关于构造法拉第磁旋转光谱磁场的方法是线圈电磁的方式，基于电磁感应定律，通过螺旋线圈的电流越大，螺线管内产生的磁场的磁感应强度越强。但同时，由电流产生的热量耗散也会增加，为了避免线圈热量过高，通常的解决方法有两类：一是控制电流的大小，使其工作在电流较低范围内，防止大电流带来的过高的焦耳热；二是采用超导线圈，降低发热量。以上两种常用方案均存在需要能耗等问题，且方案一由于发热限制，所能构造的法拉第磁旋转光谱磁场的磁感应强度有限；方案二采用超导线圈，极大的增加了法拉第磁旋转光谱装置的成本、复杂度和体积。因此，针对现有问题，有必要选择新的方法来产生法拉第磁旋转光谱磁场。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种应用于法拉第磁旋转光谱的轴向永磁场产生方法，能够满足目标磁场的要求且保证了磁场均匀程度，解决了法拉第磁旋转光谱中磁场能耗高，产热多的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
6.一种应用于法拉第磁旋转光谱的轴向永磁场产生方法，利用若干个磁环同轴排列，各个磁环的中心轴位于同一水平线上，构建磁环组，该磁环组的沿中心轴线方向的磁场即中心轴线磁场为法拉第磁旋转光谱所需的轴向永磁场即目标磁场。
7.进一步地，磁环组的构建方法，包括以下步骤：
8.s1，确定目标磁场的磁感应强度b0；
9.s2，确定目标磁场的长度l0；
10.s3，确定磁环的规格；其中，磁环的规格包括：磁环内半径、磁环外半径、磁环高度；
11.s4，确定磁环的数量；
12.s5，磁环同轴排列，构建磁环组；
13.s6，对磁环组的排列间距进行优化，得到最优排列间距；
14.磁环组的排列间距包括：所有的相邻两个磁环的间距；
15.s7，磁环按照该最优排列间距进行同轴排列，构建最优排列的磁环组。
16.进一步地，步骤s5中，以磁环组的中心轴线方向为z轴方向，磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b的计算方式为：
[0017][0018]
其中，b为磁环组沿中心轴线方向的磁场即中心轴线磁场的磁感应强度；z表示z轴坐标值，即中心轴线方向上的坐标值；
[0019]
μ0为磁导率；
[0020]j1a
为第1个磁环的内表面磁化电流密度，j
1b
为第1个磁环的外表面磁化电流密度；j
na
为第n个磁环的内表面磁化电流密度，j
nb
为第n个磁环的外表面磁化电流密度；
[0021]
dz1为第2个磁环与第1个磁环沿中心轴线方向的间距；dz
n-1
为第n个磁环与第n-1个磁环沿中心轴线方向的间距；
[0022]
h1为第1个磁环沿中心轴线方向的高度，r
1i
为第1个磁环的内半径，r
1o
为第1个磁环的外半径；hn为第n个磁环沿中心轴线方向的高度，r
ni
为第n个磁环的内半径，r
no
为第n个磁环的外半径。
[0023]
进一步地，步骤s6中，对磁环组的排列间距进行梯度最小优化，最小化优化函数f(b)，优化函数f(b)为：
[0024][0025]
进一步地，设置相邻两个磁环的间距调节范围，以f(b)为优化目标，利用相邻两个磁环的间距调节范围进行约束，设置迭代次数，进行梯度最小优化，采用序列二次规划算法进行优化求解，最小化优化函数f(b)。
[0026]
进一步地，步骤s6中，先对磁环组的排列间距进行粗调节，再对粗调节后的磁环组的排列间距进行优化，最后得到最优排列间距；
[0027]
粗调节的方式为：先调节位于磁环组中间位置的相邻两个磁环的间距；再从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，依次调节左右两端的相邻两个磁环的间距；
[0028]
构建磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b与z轴坐标值的关系曲线，经粗调节后，使得该关系曲线在设定的第二浮动范围内浮动。
[0029]
进一步地，步骤s5中，构建磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b与z轴坐标值的关系曲线；若该关系曲线的浮动范围超过设定的第一浮动范围，则跳转步骤s3，重新确定磁
环的规格，对磁环的规格进行调节，直至该关系曲线在设定的第一浮动范围内浮动；
[0030]
重新确定磁环的规格后，继续执行步骤s4～s7。
[0031]
进一步地，步骤s5中，若磁环组的中心轴线磁场的长度未达到目标磁场的长度l0，则跳转步骤s4，重新确定磁环的数量，对磁环的数量进行调节，直至磁环组的中心轴线磁场的长度达到目标磁场的长度l0；
[0032]
重新确定磁环的数量后，继续执行步骤s5～s7。
[0033]
进一步地，磁环组为对称分布，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的数量、规格、排列间距分别与右边磁环的数量、规格、排列间距相对应。
[0034]
进一步地，步骤s1中，目标磁场的磁感应强度b0由法拉第磁旋转光谱的目标待测分子的谱线特性决定，磁感应强度b0的大小与分裂能级偏离中心能级的能量e
f＝i 12
的大小有关，且磁感应强度b0和分裂能级偏离中心能级的能量e
f＝i 12
的关系满足下式：
[0035][0036]
其中，δe
hfs
＝a
hfs
(i 1/2)是超精细结构的能级分裂的能量，a
hfs
是超精细结构中的磁偶极作用系数，i为原子核的自旋角动量；
[0037]gi
为原子核的g因子，gj为电子的轨道角动量和自旋角动量耦合所得的g因子，μb为波尔磁子，b0为磁感应强度，m＝mf为核外电子和原子核耦合角动量的分量；
[0038]
步骤s2中，目标磁场的长度l0根据法拉第磁选转光谱的信号强度确定。
[0039]
本发明的优点在于：
[0040]
(1)永磁体磁环是一种空间磁场分布稳定且能产生强磁场的磁性材料产品，本发明通过选取恰当的磁环规格和磁环数量，优化磁环组的排列间距，对所选取的磁环按照最优排列间距进行同轴排列，各个磁环的中心轴位于同一水平线上，构建磁环组，该磁环组的中心轴线磁场即为法拉第磁旋转光谱所需的轴向永磁场即目标磁场。基于本发明方法构建磁环组，产生中心轴线磁场，可有效规避耗能和电流产热的问题，通过对磁环组的优化组合设计，所产生的中心轴线磁场可满足法拉第磁旋转光谱需要的目标磁场且且保证了磁场均匀程度。
[0041]
(2)本发明采用梯度最小优化方案对磁环组的排列间距进行优化，可以通过优化函数的最终优化值对磁场均匀程度进行评估，通过实验发现，采用该优化方案得到优化函数f(b)的最终优化值远远小于1，磁环组的的中心轴线磁场的磁感应强度均匀分布，解决了法拉第磁旋转光谱中磁场能耗高，产热多的问题。
[0042]
(3)本发明通过对磁环组的排列间距进行粗调节，使得该关系曲线在设定的第二浮动范围内浮动，进一步保证磁环组的中心轴线磁场的磁场均匀程度，从而保证能够构造出均匀磁场。
[0043]
(4)本发明通过调节磁环的规格，使得该关系曲线在设定的第一浮动范围内浮动，保证磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度趋于均匀分布。
[0044]
(5)本发明通过调节磁环的数量，使得磁环组的中心轴线磁场的长度达到目标磁场的长度，从而满足目标磁场的要求。
[0045]
(6)磁环的规格和数量根据整个目标磁场的要求和磁场均匀程度进行合理调节，通过调节磁环的规格和数量来获取最佳磁环组阵列，能够满足目标磁场的要求，且使磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度趋于均匀分布且。
附图说明
[0046]
图1为本发明的方法流程图。
[0047]
图2为初始设置的磁环组示意图。
[0048]
图3为磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度分布图一。
[0049]
图4为磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度分布图二。
[0050]
图5为磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度分布图三。
[0051]
图6为实施例一的磁环组示意图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
永磁体磁环是一种空间磁场分布稳定且能产生强磁场的磁性材料产品。本发明通过选取恰当的磁环规格和磁环数量，对所选取的磁环按照最优排列间距进行同轴排列，各个磁环的中心轴位于同一水平线上，构建磁环组，该磁环组的中心轴线磁场即为法拉第磁旋转光谱所需的轴向永磁场即目标磁场。
[0054]
由图1所示，磁环组的构建方法，包括以下步骤：
[0055]
s1，确定法拉第磁旋转光谱所需磁场的磁感应强度b0。本发明中，法拉第磁旋转光谱所需磁场即目标磁场的磁感应强度b0的取值为500g
±
50g。
[0056]
法拉第磁旋转光谱所需磁场的磁感应强度b0由法拉第磁旋转光谱的目标待测分子的谱线特性决定，磁感应强度b0的大小与分裂能级偏离中心能级的能量e
f＝i 12
的大小有关，且磁感应强度b0和分裂能级偏离中心能级的能量e
f＝i 12
的关系满足下式(1)：
[0057][0058]
其中，δe
hfs
＝a
hfs
(i 1/2)是超精细结构的能级分裂的能量，a
hfs
是超精细结构中的磁偶极作用系数，i为原子核的自旋角动量；
[0059]gi
为原子核的g因子，gj为电子的轨道角动量和自旋角动量耦合所得的g因子，μb为波尔磁子，b0为磁感应强度，m＝mf为核外电子和原子核耦合角动量的分量。
[0060]
s2，确定法拉第磁旋转光谱所需磁场的长度l0。本发明中，法拉第磁旋转光谱所需磁场即目标磁场的长度l0的取值为20cm。
[0061]
法拉第磁旋转光谱所需磁场的长度l0根据法拉第磁选转光谱的信号强度和实验装置的灵敏度确定。
[0062]
s3，初始化磁环组，磁环组的参数包括：磁环的规格、磁环的数量、磁环组的排列间距；
[0063]
其中，磁环的规格包括：磁环内半径、磁环外半径、磁环高度。磁环组的排列间距包括：所有的相邻两个磁环的间距。
[0064]
本发明中，磁环的规格初始设置为：磁环的内半径为30mm，外半径为50mm，高度25mm。
[0065]
其中，以磁环的中心轴线方向为z轴方向，单个磁环沿中心轴线方向的磁场即中心轴线磁场的磁感应强度b的表达式，如下式(2)所示：
[0066][0067]
式中，b为单个磁环沿中心轴线方向的磁场即中心轴线磁场的磁感应强度；z表示z轴坐标值，即中心轴线方向上的坐标值；μ0为磁导率，ja为磁环的内表面磁化电流密度，jb为磁环的外表面磁化电流密度，ri为磁环内半径，ro为磁环外半径，h为磁环高度。
[0068]
本发明中，磁环的数量初始设置为10个，即n＝10。
[0069]
本发明中，磁环组的排列间距初始设置为：所有相邻的两个磁环的间距均为1mm。
[0070]
s4，由图2所示，初始设置的此n个磁环同轴依次排列，构建磁环组；
[0071]
其中，磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b的表达式，如下式(3)所示为：
[0072][0073]
式中，μ0为磁导率；
[0074]j1a
为第1个磁环的内表面磁化电流密度，j
1b
为第1个磁环的外表面磁化电流密度；j
na
为第n个磁环的内表面磁化电流密度，j
nb
为第n个磁环的外表面磁化电流密度；
[0075]
dz1为第2个磁环与第1个磁环沿中心轴向的间距；dz
n-1
为第n个磁环与第n-1个磁环沿中心轴向的间距；
[0076]
h1为第1个磁环的高度，r
1i
为第1个磁环的内半径，r
1o
为第1个磁环的外半径；hn为第n个磁环的高度，r
ni
为第n个磁环的内半径，r
no
为第n个磁环的外半径。
[0077]
s5，构建磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b与z轴坐标值的关系曲线，即构建磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度分布图；若该关系曲线的浮动范围超过设定的第一浮
动范围，则对磁环的规格进行调节，重新确定磁环的规格，直至关系曲线在设定的第一浮动范围内浮动；
[0078]
本实施例中，第一浮动范围是指磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围，且利用该关系曲线的中间50％曲线的浮动范围进行判断，即使得磁环组的中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围内。
[0079]
由于磁环组为对称分布，在磁环的规格的调节过程中，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的规格与右边磁环的规格相对应。磁环的规格根据单个磁环在中心轴线上的轴向磁感应强度b进行调节，调节方式如下所示：
[0080]
调节第n个磁环的内半径r
ni
和外半径r
no
：
[0081]
设置第n个磁环的内半径r
ni
取值上限为100mm，外半径r
no
取值上限为100mm，设置第n个磁环的内半径r
ni
和外半径r
no
之差即磁环厚度的取值范围，以10mm为调节步长，逐步增加第n个磁环的内半径r
ni
和外半径r
no
，或者逐步减小第n个磁环的内半径r
ni
和外半径r
no
。
[0082]
调节第n个磁环的高度hn：
[0083]
第n个磁环的高度hn的调节范围在第n个磁环的磁环厚度的
±
80％的范围内调节，即25mm-0.8(r
no-r
ni
)≤hn≤25mm 0.8(r
no-r
ni
)。
[0084]
计算磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b，构建磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b与z轴坐标值的关系曲线，判断中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度是否位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围内，若不是，则继续调节磁环的内半径r
ni
和外半径r
no
，通过对每个磁环的的内半径r
ni
和外半径r
no
的调节，使中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围内，且磁场左右两端不会出现如图3所示的急剧上升再下降的磁场分布情况，保证中心轴线磁场的磁场均匀程度。
[0085]
s6，若磁环组的中心轴线磁场的长度未达到目标磁场的长度l0，则对磁环的数量进行调节，确定磁环的数量，直至磁环组的中心轴线磁场的长度达到目标磁场的长度l0。
[0086]
由于对磁环规格的调节会导致磁环组的中心轴线磁场的长度增加或缩短，因此，若磁环组的中心轴线磁场的长度l未达到目标磁场的长度l0，则重新确定磁环的数量，由于磁环组为对称分布，在磁环的数量的调节过程中，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的数量与右边磁环的数量相对应，因此，在磁环组的左右两端分别减少或增加磁环，且所增加磁环的规格为初始设置的磁环规格，即磁环的内半径为30mm，外半径为50mm，高度25mm，磁环组的数量重新确定后，再重复步骤s5对磁环的规格进行调节。
[0087]
例如，磁环组的中心轴线磁场的长度缩短，则先在磁环组的左右两端分别增加初始设置规格的磁环，即内半径30mm，外半径50mm，高度25mm的磁环；再重复步骤s5对磁环的规格进行调节，直至中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围内，且磁环组的中心轴线磁场的长度l达到目标磁场的长度l0。
[0088]
本发明中，磁环的规格和数量根据整个法拉第磁旋转光谱装置的尺寸和磁场均匀程度进行合理调节。磁环组需通过调节磁环的规格和数量来获取最佳磁环组阵列。通过调节磁环的规格和数量，使磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度趋于均匀分布。
[0089]
s7，对磁环组的排列间距进行粗调节。磁环组的排列间距包括：所有的相邻两个磁环的间距。
[0090]
由于磁环组为对称分布，在磁环组的排列间距的粗调节过程中，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的排列间距与右边磁环的排列间距相对应。粗调节的方式如下所示：
[0091]
先调节位于磁环组中间位置的相邻两个磁环的间距，且以1mm为增减量调节间距；
[0092]
再从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，依次调节相邻两个磁环的间距，且以1mm为增减量同步调节左右两端间距；
[0093]
排列间距的粗调节保证中心轴向磁场不出现负值，即不会因为磁环离得过远而导致出现磁场反向的情况。一般从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，同步调节左右两端间距，其中，从磁环组的中间位置向右端沿伸，磁环的间距依次为0mm，1mm，2mm，3mm
……
，且两端最靠外侧的两组磁环为实现稳定磁场的作用，左右两端的最靠外侧的相邻两个磁环的间距会相比中间位置的相邻两个磁环的间距大，但最靠外侧的相邻两个磁环的间距不超过内直径长度。
[0094]
构建磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b与z轴坐标值的关系曲线，经粗调节后，使得该关系曲线在设定的第二浮动范围内浮动。本实施例中，第二浮动范围是指磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
5％的浮动范围，且利用该关系曲线的整个浮动范围进行判断，即使得磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
5％的浮动范围内。
[0095]
本发明中，通过对磁环组的排列间距进行粗调节，获取均匀度磁场，进一步保证中心轴线磁场的磁场均匀程度，从而保证所选定的磁环能够构造出均匀磁场。
[0096]
s8，对粗调节后的磁环组的排列间距进行优化，得到最优排列间距。
[0097]
设置每个磁环可移动距离的上下界，即设置相邻两个磁环的间距的调节范围，以磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b为优化目标，利用相邻两个磁环的间距的调节范围进行约束，设置迭代次数，进行梯度最小优化，最小化优化函数f(b)，优化函数f(b)如下式(4)：
[0098][0099]
其中，b为磁环组沿中心轴线方向的磁场即中心轴线磁场的磁感应强度；以磁环组的中心轴线方向为z轴方向，z表示z轴坐标值，即中心轴线方向上的坐标值；l0为目标磁场的长度，b0为目标磁场的磁感应强度。
[0100]
本实施例中，采用基于非线性编程nlp的大规模序列二次规划sqp算法的非线性规划snopt优化求解方法进行优化求解，设置优化的目标函数f(b)，在每步迭代过程中求解以拉格朗日函数的二阶近似展开为目标函数，以初始的线性化近似为约束条件，序列二次规划在每一步迭代时，都将寻找最优收敛域，并将其转化为一个二次最优问题，即将一个非线性问题转化为一个线性问题。继续求解，设置迭代次数为1000，最小化优化函数f(b)，使f(b)的目标值趋向于0，得到最优排列间距。
[0101]
由于磁环组为对称分布，在磁环组的排列间距的梯度最小优化过程中，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的排列间距与右边磁环的排列间距相对应。
[0102]
s9，此n个磁环按照该最优排列间距依次进行同轴排列，构建最优排列的磁环组；最优排列间距的磁环组中心轴线磁场的磁感应强度b与z轴坐标值的关系曲线由图5所示。
[0103]
本发明中，还可以采用步骤s8中的优化函数f(b)的最终优化值，对步骤s9所构建的最优排列的磁环组的中心轴线磁场的磁场均匀程度进行评估，若优化函数f(b)的最终优化值大于设定的阈值，则重新确定磁环的规格和数量，决定是否需要增加或减少磁环个数，例如，出现图4的情况，则需较少磁环的数量，并重新优化确定磁环组的最优排列间距，重新构建的最优排列的磁环组。
[0104]
为了验证本发明对应用于法拉第磁旋转光谱的轴向永磁场的有效性，开展了以下建模研究：
[0105]
实施例一：
[0106]
以构建20cm长度，500g磁感应强度的目标磁场为例。
[0107]
设置10个规格相同的磁环，磁环的内半径初始值为30mm，外半径初始值为50mm，高度初始值为25mm，以初始间隔1mm排列。采用式(3)绘制磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度分布图，即构建磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度b与z轴坐标值的关系曲线，发现中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度超过了磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围。
[0108]
调节磁环的高度：从中间位置的磁环开始，逐渐减小磁环的高度，从25mm高度以5mm为调节步长进行递减，直至减小到5mm。再从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，逐个调节磁环高度，保证磁环组的中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围内。
[0109]
但由该磁环高度的调节引起磁环组的中心轴线磁场的长度减小，故在磁环组的两端增加内半径30mm，外半径50mm，高度25mm的磁环，再回到上步调节磁环的高度，直至磁环组的中心轴线磁场的长度达到20cm，且磁环组的中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度不超过磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围。
[0110]
最终结果为采用20个磁环，由于磁环组为对称分布，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的规格与右边磁环的规格相对应，其中，右边10个磁环的规格如下表1所示，且该磁环组可实现的中心轴线磁场的磁感应强度b也如下表1所示：
[0111]
磁感应强度520g-500g500g-480g480g-460gh＝25mm011h＝20mm201h＝15mm133h＝10mm644h＝5mm121
[0112]
表1
[0113]
对磁环组的排列间距进行粗调节和优化，从中间位置的相邻两个磁环的间距开始，以1mm为增减量进行增加或减少，从中间位置向左右两端沿伸，依次调节相邻两个磁环的间距，保证磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
5％的浮动范围内。由于磁环组为对称分布，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的排列间距与右边磁环的排列间距相对应，其中，右边10个磁环的排列间距如下表2
所示，且优化函数的最终优化值f(b)如下表2所示：
[0114][0115][0116]
表2
[0117]
由于磁环组为对称分布，从磁环组的中间位置向左右两端沿伸，左边磁环的数量、规格、排列间距分别右边磁环的数量、规格、排列间距相对应。本实施例一中，最终右边10个磁环的规格、排列间距如下表3所示：
[0118]
磁环内半径磁环内半径磁环高度排列间距30mm50mm10dz
10
/2＝030mm50mm10dz
11
＝030mm50mm15dz
12
＝030mm50mm25dz
13
＝130mm50mm15dz
14
＝230mm50mm10dz
15
＝230mm50mm10dz
16
＝230mm50mm15dz
17
＝530mm50mm5dz
18
＝330mm50mm5dz
19
＝3
[0119]
表3
[0120]
实施例二：
[0121]
以构建20cm长度，500g磁感应强度的目标磁场为例。
[0122]
设置10个规格相同的磁环，磁环的内半径初始值为30mm，外半径初始值为50mm，高度初始值为25mm，以初始间隔1mm排列。采用式(3)绘制磁环组的中心轴线磁场的磁感应强度分布图。发现中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度超出磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围。
[0123]
为了减少磁环的用量，调节各个磁环的内半径r
ni
和外半径r
no
，以10mm为调节步长，逐步增加各个磁环的外半径r
no
，同时逐步增加各个磁环的内外径r
ni
，并保证r
no-r
ni
＝20mm。磁环的高度为25mm。保证中心轴线磁场的中间50％磁场的磁感应强度位于磁环组中
间位置处的磁感应强度值的
±
10％的浮动范围内。
[0124]
对磁环组的排列间距进行粗调节和梯度最小优化，从中间位置的相邻两个磁环的间距开始，以1mm为增减量进行增加或减少，从中间位置向左右两端沿伸，依次调节相邻两个磁环的间距，保证中心轴线磁场的磁感应强度位于磁环组中间位置处的磁感应强度值的
±
5％的浮动范围内。采用最小梯度优化，设置迭代次数为1000次，使优化函数f(b)的结果为0，若优化函数f(b)的返回结果为不收敛，则继续增加磁环的内半径和外半径，并再次优化。直到优化函数f(b)返回结果收敛，且f(b)《《0.1。
[0125]
实施例二构建的最优排列的磁环组为：采用5个相同规格的磁环，磁环的内半径为70mm，外半径为90mm，高度为25mm；磁环组的排列间距为：dz1＝7mm、dz2＝14mm、dz3＝16mm、dz4＝18mm、dz5＝22mm，优化函数f(b)＝0.046。
[0126]
本发明的磁环组设计方法，根据目标磁场的磁感应强度和长度以及法拉第磁旋转光谱装置的空间尺寸，来合理选取磁环的规格和数量，接着对磁环组的排列间距进行粗调节，然后采用梯度最小优化方案对磁环组的排列间距进行细致优化，最后用优化函数f(b)的最终优化值对最优排列的磁环组磁场均匀程度进行评估。通过实验发现，采用该方案得到的最优排列的磁环组的磁场均匀程度即优化函数f(b)的最终优化值远远小于1，解决了法拉第磁旋转光谱中磁场能耗高，产热多的问题。
[0127]
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。