A Compact Magnet System for the Tsinghua Tabletop Kibble Balance
本文报道了清华大学台式基布尔天平用小型磁体系统的设计、制造与优化，实现了高 $Bl$ 值、低重量和便捷开合操作，并验证了面向 $10^{-8}$ 级质量复现精度的关键系统效应参数。
2024-09-05 physics.ins-det
An Evaluation of External Magnetic Flux Error in Magnet-Moving Kibble balances
针对磁体移动型 Kibble 天平的外磁通量误差，本文结合弱场测量与衰减因子分析揭示其机理，并证明通过优化称重位置和控制外源，可在无额外磁屏蔽时将相对误差降至 $10^{-8}$ 以下。
2025-08-29 physics.ins-det
Design of the Tsinghua Tabletop Kibble Balance
本文提出清华大学桌面式 Kibble 天平设计，通过新型磁体、单模式测量和弹簧补偿机构等，在紧凑结构下实现 10 g 至 1 kg、误差不超过 50 μg 的质量校准。
2023-04-21 physics.ins-det
Updates on the Tsinghua Tabletop Kibble Balance
清华大学台式基布尔天平项目旨在开发紧凑高精度质量复现装置，本文总结了其两年进展，涵盖磁体、重力、称重单元及电流源等关键成果。
2024-12-17 physics.ins-det
Status of the Tsinghua Tabletop Kibble Balance
Tsinghua University（清华大学）
本文报道了清华大学台式Kibble平衡仪实验的最新进展，旨在提供符合新国际单位制的千克校准仪器。重点介绍了电气、磁学、机械和光学方面的进展，以及主要称重和速度测量结果。
2026-04-25 physics.ins-det
Magnet system for the Quantum Electro-Mechanical Metrology Suite
介绍了新一代量子机电计量系统（QEMMS）的永磁体系统设计。QEMMS由美国国家标准与技术研究所（NIST）开发，由Kibble天平、可编程约瑟夫森电压标准和量子霍尔电阻标准组成。它将用于测量质量高达$100\,\mathrm{g}$，相对不确定度低于$2\times 10^{-8}$。磁体系统基于NIST-4磁体系统的设计，并进行了重大更改，以适应更小的Kibble天平并克服已知的实际限制。提供分析模型来描述线圈电流效应，并对将磁体分成两部分以安装线圈所需的力进行建模。这两种模型进行比较，有限元分析和测量结果得到的模拟结果。其他方面，如线圈设计和$Bl$轮廓的平坦度也被考虑。
2019-12-26 physics.ins-det
Magnetic Field of a Permanent Magnet
对于磁场计算，圆柱形永磁体通常近似为理想的方位对称磁体。尽管经常使用这种近似，研究论文证明这种方法的有效性和局限性是很少。本文将圆柱形永磁体磁场的实验推导结果与理想螺线管磁场的解析计算结果进行了比较。的实验装置测量的磁场分布的演示和收集数据。所提出的设置允许测量围绕磁体的磁场的轴向和径向分量的分布。实验数据与理论预测吻合得很好，证实了用理想螺线管模型预测永磁体磁场分布的有效性。
2022-07-19 physics.ins-det
Calculation of magnetic forces and torques on the Kibble coil
从分析上讲，在磁通量密度的场中，线圈上的力和力矩可以用两种方法之一计算。线积分可以沿着线圈的导线进行，从而对差分力贡献求和。对于每个差分线段，力被获得为与磁通量密度的叉积。或者，线圈在磁场中的能量是电流乘以穿过线圈的通量。因此，通过在线圈的开放表面上执行表面积分来获得能量。这里，微分面元与磁通量密度的点积在积分符号下执行。力和力矩可以由能量相对于适当坐标的负导数得到。对于基于磁轭的Kibble天平，后一种方法要简单得多，因为大部分磁通量包含在磁体的内磁轭中，并且可以写成简单的方程。在这里，我们使用这种方法来提供简单的方程及其结果，以找到作用在基于磁轭的磁体系统中的线圈上的扭矩和力。我们还介绍了一种简单的方法，允许从三个测量线圈和磁体之间的位置和方向的差异的计算。
2022-09-19 physics.class-ph physics.ins-det
Designing Model and Optimization of the Permanent Magnet for Joule Balance NIM-2
带有磁轭的永磁体广泛用于瓦特和焦耳天平，以测量即将重新定义的质量单位千克的普朗克常量。最近，一个永磁体系统已被考虑为NIM-2的进一步实践，广义焦耳平衡。本文提出了一种设计永磁体系统的分析模型。该模型可以求解得到初步的参数，然后作为指导有限元分析软件，以优化这种磁系统的参数。作为该设计模型的应用实例，介绍了NIM-2的永磁体系统的设计，其特殊的开口形状设计使得上、中磁轭的不对中对磁场的垂直分量影响很小。
2016-10-10 physics.ins-det
MEMS Magnetometer Using Magnetic Flux Concentrators and Permanent Magnets
提出了一种新型的频率调制MEMS磁强计。该新器件的灵感来自于磁力显微镜技术，它将标准MEMS技术与磁性元件相结合，以获得具有低功耗和高性能潜力的磁力计。第一个验证概念设备的分析模型和表征。
2021-09-07 physics.ins-det
Topology optimized permanent magnet systems
研究了由永磁体、高磁导率铁和空气组成的永磁体系统的拓扑优化问题。讨论了静磁器件拓扑优化的一种实现方法，并给出了三个算例。首先，Halbach圆柱体用铁进行拓扑优化，并且显示出磁效率增加了15%，尽管增加了3.8pp。场不均匀性-与16段Halbach圆柱体中的不均匀性相比的值。在此之后，拓扑优化的结构，以集中均匀的字段被示出为所选择的尺寸增加111%的字段的幅度。最后，一个永磁体与交替的高，低场区被认为是。这里，达到了0.472的$Λ_\mathrm{cool}$品质因数，这与先前的优化设计相比增加了100%。
2017-05-03 physics.ins-det
Permanent Magnet Penning Trap
Penning阱作为小型超导螺线管核聚变反应堆的基础已经被研究。为了扩展这项调查，我们设计，建造，并评估了一个永磁体潘宁陷阱。该装置由一个螺线管组成，该螺线管由两个铁极片之间的钕条形磁体的环形阵列形成，该铁极片被设计成在装置的中心体积中提供均匀的磁场。实现均匀螺线管场的关键是支撑在磁体的环形阵列内的铁赤道环。一个双曲面的钛合金潘宁阱被设计成产生一个球形势阱安装在永磁体组件内。该陷阱装有一个发夹灯丝电子源，并证明在理论预测的磁场和陷阱电位产生电子捕获。可实现的陷阱电位受限于以恒定电位模式操作的陷阱内的电击穿。人们努力使用脉冲阳极电压来扩展陷阱电位，但尚未证明潘宁陷阱中的核聚变。永磁体螺线管和磁阱的设计和构造在这里作为潜在的有用的，也在其他研究。
2020-04-27 physics.ins-det
Comparison of adjustable permanent magnetic field sources
磁通密度可通过机械操作改变的永磁体组件通常显著小于可比较的电磁体，并且也不需要电力来操作。在本文中，五个永磁体的设计，其中磁通量密度可以改变分析使用数值模拟，并比较的基础上产生的磁通量密度在一个样品体积和所使用的磁体材料的量。设计有同心Halbach圆筒、两个半Halbach圆筒、两个线性Halbach阵列以及四杆和六杆轧管机。发现同心Halbach圆柱体设计是性能最好的设计，即，使用最少量的磁体材料提供最大磁通量密度的设计。构造了一个同心Halbach圆柱，测量了其磁通量密度、均匀性和磁场方向，并与数值模拟结果进行了比较，两者吻合较好。
2014-10-10 physics.ins-det
Net Shape 3D Printed NdFeB Permanent Magnet
二十年来，NdFeB基磁体一直是从事能源生产和转换的一系列电气设备的关键部件。所选NdFeB等级的磁体形状和内部微观结构决定了它们的效率和尺寸。然而，对装置效率的更严格要求要求更好地执行磁体，优选地具有目前无法实现的新颖功能。在这里，我们使用选择性激光熔化的3D金属打印来制造基于NdFeB的具有高磁性能的致密网状永磁体。提供的证据表明，内部的微观结构，不能实现传统的制造手段，是固体磁性的起源。磁体形状和尺寸的自由度范围从毫米到几十厘米，开辟了设计自由度，可能成为下一代电气设备的催化剂。
2016-11-15 physics.ins-det
Variable single-axis magnetic-field generator using permanent magnets
我们提出了一种设计，用于产生精确可调和交变单轴磁场的基础上嵌套海尔贝克偶极子对组成的永磁体。我们的设计允许三维光学和机械访问具有强可调偶极场的区域，与真空下操作的系统兼容，并且在正常操作条件下不会有效地散热。我们提出了我们的设计的属性和功能的理论分析，并构建了一个概念验证原型。使用我们的原型，我们展示了高达几千高斯的场均匀性优于5%，这是谐波调制的频率为$\sim$ 1 Hz的功率消耗约为1 W的领域。此外，我们讨论了如何修改我们的设计，以产生可调的四极磁场梯度高达9.5 T/m的区域中的光学和机械访问。我们的设计是可扩展的，可以被构造为适合于桌面实验，如在需要强交变磁场的极化和磁力设置的情况下，但也适用于大规模应用，如发电机。
2018-11-09 physics.ins-det
Resolution of the paradox of the diamagnetic effect on the Kibble coil
Kibble天平采用经典物理学中非常简单的机电原理，在量子电标准和宏观质量或力测量之间建立了非常精确和绝对的联系。基布尔平衡的成功，在确定基本常数，（$h$，$N_A$，$e$）并在2019年新修订的国际单位制中实现准量子质量，依赖于麦克斯韦方程组的完美性以及它们描述的洛伦兹力和法拉第感应之间的对称性，在$1\times10^{-8}$内的Kibble平衡的称重和速度模式中，除了不完美的电线和磁铁外，什么都没有。然而，最近在理解基布尔平衡的电流效应方面的进展揭示了一个令人不安的悖论。反磁效应是一种在质量开启和质量关闭测量之间不会抵消的力，它挑战了天平制造者关于对称性的假设，其水平几乎比报告的不确定性大两个数量级。抗磁效应（如果存在）在称重模式中出现，而在速度模式中没有明显的倒数效应，这就引出了新测量系统基础上的系统误差问题。假设力是由线圈电流改变磁场引起的，产生了一个未计算的力，该力被称重电流系统地调制。在这里，我们表明，这种抗磁力存在，但额外的力不会改变称重和速度测量之间的等效性。我们揭示了意想不到的方式，对称性被保存，并表明，对于典型的材料和几何形状的总的相对效果的测量是$\approx 1\times10^{-9}$。
2021-01-06 physics.ins-det quant-ph
Permanent Magnet System for MRI with Constant Gradient mechanically adjustable in Direction and Strength
提出了一种用于永磁体系统的设计，其产生空间均匀的恒定磁场梯度，从而创建适合于没有梯度线圈和放大器的MRI的条件。这是通过将弱Halbach四极叠加在强Halbach偶极子上来实现的。四极或整个磁体组件的旋转可用于经由滤波反投影生成2D图像。另外，两个四极杆的相互旋转可以用于缩放所得到的梯度。如果两个梯度具有相同的强度，则梯度甚至可以变为零。通过分析考虑和有限元模拟证明了这一概念。
2015-10-09 physics.ins-det physics.med-ph
A pico-Tesla magnetic sensor with PZT bimorph and permanent magnet proof mass
铁磁-铁电复合材料作为磁场传感器近年来引起了人们的兴趣。传感是基于电和磁子系统之间的磁电（ME）耦合，并通过机械应变介导。这种用于AC磁场的传感器需要偏置磁场以实现PT灵敏度。在这里，我们讨论了一种新型的无源，交流磁传感器，不需要偏置磁场，是基于一个PZT双压电晶片与永磁体检验质量的测量和理论。在这种情况下，PZT双压电晶片上的机械应变是由所施加的AC磁场与永磁体的剩余磁化之间的相互作用产生的，从而导致PZT两端的感应电压。我们的研究已经进行了传感器与双压电晶片的相反极化的PZT片和钕铁硼永磁体检验质量。分别在1 Hz和10 Hz下测量到大约100 pT/sqrHz和10 nT/sqrHz的磁本底噪声N。当AC磁场以40 Hz的弯曲谐振施加于双压电晶片时，测得的N为700 pT/sqrHz。我们还讨论了在低频下的磁-电-机械耦合和弯曲谐振的传感器和理论估计的ME电压系数的理论与数据是非常好的协议。
2017-08-22 physics.app-ph physics.ins-det
An ultra-stable 1.5 tesla permanent magnet assembly for qubit experiments at cryogenic temperatures
磁场是每个物理学家工具箱中的标准工具，并且是表征材料以及在核磁共振或电子顺磁共振实验中自旋极化所必需的。通常，足够大但大小固定的静态磁场适合于这些任务。在这里，我们提出了一个永磁体组件，可以实现磁场强度高达1.5 T的气隙长度为7毫米。该组件基于海尔贝克钕（NdFeB）磁体阵列，并包含软磁材料Supermendur以增强气隙内的磁场强度。我们介绍了永磁体组件的设计、仿真和表征，测量了出色的磁场稳定性，漂移率为|D| < 2.8 ppb/h。我们的测量表明，这种组件可以用于稀释制冷机内的自旋量子位实验，成功地取代了更昂贵和笨重的超导制冷机。
2021-08-11 cond-mat.mes-hall physics.ins-det
A nonlinearity in permanent-magnet systems used in watt balances
瓦特天平用于测量普朗克常量，将来将用于实现千克级的质量。它们越来越依赖于永磁体系统来产生磁通量。已经知道，称重电流可能影响这些系统中使用的永磁系统的磁化状态，从而导致系统偏置，如果不考虑该系统偏置，则可能导致结果中的误差。在这篇文章中，一个简单的模型解释的影响，称重电流的磁轭的发展。该模型导致间隙中的磁通量密度与线圈电流的平方值成比例的非线性依赖性。这种效应是由于线圈产生的附加磁场改变了磁轭的磁阻而产生的。我们的分析表明，该效果取决于气隙的宽度，在气隙中的磁通密度，和磁轭材料的$BH$曲线。讨论了减小非线性效应的建议。
2014-05-08 physics.class-ph physics.ins-det
Miniature Annular Permanent Magnet Assembly with Fast Far Field Decay and Majority Collimated Central Field
我们报告了一个3/8”OD x 1/4”ID x 3/8”长的NdFeB组件，该组件由1/16”厚的环形物组成，与ID Helholtz间隔的类似环形物对相比，其远场横向衰减距离为1/100的一半;并且大于50%的ID准直优于1/1000。该装置已应用于He-3，-4激光光谱实验。
2021-06-09 physics.atom-ph physics.ins-det
Portable Low-cost MRI System based on Permanent Magnets/Magnet Arrays
便携式低成本MRI系统有可能实现即时和及时的MRI诊断，并使这种成像方式可用于常规扫描和欠发达地区。永磁体或阵列具有简单、无需维护、无功耗和低成本的优点，因此很有吸引力地用作磁场源以实现扫描仪的便携性和低成本。然而，当采用傅立叶成像方法并使用线性梯度场时，需要均匀的场，因此需要庞大的磁体，或者如果磁体按比例缩小，则成像体积太小而不能对器官成像。近年来，随着基于非线性梯度场的图像重建技术的发展，不具有空间线性的场模式可以用作空间编码磁场来对MRI信号进行编码以用于成像。结果，可以放宽对场的均匀性的要求，这允许具有减小的尺寸、减小的重量的永磁体（阵列）对覆盖诸如头部的器官的更大体积进行成像。它为构建真正便携式低成本MRI扫描仪提供了机会。对于这种令人兴奋的潜在应用，永磁体（阵列）已经吸引了越来越多的关注。磁体（阵列）通过场模式和均匀性与成像体积、重建方法以及RF激励和线圈等密切相关。本文综述了不同类型的永磁体（阵列），特别是那些可用于空间编码的便携式和低成本MRI系统的发展。旨在使读者熟悉MRI用永磁体的相关知识、文献和最新发展动态。讨论了使用永磁体来提供图案化磁场的前景和挑战，该图案化磁场没有空间线性度也没有高均匀性，用于在便携式装置中进行重建。
2018-12-24 physics.app-ph physics.ins-det physics.med-ph
Strong permanent magnet gradient deflector for Stern-Gerlach-type experiments on molecular beams
我们描述的设计，组装和测试的磁铁旨在偏转光束的顺磁性纳米团簇，分子和原子。它是由高品位的永久钕磁铁。这在结构的成本、便携性和可扩展性方面提供了方便的选择，同时提供了与常用的电磁偏转器完全相当的场和梯度值（1.1 T，330 T/m）。
2020-05-24 physics.atm-clus physics.atom-ph physics.chem-ph
A device for magnetic-field angle control in magneto-optical filters using a solenoid-permanent magnet pair
提出一种用螺线管与固定永磁体组合生成任意角度磁场的新方法，实现对磁光滤波器磁场角度的精确控制，且与现有旋转永磁体方法在透射谱上高度一致。
2023-08-31 physics.ins-det physics.optics
Estimation of Saturation of Permanent-Magnet Synchronous Motors Through an Energy-Based Model
Mines ParisTech（巴黎高等矿业学院）；Schneider Electric（施耐德电气）
提出一种基于能量函数的永磁同步电机饱和参数模型，通过注入快速脉动电压并测量电流纹波，利用线性最小二乘法辨识磁参数，实验验证了方法的有效性。
2011-03-15 cs.SY eess.SY math.OC
High homogeneity permanent magnet for diamond magnetometry
Halbach磁体是封闭体积中的均匀磁场源，同时将杂散场保持在最小值。在这里，我们提出了一个10 cm内径的双Halbach环的设计、构造和表征，该环提供约105 mT的均匀（<100 ppm，1 x 1 x 0.5 cm 3）磁场，将用于金刚石基无微波宽场成像设置。最后的表征是用一种新型的基于纤维化金刚石的传感器在3D平移台上进行的，记录了所构建的Halbach阵列的高均匀性及其对拟议用途的适用性。
2020-08-17 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
