圆柱形高磁导率屏蔽内的磁场设计：简单构建块与遗传算法的结合

磁敏感实验以及集成了高磁导率磁屏蔽的新兴量子技术，需要对磁场环境日益增强的控制，并减小尺寸、重量、功耗与成本。然而，由有源元件产生的磁场会被高磁导率磁屏蔽扭曲，尤其当它们靠近屏蔽表面时。在此，我们提出了一种高效的设计方法，利用与圆柱形无源磁屏蔽电磁耦合的离散线圈来产生所需的静磁场分布。我们采用了一种修正的格林函数解，该解考虑了封闭有限长度高磁导率圆柱磁屏蔽上的内部边界条件，并推导了当圆柱线圈接近屏蔽内表面时的简化表达式。我们利用简单离散构建块的解析公式提供完整的离散线圈基，以在屏蔽内产生任何物理上可实现的磁场。随后我们使用遗传算法来寻找由该基构成的优化离散线圈结构。我们运用该方法生成了改进的线性轴向梯度场$\mathrm{d}B_z/\mathrm{d}z$和横向偏置场$B_x$。与标准构型相比，这些优化结构使期望场与实现场在1%精度内一致的体积分别提高了七倍和三倍。该线圈设计方法可用于优化紧凑且易于制造的主动-被动磁场整形系统，从而以低成本在空间受限实验中实现精确的磁场控制。