核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺, 已受到国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度, 其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关。导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境, 高效磁屏蔽一般仅能完成5~6个数量级的磁抑制, 还需进行主动磁补偿。该文从核磁共振陀螺磁场分布的理论分析出发, 通过数学计算和计算机仿真, 分析和研究了横向磁补偿系统的磁场分布, 并对横向磁补偿线圈进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺横向磁补偿系统磁场均匀性较优化前提高约13倍, 满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

为了改善线圈磁聚焦性能, 扩大线圈功能应用, 改进 8字线圈, 通过混合优化算法优化线圈主要可变参数, 得出不同尺寸的 8字线圈。建立线圈仿真模型, 优化仿真分析 8字线圈的聚焦性与功能效果。制作与仿真模型一致的实验模型, 使用长为 1m、宽为 1m、厚度为 5 mm的均匀钢板与一根实心导管来测试验证仿真结果。通过对比函数证明了理论仿真的有效性。改进后不同尺寸的 8字形线圈模型可以实现多功能运用, 在一定的聚焦性下, 该线圈可以灵活运用到亥姆赫兹线圈、经颅磁刺激线圈阵列的模型以及功能磁刺激线圈阵列中。

为了改进干涉式光纤陀螺的测量精度和温度性能，建立了该仪器输出偏置的解析模型。通过把光纤双折射这一从未被考察过的相位微扰与其它已知误差源进行线性叠加，该模型首次显式地把陀螺性能直接与光纤的力学、光学、热学和几何参数联系起来。利用该模型对常用于10-3 deg/h精度量级光纤陀螺的64层四极对称环圈进行计算，结果表明，保偏光纤所固有的高双折射及其温度涨落对陀螺输出偏置及其热漂移的影响分别在10-3 deg/h和10-2 deg/h量级，而过去研究较多的单模光纤中的舒普效应和热致光弹效应的影响分别在10-4 deg/h和10-3 deg/h量级。该模型表明保偏光纤所固有的高应力双折射是干涉式光纤陀螺的主要误差源，同时较为完备地描述了光纤陀螺中源于光纤性能的误差，也解释了该误差对光纤双折射的非线性依赖。

为了校正扭转波速度、补偿温度、抑制脉冲电流噪声以及提高输出信号的信噪比, 设计了一种双检测线圈结构应用于磁致伸缩液位传感器。推导了扭转波速度与温度的数学模型, 得到了扭转波速度随温度的变化趋势; 分析了单检测线圈结构存在温度影响测量结果与脉冲电流幅值大等问题。通过理论分析, 最终的实验结果表明, 与单检测线圈结构相比, 双检测线圈结构能够快速计算扭转波速度, 补偿温度对测量结果的影响, 将脉冲电流噪声信号幅值降低至原来的1/27, 测量误差由原来的0.18 mm降低至0.02 mm。双检测线圈结构为磁致伸缩液位传感器优化设计提供了理论指导。

大通量冷原子源是实现高精度冷原子干涉仪的关键技术之一。为获得大通量冷原子源, 通常采用二维磁光阱(2D-MOT)和三维磁光阱(3D-MOT)的级联结构, 其中2D-MOT的磁场分布是影响其性能的重要因素。通过数学建模及有限元分析, 对2D-MOT中不同构造(长方形、跑道形、马鞍形)的反亥姆霍兹线圈进行数值计算, 分析了不同构造线圈的磁场分布及因在制造与装配过程中产生的偏心、线圈不对称、平行度及内径不对称误差造成的磁场零点漂移和磁场梯度变化。分析结果表明, 在偏心误差C<1.14 mm, 线圈不对称误差ΔI<0.016 A, 平行度误差θ<1.02°时, 马鞍形线圈产生的磁场梯度更有利于制备大通量冷原子源。该结果为冷原子干涉仪2D-MOT的磁场系统设计和加工提供了理论指导。

针对大多数磁场探头都是在频域上校准、不能较好地满足测量电磁瞬变现象的问题，提出了一种基于Elman神经网络的磁场探头时域校准建模方法。利用Helmholtz线圈、浪涌发生器、示波器等仪器搭建了时域校准平台，对磁场探头进行校准实验，并采集浪涌发生器输出的电流波形和磁场探头的感应电压。分别以磁场探头的感应电压和Helmholtz线圈产生的磁感应强度数据作为输入输出，建立Elman神经网络模型。建模效果表明，所建模型能够准确地预测出磁感应强度的变化趋势，该校准模型具有一定有效性。

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析, 得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论, 给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统, 并对电子束的传输特性进行了仿真研究, 结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。

基于亥姆霍兹线圈产生均匀磁场的特性, 绕制了三轴亥姆霍兹线圈, 通过改变3组线圈通电电流大小, 分别产生3个正交方向的磁场, 模拟地磁场强度, 为地磁导航系统的半实物仿真实验提供地磁场环境。同时,就地磁导航半实物仿真的需求, 对地磁场模拟生成装置进行了可重复性和线性度验证实验、响应速度测量实验、均匀性验证实验和稳定性验证实验, 并建立了装置的输入输出模型, 验证了装置的各项指标符合实验室需求。

在波荡器和扭摆器的研制过程中，为提高磁块的测量效率和精度，提出了2维全自动亥姆霍兹线圈磁块测量方法。通过理论推导得到仅采用2维全自动旋转而不需要3维旋转就可以实现磁块的全自动测量，降低了磁块全自动测量的实现难度。根据该方法的理论，已成功研制出一台2维全自动亥姆霍兹线圈测量装备，并在上海光源的磁块测量中使用。系统地给出2维全自动亥姆霍兹线圈磁块的测量理论和方法，并对测量误差进行了分析，该系统实现了磁块剩磁测量的高效率、高精度和高重复性，可以在30 s内完成单磁块的测量，重复性和精度均好于5×10-4。

对大回旋半径电子枪的渐变线圈磁场进行了设计, 采用3个线圈实现所需要的渐变磁场分布, 增加了线圈磁场系统的调节能力, 理论和计算机仿真的磁场分布结果符合得很好。将实现的渐变磁场分布同给定的静电场分布相结合, 通过求解带电粒子的运动方程得到了粒子轨迹, 在此基础上建立大回旋半径电子枪的3维粒子仿真模型, 在给定静电场分布条件下分析了3个线圈安匝数对电子束参数的影响, 完成了工作电压为40 kV、工作电流为1 A的大回旋半径电子枪的参数优化, 得到了横纵速度比为1.4～2.5, 纵向速度离散小于8%(横纵速度比为1.9时)的大回旋半径电子束。