本发明专利技术提供一种用于细胞培养的磁场装置及其磁场线圈的设计方法，通过两层坡莫合金制成的磁屏蔽箱，能够有效的避免50uT级别地磁场和外界干扰磁场的影响，通过在磁屏蔽箱内上下设置一对三方向双平面磁场线圈，每个三方向双平面磁场线圈均包括三个双平面线圈，三个双平面线圈分别用于提供沿三维坐标轴的三个方向上的磁场，三个方向上的磁场强度均小于20nT，且频率、波形以及强度均不相同；本发明专利技术能够有利于细胞培养，且提供不同频率、波形、强度的外加激励磁场的实验条件，不会受到地磁场和干扰磁场的影响。磁场的影响。磁场的影响。
【技术实现步骤摘要】
一种用于细胞培养的磁场装置及其磁场线圈的设计方法
[0001]本专利技术涉及细胞培养领域，具体而言，涉及一种用于细胞培养的磁场装置及其磁场线圈的设计方法。
技术介绍
[0002]细胞培养是生物技术中的一种核心技术，随着生命科学研究的迅速发展，已成为遗传学、免疫学、细胞生物学和分子生物学等学科研究的重要技术和方法。近些年来，一些研究表明极低频、低强度的磁场对正常的细胞无害，甚至可能有益，而这类磁场会对某些恶性肿瘤细胞产生一定的影响。传统的磁场发生装置大多是采用永磁体、螺线圈管、三轴亥姆霍兹线圈提供细胞培养实验的外加激励磁场。由于永磁体只能提供静态磁场，螺线管和三轴亥姆霍兹线圈置于开放的环境中易受外界磁场的干扰，同时空间利用率低，严重受地磁场和干扰磁场影响，导致该实验结果不一致以及重复性差。
技术实现思路
[0003]本专利技术解决的问题是：提供一种用于细胞培养的磁场装置及其磁场线圈的设计方法，有利于细胞培养，且提供不同频率、波形、强度的外加激励磁场的实验条件，不会受到地磁场和干扰磁场的影响。
[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种用于细胞培养的磁场装置，包括：
[0005]一箱体，箱体中部镂空形成一个前后贯穿的腔体；
[0006]一磁屏蔽箱，磁屏蔽箱内设有供细胞培养皿放置的内腔，磁屏蔽箱由两层坡莫合金制成，磁屏蔽箱设置在腔体中，并与腔体的内侧壁连接；磁屏蔽箱的顶板和底板均开设有若干个均匀分布的通风孔；磁屏蔽箱内腔的顶部和底部分别设有一三方向双平面磁场线圈，两个三方向双平面磁场线圈用于在磁屏蔽箱内腔的中间部位形成磁场，每个三方向双平面磁场线圈均包括三个双平面线圈，三个双平面线圈分别用于提供沿三维坐标轴的三个方向上的磁场，三个方向上的磁场的强度均小于0nT，且频率、波形以及强度均不相同；三方向双平面磁场线圈与通风孔之间设有空隙，使得空气正常流通；
[0007]一磁通门传感器，磁通门传感器设置在磁屏蔽箱内腔的正中心，用于将检测到的磁场信号转换为第一模拟电压信号；
[0008]一驱动装置，驱动装置用于为三方向双平面磁场线圈提供电流信号产生磁场，驱动装置包括依次电连接的参考控制信号模块、数字处理器模块以及功率放大电路模块，数字处理器模块与磁通门传感器电连接；参考控制信号模块用于用户输入第一数字电压信号。
[0009]该装置的有益效果为，由于磁屏蔽箱内腔的正中心磁场密度最均匀，所以磁通门传感器设置在磁屏蔽箱内腔的正中心，用户从参考控制信号模块将电信号主动从参考控制信号模块输入形成第一数字电压信号，磁通门传感器将检测到的磁场信号转换为第一模拟电压信号，第一模拟电压信号和第一数字电压信号进入数字处理器模块经过过滤转换，并
进一步传递给功率放大电路模块，功率放大电路模块将过滤和转换后的第一模拟电压信号和第一数字电压信号经过频率放大后输入三方向双平面磁场线圈，形成磁场。
[0010]进一步地，第一数字电压信号包括正弦信号、方波信号以及脉冲信号中的至少一种。该设置的有益效果为，该三种信号为最常用的波形信号，且完全可以满足使用。
[0011]进一步地，数字处理器模块包括ADC模拟数字转换器、PID控制器以及DAC模拟数字转换器，功率放大电路模块包括功率放大器。该设置的有益效果为，ADC模拟数字转换器用于将第一模拟电压信号转换为第二数字电压信号，第一数字电压信号和第二数字电压信号传递给PID控制器进行过滤，PID控制器将过滤后的第一数字电压信号和第二数字电压信号传递给DAC模拟数字转换器进行合并，并转换为过滤后的模拟电压信号，将过滤后的模拟电压信号作为压控电流源通过功率放大器输入各个三方向双平面磁场线圈形成磁场。功率放大器可以有效通过电生磁的原理最终形成所需要的磁场。
[0012]进一步地，磁屏蔽箱的前侧壁与磁屏蔽箱的左侧壁以及右侧壁滑动连接进行开合；磁屏蔽箱内腔的侧壁上方从上至下依次间隔设置有三对凸缘，分别为第一凸缘、第二凸缘以及第三凸缘，两个第一凸缘与磁屏蔽箱内腔的顶壁之间设有间隙；磁屏蔽箱内腔的侧壁下方从上至下依次间隔设置有三对凸缘，分别为第四凸缘、第五凸缘以及第六凸缘，两个第六凸缘与磁屏蔽箱内腔的底壁之间设有间隙；六对凸缘分别供六个双平面线圈放置。该设置的有益效果为，使得三方向双平面磁场线圈与上下的通风孔之间形成空隙，以供空气正常流入。
[0013]进一步地，磁屏蔽箱内腔的侧壁上设有一对塑料制成的支撑杆，两个支撑杆用于对磁通门传感器进行夹持，使得磁通门传感器固定设置在磁屏蔽箱内腔的正中心。该设置的有益效果为，使得磁通门传感器有效地设置在磁屏蔽箱内腔的正中心，塑料不会产生磁场干扰，也不会对磁通门传感器感应磁场的效果产生影响，该部位磁场密度最均匀，使得磁通门传感器有效感应整个磁屏蔽箱内腔中的磁场变化。
[0014]进一步地，磁屏蔽箱下端设有塑料支撑架，支撑架呈框状结构，使得磁屏蔽箱下表面的通风孔裸露，以供进一步支撑磁屏蔽箱的同时保证空气正常流通。该设置的有益效果为，使得磁屏蔽箱有效悬空，从而使得空气从通风孔自然流入。
[0015]进一步地，本专利技术还提供一种用于细胞培养的磁场装置的磁场线圈的设计方法，用于设计上述的三方向双平面磁场线圈，包括以下步骤：
[0016]S1.确定磁通门传感器在磁屏蔽箱内腔中所需要占据的空间大小；
[0017]S2.将磁通门传感器所需要占据的空间按照三维坐标轴等距离离散化为若干个目标点，并将各个目标点的磁场强度均设为指定常数，构成目标磁场；
[0018]S3.预设三方向双平面磁场线圈的流函数，流函数中含有未知数矩阵以及待确定的傅里叶系数，根据目标磁场的对称性特征确定傅里叶系数，根据目标磁场的电流密度，建立流函数与电流密度的关系式；
[0019]S4.根据流函数与电流密度的关系式建立电流密度产生的磁场表达式；
[0020]S5.将各个所述目标点代入磁场表达式得到所述未知数矩阵的系数矩阵，所述未知数矩阵、系数矩阵以及各个目标点的磁场大小构成矩阵方程；
[0021]S6.求解矩阵方程，得到唯一的流函数表达式以及流函数等值线；
[0022]S7.建立等效的离散化流函数，确定线圈常数。
[0023]进一步地，步骤S3中的流函数表达式为，
[0024][0025]其中，M和N为线圈的设计阶数，L为线圈边长，P
mn
为未知数矩阵，x和y为线圈的平面坐标。
[0026]进一步地，步骤S4中的磁场表达式为，
[0027][0028]其中，为线圈磁场强度，表示不同方向的电流密度，μ0为真空磁导率，为电流元指向待求场点的向量，r为电流元到待求场点的距离，S为线圈面积。
[0029]进一步地，步骤S7中，等效公式如下，
[0030]S＝S
min
+(i+1/2)I0,(i＝0,1,2
···
,K
‑
1),
[0031][0032]其中，S
max
为平面内流函数本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于细胞培养的磁场装置，其特征在于，包括：一箱体(1)，所述箱体(1)中部镂空形成一个前后贯穿的腔体(1.1)；一磁屏蔽箱(2)，所述磁屏蔽箱(2)内设有供细胞培养皿放置的内腔，所述磁屏蔽箱(2)由两层坡莫合金制成，所述磁屏蔽箱(2)设置在所述腔体(1.1)中，并与所述腔体(1.1)的内侧壁连接；所述磁屏蔽箱(2)的顶板和底板均开设有若干个均匀分布的通风孔(2.1)；所述磁屏蔽箱(2)内腔的顶部和底部分别设有一三方向双平面磁场线圈(5)，两个所述三方向双平面磁场线圈(5)用于在所述磁屏蔽箱(2)内腔的中间部位形成磁场，每个所述三方向双平面磁场线圈(5)均包括三个双平面线圈(5.1)，三个所述双平面线圈(5.1)分别用于提供沿三维坐标轴的三个方向上的磁场，所述三个方向上的磁场的强度均小于20nT，且频率、波形以及强度均不相同；所述三方向双平面磁场线圈(5)与所述通风孔(2.1)之间设有空隙，使得空气正常流通；一磁通门传感器(3)，所述磁通门传感器(3)设置在所述磁屏蔽箱(2)内腔的正中心，用于将检测到的磁场信号转换为第一模拟电压信号；一驱动装置(4)，所述驱动装置(4)用于为所述三方向双平面磁场线圈(5)提供电流信号产生磁场，所述驱动装置(4)包括依次电连接的参考控制信号模块(4.1)、数字处理器模块(4.2)以及功率放大电路模块(4.3)，所述数字处理器模块(4.2)与所述磁通门传感器(3)电连接；所述参考控制信号模块(4.1)用于用户输入第一数字电压信号。2.根据权利要求1所述的一种用于细胞培养的磁场装置，其特征在于，所述第一数字电压信号包括正弦信号、方波信号以及脉冲信号中的至少一种。3.根据权利要求2所述的一种用于细胞培养的磁场装置，其特征在于，所述数字处理器模块(4.2)包括ADC模拟数字转换器、PID控制器以及DAC模拟数字转换器，所述功率放大电路模块(4.3)包括功率放大器。4.根据权利要求3所述的一种用于细胞培养的磁场装置，其特征在于，所述磁屏蔽箱(2)的前侧壁与所述磁屏蔽箱(2)的左侧壁以及右侧壁滑动连接进行开合；所述磁屏蔽箱(2)内腔的侧壁上方从上至下依次间隔设置有三对凸缘，分别为第一凸缘(2.31)、第二凸缘(2.32)以及第三凸缘(2.33)，两个所述第一凸缘(2.31)与所述磁屏蔽箱(2)内腔的顶壁之间设有间隙；所述磁屏蔽箱(2)内腔的侧壁下方从上至下依次间隔设置有三对凸缘，分别为第四凸缘(2.34)、第五凸缘(2.35)以及第六凸缘(2.36)，两个所述第六凸缘(2.36)与所述磁屏蔽箱(2)内腔的底壁之间设有间隙；六对凸缘分别供六个所述双平面线圈(5.1)放置。5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵修琪，张旭，张璐，郑世强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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