ПОСТОЯННЫЙ МАГНИТ, ИМЕЮЩИЙ УЛУЧШЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯ, И УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ЕГО
PERMANENT MAGNET WITH IMPROVED FIELD CHARACTERISTICS AND DEVICE INCORPORATING SAID MAGNET

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники, к которой относится изобретение
1.
Настоящее изобретение относится к постоянному магниту, имеющему улучшенные характеристики поля, и устройству, использующему его, и, более конкретно, относится к постоянным магнитам, в общем, цилиндрической формы, объединенным с пластинами поверхности, определяющими пустотелую оболочку, внутри которой могут быть размещены объединяющие компоненты устройства.
Описание предшествующего уровня техники
2.
В магнитометрической аппаратуре типа масс-спектрометра размер, вес и точность магнита, в общем, представляют собой параметры, которые, главным образом, определяют стоимость и эксплуатационные характеристики прибора. Хотя новые магнитные материалы обеспечивают многочисленные благоприятные возможности для снижения размера и веса, повышение требований к точности, с другой стороны, практически сводит на нет эти преимущества. Современные магниты часто по-прежнему остаются большими по размеру и весу, и точность (главным образом, однородность) всегда является проблематичной.
Дипольный магнит характеризуется двумя магнитными полюсами, называемыми северным и южным полюсом, между которыми устанавливается магнитное поле. Простейшую форму представляет стержневой магнит, показанный в Фигуре 1.
Для научных и технических вариантов применения часто требуется однородное магнитное поле внутри определенного объема, которое может быть представлено параллельными силовыми линиями магнитного поля. Для соответствия такому полю известны разнообразные формы магнитов, в которых, как правило, магнитные полюса размещены в положениях напротив друг друга с образованием зазора, во внутреннем пространстве которого магнитные силовые линии являются более или менее параллельными. Простые формы представляют собой подковообразный (Фигура 2) и U-образный магнит, и широко используется Н-образный магнит, показанный в Фигуре 3. Для Н-образного магнита требуется два плоских магнита цилиндрической или прямоугольной формы, которые намагничены вдоль короткой оси. Для эффективного замыкания магнитного потока ярмо, изготовленное из мягкой стали, соединяет тыльные стороны каждого магнита; тем самым магнитный поток через поперечное сечение структуры становится похожим на заглавную букву «Н», чем обусловлено название магнита.
Хотя Н-образный магнит представляет одно из наиболее эффективных принципиальных решений, поле в зазоре имеет искажения в областях, отдаленных от центра. Тщательно сформованные полюсные наконечники могут уменьшить эффект краевых полей и расширить область пригодной к применению однородности, но они не могут устранить краевые поля в принципе. Это является общим для всех магнитов, у которых кромки полюсов открыты в воздух.
Кольцевые магниты хорошо известны во многих областях применения - явно новым является рассмотрение специальных граничных условий для внутреннего магнитного поля. Сам кольцевой магнит генерирует магнитное поле подобно стержневому магниту, см. Фигуру 4. Чем меньше его внутренний диаметр по сравнению с его высотой, тем больше он походит на стержневой магнит. Кольцевой магнит, замкнутый пластинами полюсов, создает для той же цели совершенно иную перспективу.
Несмотря на вышеупомянутые известные типы постоянных магнитов, остается актуальной и существенной потребность в усовершенствованных постоянных магнитах, которые могут обеспечивать повышенную однородность магнитного поля, напряженность магнитного поля и снижение веса и стоимости изготовления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сборка кольцевого магнита имеет, в общем, цилиндрическое тело магнита, определяющее воздушный зазор, имеющий верхний конец и нижний конец. Верхняя и нижняя пластины поверхностей размещены соответственно в верхней части кольцевого магнита и в нижней части кольцевого магнита. Пластины поверхностей предпочтительно имеют высокую магнитную проницаемость. Внутри воздушного зазора может быть размещен масс-анализатор. Внутри воздушного зазора в сборке кольцевого магнита согласно настоящему изобретению может быть расположен генератор ионов. Может быть предусмотрена пара вертикально собранных сборок кольцевых магнитов. В этом варианте осуществления масс-анализатор может быть расположен внутри одного воздушного зазора и генератор ионов внутри другого.
Цель настоящего изобретения состоит в предоставлении усовершенствованного постоянного магнита, который отличается повышенной однородностью поля и напряженностью поля.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в предоставлении конструкции постоянного магнита, которая отличается уменьшенными размерами и весом.
Еще одной целью настоящего изобретения является предоставление усовершенствованного постоянного магнита, который может быть изготовлен с меньшими затратами.
Дополнительная цель настоящего изобретения состоит в предоставлении постоянного магнита, который является цилиндрическим, пустотелым и может быть скомпонован так, чтобы содержать в себе другое устройство, например, такое как масс-спектрометры.
Эти и другие цели изобретения будут более четко понятны из нижеследующего подробного описания изобретения со ссылками на сопроводительные иллюстрации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 схематически иллюстрирует форму дипольного магнита предшествующего уровня техники и связанное с ним магнитное поле.
Фигура 2 схематически иллюстрирует форму подковообразного магнита предшествующего уровня техники и связанное с ним магнитное поле.
Фигура 3 иллюстрирует форму Н-образного дипольного магнита предшествующего уровня техники и связанное с ним поле.
Фигура 4 схематически иллюстрирует поперечное сечение кольцевого магнита предшествующего уровня техники, в общем, тороидальной формы с осевой намагниченностью.
Фигура 5 иллюстрирует поперечное сечение формы кольцевого магнита согласно настоящему изобретению, имеющего пару магнитных пластин поверхностей, закрепленных на нем.
Фигуры 6(а)-6(с) иллюстрируют виды поперечного сечения трех кольцевых магнитов, имеющих пластины поверхностей, и соответствующий участок величины магнитной индукции вдоль диаметра в отношении к магнитной проницаемости пластины поверхности. Это иллюстрирует влияние магнитной проницаемости μ пластины поверхности на однородность поля.
Фигура 7 схематически иллюстрирует часть кольцевого магнита согласно настоящему изобретению, оснащенного пластинами поверхностей, и представляет схематическую иллюстрацию силовых линий магнитного потока.
Фигуры 8(а) и 8(b) иллюстрируют, соответственно, вертикальную проекцию и вид поперечного сечения пары постоянных кольцевых магнитов согласно настоящему изобретению, обеспечивающих замкнутые камеры внутри них, с объединенными концевыми пластинами и промежуточной пластиной.
Фигуры 9(а)-9(с) иллюстрируют три кольцевых магнита согласно настоящему изобретению с переменными высотами, с соответствующими участками величины магнитной индукции для каждого.
Фигура 10 представляет схематический вид, показывающий кольцевой магнит согласно настоящему изобретению с расположенным внутри него линейным циклоидальным масс-спектрометром, при удаленной верхней пластине поверхности и с нижней пластиной поверхности в своем положении.
Фигура 11 показывает кольцевой магнит согласно настоящему изобретению с удаленной верхней пластиной поверхности и с нижней пластиной в своем положении, и с расположенным внутри него кольцевым циклоидальным масс-спектрометром.
Фигура 12 показывает вертикальную проекцию поперечного сечения кольцевого магнита согласно настоящему изобретению с расположенным внутри него ионно-геттерным триодным насосом.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Описана конструкция магнита для генерирования сильных однородных полей внутри цилиндрического объема. По сравнению с обычными конструкциями, использующимися для дипольных магнитов, применяемая здесь тороидальная форма упрощает процессы изготовления и снижает число требуемых деталей. Выбор этой геометрической формы обеспечивает лучшую однородность и более высокую напряженность поля, чем достигаемые с помощью обычных магнитов. Оборудование типа приборов масс-спектрометрии и ядерного магнитного резонанса (NMR, ЯМР) будет иметь меньшие размеры и вес, тогда как эксплуатационные характеристики будут улучшены.
На Фигуре 5 ситуация с краевыми полями внутри кольца не имеет места - более подробный анализ показывает, что это всецело справедливо для усовершенствованной геометрии и очень большой магнитной проницаемости пластин поверхностей. На практике мы имеем дело с мягкими сталями типа 1010 или 1018, значения магнитной проницаемости которых находятся между 10000 и 18000, которые обеспечивают однородность, которая не может быть достигнута при использовании Н-образного магнита подобного размера.
Фигуры 6(а)-6(с) показывают постепенные различия для различных магнитных проницаемостей.
Увеличенное изображение области, где магнитный материал находится в свободном пространстве внутри кольцевого магнита (Фигура 4), объясняет специальные свойства на этой границе.
Внутри материала магнита силовые линии поля зафиксированы в своих положениях благодаря элементарным микроскопическим токам. Тем самым отсутствуют существенные взаимные помехи в результате наложения частей петлевых силовых линий внутри зазора. Благодаря цилиндрической симметрии конструкции картина силовых линий поля остается одинаковой для любого другого поперечного сечения в магните, и только непротиворечивое физическое решение в пределах этих граничных условий без дополнительных магнитных источников представляет собой однородное поле с равноудаленными силовыми линиями поля.
Неоднородность поля может наблюдаться, если части пластин поверхностей приближаются к состоянию магнитного насыщения в сильных полях. Этого можно избежать путем надлежащего подбора материала (по магнитной проницаемости) и достаточной толщины пластины поверхности. Применение обычных материалов для кольцевых магнитов, таких как отожженная сталь 1018 и неодим-железо-борный сплав (NdFeB), дает следующий пример:
Размеры магнита:
Наружный диаметр (O.D.) 3 дюйма (76,2 мм)
Внутренний диаметр (I.D.) 1,5 дюйма (38,1 мм)
Толщина 0,75 дюйма (19,05 мм)
Плотность выходного магнитного потока В = 4200 Гаусс
Размеры пластин поверхностей:
Наружный диаметр (O.D.) 3 дюйма (76,2 мм)
Толщина 0,25 дюйма (6,35 мм)
При этом генерируется внутреннее поле 5200 Гаусс при относительной однородности +0,1%.
Область однородного магнитного поля, расположенная внутри магнита, наводит на мысль об использовании внутренней части магнита в качестве вакуумированного корпуса. Он может быть легко загерметизирован с помощью кольцевых прокладок или металлов, таких как индий, и металлические поверхности могут быть нанесены электролитическим путем для удержания газовыделения на минимуме. Отсутствие вакуумного трубопровода означает еще одно существенное снижение размера, веса и, в особенности, стоимости. Два или более анализатора или прибора могут быть легко размещены в каскадной последовательности в общих сборках. Фигуры 8(а)-8(b) показывают пример, соответствующий малому масс-анализатору в комбинации с магнитным ионоиспускающим насосом.
Комбинации ионно-геттерных насосов с использованием одного обычного магнита были испытаны в прошлом, но их недостаток проявился в электромагнитных помехах от помехоиспускающего насоса для чувствительного анализатора. Сборка, показанная на Фигурах 8(а)-8(b), напротив, обеспечивает практически полное экранирование электрического, а также магнитного поля.
Варианты применения для масс-спектрометрии представляют собой, например,
Малые секторные масс-спектрометры участка поля
Циклоидальные линейные масс-спектрометры, с размерами от малых до средних (Фигура 10)
Циклоидальные кольцевые масс-спектрометры, с размерами от малых до крупных (Фигура 11)
Термины «малый», «средний» и «крупный» представляют приблизительное описание того, что было построено до сих пор. Например, реализованные циклоидальные кольцевые анализаторы имеют диаметр около 70 мм. Поэтому прибор с диаметром 300 мм рассматривается как «крупный».
Приборы участка поля могут иметь размеры до нескольких метров. Таким образом, величина в 300 мм считается «малой».
В особенности для малых магнитных ионоиспускающих насосов выбор магнита создает дилемму: широкий зазор, наряду с малыми областями полюсных наконечников, приводит к плохим магнитным полям, которые ограничивают длину анодных цилиндров и тем самым скорость откачки и общую производительность (сравние с изданием “Miniature Sputter-Ion Pump Design Considerations” S.L. Rutherford et al., 1999, NASA/JPL Miniature Vacuum Workshop).
Усовершенствование магнита в его U-образной конфигурации привело бы к резкому увеличению размера и стоимости, что не может быть оправданным для малого и недорогого насоса.
Описываемый кольцевой магнит представляет собой экономичное решение для обеспечения малого размера и однородного поля. По оценке, замена стандартного насоса со скоростью откачки 5 л/сек насосом с кольцевым магнитом, имеющим сходные размеры электрода, дает в результате примерно троекратное повышение скорости откачки. Фигура 12 иллюстрирует принципиальную компоновку.
Варианты применения
Предлагаемое изобретение обеспечивает улучшенные поля при уменьшенном размере и пониженной стоимости.
В общем, это является интересным во всех областях, где требуются однородные магнитные поля. Тем не менее, варианты применения будут ограничены нижеперечисленными ситуациями:
(а) Требуемый размер магнита превышает возможности изготовления или приемлемую стоимость.
(b) Доступ в магнитную камеру требует значительного нарушения симметрии пластин и магнита. Это может иметь место в ускорителях частиц, где лучевая камера должна быть проведена через магнитное поле.
(с) Требуемая напряженность поля является более высокой, чем достижимая с помощью постоянных магнитов. Температура, необходимая для работы или обезгаживания прогревом, превышает рабочую температуру магнита.
Положительные факторы для реализации очевидны в следующих областях:
(а) Малый размер, низкий вес
(b) Снижение стоимости оборудования
(b) Большая и предельно большая ширина зазора
Потребность широкого зазора усугубляет проблемы, связанные с обычной конструкцией магнита. Как видно на Фигуре 3, Н-образный магнит принят с шириной зазора 25 мм и весом 5 кг. Если конструкция магнита изменяется с увеличением ширины зазора в десять раз (до 250 мм), при требовании соблюдения такой же однородности поля и магнитной индукции, вес магнита может легко достигнуть нескольких тонн (например, сравние с Патентом США 3670162). Увеличение зазора делает необходимым корректирование по всем трем пространственным координатам.
Совершенно иной результат представляет такая же ситуация для вышеописанных кольцевых магнитов. В идеальном случае, при очень высокой магнитной проницаемости пластин поверхностей и однородных свойствах материала магнита, однородность поля и магнитная индукция проявляют только слабую зависимость от высоты кольцевого магнита - в первом приближении магнитная индукция является постоянной вплоть до определенных вариаций высоты (см. Фигуры 9(а)-9(с)).
Кольцевой магнит с наружным диаметром 50 мм, внутренним диаметром 25 мм и шириной зазора по внутреннему диаметру 25 мм весит примерно 400 граммов, включая две пластины поверхностей. Увеличение зазора до 250 мм потребует еще 9 кольцевых магнитов, каждый по 300 граммов, что приведет к весу магнита в целом 31 кг.
В то время как конкретные варианты осуществления изобретения были описаны здесь для целей иллюстрирования, квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что множество вариаций деталей может быть сделано без выхода за рамки изобретения, изложенного в прилагаемых пунктах формулы изобретения.