Магнитная сортирующая система водородного генератора
MAGNETIC SORTING SYSTEM OF A HYDROGEN GENERATOR

Изобретение относится к области квантовых стандартов частоты и может быть использовано при разработке и производстве водородных стандартов частоты (ВСЧ).
Магнитная сортирующая система водородного генератора (ВГ) это шести или четырех полюсный магнит (Фиг. 1) с помощью которого осуществляется сортировка атомов водорода по энергетическим состояниям. В центральной части магнита создается резко неоднородное магнитное поле, минимальное вдоль оси симметрии и быстро возрастающее при удалении от нее. Атомарный водород, в виде параллельного оси симметрии направленного пучка, подается в магнитную сортирующую систему, пройдя которую часть атомов под действием неоднородного магнитного поля расфокусируется, а часть, включая атомы рабочего состояния, фокусируются на входном отверстии накопительной колбы и попадают внутрь нее. При этом в накопительном объеме колбы создается инверсия населенности (избыточное количество) рабочих атомов водорода, обеспечивающих функционирование ВГ. Для обеспечения нормальной сортировки атомов требуются сильные магнитные поля до 1 Тл. Магнитная сортирующая система работает в высоком вакууме и должна выдерживать длительный нагрев до +(300÷600)°С при технологическом отжиге вакуумной камеры ВГ. Все это накладывает определенные ограничения на выбор магнитных материалов и на конструкцию сортирующей системы. В современных ВГ используются четырех полюсные магнитные сортирующие системы, конструктивно более простые и компактные, мало отличающиеся по эффективности сортировки атомов водорода от шести полюсных.
Известна, достаточно широко применяемая в серийных ВГ конструкция магнитной сортирующей системы (Фиг. 2), состоящая из четырех полюсных наконечников, выполненных в виде фрезерованных пластин из магнитомягкого сплава с большой индукцией насыщения (49КФ) и четырех магнитов специальной формы, устанавливаемых между ними. Магниты изготавливаются из магнитотвердого сплава ЮНДК35 (Альнико), имеющего высокую температуру Кюри более 800°С и обеспечивающие достаточно большую магнитную индукцию намагниченности. Это структурированный материал, чрезвычайно твердый и хрупкий. Его обработка выполняется только на плоско и кругло шлифовальных станках, поэтому изготовление магнитов сложной формы является трудоемкой и затратной операцией. Кроме того, такая конструкция сортирующей системы является открытой магнитной системой, имеющей большое магнитное поле рассеивания, что негативно сказывается на работе водородного генератора.
Технической задачей изобретения является изменение конструкции четырех полюсной магнитной сортирующей системы водородного генератора с целью уменьшения трудоемкости ее изготовления и уменьшения магнитного поля рассеивания.
Решение поставленной задачи, состоит в использовании магнитов стандартных размеров на основе редкоземельных элементов, конструктивно позволяющих выполнить закрытую магнитную сортирующую систему с малым магнитным полем рассеивания. Самарий кобальтовые магниты позволяют получить требуемую индукцию магнитного поля в зазоре сортирующего магнита при значительно меньшей магнитной массе и имеют температуру Кюри более 700°С.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 - магнитная сортирующая система (поперечное сечение, пунктир -силовые линии магнитного поля); на Фиг. 2 - конструкция (поперечное сечение) широко используемой магнитной сортирующей системы; на Фиг. 3 - конструкция предлагаемой магнитной сортирующей системы; на Фиг. 4 - силовой каркас предлагаемой сортирующей системы; на Фиг. 5 - полюсной наконечник; на Фиг. 6 - направляющая шайба; на Фиг. 7 - самарий-кобальтовый магнит; на Фиг. 8 - слой наружной оболочки.
Силовой каркас (Фиг. 4) предлагаемой конструкции сортирующей системы состоит из четырех полюсных наконечников 1 (Фиг. 5), изготавливаемых из магнитомягкого сплава 49КФ, закрепляемых в пазах направляющих шайб 2 (Фиг. 6), выполненных из немагнитной нержавеющей стали, по торцам с помощью винтов 3. Размер зазоров между полюсными наконечниками определяется диаметром колец 4 из той же немагнитной нержавеющей стали, запрессованных в центре направляющих шайб 2. На каждый полюсной наконечник 1 силового каркаса устанавливаются по два самарий-кобальтовых магнита 5 (Фиг. 7) стандартных размеров, например 5×10×30 мм (с отверстиями под винт) так, чтобы в сортирующей системе было чередование полюсов. Снаружи на них одевается оболочка 6, состоящая из тонких слоев трансформаторной стали, материала с большой магнитной проницаемостью и высокой индукцией насыщения. Слои оболочки выгнуты в виде восьмигранника, и состоят из двух половинок каждый (Фиг. 8). Половинки первого слоя надеваются с двух сторон на магниты. Затем на этот слой надеваются половинки второго слоя со сдвигом 90 градусов (для перекрытия зазора первого слоя) и так далее. Затем оболочка 6 закрепляется немагнитными винтами 7 с полюсными наконечниками через отверстия в магнитах, что делает конструкцию механически прочной. Наличие внешней оболочки увеличивает величину магнитной индукции в зазоре и существенно ослабляет магнитное поле рассеивания от сортирующей системы. Изменением диаметра запрессовываемых в направляющие шайбы колец 4 можно менять величину зазора между полюсными наконечниками, подбирая оптимальную фокусировку рабочих атомов водорода на входном отверстии накопительной колбы ВГ.
Технический результат предложенного решения магнитной сортирующей системы состоит в том, что применение самарий-кобальтовых магнитов стандартных размеров позволило сделать более простую и менее трудоемкую в изготовлении конструкцию магнитной сортирующей системы, с малым магнитным полем рассеивания и простой возможностью подбора величины зазора между полюсными наконечниками для получения оптимальной фокусировки рабочих атомов водорода на входном отверстии накопительной колбы ВГ.
Литература
1. В.П. Сысоев, Ю.С. Самохвалов, С.Н. Овчинников, Н.И. Нестеров, Н.М. Грачев, М.И. Алексеев, В.П. Нагирный, А.А. Шаталов, К.К. Шилов. Перевозимые квантовые часы водородные нового поколения. Труды 9 Международного симпозиума «Метрология времени и пространства» 12-14 сентября 2018