СОЛЕНОИД ИШКОВА ОДНОРОДНЫЙ
ISHKOV'S UNIFORM SOLENOID COIL

Изобретение относится к области техники магнитных полей и может быть применено для создания магнитных полей заданного уровня однородности.
Аналогом является электромагнит броневого типа для микротрона; Капица С.П., Мелехин В.Н. "Микротрон", Наука, М., 1969, с. 196-201. Ишков А.П. Научный отчет "Магнит микротрона", Павлодар, 1974, рег. № Б339198. Он содержит обмотку возбуждения из двух секций, в которых размещены явные полюса, которые смонтированы непосредственно на внешнем магнитопроводе броневого типа. Вся конструкция имеет осевую симметрию. Между полюсами создается рабочее однородное магнитное поле.
Недостатком аналога является малая осевая протяженность области рабочего однородного магнитного поля. Если поделить величину магнитного зазора на величину его диаметра, то получим  что составляет величину, меньшую единицы. Есть устройства, где требуется многократное превышение продольного размера над поперечным, например авторезонансный ускоритель; Ишков А.П. Изв. вузов, Физика, 1970, №2, с. 136-138; ЖТФ, 1971, т. 41, с. 607-610. Вишняков И.А. и др. ЖТФ, 1992, т. 62, вып. 2, с. 146-156.
Известен электромагнит с внешним магнитным контуром; Карасик В.Р. «Физика и техника сильных магнитных полей», Наука, М., 1964, с. 40, 230-233. По замыслу авторов /Биттер и Монтгомери/ устройство представляет собой короткий соленоид /внутренний диаметр обмотки меньше ее осевого размера/, окруженный ферромагнетиком со сквозным каналом для размещения в соленоиде исследуемого объекта.
Недостатком этого аналога является наличие сквозного канала, равного внутреннему диаметру возбуждающей обмотки соленоида. Неизвестны результаты исследований устройства по этому проекту. Само устройство предназначалось для получения сильного магнитного поля без всяких требований на его однородность.
Прототипом является магнитная система авторезонансного ускорителя электронов; Ишков А.П. Кандидатская диссертация «Экспериментальное исследование авторезонансного ускорения электронов», Томск, 1969, НИИЯФ при ТПИ, с. 33-36, 50-52, рис. 10, 11, 20-23, фото 4, 8. Изв. ТПИ, Томск 1970, т. 184, с. 75-73.
Прототип по устройству представляет собой систему трех катушек, синтезированных на основе катушек Гельмгольца, с внутренним диаметром 190 мм при общей их длине 260 мм. По торцам к катушкам монтировались фланцы толщиной 30 мм с отверстиями диаметром 190 мм, а по бокам - восемь прямоугольных пластин тоже толщиной 30 мм. Материалом для этого магнитопровода являлась мягкая сталь. Отверстия предназначались для установки ускоряющей системы ускорителя.
Первый недостаток прототипа состоит в наличии больших отверстий в торцовых фланцах, которые не способствуют улучшению однородности магнитного поля внутри соленоида.
Второй недостаток состоит в изготовлении боковой части магнитопровода из разделенных частей с большими азимутальными зазорами между ними, которые создают азимутальные неоднородности рабочего поля.
Третий недостаток состоит в относительно малой толщине магнитопровода, что ограничивает снижение магнитного сопротивления магнитопровода в его внешней части.
Четвертый недостаток состоит в дроблении обмотки возбуждения на три части, что создает три зоны с повышенным уровнем магнитного поля и не способствует созданию одного уровня магнитного поля.
Эти технические требования стали известны автору в результате исследований, проведенных после изготовления прототипа.
Техническим решением, создающим магнитное поле необходимой однородности при длине рабочего поля, превышающей его поперечный размер, является соленоид с обмоткой прямоугольного сечения, помещенной во внешний магнитопровод, состоящий из цилиндрической оболочки с торцовыми фланцами, на внутренних поверхностях которых образуются противоположные полюса неявного типа.
В качестве примера устройство показано на чертежах.
Фиг. 1 - главный вид устройства в сечении продольной плоскостью симметрии /килевое сечение/.
Фиг. 2 - принципиальная схема экспериментальной установки для исследования однородности магнитного поля соленоида.
Фиг. 3 - аксиальное распределение магнитного поля в соленоиде.
Фиг. 4 - зависимость неоднородности магнитного поля соленоида от толщины его магнитопровода.
Устройство состоит из обмотки возбуждения 1, цилиндрической оболочки 2, торцовых фланцев 3 с неявными магнитными полюсами 4 и исследуемого объекта 5. Экспериментальная установка состоит из автотрансформатора 6 ЛATP-9, блока питания 7 с коммутируемым трансформатором и диодным выпрямительным мостом, контрольного амперметра 8 типа ACT 5/10, класс 0,5, ключа 9, координатного механизма 10, измерительной катушки 11, бифилярного сигнального провода 12 и вторичного измерительного прибора 13, мультиметр ВР-II, цифровой, трехразрядный.
Действует устройство следующим образом. Каждый виток обмотки соленоида создает магнитный поток, который проходит внутри витка и замыкается снаружи. Радиальное распределение поля внутри плоского витка представлено у Говоркова, В.А. "Электрические и магнитные поля", Энергия, М., 1968, с 205-207, интегральной формулой. Из нее следует, что поле радиально возрастает.
Результирующее поле всех витков образуется суммой полей всех витков обмотки, и оно по структуре повторяет структуру одиночного витка. На оси соленоида образуется условный минимум с радиальным ростом в поперечной плоскости и аксиальным спадом по его оси симметрии, седлообразное распределение.
Первые экспериментальные сведения о структуре поля соленоидальной системы представлены в канд. дис. Ишкова А.П. "Экспериментальное исследование авторезонансного ускорения электронов", Томск, 1969, с. 37, рис. 11. Изв. ТПИ, Томск, 1970, №184, с. 77.
Применение внешнего магнитопровода броневого типа изменяет форму магнитных силовых линий. Они снаружи обмотки замыкаются по цилиндрической оболочке и торцовым фланцам магнитопровода, а внутри соленоида - между неявными полюсами торцовых фланцев. При этом уменьшается величина магнитного сопротивления для магнитного потока и соответственно возрастает уровень магнитного поля в соленоиде. Изменение формы силовых линий магнитного потока внутри торцовых фланцев магнитопровода приводит к улучшению однородности магнитного поля внутри соленоида. Впервые это было исследовано в к.д. Ишкова А.П. "Экспериментальное исследование авторезонансного ускорения электронов", Томск, 1969, с. 51, рис. 22. Применение внешнего магнитопровода из мягкой стали толщиной 30 мм на ту же самую обмотку повысило уровень магнитного поля, токовая характеристика возросла с 3,74 э/А до 10 э/А. Однородность поля в соленоиде улучшилась с 3-5% до 1-2 % для рабочего пространства.
Принципиальная схема по фиг. 2 действует следующим образом. Первичное стабилизированное напряжение 220 В 50 Гц подается на вход автотрансформатора 6, и преобразуясь в напряжение 0-250 В с шагом 1 В, подается на блок питания 7, трансформируется в напряжение 0-80 В с шагом 10 В, которое можно выпрямить диодным мостом. С выхода блока 7 переменное плавнорегулируемое напряжение подается через амперметр 8 и ключ 9 на обмотку исследуемого соленоида. Внутри соленоида создается магнитное поле, уровень которого задается автотрансформатором, а контролируется амперметром. При этом допустимый первичный ток до 6 А может возрастать до 30 А в обмотке соленоида. Внутри соленоида в качестве датчика магнитного поля на нитевом подвесе размещена измерительная катушка 11, которая перемещается координатным механизмом известного типа 10, по шкале которого отмечается ее положение на оси соленоида. ЭДС, индуцируемая в измерительной катушке 11, по бифилярному проводу 12 подается на вторичный измерительный прибор 13. Результаты измерений представлены на графике, фиг. 3, где по оси абсцисс отложен центр измерительной катушки, а по оси ординат - измеренное значение магнитного поля. График симметричен и имеет максимум в центре соленоида. Если взять разность полей в центре соленоида и поля на определенном расстоянии от центра /например, на торце/, поделить на значение поля в центре соленоида и умножить на 100%, то получим количественную оценку неоднородности магнитного поля соленоида, выраженную в процентах. На графике, фиг. 4, представлена зависимость неоднородности магнитного поля соленоида в зависимости от толщины его внешнего магнитропровода, которая в эксперименте менялась от 0 до 9 мм. График имеет гиперболический вид и может быть аппроксимирован формулой
где 16 - эмпирический коэффициент,
h - толщина манитопровода в мм.
Из этой формулы следует, что для получения поля в соленоиде исследованной формы с однородностью 1% нужен внешний магнитопровод толщиной 16 мм, что составляет величину, равную внутреннему радиусу обмотки соленоида.
Радиальная неоднородность тоже ослаблялась с ростом толщины магнитопровода, но для получения количественных оценок нужен другой соленоид с внутренним диаметром в 2-3 раза больше.
Токовые характеристики все были линейны и веером расходились из начала координат. Для магнитопровода толщиной 9 мм прирост поля составил 16% по сравнению с голым соленоидом.
Методика измерений состояла в следующем. По шкале координатного механизма 10 задавалось положение измерительной катушки 11 в соленоиде 1. При замыкании ключа 9 автотрансформатором 6 по прибору 8 устанавливался заданный ток в обмотке соленоида 1. После установления режима тока в соленоиде, что определялось прибором 8, делался отсчет показаний по мультиметру 13. По результатам измерений строился график, фиг. 3.
Аксиальное распределение магнитного поля в соленоиде без магнитопровода /голый соленоид/ может быть вычислено по известной формуле (Карасик В.Р. "Физика и техника сильных магнитных полей", Наука, М., 1964, с. 11).
где С - произвольная точка на оси соленоида,
1
r - внутренний радиус обмотки соленоида,
2
r - внешний радиус обмотки,
Z - половина длины соленоида.
Плотность тока определяется по формуле
где ω - число витков в обмотке соленоида.
0
-7
Формулы записаны в системе СИ µ=4π·10.
Экспериментальный соленоид был намотан медным проводом ПЭВ Ф 1,3 мм в 16 слоев плотной рядовой укладкой. Между слоями прокладывалась конденсаторная бумага толщиной 0,1 мм. Для намотки применялся жесткий каркас с цилиндрической бобышкой и круглыми щеками, который собирался на ведущем валу намоточного станка с ручным приводом. Параметры соленоида были следующими:
внутренний радиус
15 мм
внешний радиус
35 мм
длина соленоида
82 мм
Коэффициент заполнения обмотки медью
сопротивление постоянному току 2,4 Ом,
-3
индуктивность обмотки 14·10 Гц.
Магнитопровод был сборный и состоял из трех частей: цилиндрическая оболочка и два торцовых фланца. Сборка состояла в том, что готовая обмотка снималась с каркаса, пропитывалась лаком, сушилась, покрывалась одним слоем изоленты /скотч/ и запрессовывалась в цилиндрическую оболочку. Фланцы притягивались двумя внешними стремянками Ф 6 с помощью двух траверз гайками М 6. Толщина магнитопровода менялась и принимала значения: 0, 1, 2, 4, 9 мм. В качестве материала использовалась мягкая сталь.
Расчетное значение поля в центре соленоида при токе 10 А равно 0,1170 Тл = 1170 Гс. В первой строке табл. 1 представлено в относительных единицах аксиальное распределение голого экспериментального соленоида, которое вычислено по приведенной формуле.
Табл. 1
С мм
0
10
20
30
40
50
60
80
100
B<sub>z </sub>теор
1,0000
0,9814
0,9173
0,7824
0,5625
0,3404
0,1984
0,0774
0,043
B<sub>z </sub>эксп.
1,00
0,98
0,91
0,78
0,56
0,36
0,25
0,09
0,04
B<sub>z</sub> (h=1)
1,00
0,99
0,96
0,92
0,89
B<sub>z</sub> (h=2)
1,00
0,995
0,975
0,945
0,93
B<sub>z</sub> (h=4)
1,00
0,99
0,98
0,97
0,95
B<sub>z</sub> (h=9)
1,00
0,99
0,98
0,96
0,95
Во второй строке представлены экспериментальные данные для исследованного соленоида без магнитопровода. Сравнение расчетных величин с экспериментальными показывает, что совпадение двух первых значащих цифр означает точность измерений не хуже 1%. В последующих строчках представлено аксиальное распределение по оси соленоида для увеличивающихся толщин магнитопровода: 1, 2, 4, 9 мм. Аксиальная однородность поля возрастала, фиг. 4.
Альтернативный вариант измерений состоял в использовании гальванометра М 195/3 в баллистическом режиме. Блок питания при этом переводился в режим постоянного тока. Результаты измерений совпадали с вышеизложенными, но чувствительность была в 3 раза меньше.