МАГНИТНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1999 года по МПК H01F7/02 H01J23/87 

Изобретение относится к магнитным системам для получения однородного постоянного магнитного поля, в частности малогабаритным магнитным системам, используемым в устройствах и приборах ЯМР и ЭПР-спектроскопии.

Магнитная система является основной частью ЯМР и ЭПР-спектрометров, определяющей их габариты и массу. Для создания малогабаритных спектрометров необходимы магнитные системы малого размера с достаточно высокими величинами напряженности и однородности магнитного поля.

Известна магнитная система для использования в ЯМР-аналитическом приборе для контроля состава и свойств жидкостей [Васильев П.А., Водянов Н.Г. Приборы и техника эксперимента, 1992 г., N 1, с. 165-166]. Указанная магнитная система ("компактный постоянный магнит", по терминологии авторов) содержит прикрепленные к ярму магнитные пластины из магнитотвердого сплава ЮНДК, вкладыши из магнитомягкого материала, замыкающие магнитный поток, полюсные наконечники и подмагничивающие катушки, размещенные на магнитных пластинах. Недостатком данной системы являются большие габариты (240 х 240 х 140 мм³), сложность конструкции и относительно малая область высокой однородности магнитного поля (≈10^-4) в межполюсном пространстве (воздушном зазоре).

Известны магнитные системы, в которых снижение габаритов достигнуто благодаря использованию постоянных магнитов из высококоэрцитивных материалов с высокой магнитной энергией, например на основе интерметаллида SmCo₅ [Кернасюк И. С. и др. "Радиоспектроскопия, Материалы IX Всесоюзной школы по магнитному резонансу", Пермь, 1987 г., с. 309-313]. Магнитная система состоит из корпуса, представляющего собой замкнутый магнитопровод бронированного типа из магнитомягкого материала, магнитных пластин из SmCo₅, полюсных наконечников, приспособления для юстировки, подмагничивающих катушек. В системе используются комбинированные профили полюсов, состоящие одновременно из "усиливающего" и "проводящего" наконечников. На лицевой стороне наконечников нанесены магнитные шиммы для дополнительного увеличения однородности поля. Недостатком системы является сложность конструкции, довольно большая масса (14 кг), неудобства в работе, связанные с трудностью доступа к рабочему полю (воздушному зазору), малая область высокой однородности.

Наиболее близкой по достигаемому результату и технической сущности является малогабаритная магнитная система для спектрометра ЯМР на основе высококоэрцитивного сплава Nd-Fe-B [Васильев П.А., Сайкин К.С. Приборы и техника эксперимента, 1993 г., N 3, с. 211-214]. Основными элементами конструкции системы являются ярмо и вкладыши из магнитомягкой стали, образующие замкнутый магнитопровод, и расположенные параллельно друг другу с образованием воздушного зазора магнитные пластины из сплава Nd-Fe-B с полюсными наконечниками. Несущий каркас системы состоит из направляющих и поперечных пластин. На наружной части магнитопровода расположены катушки сдвига поля, а внутри системы - корректирующие катушки. Требуемая однородность поля достигается с помощью пропускания тока необходимой величины через корректирующие катушки и использования кольцевых шиммов.

Недостатками данной системы являются довольно низкое значение напряженности магнитного поля в воздушном (рабочем) зазоре и относительно малая область его высокой однородности, сложность конструкции и технологии изготовления, связанные с трудностью отбора пары магнитных пластин с одинаковыми значениями магнитной индукции и степени однородности намагниченности в объеме пластин. Разброс этих параметров в партиях серийно выпускаемых магнитов может достигать нескольких десятков процентов, что, как правило, исключает возможность подбора пары идентичных магнитов и вызывает необходимость компенсации обусловленной их неидентичностью неоднородности магнитного поля в воздушном зазоре с помощью корректирующих катушек.

Изобретение направлено на дальнейшее снижение габаритов и массы магнитной системы, расширение области однородности создаваемого магнитного поля при большей его напряженности, упрощение конструкции и облегчение доступа к рабочему зазору.

Это достигается тем, что в магнитной системе, содержащей заключенные в замкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала две установленные параллельно друг другу магнитные пластины из магнитотвердого материала, одни стороны которых снабжены полюсными наконечниками из магнитомягкого материала и обращены к друг другу с образованием воздушного зазора, а противоположные стороны соединены с магнитопроводом, согласно изобретению магнитные пластины выполнены наборными из жестко соединенных между собой постоянных магнитов, каждый из которых имеет фиксированное, соответствующее расчетному значение магнитного момента и местоположение в пластине в зависимости от него, а полюсный наконечник выполнен в форме пластины, толщина которой составляет не более 0,05 ее длины и жестко соединен с магнитной пластиной. Задача решается также тем, что магниты расположены с нарастанием магнитного момента от центра пластины к периферии, при этом отношение значений магнитных моментов центрального магнита и краевого составляет 0,99-0,65. Для компактности конструкции магнитопровод выполнен в виде двух жестко соединенных четырьмя стойками несущих квадратных пластин из магнитомягкого материала, образующих жесткий каркас, причем несущие пластины расположены параллельно магнитным пластинам, выполненным также в форме квадрата и развернуты по отношению к ним на угол 45^o и жестко соединены с ними. Для коррекции величины и степени однородности магнитного поля между стойками и одной из несущих пластин размещены юстировочные прокладки из магнитомягкого материала.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлен симметричный диагональный разрез магнитной системы, на фиг. 2 - ее симметричный разрез плоскостью, параллельной несущей пластине, на фиг. 3 представлены графики зависимости z-компоненты вектора напряженности магнитного поля вдоль координатных осей x, y, z. Ориентация координатных осей показана на фиг. 1 и фиг. 2.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - магнитные пластины, 2 - полюсные наконечники, 3 - несущие пластины, 4 - стойки, 5 - крепежные пластины, 6 - прокладки, 7 - катушки модуляции магнитного поля, 8 - рамочные шиммы.

Магнитная система состоит из двух установленных параллельно друг другу с образованием воздушного зазора магнитных пластин 1, представляющих собой набор намагниченных до расчетных значений магнитного момента (модуля и ориентации вектора намагниченности) постоянных магнитов из высококоэрцитивного сплава (например, Nd-Fe-B), в частности в форме одинаковых четырехгранных призм квадратного сечения, жестко соединенных (склеенных) боковыми гранями друг с другом так, что торцевые грани образуют параллельные друг другу полюсные поверхности (стороны магнитных пластин). К магнитным пластинам со стороны воздушного зазора приклеены полюсные наконечники 2, а к противоположным сторонам - крепежные пластины 5 из магнитомягкого материала, которые в свою очередь жестко прикреплены к несущим пластинам 3 с помощью винтов. Несущие пластины и соединяющие их стойки 4 выполнены из магнитомягкого материала и образуют замкнутый магнитопровод, являющийся одновременно каркасом системы. Между одной из несущих пластин и стойками размещены юстировочные прокладки 6 из тонколистового магнитомягкого материала. В случае необходимости в систему могут быть введены катушки модуляции постоянного магнитного поля 7. Для обеспечения еще большей однородности поля на полюсные наконечники могут устанавливаться рамочные шиммы 8.

Стойки могут быть выполнены в виде трехгранных призм, торцы которых имеют размеры и профиль, обеспечивающие их совмещение с угловыми частями соответствующих сторон несущих пластин. Для достижения максимальной компактности несущие пластины, так же как магнитные и крепежные, предпочтительно выполнить квадратными. Полюсные наконечники выполнены в форме квадратной пластины, при этом длины сторон магнитной, крепежной пластин и полюсного наконечника равны. Стойки размещены в углах несущих пластин с совмещением их торцов с угловыми частями этих пластин и закреплены с помощью винтов. Образовавшиеся четыре окна для доступа в рабочий объем системы позволяют производить различные манипуляции с образцами и радиотехническими узлами в зависимости от специфики использования системы (эталон напряженности поля, ЯМР или ЭПР-спектроскопия, др.).

Выполнение магнитных пластин наборными эквивалентно гипотетическому разбиению цельной магнитной пластины на части, что позволяет намагничивать (размагничивать) каждую часть (мини-магнит) до любого значения магнитного момента в интервале 0-M_R (M_R - остаточная намагниченность материала мини-магнита) и, следовательно, управлять общим распределением намагниченности в объеме пластины, рассчитывать влияние этого распределения на степень однородности, размеры области однородности и величину магнитного поля. Чем больше количество мини-магнитов в пластине, тем легче добиться идентичности пластин, и, следовательно, улучшить однородность магнитного поля. На практике же их число ограничивается технологическими возможностями. Иными словами, этот конструктивный признак позволяет рассчитать оптимальные магнитные параметры исходных мини-магнитов в зависимости от их местоположения в пластине и привести реальные параметры этих мини-магнитов путем их намагничивания (размагничивания) к расчетным значениям (простой отбор из партий серийно выпускаемых магнитов дает низкий процент соответствия расчетным значениям - не более 10%).

Компьютерный расчет, в основу которого закладываются технические требования к магнитной системе (напряженность магнитного поля в воздушном зазоре, величина зазора, степень однородности и размеры области однородности магнитного поля), габариты магнитных пластин, количество образующих эти пластины мини-магнитов, магнитные характеристики материала этих мини-магнитов (параметры петли магнитного гистерезиса, кривые возврата и др.) позволяет определить значение и ориентацию намагниченности каждого мини- магнита в зависимости от его местоположения (позиции) в пластине. При этом, ориентации намагниченностей в мини-магнитах зависят от их местоположения и могут не совпадать. Расчеты и эксперименты показали, что для расширения области однородности магнитного поля в магнитной системе мини-магниты в пластине целесообразно располагать с нарастанием магнитного момента от центра к периферии, при этом отношение значений магнитных моментов центрального мини-магнита и краевого должно составлять величину из интервала 0,99-0,65. Осуществить такое распределение на монолитной (цельной) магнитной пластине невозможно.

Соответствие намагниченности каждого мини-магнита расчетному значению контролируется с погрешностью ±0,2%, что позволяет изготовить пару наборных магнитных пластин практически идентичными и избежать неопределенности в распределении намагниченности, реально существующей в объеме монолитных магнитных пластин. Снижение степени однородности, связанное с погрешностью в определении намагниченности каждого мини-магнита в магнитных пластинах, устраняется с помощью полюсных наконечников. Как показали эксперименты, их толщина не должна превышать 0,05 от их длины, иначе результат расположения мини-магнитов с нарастанием магнитного момента от центра к периферии нивелируется, и требуемой однородности и напряженности поля не достигается. На практике в аналогичных магнитных системах толщина полюсных наконечников намного превышает эту величину.

Была изготовлена магнитная система с габаритными размерами 140х140х85 мм³, массой 9 кг, величиной воздушного зазора 17 мм, индукцией магнитного поля 332,4 мТ и однородностью ≈10^-4 в объеме 24х24х9 мм³. Замкнутый магнитопровод сформирован двумя несущими пластинами размером 140х140х10 мм³ из магнитомягкой стали (Ст 10) и четырьмя трехгранными призматическими стойками высотой 65 мм с поперечным сечением прямоугольного равнобедренного треугольника (длина катета 45 мм) также из магнитомягкой стали. Стойки размещены по углам несущих пластин и скреплены винтами. Магнитные пластины 59,5х59,5х10 мм³ представляли собой 49 склеенных боковыми гранями одинаковых призматических квадратного сечения мини-магнитов размером 8,5х8,5х10 мм³ из сплава Nd-Fe-B, расположенных так, что их одноименные полюсные грани образовывали стороны этих пластин. К разнополюсным сторонам пластины были приклеены полюсные наконечники размером 59,5х59,5х2 мм³ из армко-железа, а к противоположным - крепежные пластины размером 59,5х59,5х10 мм³ из магнитомягкой стали. Образовавшийся блок (полюсный наконечник + магнитная пластина + крепежная пластина) жестко соединен с помощью винтов с несущей пластиной с разворотом в плоскости соприкосновения на угол 45^o. Ориентация векторов намагниченности во всех мини-магнитах была одинакова и параллельна боковым граням призм (вдоль стороны 10 мм). Мини-магниты были расположены в магнитных пластинах в соответствии с их магнитной индукцией в свободном состоянии (1,13 Т для 24 краевых и 0,734 Т - для остальных 25 мини-магнитов). Погрешность измерения и установки величины магнитной индукции мини-магнита составляла ±0,2%. Для коррекции топологии поля в зазор между стойками и несущими пластинами введены юстировочные прокладки из никелевой или железной фольги толщиной 0,05 мм (от 1 до 5 шт.), а на полюсные наконечники наклеены рамочные шиммы.

Графики зависимостей напряженности магнитного поля (z-компонента) в такой системе вдоль координатных осей x, y (кривая 1) и z (кривая 3) приведены на фиг. 3. Там же для сравнения показана эта зависимость вдоль оси x у прототипа (кривая 2). По оси ординат отложены значения напряженности магнитного поля, умноженные на магнитную проницаемость вакуума в миллитеслах (мТ), а по оси абсцисс - расстояния от геометрического центра воздушного зазора до точки измерения вдоль осей в миллиметрах (мм). Как видно из графиков, изготовленная в соответствии с настоящим изобретением магнитная система создает почти в три раза большее по напряженности магнитное поле (332,4 мТ против 132,4 мТ для прототипа) и имеет большую протяженность области высокой его однородности (уровень однородности 10^-4 вдоль осей x, y сохраняется на расстоянии 24 мм, тогда как у прототипа ≈16 мм). Высокая однородность поля вдоль z - оси сохраняется на расстоянии 9 мм.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет упростить конструкцию магнитной системы (путем исключения корректирующих катушек), увеличить напряженность создаваемого магнитного поля, расширить область его однородности, снизить габариты и массу магнитной системы, сделать ее более универсальной и удобной в работе (возможно применение в ЭПР и ЯМР-спектроскопии, в качестве стандартного образца (меры) напряженности поля и т.п.), а также при необходимости полностью энергонезависимой.

Использование в устройствах для получения однородного постоянного магнитного поля, в малогабаритных магнитных системах, используемых в приборах ЯМР- и ЭПР-спектроскопии. Технический результат заключается в снижении габаритов и массы системы, расширении области однородности создаваемого магнитного поля и увеличении его напряженности, упрощении конструкции за счет исключения необходимости в корректирующих катушках, повышении удобства в работе путем облегчения доступа к рабочему зазору. Магнитная система содержит заключенные в замкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала две установленные параллельно друг другу с образованием воздушного зазора магнитные пластины. Они выполнены наборными из жестко соединенных между собой постоянных магнитов. Каждый из них имеет фиксированное соответствующее расчетному значениe магнитного момента и местоположение в пластине в зависимости от него. С одной стороны магнитные пластины жестко соединены с магнитопроводом, в частности посредством крепежной пластины, с другой - с полюсным наконечником в форме пластины, толщина которой составляет не более 0,05 ее длины. Исходные магниты расположены с нарастанием величины магнитного момента от центра к периферии. При этом отношение магнитных моментов центрального и краевого магнитов равняется числу их диапазона 0,99-0,65. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитная система, содержащая заключенные в замкнутый магнитопровод из магнитомягкого материала две установленные параллельно друг другу магнитные пластины из магнитотвердого материала, одни стороны которых снабжены полюсными наконечниками из магнитомягкого материала и обращены друг к другу с образованием воздушного зазора, а противоположные стороны соединены с магнитопроводом, отличающаяся тем, что магнитные пластины выполнены наборными из жестко соединенных между собой постоянных магнитов, каждый из которых имеет фиксированное соответствующее расчетному значение магнитного момента и местоположение в пластине в зависимости от него, а полюсной наконечник выполнен в форме пластины, толщина которой составляет не более 0,05 ее длины, и жестко соединен с магнитной пластиной. 2. Магнитная система по п. 1, отличающаяся тем, что магниты расположены с нарастанием магнитного момента от центра пластины к периферии, при этом отношение значений магнитных моментов центрального магнита и краевого составляет 0,99-0,65. 3. Магнитная система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что магнитопровод выполнен в виде двух жестко соединенных четырьмя стойками несущих квадратных пластин из магнитомягкого материала, образующих жесткий каркас, причем несущие пластины расположены параллельно магнитным пластинам, выполненным также в форме квадрата, развернуты по отношению к ним на угол 45° и жестко соединены с ними. 4. Магнитная система по п.3, отличающаяся тем, что между стойками и одной из несущих пластин размещены юстировочные прокладки из магнитомягкого материала.