Источник поляризующего магнитного поля для радиоспектрометрической аппаратуры Советский патент 1991 года по МПК G01N24/10 

1

(21)4484769/25

(22)20.09.88

(46) 15.05.91. Бюл. № 18

(71)Белорусский государственный университет им. В.И.Ленина

(72)В.А.Коробов, В.Н.Линев и В.А.Муравский

(53) 538.153 (088.8)

(56)Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М«: Наука, 1964, с. 54.

Электромагниты ER070, ER071, ER073, ER077. Проспект фирмы Брукер на спектрометры ЭПР серки ER, 1982,

(54) ИСТОЧНИК ПОЛЯРИЗУЮЩЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ РАДИОСПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

(57)Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при создании источников поляризующего магнитного поля с высокой однородностью для спектрометров магнитного резонанса. Целью является увеличение размера рабочей области. В данном источнике поляризующего магнитного поля намагничивающие катушки формируют в ярме и полюсах магнита магнитный поток, распределение которого в полюса-х корректируется магнитными шиммами, расположенными в области сопряжения полюсов с ярмом и выполненными в виде осесимметричных выемок. Однородное магнитное поле формируется в зазоре при рассеянии неоднородного по плотности магнитного потока. Варьируя глубину и диаметр выемок, подбирают необходимую величину коррекции распределения магнитного потока. 5 ил.

О

ш

(л

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при создании источников поляризующего магнитного поля с высокой однородностью для радиоспектрометров электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонансов, в первую очередь при создании малогабаритных источников, имеющих малые размеры межполюсного зазора.

Цель изобретения - увеличение размера рабочей области магнитного поля.

На фиг.1 представлена конструкция источника поляризующего магнитного поля; на фиг. 2 - выемка цилиндрической формы; на фиг. 3 - то же, в форме двух составленных цилиндров; на

фиг.4 - то же, цилиндрической формы внутри ярма магнитопровода; на фиг. 5 - конфигурация магнитного поля в межполюсном зазоре источника поляризующего магнитного поля без магнитных шиммов, с магнитными шиммами диаметром 35 мм и толщиной 2 мм и с магнитными шиммами диаметром 35 мм и толщиной 4 мм.

Источник поляризующего магнитного поля для радиоспектрометрической аппаратуры (фиг.1) содержит магнито- провод из ярма 1 и двух полюсов 2, лицевыми поверхностями 3 образующих межполюсной зазор 4, и намагничивающие катушки 5, формирующие магнитный ноток в магнитопроводе. В области

0

:о

;о

со

сопряжения полюсов с ярмом внутри каждого из полюсов 2 выполнены одинаковые соосные выемки 6 осесиммет- ричной формы, причем диаметр выемок 6 определяется диаметром зоны однородного магнитного поля в межполюсном зазоре 4 а глубина выемок 6 выбрана по максимуму коррекции распределения магнитного потока в меж- полюсном зазоре 4. Выемки 6 расположены вблизи плоскости 7 сопряжения полюсов 2 с ярмом У.

Однородное магнитное поле в межполюсном зазоре формируется следую- щим образом.

Намагничивающие катушки 5 создают намагничивающее магнитное поле,индуцирующее в магнитопроводе магнитный поток (для этого катушки 5 подключа- ются к источнику тока). Полюса 2 концентрируют магнитный поток в межполюсной зазор -4.

. Конфигурация магнитного поля в межполюсном зазоре 4 определяется распределением плотности магнитного потока на выходе из полюсов 2 и рассеянием магнитного потока в межполюсном зазоре 4.

Достижение высокой однородности магнитного поля в межполюсном зазоре 4 обеспечивается специальной формой магнитопровода, при которой обеспечивается коррекция распределения магнитного потока, поступающего в за зор 4 из полюсов 2. Однако элементы коррекции распределения магнитно- го потока в предлагаемом устройстве выполнены за пределами межполюсного зазора 4 (в области сопряжения полюсов 2 с ярмом 1) и представляют собой соосные выемки осесимметричной формы в каждом из- полюсов 2.

Корректирующее действие выемок 6

-проявляется следующим образом.

Расположенные в области сопряжения ярма 1 и полюсов 2 выемки б, выполненные осесимметричными,существенно влияют на формирование распределения магнитного потока в полюсах 2. При наличии выемок 6 поворот вектора магнитного потока на входе из ярма 1 в полосы 2 происходит на большем расстоянии от оси полюсов 2, чем при отсутствии выемок 6. В результа- те в большом объеме полюсов 2 формируется неоднородное распределение плотности магнитного потока: по оси полюсов 2 наблюдается минимум плот

5

0

5

о е 0

5

п

ности магнитного потока, а вблизи края полюсов 2 - максимум.

Глубина выемок 6 определяет величину создаваемой неоднородности маг- , нитного потока., т.е. разности между максимальным и минимальным значением iплотности магнитного потока соответственно на краю и по оси полюсов 2; чем больше глубина выемок 6, тем больше и неоднородность магнитного потока в полюсах 2. Диаметр выемок 6, в свою очередь, задает положение максимума плотности магнитного потока в по- люсах 2; чем больше диаметр выемок 6, тем дальше от оси и ближе к наружной поверхности полюсо-в 2 концентрируется магнитный поток.

Неоднородный магнитный поток, сформированный с помощью выемок 6 в полюсах 2, поступает в межполюсной зазор 4, где в результате рассеяния потока на краях зазора 4 его неоднородное распределение выравнивается.

Таким образом, в предлагаемом устройстве распределение магнитного поля в м.ежполюсном зазоре 4 определяется двумя эффектами: неоднородным распределением поступающего в межполюсной зазор 4 магнитного потока и рассеянием магнитного потока на краях зазора 4. Однородное распределение магнитного поля в межполюсном зазоре 4 обеспечивается только при взаимной компенсации этих эффектов.

В предлагаемом устройстве неоднородное распределение магнитного потока формируется во всем объеме полюсов 2, что позволяет компенсировать эффект рассеяния в значительно большем объеме зазора 4 и за счет этого увеличить размеры рабочей области магнитного поля.

Размеры рабочей области магнитного поля по отношению к известному устройству увеличиваются также за - счет удаления из межполюсного зазора 4 элементов коррекции магнитного поля (шкммов).

Очевидно, что высокая пространственная однородность магнитного поля может быть получена только при точном соответствии функции распределения магнитного потока в полюсах 2 я функции рассеяния магнитного потока в межполюсном зазоре 4: плотность маг НИТЙОРО потока в полюсах 2 увеличивается в радиальном направлении

от оси к его внешней повеьхгос г , а эффект рассеяния проявляется в уменьшении плотности магнитного потока от оси к краю рабочего зазора 4. Эти факторы должны точно компенсировать друг друга.

Необходимое соответствие функций распределения и рассеяния достигается за счет выбора оптимального диаметра и глубины выемок 6: диаметр выемок влияет на форму распределения магнитного потока в полюсах 2, а глубина выемок - на величину вносимой ими неоднородности распределения магнитного потока.

В процессе настройки источника4 магнитного поля определяют оптимальные размеры выемок 6, варьируя их глубину и диаметр и контролируя распределение магнитного поля в межполюсном зазоре 4. При этом диаметр выемок 6 выбирают исходя из диаметра зоны получаемого однородного ма:- нитного поля в зазоре 4, а глубину выемок определяют по максимуму коррекции магнитного поля в межполюсном зазоре 4 (по максимальному размеру зоны однородного магнитного поля).

На фиг.2-4 приведены варианты конструктивного выполнения шиммов в источниках магнитного поля; на фиг«2 показана выемка цилидцричес- кой формы; на фиг, 3 - выемка в ферме двух составленных цилиндров различного диаметра и толщины,что позволяет проводить поэтапную (сначала грубую, затем - точную) настройку источника магнитного поля;на фиг.4 - цилиндрическая выемка внутри ярма о магнитопровода.

Устройство особенно эффективно для малогабаритных источников поляризующего магнитного поля, имеющих малые размеры межполюсного зазора, в которых затруднено использование магнитных шиммов внутри азора.

Предлагаемое техническое решение апробировано при создании источника поляризующего магнитного поля для малогабаритного радио спектрометра ЭПР РЭМ-1033. Магнитопровод и полюсы источника магнитного поля выполнены из магнитомягкого материала типа АРМКО. Длина полюсов 60 мм, диаметр полюсов 70 мм, диаметр лицевых поверхностей полюсов 58 мм, межполюсной зазор 12 мм. Источник обеспечивает относительную однородность магнит

ного Р объеме 35x4 мм2, диапазон магнитных полей 0,02 - 0,7 Тл.

На фиг.5 приведены конфигурации магнитного поля в мехполюсном заяо- ре разработанного источника поляризующего магнитного ноля без выполнения полостей в местах сопряжения по- 10 люсов с ярмом магнитопровода (кривая 8) и с полостями размером 35x2 мм2- (кривая 9) и 35x4 мм2 (кривая 10). При отсутствии полостей происходит неоднородное распределе- 15 ние магнитного поля в межполюсном зазоре, что определяется преобладанием эффекта рассеяния магнитного потока (кривая 8). Полости с размерами 35x2 мм2 являются оптимальными 20 магнитное поле имеет однородное распределение (кривая 9). Полости с размерами 35x4 мм 2. обеспечивает слитком большую неоднородность магнитного потока в полюсах, поэтому наблюдают25 ся перекомпенсация рассеяния и неоднородное распределение магнитного поля в межполюсном зазоре (кривая 10).

Как видно из приведенных зависимостей, диаметр зоны однородного маг30 нитного поля составляет приблизительно 3/5 от диаметра лицевой поверхности полюсов. Формула изобретения

Источник поляризующего магнитного поля для радиоспектрометрической аппаратуры, включающий магнитопровод, состоящий из ярма и двух полюсных наконечников, лицевыми поверхностями образующих межполюсной зазор, и намагничивающие катушки, формирующие магнитный поток в магнитопроводе, о т л t-i чающий ся тем, что, с целью увеличения размера рабочей области магнитного поля, полисные

45 наконечники выполнены с длиной,меньшей длины выравнивания плотности магнитного потока, в области сопряжения полюсных наконечников с ярмом в каждом из полюсных наконечников в ярме

50 выполнены одинаковые соосные выемки осесимметричной формы, причем диаметр выемок соответствует максимальному диаметру зоны однородности магнитного поля в межполюсном зазоре, а глу55 бина выемок соответствует разности между максимальным и минимальным значениями плотности магнитного потока соответственно на краю и по оси .полюсных наконечников.

35

40

6

мм

Г

т.

Р

Фиг 2

Фиг. 1

Фиг 3

Фиг 4

90

///////////////////

ьВ,к7л

XtM

30

so

Фиг 5