Магнитная система для удержания плазмы в резонансном ионном источнике циклотрона Советский патент 1992 года по МПК H01F7/02 

Изобретение относится к электротехнике, точнее к магнитной системе из постоянных магнитов в ионном источнике. Она может применяться в ионных источниках циклотронов резонансного типа для удержания плазмы или пара, газа.

Известна магнитная конструкция для удержания плазмы з счет формирования магнитной индукции в радиальном направлении с помощью постоянных магнитов. Шесть постоянных магнитов в виде брусков, создающих радиальное шестиполюсное магнитное поле, крепятся наружными полюсами за счет сил притяжения на внутреннюю поверхность цилиндра из магнитомягкого материала. Такая конструкция позволяет существенно сократить длину постоянных магнитов, формирующих поле (пятикратная экономия ферромагнитного материала). Кроме того, увеличивается величина магнитной индукции в рабочем объеме магнитной системы до 0,55 Тл.

К недостаткам этой конструкции следует отнести низкую однородность поля в рабочем объеме магнитной системы, которая определяется технологическим разбросом свойств постоянных магнитов. Максимальная неоднородность осевого поля наблюдается вблизи торцов магнитной системы, объясняется краевыми эффектами.

Известна конструкция магнитной системы, состоящая только из магнитотвердого материала и представляющая собой п-гран- ный цилиндр, состоящий из п прямоугольных в сечении участков с радиальным намагничивай нем с чередующейся полярностью и п сегментных участков с тангенциальным намагничиванием. Первый тип участков - полюсные магниты, второй - межполюсные; они располагаются в промежутках между полюсными участками. Устройство предназначено для формирования радиального шестиполюсного магнитного поля во внутреннем рабочем объеме п-гран- ного цилиндра. Это устройство отличается введением в конструкцию сегментных участков с тангенциальным намагничиванием. За счет этого достигается повышение односл

с

VJ

N

00

со

родности осевого поля в рабочем объеме устройства, главным образом, в его средней части. Кроме этого, увеличивается абсолютное значение поля.

Однако эта конструкция не позволяет устранить неоднородность осевого поля на краях магнитной системы.

Целью изобретения является повышение однородности поля вдоль оси магнитной системы у ее торцов.

Поставленная цель достигается за счет дополнительного введения в магнитную систему для удержания плазмы в резонансном ионном источнике циклотрона, представляющую собой граненый цилиндр с n-гранны внутренним отверстием и состоящую из п полюсных прямоугольных в поперечном сечении цилиндра участков и п межполюспых треугольных в поперечном сеченииучзстков, причем полюсные участки намагничены радиальнс с чередующейся полярностью, а межполюсные участки намагничены тангенциально с чередующейся полярностью так, что полюс каждого полюсного участка, направленный к оси цилиид- ра, совладает с одноименными полюсами межпол.юскых участков, прилегающих к его граням, двух мозаичных колец, расположенных соосно на торцах цилиндра и имеющих внутреннее отверстие, .совпадающее с п- гранным внутренним отверстием цилиндра, а внешний дияметр не больше внешнего диаметра цилиндра, причем каждое кольцо состоит из Зл высококоэрцитивных постоянных магнитов, У,З которых п имеют прямо- угольное сеченке и установлены соответственно на полюсных участках магнитной системы, а 2п имеют треугольное сечение и расположены по два между п прямоугольными участками, при этом каждый из участков мозаичных колец намагничен под углом 45° к оси намагниченности соответствующего участка магнитной системы так, что проекция вектора намагниченности каждого участка кольца на ось намагничен- ности соответствующего участка магнитной системы совпадает с ней по направлению.

Кроме того, намагниченность и коэрцитивная сила магнитотвердого материала мозаичных колец не ниже, чем у материала магнитной системы.

На чертеже приведена конструкция магнитной системы для удержания плазмы в резонансном ионном источнике циклотрона.

Граненый цилиндр, состоящий из по- люсных 1 и межполюсных 2 участков и мозаичное кольцо 3 (на чертеже приведена только одна симметричная часть магнитной системы), состоящее из п полюсных 4,5,6,7,8,9 и 2п межполюсных участков.

Мозаичные кольца 3 установлены на торцах n-гранного цилиндра (магнитной системы) таким образом, что их внутренние отверстия совпадают, а полюсные участки мозаичных колец 4,5,6,7,8,9 лежат на полюсных участках 1 магнитной системы, соответственно межполюсные - на межполюсных участках системы.

Ориентация намагниченности всех участков мозаичных колец под углом 45° к осям камагниченностей соответствующих участков магнитной системы, например, намагниченность полюсного участка мозаичного кольца направлена под углом 45° к намагниченности полюсного участка магнитной системы, причем проекция вектора намагниченности мозаичного кольца совпадает по направлению с намагниченностью полюсного участка магнитной системы, тем самым усиливается радиальная составляющая поля у торцов магнитной системы. Ана- ло1ично влияние двух межполюсных участков мозаичных колец. В результате усиления радиальной составляющей поля вдоль оси магнитной системы у ее торцов однородность магнитного поля повышается.

Изменение направления намагниченности, отличного от угла 45° к оси намагни- чивания соответствующих участков магнитной системы, приводит к уменьшению эффективности мозаичных колец, а именно, того же эффекта можно добиться большим расходованием магнитотвердого материала, т.е. при большей толщине колец. В широком диапазоне размеров магнитной системы толщина колец определяется не более 5-10 мм, Это объясняется слабым влиянием геометрии мозаичного кольца на рабочую точку его участков. Это же относится и к диаметру мозаичного кольца, поэтому увеличение его больше, чем диаметр магнитной системы, смысла не имеет.

Выбор магнитотвердого материала мозаичных колец также обусловлен эффективностью их использования, а именно, чтобы при минимальной толщине кольца, величина проекции вектора намагниченности на ось намагниченности соответствующего участка магнитной системы была не меньше величины вектора намагниченности радиальной или тангенциальной, соответственно полюсного и межполюсного участков магнитной системы. Так например, если магнитная система изготовлена из сплава КС37, то материал мозаичных колец может быть КС37, -КС37А, Nd-Fe-B и т.д., зсли магнитная система выполнена из Nd-Fe-B, то материал мозаичных колец может быть Nd- Fe-B, КС25.

Чтобы реализовать предлагаемую магнитную систему, необходимо изготовить ее полюсные участки в виде призм, а также межполюсные участки в виде сегментов. За- тем собрать эти участки в виде граненого цилиндра. Причем перед сборкой необходимо намагнитить полюсные участки в радиальном направлении, сегментные - в тангенциальном. В рабочем внутреннем пространстве этой системы формируется п- полюсное радиальное поле. Причем радиальная составляющая этого поля неоднородна, особенно вблизи ееторцов на длине до 20 мм от края за счет краевых эффектов, т.е. за счет рассеивания поля на краях магнитной системы.

Мозаичные кольца собираются из двух типов постоянных магнитов: в виде призм и в виде треугольных в сечении магнитов, которые можно получить порезкой из призматических магнитов. Причем исходные заготовки постоянных магнитов имеют направление намагниченности под углом 45 к их плоским граням, которыми они соприкасаются с торцами магнитной системы. От- дельные участки мозаичного кольца собираются вместе по схеме, указанной на чертеже, и кольца устанавливаются на тор- цах магнитной системы. В результате происходит увеличение радиальной и тангенциальной составляющих намагниченности магнитной системы, улучшается однородность магнитного поля вблизи тор- цов системы. Так например, если магнитная система и мозаичные кольца изготовлены из магнитотвердого материала Nd-Fe-B, то неоднородность поля сохраняется не более, чем на длине 3-5 мм от края. Таким образом, достигается положительный эффект в конструкции магнитной системы, а именно, повышается однородность поля вдоль оси магнитной системы у ее торцов, т.е. действие краевого эффекта охраняется на значи- тельно меньшем расстоянии (4-6 раз).

Формула изобретения

1Магнитная система для удержания плазмы в резонансном ионном источнике циклотрона, представляющая собой граненый цилиндр с n-гранным внутренним отверстием и состоящая из п-полюсных прямоугольных в поперечном сечении цилиндра участков и n-межполюсных треугольных в поперечном сечении участков, причем полюсные участки намагничены ра- диально с чередующейся полярностью, а межполюсные участки намагничены тангенциально с чередующейся полярностью так, что полюс каждого полюсного участка, направленный к оси цилиндра, совпадает с одноименными полюсами межполюсных участков, прилегающих к его граням, отличающаяся тем, что, с целью повышения однородности поля вдоль оси магнитной системы у ее торцов, она дополнительно содержит два мозаичных кольца, расположенных соосно на торцах цилиндра и имеющих внутреннее отверстие, совпадающее с n-гранным внутренним отверстием цилиндра, а внешний диаметр не больше внешнего диаметра цилиндра, причем каждое кольцо состоит из Зп высококоэрцитивных постоянных магнитов, из которых п имеют прямоугольное сечение и установлены соответственно на полюсных участках магнитной системы, а 2п - имеют треугольное сечение и расположены по два между п прямоугольными участками, при этом каждый из участков мозаичных колец намагничен подуглом45 коси намагниченности соответствующего участка магнитной системы так, что проекция вектора намагниченности каждого участка кольца на ось намагниченности соответствующего участка магнитной системы совпадает с ней по направлению

2Магнитная система по п. отличающаяся тем, что намагниченность и коэрцитивная сила магнитотвердого материала мозаичных колец не ниже, чем у материала магнитной системы.

Изобретение относится к магнитным системам на постоянных магнитах. Сущность изобретения: магнитная система содержит два дополнительных мозаичных кольца из анизотропных высококоэрцитивных постоянных магнитов, состоящих из 2/3 п штук участков с направлением оси легкого намагничивания под углом 45е к оси легкого намагничивания на полюсных и межполюсных объемах устройства и противоположно им направленных. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.