Магнитная линза Советский патент 1979 года по МПК H01J23/08 

(54) МАГНИТНАЯ ЛИНЗА

1

Изобретение относится к электронике,в частности, к электронным магнитным линзам, выполненным на постоянных магнитах, создающих на своей оси магнитное поле, изменяющееся по периодическому закону-Линзы могут найти применение в электронной микроскопии, ускорителях заряженных частиц и электровакуумных приборах для формирования и стабилизации протяженных потоков заряженных частиЦ;.-«и.-

Известны экранированные магнитные линзы для создания на оси одного периода синусоидального периодического магнитного поля, содержащие не менее двух кольцевых магнитов, намагниченных аксиально навстречу друг другу, с магнитномягкими дисковыми полюсными наконечниками, имеющими наружный диаметр, равный наружному диаметру полюсов магнитов 1.

Однако, для создания одного периода синусоидального магнитного поля в таких линзах необходимо наличие двух кольцевых магнитов.

Известна также магнитная линза, содержащая по крайней .мере один, помещенный в трубчатый магнитномягкий экран, блок

из расположенных соосно с экраном аксиальнонамагниченного кольцевого магнита и дисковых полюсных наконечников с отверстием,соосным с отверстием кольцевого магнита, установленных вплотную к полюсным торцам магнита и имеющих равные им наружные диаметры и кольцевую ступицу, диаметр отверстия которой равен диаметру отверстия полюсного наконечника, а наружными размер равен диаметру отверстия кольцевого магнита 2.

В таких линзах возможности аксиальнонамагниченных кольцевых магнитов по созданию периодического поля вдоль оси используются не полностью.

Магнитные потоки за торцами колец, имеющие обратное направление по сравне5нию с потоком в центральной части кольцевого магнита, не используются. Для создания одного периода в распределении поля на оси таких линз необходимо применение двух кольцевых магнитов. Магнитномягкий

0 экран приводит к существенному уменьшению амплитудного значения магнитной индукции на оси линзы по сравнению с неэкранированным вариантом за счет возникновения дополнительных потоков рассеяния.

:;-,U.,. J -i--. v-либо приводит к значительному увеличению габаритов и веса магнитной линзы.

Цель предлагаемого изобретения - увеличение напряженности магнитного поля в каждом из его максимумов на оси линзы и yjvieH buieHHe веса, линзы. Для этого кольцевой магнит выполнен в виде усеченного конуса, размер большего основания которого равен внутреннему диаметру экрана, ступицы полюсных наконечников выполнены конусообразными и расположены с одной стороны полюсных наконечников, так, что ступица большего полюсного наконечника входит в отверстие магнита, выполненное также конусообразным, а ступица меньшего полюсного наконечника выполнена со стороны наконечника, неконтактирующей с магнитом, кроме того, на торце экрана установлена соосно магниту магнитномягкая диафрагма,с центральным отверстием, диаметр которой равен диаметру экрана, имеюшая одностороннюю ступицу, расположенную со стороны, обращенной к магниту.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемой экранированной магнитной линзы на основе одного кольцевого аксиальнонамагниченного .магнита для создания двухполупериодного магнитного поля, продольное сечение; на фиг. 2 - вариант выполнения магнитной линзы для создания многопериодного магнитного поля, близкого к синусоидальному распределению с равными амплитудами, продольное сечение; на фиг. 3 - вариант сборки магнитных линз на фиг. 1 в магнитную систему для создания многопериодного синусоидального магнитного поля равной и большей амплитуды, когда две магнитные линзы зеркально симметрично соединены между собой одноименными полюсами магнитов через полюсньш наконечник, продольное сечение; на фиг. 4 - вариант выполнения магнитной системьг, состоящей из комбинации магнитных линз на фиг. 1 и 3, для создания многопериодного синусоидального магнитного поля равной амплитуды, продольное сечение.

Простейший вариант предлагаемой линзы (фиг. 1) состоит из кольцевого магнита 1, выполненного в виде двойного усеченного конуса с внутренним и наружным диаметрами, уменьшающимися к центру линзы, дисковых полюсных магнитномягких наконечников 2 и 3, установленных у торцов (совпадающих с полюсами) магнита 1 и имеющих равные им наружные диаметры и односторонние ступицы, магнитномягкой диафрагмы 4 с центральным отверстием, соединенной с магнитномягким экраном-магнитопроводом 5. Часть магнитного потока с полюса, примыкающего к наконечнику 2 (на фиг. 1 полюс N), через экран 5 подводкгтся к днафрагме 4, чему способствует равенство большого диаметра магнита 1 и внутреннего диаметра экрана 5. Этот поток передается в за661642

зор 6 между диафрагмой 4 и наконечником 3, где егд направление является обратным направлению рабочего магнитного потока в зазоре между наконечниками 2 и 3.

Форма маг.нита позволяет наиболее полно использовать его материал для увеличения полезных рабочих потоков в рабЬчем канале линзы за счет приближения одного из полюсов магнита (на фиг. 1 полюса N) к магнитопроводу из экрана 5 и диафрагмы 4, а также резкого уменьшения потока рассеяния между ступицей полюсного Наконечника 2 и торцовой частью соседнего наконечТкика 3, так как возможность рассеяния в этот зазор блокирована внутренним выступом магнита 1 и, кроме того, за счет образования зазора 7 между вторым полюсом магнита 1 (на фиг. 1 полюс S), а также наружным диаметром закрывающего его наконечника 3 и магнитопроводом-экраном 5, что существенно снижает поток рассеяния между магнитом 1, наконечником 3 и экраном 5.

Наилучшее использование материала магнита для создания рабочих магнитных потоков в осевом канале линзы обеспечивается также за счет того, что ступица полюсного наконечника 3, направлена только к центру линзы, чем упрощается переброска рабочего магнитного поля в пустую ячейку линзы, внутренние диаметры полюсных наконечников 2 и 3 равны наименьшему диаметру кольцевого магнита 1, чем обеспечивается наибольщее приближение активного магнитнотвердого материала к рабочему каналу линзы, диафрагма 4 соединена с экраном 5 и имеет ступицу, направленную только к центру магнитной системы, чем обеспечивается концентрация магнитного поля в лишенной магнитов ячейке линзы.

Форма кольцевого магнита 1, при которой, часть торца с большим наружным диаметром расположена вплотную с экраноммагнитопроводом 5, а торецменьшего диаметра отстоит от экрана 5 на оптимальное, согласно экспериментальным данным., расстояние, лежащее в интервале от 2/3 до 3/4 больщего наружного диаметра магнита, позволяет подвести максимально возможный магнитный потенцидл к диафрагме 4 и создать периодическое поле с максимальной амплитудой в каждом полупериоде.

Простота настройки предлагаемой линзы на требуемое распределение магнитной индукции на оси обеспечивается возможностью смешения наконечника 2 вместе с магнитом 1 и соединенньш с ним наконечником 3 и диафрагмы 4 вдоль экрана 5, не теряя с ним магнитного контакта, например, по резьбе в экране 5 и на наружных диаметрах дисков наконечника 2 и диафрагмы 4. При этом изменяется зазор 6 и перераспределяются магнитные потоки в рабочем канале линзы. Предлагаемые решения магнитной экранированной линзы могут быть использованы и для создания многопериодных магнитных периодических фокусирующих систем для стабилизации потоков заряженных частиц на значительной длине. При сочетании серии линз создается система с малым заполнением периода магнитнотвердым материалом: .непрерывное периодическое распределение магнитной индукции на оси создается в них за счет полезного использования полей рассеяния магнитов. Один из простых вариантов магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС) (фиг. 2) состоит из набора содержащего конструкцию, типа показанной на фиг. 1, дополненную аналогичными блоками, из магнита 1 с полюсными наконечниками 2 и 3, имеющими такую же полярность торцовых сторон, как и предыдущий магнит, и расположенными за полюсным наконечником 2 с больщим наружным диаметром с зазором по отношению к нему. При этом магнитномягкий экран 5 на всем протяжении конструкции объединяет все одинаковые полюса. Перемещением магнита 1 совместно с наконечниками 2 и 3 по резьбе в экране 5 можно изменять величину зазора 6 и таким образом подбирать оптимальное распределение магнитного поля как в каждом отдельном периоде образовавшейся системы, так и вдоль всей системы. Другой предлагаемый вариант МПФС (фиг. 3) состоит из набора зеркально симметрично соединенных между собой одноименными полюсами (полюс N на фиг. 3) через полюсный наконечник 8 конструкции, типа показанной на фиг. 1. Магнитномягкий экран 5 объединяет в образованной системе все одноименные полюса (полюса N на фиг. 3) и диафрагмы 4, на которые через него передается соответствующий магнитный потенциал (потенциал с полюса N на фиг. 3). , Таким образом может быть создано непрерывное распределение периодического магнитного поля с равными амплитудными значениями неограниченной протяженности. Для создания многопериодиого магнитного поля возможно использовать также МПФС (фиг. 4), образованную набором комбинаций конструкций, показанных на фиг. 1 и 3. В этом варианте системы полюсный йаконечник 2 с большим диаметром (фиг. 1) объединен с диафрагмой 4 в единую деталь 8, соединенную с экраном 5, после которой расположены два кольцевых магнита 1 с полюсными наконечниками 2 и 3 (фиг. 1) системы, показанной на фиг. 3. Вторая диафрагма 4 у конструкции, как на фиг. 1-, объединена с диафрагмой 4 следующей ячейки в единую деталь. Таким образом все торцы магнитов 1 с большим наружным диаметром, соответствующие конструкции, показанной на фиг. 1, имеют в системе (фиг. 4) полярнбсть (полюс N на фиг. 4), противоположную полярности (полюс S на фиг. 4) торца магнита с меньшим наружным диаметром. йагнитномягкий экран 5 (фиг. 4) объединяет в единую цепь все одноименные полюса (полюса N на фиг. 4) образованной системы; через экран 5 магнитный потенциал соответствующего знака (соответствующего полюсу N на фиг. 4) подается на свободную диафрагму системы (фиг. 4). Предлагаемые системы, обладая всеми преимуществами предлагаемой линзы (фиг. 1), выгодно отличаются от ранее известных систем, втом числе и с малым заполнением магнитнотвердым материалом, тем, что за счет новой формы магнитов и наконечников, в каждой отдельной линзе удается получить лучщую повторяемость распределения магнитной индукции в каждом полупериоде системы и имеется возможность регулировки распределения поля для сведения к минимуму краевых эффектов. Формула изобретения Магнитная линза, содержащая по крайней мере, один, помещенный в трубчатый магнитномягкий экран, блок из расположенных соосно с экраном аксиальнонамагниченного кольцевого магнита и дисковых полюсных наконечников с отверстием, соосным с отверстием кольцевого магнита, установленных вплотную к полюсным, торцам магнита и имеющих равные им наружные диаметры и кольцевую ступицу, диаметр отверстия которой равен диаметру отверстия полюсного наконечника, а наружный размер равен диаметру отверстия кольцевого магнита, отличающаяся тем, что, с целью увеличения напряженности магнитного поля, на оси линзы и уменьшения веса линзы, кольцевой магнит выполнен в виде усеченкого конуса, размер большего основания которого равен внутреннему диаметру экрана, ступицы полюсных наконечников выполнены конусообразными и расположены с одной стороны полюсных наконечников, так, что ступица большего полюсного наконечника входит в отверстие магнита, выполненное также конусообразным, а ступица меньшего полюсного наконечника выполнена, со стороны наконечника, неконтактирующей с магнитом, кроме того, на торце-экрана установлена соосно магниту магнитномягкая диафрагма с центральным отверстием, диаметр которой равен диаметру экрана, имеющая одностороннюю ступицу, расположенную со стороны, обращенной к магниту. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 2983840, кл. 315-3.5, 1961. 2.Патент США № 2841739, кл. 315-3.5, 1958.

1 5

Риг 5

6 7

9игЛ