Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности применения постоянных магнитов из сплавов редкоземельных материалов в электровакуумных приборах и вопросы проектирования и настройки магнитных систем ЭВП 11
1.1 Имеющиеся подходы к решению задачи оптимизации массогабаритных параметров магнитных систем ЭВП 11
1.2 Принцип оптимального намагничивания 13
1.3 Настройка параметров магнитного поля 17
1.4 Стабильность и однородность параметров магнитного поля 19
1.5 Цель и задачи работы 26
Глава 2. Методы проектирования оптимальных схем МС ЭВП 27
2.1 Метод проектирования магнитной системы без использования магнитомягкой арматуры на примере осесимметричной магнитной системы гиротрона 27
2.2 Метод проектирования магнитной системы с использованием магнитомягкой арматуры на примере отклоняющей магнитной системы спектрометра 45
2.3 Выводы 51
Глава 3. Разработка методики настройки магнитных систем ЭВП 52
3.1 Постановка задачи настройки параметров магнитного поля 52
3.2 Особенности способов частичного размагничивания постоянных магнитов из различных РЗМ 56
3.3 Метод настройки продольной составляющей магнитной индукции на оси каналов транспортировки 64
3.4 Выводы 71
Глава 4. Методы снижения поперечной составляющей магнитной индукции в каналах транспортировки электронных потоков ЭВП 71
4.1 Задачи исследования 71
4.2 Причины возникновения поперечной составляющей магнитной индукции на оси каналов транспортировки 73
4.3 Методы снижения поперечной составляющей магнитной индукции...81
4.4 Выводы 90
Глава 5. Примеры практически реализованных магнитных систем ЭВП ...91
5.1 Магнитная система гиротрона 91
5.2 Магнитная система лампы обратной волны (ЛОВ) 105
5.3 Модернизация двухреверсной магнитной системы клистрона 113
5.4 Разработка магнитной системы магнетрона 116
5.5 Практические рекомендации 117
5.6 Выводы 119
Заключение 119
Список литературы 121
Приложения 137
- Принцип оптимального намагничивания
- Метод проектирования магнитной системы с использованием магнитомягкой арматуры на примере отклоняющей магнитной системы спектрометра
- Метод настройки продольной составляющей магнитной индукции на оси каналов транспортировки
- Причины возникновения поперечной составляющей магнитной индукции на оси каналов транспортировки
Введение к работе
Актуальность темы
Для решения технических задач по транспортировке пучков
заряженных частиц в рабочих объемах электровакуумных приборов (ЭВП)
эффективно используются магнитные фокусирующие системы (магнитные
системы) с постоянными магнитами из редкоземельных материалов
(РЗМ). Потребительские качества и конкурентоспособность приборов с
применением постоянных магнитов значительно повышаются. Уникальные
характеристики ЭВП СВЧ диапазона позволяют использовать их для
различных задач современной промышленности. Несмотря на то, что
имеется множество специальной литературы, посвященной
проектированию, созданию и настройке магнитных систем из постоянных
магнитов, на практике специалисты, занимающиеся проектированием,
сборкой и настройкой магнитной системы для ЭВП зачастую сталкиваются
с отсутствием четко сформулированных методов реализации этих
процессов при построении магнитной системы ЭВП на основе постоянных
магнитов из РЗМ. Это особенно характерно для случаев использования в
магнитной системе ЭВП магнитов на основе NdFeB, в силу того, что
магниты на основе этого сплава являются сравнительно новым материалом
(широкое применение получил с 1985 года). В связи с этим возникает
необходимость пересмотра существующих моделей и методов
проектирования и настройки МС на предмет применимости к новым материалам постоянных магнитов.
Целью диссертационной работы было исследование существующих и разработка новых методик проектирования и настройки параметров поля, позволяющих более эффективно использовать материал магнитов, снизить время технологических операций настройки магнитных систем ЭВП, а так же повысить однородность и стабильность параметров магнитного поля осесимметричных магнитных систем ЭВП на основе секторных постоянных магнитов из сплавов РЗМ.
Задачи исследования:
Разработка методики проектирования МС ЭВП, позволяющей повысить эффективность использования РЗМ;
Создание моделей настройки продольной составляющей магнитной индукции в рабочих зазорах клистронов путем частичного размагничивания, позволяющих снизить время процесса;
Выработка обоснованных рекомендаций по обеспечению устойчивости и стабильности параметров магнитного поля в МС ЭВП на основе РЗМ;
Выявление причин возникновения и разработка методики снижения неоднородности распределения магнитного поля в рабочих зазорах ЭВП, в особенности в реверсньїх магнитных системах многолучевых клистронов;
Выработка практических рекомендаций по конструированию и настройке параметров магнитного поля магнитных систем различного типа ЭВП.
Методы решения поставленных задач.
При решении поставленных задач в настоящей работе использованы численные методы анализа стационарных магнитных полей, основанные на методе конечных элементов (МКЭ), реализованные в существующих на данный момент программных комплексах.
Экспериментальные исследования магнитного поля осуществлялись с использованием миллитесламетра ТПУ с допустимой относительной погрешностью измерений ±2%, установки автоматического контроля магнитных свойств ХШМ 1.150.001 с относительной погрешностью измерений ±1.5%, Для термостабилизация постоянных магнитов применялся термошкаф СНОЛ-4.0 со стабильностью поддержания температуры +1С. Частичное размагничивание постоянных магнитов производилось на импульсной установке частичного размагничивания «Мишень». Измерения гистерезисньгх свойств постоянных магнитов проводились на гистерезисграфе, имеющем относительную погрешность измерений по остаточной индукции и по коэрцитивной силе не более 3%.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Выработана, обоснована и подтверждена экспериментальными результатами методика проектирования МС ЭВП, построенная на сочетании принципа оптимального намагничивания и оптимизации геометрических параметров по критерию функциональности;
Предложен и практически использован способ модульной настройки МС типа МФС гиротрона, включая использование корректирующего модуля;
Выработана и практически применена на ряде МРФС клистронов обоснованная методика настройки продольной составляющей магнитного поля в рабочих зазорах МФС ЭВП, позволяющая существенно сократить длительность этой операции в условиях производства. Определены пределы применимости данной методики;
На основе результатов исследований новых явлений в процессе ЧР ПМ из Nd2Fei4B разработаны, обоснованы и подтверждены практическими результатами рекомендации по достижению однородности параметров магнитного поля осесимметричных МФС ЭВП при использовании секторных постоянных магнитов.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием обоснованных методов и алгоритмов расчетов магнитных систем ЭВП и подтверждена хорошим соответствием результатов расчетов, полученных при использовании различных программ, и результатов экспериментальных измерений, а так же результатами внедрения в промышленность опытных и промышленных образцов магнитных систем ЭВП различного типа.
Практическая значимость
Созданы новые более эффективные и научно обоснованные методики настройки МФС ЭВП, которые успешно внедрены в промышленное производство.
На основе созданных методик спроектированы, изготовлены и внедрены в производство МФС для таких ЭВП, как генератор лампы обратной волны, 24 ГГц гиротрон, магнетрон МИ-456, клистроны «Берег», «Артек», имеющие повышенные эксплуатационные характеристики.
Обнаружены новые, ранее не описанные явления при частичном размагничивании постоянных магнитов из сплава Nc^Fe^B, учет которых позволяет значительно повысить однородность параметров магнитного поля МС, построенных из отдельных магнитотвердых элементов.
Предложенные методики и выводы из проведенных в работе исследований могут использоваться для дальнейших разработок и совершенствования МС ЭВП.
Личный вклад автора. Выполнение либо активное участие во всех приведенных в работе расчетах и экспериментальных исследованиях, анализ полученных результатов. Разработка методик проектирования и настройки магнитных систем ЭВП, их практическая реализация. Разработка технологической оснастки для измерения параметров магнитного поля постоянных магнитов и магнитных систем ЭВП различного типа, сборочной оснастки. Непосредственное участие в процессах сборки и настройки МС ЭВП.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. XIV Международная конференция по постоянным магнитам, Суздаль,
22-26 сентября 2003 г.
2. Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и
прикладной
электронной и ионной оптики", ФГУП «НПО Орион», Москва 2007 г.
3. 28-е заседание Международного постоянно действующего научно-
технического семинара «Электровакуумная техника и технология», ФГУП
«НИИ ВТ им. Векшинского», Москва 2007 г.
4. VIII Международная научно-техническая конференция «Актуальные
проблемы электронного приборостроения». СГТУ, Саратов,2008 г.
Девятый Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», ФГУП «НПО Орион», г. Москва, 27 - 29 мая 2009 г.
XVI научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Сочи, 2009 г
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа: из них 4 статьи, 15 полных тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций, 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 122 наименований. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 3 таблицы. Приложения изложены на .3-х страницах машинописного текста.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод эффективного проектирования магнитных систем ЭВП,
построенный на совместном использовании принципа оптимального
намагничивания и оптимизации геометрических параметров по критерию
функциональности для сред с линейной и нелинейной магнитной
восприимчивостью.
2. Модульный подход к построению конструкций магнитных систем,
включая использование корректирующего модуля.
3. Упрощенный метод настройки в заданный уровень продольной
составляющей магнитной индукции осесимметричных магнитных систем
клистронов, основанный на использовании принципа суперпозиции с
учетом магнитного состояния входящих в систему элементов.
4. Метод снижения азимутальной неоднородности намагниченности
радиальных секций магнитных систем, заключающийся в учете, помимо
намагниченности, коэрцитивной силы отдельных магнитов, входящих в
секцию МФС, а также контроле полей рассеяния секций МФС в сборе.
Результаты экспериментальных исследований особенностей различных способов частичного размагничивания постоянных магнитов на основе Nd2Fei4B.
Примеры конструктивных решений и результаты измерений параметров магнитного поля магнитных систем многолучевых клистронов, магнетрона, технологического гиротрона, лампы обратной волны, получивших практическое применение, и подтверждающие эффективность разработанных методик.
Принцип оптимального намагничивания
Наибольший интерес в области синтеза магнитных систем представляет использование принципа оптимального намагничивания, позволяющий еще до расчета зримо представить основные особенности будущей системы.
В работах Герберга и Рабиновича [33, 34] был предложен метод синтеза МС с максимальным средним значением требуемой составляющей индукции поля в рабочем зазоре, сформулированы простые принципы их конструирования. Принцип оптимального проектирования основан на использовании теоремы взаимности и может быть выражен в виде следующего уравнения:где М - намагниченность, распределенная в области (и); Н- напряженность создаваемого ею магнитного поля; М - намагниченность в области (о ), создающая поле напряженностью Я .
Из теоремы взаимности вытекает соотношение (2)намагниченностью М0, создающий в элементарном объеме и 0 поле напряженностью dH при отсутствии намагниченности М ; dH - среднее значение составляющей вектора напряженности поля dH в направлении п.
Данная формула позволяет оценить среднее значениесоставляющей поля в области , порожденного элементом магнита do в среде с распределением восприимчивости %, при отсутствиинамагниченности М\ Величина " характеризует вклад в поле зазораэлемента магнита ио Непосредственно из формулы вытекает то, что вклад каждого элемента в поле системы максимален, когда постояннаянамагниченность элемента о направлена вдоль Н .
Принцип оптимального намагничивания сформулирован следующим образом:« Для получения наивысшего уровня заданных составляющих поля в зазоре, конфигурация намагничивания системы должна повторять конфигурацию поля рассеивания постоянного магнита, имеющего форму рабочего зазора и равномерно намагниченного в желаемом направлении. При этом рассеивание рассматривается в среде, распределение восприимчивости которой повторяет распределение дифференциальной восприимчивости материала системы и окружающего пространства».
Если переписать теорему взаимности в иной форме:то соотношение (2) примет вид: где іл\г - дифференциальная проницаемость jur в объеме (V0)
Формула (4), как и (2) может быть эффективно использована припроектировании систем из идеальных магнитов (х=0, =const) сзаданными деталями из магнитомягких материалов (%ф). Полученные зависимости справедливы для линейных сред, т.е.
Использование принципа оптимального намагничивания позволяет существенно сократить процесс определения схемы МС, обеспечивающей заданные параметры поля. Особенности применения принципа оптимального намагничивания для линейных и нелинейных сред при проектировании МС являются одной из задач настоящего исследования.
Полученную в результате реализации принципа оптимального намагничивания схему МС зачастую на практике точно реализовать затруднительно в силу имеющихся ограничений технологического характера. В силу этого, на основе полученной схемы МС с учетом имеющихся ограничений строится рабочая схема магнитной системы, геометрические параметры которой необходимо оптимизировать по ее функциональности. Здесь используются уже известные методики анализа и оптимизации. Найденное решение можно считать близким к оптимальному решению по массогабаритным показателям.
Как продолжение и дальнейшее развитие принципа оптимального намагничивания можно рассматривать труды Halbach a [35,36], а также работы Н.И. Клевца [37-40]. Интересно отметить, что, несмотря на то, что принцип оптимального намагничивания исследовался рядомавторов, в мировой литературе он известен в основном только в связи с именем К. Halbach a (т.н. «структуры Хальбаха»), например [41].
В настоящей работе на примере реализации магнитных систем гиротрона и отклоняющей магнитной системы ионного спектрометра, с целью получения близкого к оптимальному решения, описан комплексный подход к проектированию магнитных систем, заключающийся в сочетании принципа оптимального намагничивания с известными методами оптимизации.
Следующей стадией в создании МС ЭВП (после получения приемлемого решения схемы МС) является обеспечение требуемых параметров магнитного поля в рабочей области в процессе сборки и настройки магнитной системы. Современные ЭВП являются пакетированными изделиями, т.е. МС входит в состав прибора и имеет общие с ним узлы и элементы. Постоянный магнит, установленный в конструкцию МС, в отличие от электромагнита, не имеет возможности менять напряженность магнитного поля от нулевых значений до возможного максимума. На практике для пакетированных МС на основе ПМ из РЗМ, остаются два основных метода точной регулировки величины магнитного поля в рабочих каналах [42-44]. Увеличение амплитуды магнитной индукции производится за счет использования магнитопроводов из магнитомягких материалов, которые позволяют уменьшить магнитный поток рассеивания. Снижение амплитуды магнитной индукции производится за счет использования магнитомягких элементов — шунтов, которые частично замыкают полезный магнитный поток между полюсами магнита на себя, выводя его из рабочего зазора. Оба метода имеют ограничения. Так использование магнитопроводов позволяет увеличить амплитуду.
Метод проектирования магнитной системы с использованием магнитомягкой арматуры на примере отклоняющей магнитной системы спектрометра
Применение принципа оптимального намагничивания при проектировании магнитной системы с магнитомягкими элементами можно продемонстрировать также на примере разработки конструкции отклоняющей магнитной системы для ионного спектрометра.
В соответствие с условиями ТЗ проектируемая магнитная система должна была удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать в рабочем зазоре (вытянутый параллелепипед 13.5x48x140 мм) сильное поперечное магнитное поле (порядка 1 Тл) с достаточно высокими требованиями к однородности (степень неоднородности не более 5%). Габаритные размеры поперечного сечения разрабатываемой конструкции были ограничены окружностью радиуса 85 мм, а стоимость магнитной системы- не превышать определенную сумму. Предварительный анализ показал, что из-за ограничения стоимости конструкция магнитная система должна выполняться армированной, а ввиду ограничения габаритов существенное значение приобретает учет нелинейных свойств материала арматуры. Ограничение по стоимости постоянных магнитов учитывалось также выбором простого плоскопараллельного типа конструкции, магнитов и арматуры прямоугольных форм сечения, большого шага (90 градусов) допустимого изменения направления намагниченности магнитов по отношению к направлению требуемого поля и, главное, объемом используемых магнитов. Достижение необходимой степени однородности обеспечивалось применением плоских полюсных наконечников достаточного размера. Применение принципа оптимального намагничивания иллюстрирует рис. 2.11. На нем представлены результаты моделирования поля рассеяния фиктивного постоянного магнита (поз.1) в форме рабочего зазора магнитной системы. Магнит равномерно намагничен в направлении стрелки (поз.2) - орта направления составляющей индукции магнитного поля магнитной системы, которая максимизируется. Магнитная система армирована заданными полюсными наконечниками (поз. 3) и магнитопроводом (поз. 4). Область (поз.5) может быть занята магнитами.
Силовые линии поля рассеяния указывают оптимальное направление намагничивания магнитов в соответствующей точке. В случае, если используются магниты, намагниченные только вдоль осей координат, то они располагаются в той части области, где соответствующие составляющие поля рассеяния фиктивного магнита больше остальных.
В данном случае достаточно использовать следующую формулировку: для получения наибольшего среднего значения заданной составляющей поля в рабочем зазоре конфигурация намагничиваниясистемы должна повторять конфигурацию поля рассеяния фиктивного постоянного магнита, имеющего форму этого зазора и равномерно намагниченного в направлении орта указанной составляющей. Причем рассеяние рассматривается в среде, распределение восприимчивости которой повторяет распределение дифференциальной восприимчивости материала системы и окружающего его пространства.
В случае, когда используются магниты из материала с постоянной намагниченностью и арматура из материала с постоянной проницаемостью формулировку можно упростить: упомянутое поле рассеяния фиктивного магнита рассматривается в присутствии арматуры, расположенной относительно этого магнита так же, как она располагается в системе относительно ее рабочего зазора.
Таким образом, задача сводилась к максимизации среднего по рабочему зазору значения поперечной составляющей индукции магнитного поля, создаваемого магнитной системой заданных размеров с заданным объемом магнитов, сделанной, вообще говоря, из нелинейных материалов.
Методы синтеза таких систем в общем виде до настоящего времени неизвестны, но оптимизация конфигурации намагниченности составляющих ее магнитов, близких к идеальным, представляется возможной. Путем линеаризации кривых намагничивания (размагничивания) нелинейная среда заменяется эквивалентной линейно-неоднородной, для которой принцип оптимального намагничивания уже применим. Для проектирования этой магнитной системы использовалась разработанная нами программа оптимизации магнитной системы из нелинейных материалов, основанная на линеаризации их кривых намагничивания (размагничивания). Программа позволяет определить оптимальное по некоторым скалярным характеристикам направление намагниченности магнитов при заданных свойствах материала магнитной системы, в том числе и нелинейных в начальном приближении. Блок-схема этой программы показана на рис. 2.12.
Алгоритм выбран, исходя из физических соображений. Процесс последовательных приближений обычно быстро сходится, но необязательно к наилучшему решению. Программа печатает результат, соответствующий приближению с наибольшим значением критерия оптимизации (не показано на блок- схеме). Программа входит в пакет универсальных программ анализа и оптимизации - BEMS. Ее использование позволило упростить процесс проектирования магнитной системы, повысить его качество, сократить количество рассматриваемых вариантов.
В соответствии с полученным решением была спроектирована конструкция магнитной системы, внешний вид с разрезом которой показан на рис.2.14. Габаритный эскиз магнитной системы показан на рис.2.15.
Магнитомягкие детали (поз.2,4 рис.8) выполнены из Стали 3 , немагнитные детали (поз.З, рис.8) выполнены из сплава Діб. Постоянные магниты (поз.1, рис.8) изготовлены методом порошковой металлургии из сплава Nd2Fei4B, обладают четырьмя возможными направлениями намагниченности и имеют следующие гистерезисные характеристики: Вг = 1.2 Тл; Нсь = 930 кА/м.
Метод настройки продольной составляющей магнитной индукции на оси каналов транспортировки
При первоначальной настройке продольной составляющей индукции в рабочих зазорах магнитных систем ЭВП необходимая степень частичного размагничивания постоянных магнитов определяется сочетанием математического моделирования с помощью расчетных программ анализа и практическими измерениями индукции в рабочих зазорах. После получения заданных значений индукции в зазорах магнитной системы контрольные параметры секторных магнитов, входящих в секции магнитной системы, записываются в так называемую «карту настройки». Карта необходима для повторяемости настройки магнитной системы. При этом на основе полученных значений карты настройки выбираются минимально допустимые контрольные параметры для секторных магнитов в состоянии насыщения.
Параметры постоянных магнитов в состоянии насыщения должны быть таковы, чтобы степень частичного размагничивания до уровней, записанных в карте настройки, была бы больше или равной эквивалентной температуре термостабилизации. Минимально допустимые значения индукции вконтрольных точках секторных магнитов в состоянии насыщения называются в дальнейшем отбраковочным параметром. Т.е. при отборе магнитов для конкретной магнитной системы те магниты, которые в состоянии насыщения имеют значения индукции в контрольных точках менее отбраковочного параметра, не используются для настройки. В итоге в карту настройки магнитной системы входят значения индукции в контрольных точках магнитов в состоянии насыщения, в частично размагниченном состоянии, а так же значение поля размагничивания (на практике часто - напряжение заряда конденсаторов накопителя), которое опосредованно отражает значение коэрцитивной силы материала магнита. Карта настройки составляется для каждой секции, входящей в магнитную систему. Значения полей частичного размагничивания необходимо знать, как это будет показано в главе 4, для последующего снижения расфокусирующей поперечной составляющей магнитной индукции в рабочих зазорах магнитной системы
Карты настройки и отбраковочный параметр используются при реализации всех последующих магнитных систем. Тем не менее, из-за существующих технологических разбросов гистерезисных характеристик отдельных постоянных магнитов, полученное распределение не всегда отвечает требуемому. Встает практический вопрос о степени частичного размагничивания магнитов той или иной секции магнитной системы. Несомненно, можно смоделировать конкретное магнитное состояние магнитной системы с помощью любой программы анализа и подобрать требуемую степень частичного размагничивания. Данный путь не представляется эффективным в условиях производства. Во-первых, такой подход достаточно трудоемок и требует соответствующей квалификации персонала. Во-вторых, в силу ограничений самих программ, все равно имеет погрешности, приводящие к многократным расчетам. Предлагаемый метод настройки магнитных систем основывается на принципесуперпозиции, не требует квалификации персонала выше сборщика-настройщика магнитных систем и позволяет существенно сократить время настройки. Суть метода можно проиллюстрировать на схеме Рис.3.7.
В данном методе первые четыре этапа являются подготовительными и проводятся только один раз. Последний этап реализован в виде таблично — графического алгоритма в программе EXCEL и непосредственно используется сборщиками — настройщиками.
Немаловажным является то обстоятельство, что для расчета распределения магнитной индукции от каждой секции магнитной системы в присутствии магнитомягкой арматуры необходимо учитыватьмагнитное состояние магнитомягких деталей. В противном случае, добиться совпадения смоделированного и измеренного распределения BZ(Z) невозможно только путем подбора степени частичного размагничивания каждой секции. Практически это выглядит следующим образом: производится расчет магнитной системы в присутствии всех постоянных магнитов и магнитомягких деталей. Результаты расчета анализируются с точки зрения магнитного состояния деталей магнитной системы (рис. 3.8).
В дальнейшем, при расчете распределения от каждой отдельной секции магнитной системы в качестве исходных данных для магнитомягких деталей используется искусственная кривая намагничивания материала, полученная путем переноса точки на исходной кривой намагничивания, соответствующей магнитному состоянию, в начало координат кривой «В-Н» (см. Рис.3.9).
В итоге график распределения Bz на оси магнитной системы получается как сумма распределений от соответствующих секций (см Рис.3.10).
Суммарная кривая распределения индукции для удобства визуализации представляет собой сумму абсолютных значений индукции.
В качестве примера использования модели настройки магнитной системы на Рис.3.11 приведен рабочее окно программы процесса настройки магнитной системы клистрона «Артек». Оператор вставляет в программу результаты проведенных измерений продольной составляющей магнитной индукции на оси канала магнитной системы, полученные в цифровом виде с помощью программно — измерительного комплекса «Медиана». Далее из подготовленной базы данных расчетных распределений секций подбирается распределение, соответствующее измеренному. Подбирая коэффициенты частичного размагничивания для каждой секции, оператор получает требуемое распределение. Используя коэффициенты частичного размагничивания для настройки постоянных магнитов реальных секций, сборщик-настройщик получает требуемое распределение продольной составляющей индукции на оси канала магнитной системы.
Причины возникновения поперечной составляющей магнитной индукции на оси каналов транспортировки
Условие отсутствия поперечной составляющей в канале магнитных систем ЭВП для произвольной координаты 2 в полярной системе координат в центре канала можно записать известным образом:
Условие (4.1) не всегда выполнимо. Так при равномерной азимутальной намагниченности всех постоянных магнитов секции магнитных систем для центрального канала (г=0) это равенство соблюдается, но для периферийного канала в силу неоднородности индукции вдоль его границ (рис.4.1) , равенство не может быть выполнено. Это в свою очередь приводит к появлению поперечной оси канала составляющей магнитной индукции Вг:составляющую индукции справедливо только при равномернойнамагниченности магнитов секций магнитной системы. В этом случаепоперечная составляющая индукции направлена вдоль R.
Для того чтобы определить методы снижения поперечной составляющей магнитной индукции в каналах магнитной системы ЭВП необходимо выявить причины ее возникновения. Для этой цели удобнее рассматривать поперечную составляющую Вг в рабочем зазоре между двумя полюсными наконечниками, как функцию от двух факторов: поворота потока (отклонения силовых линий) и азимутальной неоднородности потока с поверхности магнитов секций: где R-расстояние от оси симметрии магнитной системы до оси канала; Bz - продольная составляющая индукции на оси канала; Bs - индукция на поверхности постоянных магнитов секций
Радиальная составляющая магнитной индукции, связанная с неоднородностью распределения Bz, определяется параметрами магнитной системы, закладываемыми еще на этапе проектирования (соотношение геометрических параметров магнитов и рабочих зазоров, материал и размеры полюсных наконечников, диаметр пролетного канала, расстояние от оси канала до оси симметрии системы Z) Кроме того, следует принять во внимание смену знака производной dBz/dZ на протяжении рабочего зазора (см рис. 4.2).
Такое распределение поля возможно при полной симметрии секциймагнитной системы относительно центра зазора, включая намагниченностьпостоянных магнитов секций магнитной системы. Отклоненияэлектронного пучка при симметричном графике распределении Bz относительно центра зазора будут иметь одинаковую амплитуду, но противоположный знак (рис. 4.3), что при условии не выхода пучка за диаметр канала при начальном отклонении позволяет говорить о взаимной компенсации отклонений.
Несоблюдение магнитной симметрии рабочего зазора (геометрическая асимметрия либо асимметрия магнитного состояния) в свою очередь приводят к появлению несимметричного распределения поперечной составляющей магнитной индукции на оси канала (рис.4.4). Данная неоднородность приводит к возникновению радиальной составляющей вектора магнитной индукции, имеющей монотонное направление вдоль всей длины рабочего зазора и приводящей к критическим отклонениям оси пучка даже при небольшой амплитуде поперечного поля. В таком случае говорить о взаимной компенсации отклонений уже затруднительно.
Корректный способ ограничения неоднородности распределения продольной составляющей магнитной индукции, описанный в Главе 3, позволяет обеспечить магнитную симметрию рабочего зазора и снизить расфокусирующую составляющую магнитной индукции. Если при проектировании прибора не удалось избежать геометрической асимметрии рабочего зазора, то в процессе настройки магнитной системы необходимо добиться магнитной симметрии зазора путем изменения намагниченности постоянных магнитов секций магнитной системы.
Вторым немаловажным фактором, приводящим к возникновению радиальной составляющей магнитной индукции на оси каналов, является азимутальная неоднородность магнитных свойств секций, входящих в состав системы. Необходимо рассмотреть, во-первых, причины возникновения азимутальной неоднородности секций. Во-вторых, пути ее снижения.
Для решения задачи по фокусировке пучков заряженных частиц в рабочих каналах ЭВП эффективно используются магнитные системы с редкоземельными магнитами с радиальной текстурой (намагничиванием). Известны технические решения по созданию цельных колец с радиальной текстурой с использованием таких технологических приемов, как горячее изостатическое прессование или частичная разориентация текстуры при прессовании магнитотвердого порошка в магнитном поле (создание радиально-азимутальной текстуры). Таким образом, получены постоянные магниты на базе сплава типа неодим — железо — бор с радиальной (или близкой к ней) текстурой с внешним диаметром до 100 мм. Однако создание цельнопрессованных кольцевых редкоземельных магнитов с радиальной текстурой больших размеров, в частности с диаметром 210 мм и более, весьма затруднительно в производстве, так как для этого требуется создание магнитных полей (более 2400 кА/м) в значительном объеме (больше размеров магнитов) при прессовании и намагничивании, а также из-за высокой анизотропии линейного коэффициента теплового расширения вдоль и перпендикулярно текстуре (следствием этого является разрушение спеченной заготовки при охлаждении ее до комнатной температуры). При этом в ряде случаев возникает необходимость создания градиентных
