CH348560A - Vorrichtung zur Erzeugung eines statischen, homogenen magnetischen Feldes - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung eines statischen, homogenen magnetischen Feldes

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CH348560A
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Trueb Taeuber & Co Ag
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    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
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Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
    Vorrichtung   zur    Erzeugung      eines   statischen, homogenen    magnetischen   Feldes Für verschiedene Zwecke werden statische Magnetfelder benötigt, welche in einem bestimmten vorgegebenen Bereich eine sehr grosse Homogenität aufweisen. Beispielsweise werden bei    Kerninduktions-      versuchen   Felder von einer Feldstärke zwischen einigen Gauss und einigen Zehntausend Gauss verwendet, bei welchen im Bereich zwischen einem Kubikmillimeter und einem Kubikzentimeter der Probe die Abweichung von einer mittleren Feldstärke das 10-5- bis    10-sfache   des    mittleren   Wertes nicht überschreiten darf. 



  Die Homogenität des Feldes im Zentrum des Luftspaltes zwischen zwei Polschuhen eines    Elektro-      oder   Permanentmagneten kann wohl durch die Form der Polschuhe in gewissen Grenzen beeinflusst werden, doch würde die Herstellung der genannten    Homogenitätswerte   verlangen, dass das    Verhältnis   zwischen dem Durchmesser der Polschuhe und    ihrem   Abstand ausserordentlich gross würde. Da aus experimentellen Gründen der Abstand der Polschuhe meistens eine gewisse Grösse nicht unterschreiten darf, sind entsprechende    Polschuhdurchmesser   im allgemeinen nicht realisierbar, insbesondere bei Permanentmagneten.

   Auch wo die Realisierbarkeit an sich möglich wäre, kann durch Korrekturelemente zur Homogenisierung des Magnetfeldes in einem bestimmten kleinen Bereich der Gesamtaufwand wesentlich gesenkt werden, auch im Falle des Elektromagneten. 



  Deshalb werden    Homogenitäten   im verlangten Ausmass meistens dadurch erreicht, dass bei vernünftigen Dimensionen des Magneten, das heisst bei Verhältnissen von    Polschuhdurchmesser   zu -abstand zwischen 5 und 20, im oder in der Nähe des Luftspaltes Korrekturelemente angebracht werden, deren Einfluss das    magnetische   Feld    in   einem gewissen Bereich um das Zentrum des Luftspaltes homogenisiert auf Kosten der weiter aussen liegenden Bereiche, wo die    Inhomogenitäten   verstärkt werden. 



  Eine bekannte Art solcher Korrekturelemente, welche für Polschuhe mit    Rotationssymmetrie   angewendet werden, sind stromdurchflossene Spulen, die paarweise    symmetrisch   im oder um den Luftspalt zwischen den Polschuhen angebracht sind. Es ist evident, dass es durch geeignete Wahl der Ströme in einer Anzahl solcher    Spulenpaare   mit verschiedenen Radien immer gelingt, die gewünschten    Homogeni-      tätsbedingungen   herzustellen, sofern nur die Anzahl der    Spulenpaare   genügend gross    gewählt   wird. Aus der Literatur bekannte Beispiele verwenden sieben und mehr solcher    Spulenpaare.   



  Die Erfindung    betrifft   nun eine Vorrichtung zur Erzeugung eines statischen, homogenen    magnetischen   Feldes zwischen den parallelen Polschuhen eines Magneten, die sich erfindungsgemäss auszeichnet durch ein Paar von mindestens    angenähert   symmetrisch zwischen den Polschuhen und mit ihrer Wicklungsebene parallel zu denselben angebrachten, elektrisch leitenden Korrekturspulen, welche mindestens angenähert an den Polschuhen anliegen und einen Radius haben, der mindestens    angenähert   gleich dem    0,43fachen   Abstand der Polschuhe voneinander ist. Die Erfindung betrifft    ferner   auch ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung.

   Dasselbe zeichnet sich dadurch aus, dass man in den Korrekturspulen solche Ströme    fliessen   lässt, dass die    Inhomogenitäten   zweiter Ordnung des Feldes exakt kompensiert und zugleich die    Inhomogenitäten   vierter Ordnung des Feldes mindestens angenähert zu Null werden. 



  In    Fig.   1 der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt, während die    Fig.   2 und 3 zur Erläuterung dienende Diagramme zeigen. 



  Die in    Fig.   1 dargestellte Vorrichtung weist zwei 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 parallele Polschuhe P auf, zwischen denen lediglich zwei flache, elektrisch leitende Korrekturspulen S mit ihren Ebenen parallel zu den Polschuhen angeordnet sind. Die Polschuhe P gehören zu einem im übrigen nicht dargestellten    Elektro-   oder Permanentmagneten, dessen magnetischer Kreis abgesehen vom Luftspalt zwischen den Polschuhen P aus einem Material von sehr hoher magnetischer    Permeabilität   besteht, in dem nirgends Sättigung herrscht. Die ganze Vorrichtung ist zentralsymmetrisch in bezug auf die Achse Z und besitzt eine Spiegelebene für Z = O    (Axialsymmetrie).   Der Durchmesser der Polschuhe P ist viel grösser als derjenige der Korrekturspulen S und letztere liegen sehr nahe bei den Polschuhen P. 



  Der    Polschuhabstand   sei G, der Radius der Korrekturspulen A und der Abstand der Korrekturspulen von der Mittelebene 
 EMI2.5 
 Zur Vereinfachung der Rechnung sollen alle Längen in Einheiten von A, alle Felder in Einheiten von 
 EMI2.6 
 gemessen werden, wo N die    Windungszahl   einer ein-    zelnen   Korrekturspule, 1 den Strom durch diese Spule und    ,u"   die    Permeabilität   der Luft bedeutet. Wenn Z und R die Zylinderkoordinaten des Systems darstellen, so definieren wir also: 
 EMI2.11 
 die normierte Achsenkoordinate z = A den normierten Radiusvektor r = A G den normierten Polschuhabstand g = A 2F den normierten Spulenabstand 2f = A B.2A und den normierten Feldvektor b = ss0 NI Es ist ersichtlich, dass alle normierten Grössen dimensionslos sind. 



  Es lässt sich nun beweisen, dass in der Ebene    z   = o der normierte Feldvektor b wie folgt berechnet werden kann: 
 EMI2.13 
 wo    Hl      (l)   die erste    Hankelsche   Funktion 1. Ordnung und    J.   die    Besselfunktion      nullter   Ordnung ist. 



  Ferner ist    oi   definitionsgemäss 
 EMI2.21 
 während 
 EMI2.22 
 ist. 



  Die numerische Auswertung dieser Beziehung zeigt nun, dass die Korrektur um so besser gelingt, je näher 
 EMI2.23 
 wird. Trotzdem der Punkt 
 EMI2.24 
 wegen der Anwesenheit der Polschuhe nie genau erreicht werden kann, soll der einfachen Rechnung halber die Gleichung (1) für den Spezialfall 
 EMI2.25 
 ausgerechnet werden und dabei gezeigt werden, dass unter dieser Voraussetzung die Kompensation bis und mit    Inhomogeni-      täten   vierter Ordnung genau gelingt.

   Man    erhält   so: 
 EMI2.29 
 oder, nach Potenzen von r entwickelt: 
 EMI2.30 
 wo: 
 EMI2.31 
 Der Verlauf der drei Koeffizienten    b.,      b.   und b4 ist in Funktion von 
 EMI2.34 
 in    Fig.   2 aufgetragen.    b4   hat bei    (,)   = 1,35 eine Nullstelle; das heisst, dass der Strom in den Korrekturspulen so gewählt werden kann, dass die    Inhomo-      genitäten   zweiter Ordnung    (bz)   genau kompensiert werden, ohne dass dadurch eine    Inhomogenität   vierter Ordnung    (b4)   eingeführt wird.

   Da bei Magneten mit einem    Verhältnis   von    Polschuhabstand   zu - Durch- 

 <Desc/Clms Page number 3> 

    messer   < _ 1 : 5 das    unkorrigierte   Magnetfeld in einem weiten Bereich durch ein Feld von der Form (5) B (R, Z) =    Bo   + B2    (R2   -    2Z2)   dargestellt werden kann, worin also    Inhomogenitäten   vierter Ordnung nicht vorkommen, fällt im obigen Falle jede    Inhomogenität   vierter Ordnung weg. 



  Die notwendige Bedingung dafür ist nur die Erfüllung von    c)   = 1,35 oder A - 0,430 G Die Koeffizienten in (3) werden dann:    bo   = + 1,23;    b2   = + 1,36; b4 = 0,00 Der Strom zur Kompensation von B, in (5) wird: 
 EMI3.11 
 Mit dieser Kompensation können die eingangs verlangten    Feldhomogenitäten   erreicht werden. Die    Verwendung   von mehr als einem Paar von Korrekturspulen hat nur dann einen Zweck, wenn auch noch    Feldinhomogenitäten   sechster oder höherer Ordnung kompensiert werden sollen, was aber höchst selten notwendig sein dürfte. Wie oben erwähnt, kann die Bedingung 
 EMI3.15 
 nicht genau erfüllt werden. Am besten wird sie angenähert, wenn die Korrekturspulen den Polschuhen des Magneten direkt anliegen.

   Die    experimentelle   Bestätigung zeigt,    dass   in dieser Näherung noch keine störende Abweichung vom theoretischen Ergebnis eintritt. Ebenso kann natürlich zur Halterung der Spulen noch ein kleiner Abstand zwischen den Spulen und den Polschuhen notwendig sein. Auch in diesem Falle sind die Bedingungen noch für eine gute Korrektur der    Inhomogenitäten   gegeben, sofern nur der Abstand zwischen Spulen und Polschuhen klein ist gegen den gegenseitigen    Spulenabstand.   



  Die Korrekturspulen    S   liegen also mindestens angenähert an den Polschuhen an. 



  Durch magnetische Sättigung an gewissen Stellen der Polschuhe oder dadurch, dass die    Polschuhdurch-      messer   nicht gross genug gegen den    Polschuhabstand   sind, werden ebenfalls kleine Abweichungen gegen- über der Theorie entstehen. Der Wert von    a)   wird dadurch leicht verändert und damit kann auch das    Verhältnis   A = 0,430 G etwas verändert werden. Wenn anderseits im Idealfall 
 EMI3.26 
 das Verhältnis 
 EMI3.27 
 nur ein Weniges von der Zahl 0,430 G abweicht, so wird bei exakter Kompensation der zweiten Ordnung die vierte Ordnung ebenfalls nicht genau Null; sie bleibt aber immer noch klein und die an die Homogenität gestellten Anforderungen können auch in diesem Fall noch erfüllt werden. 



  Die Korrekturspulen    S   haben also einen Radius A von exakt oder angenähert 0,430 G. Dabei ist unter dem Radius der Spulen der mittlere Radius des    Win-      dungspaketes   verstanden. 



  Dass die genannten Näherungen noch ein gutes Resultat ergeben, wurde an einem Permanentmagneten mit einem Verhältnis von    Polschuhdurchmesser   zu Luftspalt von etwa 1 : 5 gezeigt. Die Korrekturspulen lagen mit dem    Spulenkörper   direkt an den Polschuhen, die Windungen hatten davon einen Abstand, welcher den achtzigsten Teil des Spulenabstandes betrug. Das Feld auf der Z-Achse war etwa 6000 Gauss. Die    Spulenradien   A waren exakt = 0,43 G und etwas grösser als 1 cm. Der Strom in der Korrekturspule wurde so eingestellt, dass die zweite Ordnung der    Inhomogenität   exakt kompensiert wurde.

   Der Theorie gemäss wird damit die    vierte   Ordnung angenähert Null.    Fig.   3 zeigt das Resultat dieser Messung, wobei die Abweichung des Feldes von dem Feldwert auf der Z-Achse in Funktion des Radius R dargestellt ist, und zwar in    Milli-      gauss.   Die Kreuze bedeuten    Messpunkte   ohne Strom, die Kreise dagegen    Messpunkte   mit abgestimmtem Strom in der Korrekturspule. Die ausgezogenen Kurven zeigen den gemäss obiger Theorie berechneten Verlauf ohne und    mit   idealen Korrekturspulen. Die Messungen zeigen, dass die    angenäherten:   Werte für die Korrekturspulen ohne weitere Berücksichtigung von Sättigungserscheinungen und anderen Korrekturen für die Praxis genügend genaue Resultate ergeben.

   Im Bereich von 0    <    R    G   0,6 cm und 1 Z 1    <    1 cm war das Feld praktisch absolut homogen. Die angegebene Dimensionierung der Spulen gilt sowohl für Elektromagneten mit Polschuhen als auch für Permanentmagneten, ebenso natürlich auch für Permanentmagneten, welchen zusätzlich ein gleich oder entgegengesetzt gerichtetes    Spulenfeld   überlagert ist, sofern die Spulen so auf den    Magnetpolschuhen   sitzen, dass sie kein wesentliches Streufeld im Luftspalt erzeugen. 



  Durch kleine Unterschiede in der Herstellung oder Zentrierung der Korrekturspulen oder durch kleine Fehler in den Polschuhen können kleine Störungen in der    Spiegel-Symmetrie   des Feldes entstehen. Diese können dadurch ganz oder zum grössten Teil beseitigt werden, dass die Stromstärken in den beiden Spulen leicht    voneinander   abweichen.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE I. Vorrichtung zur Erzeugung eines statischen, homogenen magnetischen Feldes zwischen den parallelen Polschuhen eines Magneten, gekennzeichnet durch ein Paar von mindestens angenähert symmetrisch zwischen den Polschuhen (P) und mit ihrer Wicklungsebene parallel zu denselben angebrachten, elektrisch leitenden Korrekturspulen (S), welche mindestens angenähert an den Polschuhen anliegen und einen Radius (A) haben, der mindestens angenähert gleich dem 0,43fachen Wert des Abstandes (G) der Polschuhe voneinander ist.
    II. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man <Desc/Clms Page number 4> in den Korrekturspulen solche Ströme fliessen lässt, dass die Inhomogenitäten zweiter Ordnung des Feldes exakt kompensiert und zugleich die Inhomogenitäten vierter Ordnung des Feldes mindestens angenähert zu Null werden. UNTERANSPRUCH Verfahren nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur von kleinen Symmetriefehlern die Stromstärken in den beiden Korrekturspulen etwas voneinander verschieden gewählt werden.
CH348560D 1957-04-12 1957-04-12 Vorrichtung zur Erzeugung eines statischen, homogenen magnetischen Feldes CH348560A (de)

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