CN101166411A - 一种用于屏蔽强磁场的多层复合结构的磁屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电子学与核探测技术领域，公开一种用于屏蔽强磁场的多层复合结构的磁屏蔽装置，针对目前一般的光电倍增管磁屏蔽设计无法屏蔽强磁场的问题，采用多层复合结构，从外到内包括三层：硅钢部件为中间层；合金部件为内层；螺线管线圈为外层；螺线管线圈产生与外部磁场方向相反的磁场，将强磁场大幅度削弱；硅钢部件具有较高的磁场饱和度，将外磁场进一步降低到几Gauss，最内层为合金部件，具有很高的弱磁场导磁率，将剩余的磁场进一步降低到0.001Gauss以下，远低于地磁场水平。本发明可以使被屏蔽光电倍增管在强磁场下正常工作，在核电子学与核探测技术领域有着广泛的应用。

Description

一种用于屏蔽强磁场的多层复合结构的磁屏蔽装置

技术领域

本发明涉及核电子学与核探测技术领域，特别是一种用于屏蔽强磁场的光电倍增管磁屏蔽装置。

背景技术

光电倍增管是一种基于光电效应、二次电子发射的光电探测器件，可将微弱的光信号转换成可测量的电信号，具有探测灵敏度高、时间响应快、放大倍数大、光电特性线性好、性能稳定、使用方便等优点，被广泛应用于光谱学、核物理、医学等领域。光电倍增管主要由光电发射阴极(光阴极)和聚焦电极、电子倍增极(打拿极)及电子收集极(阳极)等组成，所有部件封装在真空内。入射光照射光阴极，光阴极向真空中发射光电子。光电子在聚焦极电场作用下进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。阳极收集放大后的电子用作为信号输出。光电倍增管按入射光的接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。大多数光电倍增管性能会受到磁场的影响，磁场会使光电倍增管中的发射电子脱离预定轨道而造成增益损失、时间响应变坏等。这种损失与光电倍增管的几何结构及其在磁场中的方向有关。从阴极到第一倍增极的距离越长、光窗口径越大，光电倍增管就越容易受到磁场的影响。例如5G的垂直于轴向的磁场就可以使光窗直径13mm、打拿极为线形聚焦型N的光电倍增管输出降为无磁场时的60％以下。

一般采用由高导磁率材料制成的磁屏蔽体消除磁场对光电倍增管的影响。依据磁感应线折射定律：从磁导率小的介质到磁导率大的介质，磁感应线偏离法线，从磁导率大的介质到磁导率小的介质，磁感应线偏向法线。因而用磁导率很大的软磁材料(坡莫合金，铁铬合金等)做成的磁屏蔽体，放在磁场中，由于磁屏蔽体的磁导率远大于真空磁导率，磁阻远小于空气磁阻，绝大部分磁感应线从磁屏蔽体的壁内通过，而空腔内部磁感应线极少，这就达到了磁屏蔽的目的。

设计一个磁屏蔽体，首先根据被屏蔽磁场的强度和屏蔽目标选择合适的磁屏蔽材料。选择磁屏蔽材料时主要考虑相对磁导率、饱和度、价格、加工以及处理的难易、机械强度等。相对磁导率越高，磁屏蔽能力越强，但是具有高的相对磁导率的材料一般饱和点都较低，饱和的材料起不到磁屏蔽的作用。在选定了屏蔽材料后，设计屏蔽体时主要考虑几何结构、形状、尺寸、连续性、闭合、长径比、开口、多层复合屏蔽结构等方面。在磁屏蔽加工完成后要进行氢退火处理，严格遵守所规定的退火周期，不但能保证获得最佳磁屏蔽性能，而且还可以将未退火材料的磁导率平均提高40倍。但在退火以后，对屏蔽体进行冲击和振动试验，将降低材料的性能。

目前商品化的光电倍增管磁屏蔽可屏蔽的最大磁场只有十几高斯，无法屏蔽强磁场。在强磁场下一般通过增加光电倍增管与探测对象的距离来减小磁场的影响，但是光电倍增管的探测效率随着距离的增加而降低；自行设计的磁屏蔽都是依靠增加磁屏蔽材料的厚度和层数来屏蔽强磁场，存在体积大、造价高、加工及处理困难等缺点，而且光电倍增管的探测效率随着光窗前屏蔽材料厚度的增加而降低，限制了光电倍增管的应用。

发明内容

针对目前的光电倍增管一般的磁屏蔽设计无法屏蔽强磁场的问题，本发明的目的是提供一种可使光电倍增管在强磁场下正常工作，用于屏蔽强磁场的多层复合结构的磁屏蔽装置。

为了实现本发明的目的，本发明用于屏蔽强磁场的多层复合结构的磁屏蔽装置包括如下：

采用多层复合结构，从外到内包括三层：

一硅钢部件，为中间层；

一合金部件，为内层；

一螺线管线圈，为外层；

将合金部件置于硅钢部件内部，在合金部件的外部置有螺线管线圈。

附图说明

图1是本发明用于屏蔽强磁场的多层复合结构磁屏蔽装置示意图

图2为磁力线在磁屏蔽材料与空气中分布示意图

图3为本发明中螺线管线圈实物图

图4为本发明磁屏蔽筒实物图

图5a、图5b为外磁场和被屏蔽光电倍增管输出幅度、上升时间关系

图6a、图6b为在115高斯外磁场下螺线管电流与被屏蔽光电倍增管输出幅度、上升时间变化关系

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1本发明用于屏蔽强磁场的多层复合结构磁屏蔽装置示意图所示，包括硅钢部件1、合金部件2、一螺线管线圈3、前端盖4、后端盖5、接头孔6，从外到内包括三层，最外层为螺线管线圈3，中间层为硅钢部件1，最内层为合金部件2，其中硅钢部件1采用硅钢材料制成。合金部件2采用坡莫合金材料制成；螺线管线3圈采用铜芯线制成。

螺线管线圈3、硅钢部件1、合金部件2采用圆筒结构。

螺线管线圈3、硅钢部件1的两端开口，合金部件2一端封闭。

螺线管线圈3与硅钢部件1之间有间隙。

硅钢部件1紧贴在合金部件2外部。

所述螺线管线圈3上的导线多层密绕排列，层与层之间，导线之间有绝缘层。

所述合金部件2内直径大于被屏蔽光电倍增管外直径。

所述合金部件2的长度与硅钢部件1相同且长于硅钢部件1直径的四倍。在光电倍增管磁屏蔽中长径比最小为4倍。

所述合金部件2本体侧壁与前端盖4焊接成为一个整体。

所述后端盖5为一个活动端盖，为两层复合结构，内层为坡莫合金层、外层为纯铁层；被屏蔽光电倍增管从后端盖5处置于合金部件2内部；后端盖5与合金部件2主体尺寸配合连接；后端盖5开有三个接头孔6，用于引出被屏蔽光电倍增管信号和接入被屏蔽光电倍增管的工作高压。

硅钢部件1和合金部件2套在一起，作为磁屏蔽筒，同时作为被屏蔽光电倍增管的遮光筒。磁屏蔽筒加工完成后进行氢退火处理，使屏蔽筒性能达到最佳。

最外层螺线管线圈3产生与强磁场方向相反的磁场，将强磁场大幅度削弱；中间层硅钢部件1具有较高的磁场饱和度，将外磁场进一步降低到几Gauss，最内层坡莫合金部件2具有很高的弱磁场导磁率，将很弱的外磁场进一步降低到0.001Gauss以下，远低于地磁场水平，保证光电倍增管正常工作。

利用螺线管线圈3产生反向磁场，根据矢量叠加原理，与被屏蔽的磁场叠加，将被屏蔽磁场抵消(削弱)，可以大大减少磁屏蔽的体积和磁屏蔽材料的用量。根据被屏蔽光电倍增管的外形和被屏蔽磁场的方向放置螺线管线圈3，使螺线管线圈3磁场的方向与被屏蔽磁场方向相同。螺线管线圈3内轴向上任意一点产生的磁场如式(1)所示，其中n为线圈匝数、I为电流、β₁、β₂为轴线上一点与线圈两端夹角。

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2}\mathrm{nI}(\mathrm{Cos}{\mathrm{\β}}_1-\mathrm{Cos}{\mathrm{\β}}_2)---\left(1\right)$

螺线管线圈3产生的磁场内部均匀区长，均匀区内磁场强度为B＝μ₀nI，可获得较好的磁场屏蔽效果；磁场在螺线管线圈3外衰减快，对被屏蔽磁场分布影响小。

根据磁感应折射定律，相对磁导率不同的介质分界面两侧处磁感应强度的方向满足公式(2)，其中μ₁、μ₂是两种介质的相对磁导率，α₁、α₂为磁力线在两种介质中与法线的夹角。

$\frac{\tan {\mathrm{\α}}_2}{\tan {\mathrm{\α}}_1}=\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_1}---\left(2\right)$

磁屏蔽材料和空气两种媒质磁导率相差悬珠，空气的相对磁导率μ₁≈1，而μ₂可达数千甚至数十万，因而α₂≈90°、α₁≈0°，磁力线在磁屏蔽材料与空气中分布如图2所示，其中11、13为空气层，12为磁屏蔽材料。在磁屏蔽材料12质内磁力线线几乎与分界面平行，而且也非常密集，μ₂越大，α₂越接近于90°，磁力线就越接近于与表面平行，从而漏到外面的磁通越小，即磁场强度在磁屏蔽内远大于其外，进而达到磁屏蔽的作用。当磁场强度超过其磁屏蔽材料12的饱和磁场值时，超出部分的磁力线将不改变方向，屏蔽性能下降。

合金部件2和硅钢部件1是常用的磁屏蔽材料，区别在于相对磁导率和饱和磁场强度的不同。坡莫合金的特点是相对磁导率很高，可以达到4×10⁵，但是饱和磁场强度较低，理想的经过退火的坡莫合金材料的饱和磁场强度约为0.8～1.5T。在实际应用中由于形状、几何结构、加工等因素的影响，在几十高斯的外场中即可使其饱和，如商品化的光电倍增管磁屏蔽，所以坡莫合金具有很高的弱磁场导磁率。硅钢(硅4％)的相对磁导率为7000，但是其饱和磁场强度较高，可达坡莫合金的三倍。综合两种材料的特点，采用复合结构可以获得最佳的磁屏蔽效果。

强磁场在磁屏蔽装置迅速衰减到远低于地磁场水平，保证光电倍增管在强磁场下正常工作。设地磁场为B₀、强磁场强度为B₁、螺线管线圈3磁场为B₂、磁屏蔽体饱和磁场为B₃、磁屏蔽体衰减系数为η，小于B₃的磁场都将被衰减为原来的1/η，在磁屏蔽筒退火后要满足B₃/η远小于B₀。η由磁屏蔽材料、磁屏蔽体的结构、加工工艺等因素共同决定，对于一个磁屏蔽体不同方向的磁场的η是不同的。因此调节螺线管线圈3方向，使其轴向与强磁场方向一致，调节螺线管线圈3的电流，使|B₁-B₂|≤B₃，即可保证被屏蔽光电倍增管正常工作。经过磁屏蔽装置屏蔽后，被屏蔽光电倍增管工作区域的磁场强度可用(3)式表示：

$\frac{|B_1-B_2|}{\mathrm{\η}}---\left(3\right)$

从上面的分析可以看出，通过调节螺线管线圈3的方向和电流，总能使强磁场降低，降低后的磁场经过磁屏蔽筒衰减到远小于地磁场水平。这种多层复合结构与现有的磁屏蔽相比，可屏蔽磁场强度更高，所屏蔽的最高磁场不受磁屏蔽材料的饱和磁场限制。屏蔽极强磁场时存在线圈电流过大、发热量高等问题，可以通过在螺线管线圈3外适当增加一层硅钢部件1及水冷等措施解决。屏蔽相同磁场磁屏蔽材料更少，磁屏蔽的体积更小，大大降低了加工和处理的难度。

本发明能够屏蔽强磁场，解决了现有磁屏蔽设计中可屏蔽最大磁场强度受材料限制的问题。

本发明运用较少的磁屏蔽材料，在强磁场下获得最佳的磁屏蔽效果，与一般的强磁场屏蔽相比结构简单、体积小、便于加工和处理，更经济。

本发明应用的实施例是：选用应用于慢正电子寿命测量中，具体的实施例如下所示：

经过磁屏蔽的光电倍增管置于正电子束流线的末端，测量正电子湮没产生的γ射线，屏蔽对象是100高斯的输运磁场。

螺线管线圈3选择的内直径68mm、外直径86mm、线圈线径1.3mm、长度200mm，螺线管线圈3的内径大于磁屏蔽筒外径，如图3为本发明中螺线管线圈实物图所示。考虑到工作时螺线管线圈3的发热会对被屏蔽光电倍增管造成影响，因此在螺线管线圈3和磁屏蔽筒之间加隔热材料如：聚四氟等。

合金部件2选择坡莫合金或其它合金材料，合金部件2内直径选择为57mm、外直径选择为59mm；前端盖4选择坡莫合金或其它合金材料，前端盖4厚度选择为1mm；硅钢部件1采用硅钢片，硅钢片厚度选择为1mm。

如图4本发明磁屏蔽筒实物图所示，后端盖5开孔直径10.5mm、后端盖5开孔均布在以端盖中心为圆心直径30mm的圆周上；后端盖5的纯铁层厚度为1mm、后端盖5的坡莫合金层厚度为1mm。

采用的被屏蔽光电倍增管为滨松公司的R3377，晶体为φ30×10的BF₂晶体，将被屏蔽光电倍增管封装在磁屏蔽筒内，磁屏蔽筒同时作为被屏蔽光电倍增管的遮光筒，被屏蔽光电倍增管以及分压电路固定在末端盖上，被屏蔽光电倍增管的顶端距磁屏蔽筒顶端20mm。磁屏蔽筒内所有部件的相对磁导率都接近1。

利用示波器(TDS3052B，TEK)观察被屏蔽光电倍增管阳极输出信号，比较不同情况下脉冲上升时间和幅度的变化。

在只有地磁场、螺线管线圈3无电流情况下，去掉后端盖5，测量筒内剩余磁场，剩余磁场为地磁场的1/600。

由于主要是屏蔽输运磁场，因此将螺线管线圈3与磁屏蔽筒同轴心放置。逐步增加轴向磁场，被屏蔽光电倍增管的输出脉冲上升时间、幅度变化如图5a和图5b所示，从图可以看出，单独使用磁屏蔽筒无法屏蔽大于60高斯的轴向磁场。

将大线圈磁场固定在115高斯，逐渐增加螺线管线圈3的电流，被屏蔽光电倍增管阳极输出脉冲的上升时间、幅度变化如图6a和图6b所示。随着螺线管线圈3磁场的增加，被屏蔽光电倍增管开始有输出，脉冲上升时间逐渐减小、脉冲幅度逐渐增大。

从实验结果可以看出磁屏蔽筒可以屏蔽60高斯磁场，使被屏蔽光电倍增管正常工作；大于60高斯的磁场通过调节螺线管线圈3的电流可以降到60高斯之下，保证被屏蔽光电倍增管正常工作。调节螺线管线圈3的电流，使外磁场远低于60高斯，这时被屏蔽光电倍增管处的磁场约为0.001高斯，可使被屏蔽光电倍增管的性能达到最佳。

尽管通过上述实施例描述了本发明，但是本发明并不限于该实施例。因此，不偏离本发明精神的各种等效结构，也应包含在本发明的范围内，如在螺线管线圈3外增加一层纯铁层或硅钢层、多线圈层与多纯铁层或硅钢交替复合结构等。

Claims (10)

1.一种用于屏蔽强磁场的多层复合结构的磁屏蔽装置，其特征在于，采用多层复合结构，从外到内包括三层：

一硅钢部件(1)，为中间层；

一合金部件(2)，为内层；

一螺线管线圈(3)，为外层；

将合金部件(2)置于硅钢部件(1)内部，在合金部件(2)的外部置有螺线管线圈(3)。

2.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于：螺线管线圈(3)、硅钢部件(1)、合金部件(2)采用圆筒结构。

3.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于：螺线管线圈(3)、硅钢部件(1)的两端开口，合金部件(2)一端封闭。

4.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于：螺线管线圈(3)与硅钢部件(1)之间有间隙。

5.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于：硅钢部件(1)紧贴在合金部件(2)外部。

6.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于：所述螺线管线圈(3)上的导线多层密绕排列，层与层之间，导线之间有绝缘层。

7.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于：所述合金部件(2)内直径大于被屏蔽光电倍增管外直径。

8.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于：所述合金部件(2)的长度与硅钢部件(1)相同且长于硅钢部件(1)直径的四倍。

9.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于还包括：合金部件(2)本体侧壁与前端盖(4)连接。

10.如权利1要求所述的磁屏蔽装置，其特征在于还包括：：

后端盖(5)为一个活动端盖，为两层复合结构，内层为坡莫合金、外层为纯铁；

被屏蔽光电倍增管从后端盖(5)处置于合金部件(2)内部；

后端盖(5)与合金部件(2)主体尺寸配合连接；

后端盖(5)开有三个接头孔(6)，用于引出被屏蔽光电倍增管信号和接入被屏蔽光电倍增管的工作高压。

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