CN101632140B - 具有改进的磁场质量的永磁体和采用该永磁体的装置 - Google Patents

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Abstract

一种环形磁体组件，具有大体柱形的磁体，其限定了具有上端和下端的气隙。上、下面板分别布置在环形磁体的上部和环形磁体的下部。面板优选具有高磁导率。可以在气隙内布置质量分析仪。可以在本发明的环形磁性组件的气隙内布置离子发生器。可以提供一对垂直堆叠的磁性环形组件。在该实施例中，可以在一个气隙内布置质量分析仪，并且在另一个气隙内布置离子发生器。

Description

具有改进的磁场质量的永磁体和采用该永磁体的装置
技术领域
本发明涉及具有改进的磁场质量的永磁体和采用该永磁体的装置，更具体地涉及与面板配合以限定中空外壳的大体柱形的永磁体，在该中空外壳内可以放置配合的装置构件。
背景技术
在磁性仪器比如质谱仪中，磁体的尺寸、重量和精度通常是主要确定仪器的成本和性能的参数。尽管新的磁性材料提供了很多降低尺寸和重量的机会，但是另一方面对精度需求的增加在实践上超过了这些优点。如今的磁体通常仍然是尺寸和重量很大，并且精度(主要是均匀性)往往是一个问题。
偶极磁体的特征是两个磁极，称作北极和南极，在这两个磁极之间建立磁场。最简单的形式是图1所示的条形磁体。
科学和技术应用经常需要可以用平行磁场线表示的某一体积内的均匀磁场。为了近似该磁场，已知不同的磁形状，其通常把磁极置于相对的位置以形成在其内部区域磁场线差不多平行的间隙。简单的形式是马蹄形(图2)和U形磁体，并且广泛使用的是图3中示出的H形磁体。H形磁体需要两个柱形或者矩形形状的平坦磁体，它们沿着短轴被磁化。为了磁通量的有效回流，软钢制成的轭连接每个磁铁的背面；由此通过该结构的横截面的磁通量类似大写字母H，并以该大写字母为该磁铁命名。
尽管H形磁体表示最有效概念中的一个，但是间隙中的磁场示出了远离中心的区域中的缺点。仔细定型的极片可以降低边缘场的影响并延伸有用的均匀区域，但是原理上它们不能消除边缘场。这对于磁极的边缘暴露于空气中的所有磁体是共同的。
环形磁体在很多应用中是公知的——明显新的是对于内部磁场的特殊边界条件的考虑。环形磁体本身产生磁场如同条形磁体，参见图4。和其高度相比内部直径越小，它越像条形磁体。用极板封闭的环形磁体展示了对于相同的目标完全不同的观点。
尽管上述已知类型的永磁体，但对于改进的永磁体仍然存在着真实和实际的需要，其可以提供提高的磁场均匀性、磁场强度以及减少的重量和制造成本。
发明内容
环形磁体组件具有大体柱形的磁体，其限定具有上端和下端的气隙。上、下面板分别布置在环形磁体的上部和环形磁体的下部。面板优选具有高磁导率。质量分析仪可以布置在气隙内。离子发生器可以布置在本发明的环形磁性组件的气隙内。可以提供一对垂直堆叠的磁环组件。在该实施例中，可以在一个气隙内布置质量分析仪，在另一个气隙内布置离子发生器。
本发明的目的是提供一种改进的永磁体，其特征在于，提高的磁场均匀性和磁场强度。
本发明的另一个目的是提供一种永磁体的设计，其特征在于，减少的尺寸和重量。
本发明的另一个目的是提供一种改进的永磁体，其能够降低制造的成本。
本发明的又一个目的是提供一种永磁体，其是柱形的、中空的，并可以构造成包含其它装置，例如质谱仪。
从参考附图对本发明的以下具体描述将更全面地理解本发明的这些和其它目的。
附图说明
图1示意性地图示了偶极磁体的现有技术形式以及其相关的磁场。
图2示意性地图示了马蹄形磁体的现有技术形式以及其相关的磁场。
图3图示了H形偶极磁体的现有技术形式以及其相关的磁场。
图4示意性地图示了现有技术的带轴向磁化的大体多纳圈形的环形磁体的横截面图。
图5图示了本发明的具有一对固定到其上的磁面板的环形磁体形式的横截面。
图6(a)到6(c)图示了三个具有面板的环形磁体的横截面图以及沿着直径与面板磁导率相关的磁通密度大小的相应曲线图，这说明了面板磁导率μ对磁场的均匀性的影响。
图7示意性地图示了本发明的设有面板的环形磁体的一部分以及磁通线的示意图。
图8(a)和8(b)分别图示了本发明的在其内部设有密封室与配合的端板和中间板的一对永磁环形磁体的正视图和横截面图。
图9(a)到9(c)图示了本发明的三个不同高度的环形磁体与分别对应的磁通密度大小曲线图。
图10是示出了本发明的具有设置在其内的线性摆线质谱仪的环形磁体的示意图，其中上面板被去除而下面板就位。
图11示出了本发明的环形磁体，其中上面板被去除而下面板就位并且在该环形磁体内布置有圆形摆线质谱仪。
图12示出了本发明的在其内布置有离子吸气三极管泵的环形磁体的横截面正视图。
具体实施方式
将磁体设计描述成在柱形体积内产生强的均匀磁场。与用于偶极磁体的通常设计相比，这里引入的圆环形简化了制造过程并减少了所需的部件数量。这种几何形状的选择提供了比用常规磁体可获得的更好的均匀性和更高的磁场强度。将减小仪表装置比如质谱仪和NMR仪表的尺寸和重量并将其性能提高。
在图5中，在环形内部的边缘场的情况没有出现-更具体的分析表明，对于完美的几何形状以及无限大的面板磁导率这是完全真实的。实际上，我们认为软钢比如1010或者1018的磁导率在10000和18000之间，其给出用相同尺寸的H形磁体不可能得到的均匀性。
图6(a)到6(c)示出了对于不同磁导率的渐变差异。
磁体材料满足环形磁体(图4)内部的自由空间的区域的放大解释了在该边界的特殊特性。
在磁体材料内，磁场线固定到它们的精微起点位置，基本电流。因此，与磁场线环在间隙内的部分没有明显的干扰。由于柱形的对称设计，所以磁场线的图案对于磁体的任何其它横截面都是相同的，并且在没有附加磁源的这些边界条件下唯一的一贯物理解决方案是具有等距离磁场线的均匀磁场。
如果将面板的部分在强磁场中驱动到磁饱和，则可以看出磁场的非均匀性。这可以通过对材料(磁导率)和足够厚度的面板的适当选择来避免。使用通常的材料比如退火1018钢和NdFeB环形磁体得出下述的例子：
磁体尺寸O.D.＝3″I.D.1.5″厚度0.75″
磁体出射磁通密度B＝4200高斯
面板尺寸O.D.＝3″厚度＝0.25″
这产生具有+0.1％相对均匀性的5200高斯的内部磁场。
封闭在磁体内的均匀磁区暗示使用磁体的内部作为真空壳体。可以用O形圈或者金属比如铟容易地密封它，并可以将金属表面电镀以保持除气很低。缺少的真空歧管意味着另一种在尺寸、重量、特别是成本方面的显著降低。可以容易地在共同组件中级联两个和多个分析仪或者仪表装置。图8(a)到8(b)示出了设计成和离子溅射泵组合在一起的小的质量分析仪的例子。
过去已经测试过使用一个共同磁体的离子吸气泵组合，但是遭受到吵杂的溅射泵与敏感分析仪的电磁干扰。图8(a)到8(b)中示出的组件相反提供了电场和磁场的实际上完美的屏蔽。
质谱仪的应用例如是：
小扇形磁场质谱仪
小到中尺寸的线性摆线质谱仪(图10)
小到大尺寸的圆形摆线质谱仪(图11)
术语“小”、“中”和“大”是到目前为止已经形成的粗略描述。例如：
实现的圆形摆线分析仪具有大约70mm的直径。因此，将具有300mm直径的仪表指定为“大”。
扇形场仪表可以具有几米的扩展。所以设定300mm为“小”。
尤其是在小离子溅射泵中，磁体的选择导致了进退两难：宽的间隙，与小的极面面积一起，产生了不好的磁场，其限制了阳极柱体的长度，并由此限制了抽气速度和通常的性能(比较S.L.Rutherford等人在1999年在NASA/JPLMiniature Vacuum Workshop上的“Miniature Sputter-Ion Pump DesignConsiderations”)。
改进磁体的U形设计会显著地增加尺寸和成本，这对于小且便宜的泵不可能是适当的。
所描述的环形磁体是提供小尺寸和均匀磁场的低成本解决方案。通过具有类似电极尺寸的环形磁体泵，用5l/s的抽气速度替换标准泵的评估给我们增加了大约3倍的抽气速度。图12描述了主要的布置。
应用
提出的本发明提供了较小尺寸和较低成本的更好磁场。一般来说，在均匀磁场必要的所有区域中这是受到关注的。但是这些应用将满足下面所列情形的限制：
(a)所需的磁体的尺寸超过了制造能力或者合理的成本。
(b)对磁腔室的接近需要破坏大部分的板以及磁体的对称。在必须通过磁场引导离子束腔室的粒子加速器中可能是这种情况。
(c)需要的磁场强度比用永磁体可得到的高。用于操作或者烘烤所必需的温度超过了磁体的操作温度。
在这些区域中用于实现的正指示是明显的：
(a)小尺寸、小重量
(b)仪表成本降低
(c)宽的和超宽的间隙宽度
宽间隙的需要加重了常规磁体设计的困难。假设是H形磁体，如图3所示，具有25mm的间隙宽度和5kg的重量。如果改变磁体的设计以将间隙宽度增加10倍(250mm)，要求相同的磁场均匀性和磁通密度，则磁体的重量很容易地就可以达到几吨(比较例如专利US 3670162)。间隙的增加使得在所有三个空间坐标的调整很有必要。
完全不同的结果描述了对于之前描述的环形磁体的相同的情况。在理想的情况下，非常高的面板磁导率和磁体材料的均匀特性、均匀性以及磁通密度仅仅示出了稍微依赖环形磁体高度-在第一近似中，磁通密度保持恒定直至高度的某些变化(参见图9(a)到9(c))。
具有50mm o.d.25mm i.d.以及25mm i.d.间隙宽度的环形磁体的重量大约是400克，包括两个面板。间隙增加到250mm需要另外9个环形磁体，每一个为300g，这使得磁体重量总共为31kg。
尽管为了举例说明的目的，这里已经描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员显然的是，在不脱离所附权利要求所述的本发明的条件下，可以对细节作出很多变化。

Claims (10)

1.一种环形磁体组件，包括：
大体柱形的磁体，所述磁体限定气隙，所述气隙具有上端和下端，
在所述磁体内大体轴向延伸的磁场，
布置在所述磁体的上端的上面板，
布置在所述磁体的下端的下面板，
所述上面板和所述下面板与所述大体柱形的磁体配合以限定真空壳体，
所述上面板和所述下面板由磁性材料构成，并且
所述环形磁体组件的特征在于，具有从所述气隙的上端和所述气隙的下端中的一个延伸到所述气隙的上端和所述气隙的下端中的另一个的具有等距离磁场线的基本均匀的磁场，
其中，所述磁体是永磁体，所述上面板和所述下面板具有大约10000到18000的磁导率，并且上面板封闭气隙的上端，下面板封闭气隙的下端。
2.如权利要求1所述的环形磁体组件，包括：
由钢构成的所述上面板和所述下面板。
3.如权利要求1所述的环形磁体组件，包括：
所述环形磁体组件的特征在于，保持基本相同而与所述大体柱形的磁体的高度无关的磁通密度。
4.如权利要求1所述的环形磁体组件，包括：
布置在所述气隙内的质量分析仪。
5.如权利要求4所述的环形磁体组件，包括：
所述质量分析仪为质谱仪。
6.如权利要求5所述的环形磁体组件，包括：
从圆形摆线质谱仪和飞行时间质谱仪构成的组中选择的所述质谱仪。
7.如权利要求1所述的环形磁体组件，包括：
布置在所述气隙内的离子泵。
8.如权利要求5所述的环形磁体组件，其中所述质谱仪包括线性摆线质谱仪。
9.环形磁体组件，包括：
一对环形磁体组件，每个环形磁体组件均具有大体柱形的磁体，所述磁体限定具有上端和下端的气隙，
大体垂直堆叠的所述环形磁体组件对具有上环形磁体组件和下环形磁体组件，其中，磁性中间板布置在上环形磁体组件和下环形磁体组件之间，
布置在所述上环形磁体组件的上端的上面板，
布置在所述下环形磁体组件的下端的下面板，
上环形磁体组件和下环形磁体组件以及所述磁性中间板配合以限定一对真空壳体，并且
每个环形磁体组件的特征在于，具有在所述中间板和所述上面板之间或在所述中间板和所述下面板之间沿所述磁体轴向延伸具有等距离磁场线的基本均匀的磁场，
其中，所述磁体是永磁体，所述上面板和所述下面板具有大约10000到18000的磁导率，并且上面板封闭上环形磁体组件的磁体中的气隙的上端，下面板封闭下环形磁体组件的磁体中的气隙的下端。
10.如权利要求9所述的环形磁体组件，包括：
包括在所述下环形磁体组件和所述上环形磁体组件中的一个内的质量分析仪，以及
包括在所述下环形磁体组件和所述上环形磁体组件中的另一个内的离子泵。
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