CN105047355A - 一种用于聚焦和引导电子束的圆筒形永磁体系统 - Google Patents

Abstract

一种用于聚焦和引导电子束的圆筒形永磁体系统，由第一永磁体(1)、第二永磁体(2)第三永磁体(3)、磁体内筒(13)、支撑三个永磁体的外筒和法兰组成。所述第一永磁体(1)、第二永磁体(2)和第三永磁体两端均布置有法兰，三个永磁体支撑固定在外筒上，通过法兰相互连接。第一永磁体(1)的充磁方向沿径向指向磁体轴线，第二永磁体(2)的充磁方向沿轴向指向第一永磁体(1)，第三永磁体(3)的充磁方向沿径向背离磁体轴线。所述三个永磁体由多层磁环组成，磁环由扇形磁钢拼接而成。调整三个永磁体的尺寸大小、相互位置关系和内径阶梯变化，得到满足不同磁场位型和均匀度要求的轴向磁场。

Description

一种用于聚焦和引导电子束的圆筒形永磁体系统

技术领域

本发明涉及一种永磁体系统，特别涉及一种用于聚焦和引导电子束流的圆筒形永磁体系统。

背景技术

微波管的基本原理是利用电子束与高频电磁场的相互作用，将电子束的能量转换成微波或毫米波能量。为了限制电子束的横向扩散，需要外加静磁场来聚焦和引导电子束。外加磁场的磁场位型、磁场均匀性和磁场强度直接影响微波管中的电子束质量。高功率微波管主要有大功率回旋管器件、相对论返波管等，能够产生几十千瓦到几吉瓦的输出功率，需要外加较强的静磁场来聚焦和引导电子束，并且要求磁体系统的重量轻、体积小、结构紧凑和便于移动。

提供外加磁场的磁体系统有超导磁体系统、准稳态脉冲磁体系统和永磁体系统。其中超导磁体系统能够在较大的空间内产生很高的稳定磁场，已经应用于回旋管和相对论返波管器件，但是，超导磁体需要低温环境，用于低温产生和保持的制冷设备增加了系统的复杂性，而且由于磁体的降温冷却和励磁馈电需要花费很长的时间，不适合快速响应的应用。准稳态脉冲磁体具有很短的启动时间，也能产生很高的磁场，但是不能重频运行，而且需要庞大笨重的电源系统，因此仅局限于实验室应用。永磁体系统能够产生永久稳定的磁场，没有系统启动时间的问题，不需要系统维护，结构简单，没有能量消耗，应用永磁体系统来聚焦和引导微波管中的电子束是一种合理经济的选择。

永磁体系统中主要使用硬磁材料和软磁材料。硬磁材料又称为永磁材料，可以长期保留较强的剩余磁性。目前工程上常用的永磁材料包括永磁铁氧体和合金永磁材料两大类，合金永磁材料有铝镍钴、钐钴和钕铁硼等。钕铁硼永磁材料因具有相对较高的内禀矫顽力和剩磁性能，其应用最为广泛。软磁材料包括软铁、低碳钢、硅铁合金以及其它铁合金等，软磁材料具有较高的相对磁导率。可以利用软铁和低碳钢等软磁材料来增强磁场，以及材料的均匀性来提高磁场的均匀性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的响应时间慢、系统复杂的缺点，提出一种用于聚焦和引导电子束的圆筒形永磁体系统。本发明具有无启动时间、无能量消耗、结构简单、免维护、可靠性高等优点。

本发明的永磁体系统包括永磁体、磁体内筒和支撑永磁体的外筒和法兰。

所述的永磁体由第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体组成，第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体均为环形结构，同轴顺序布置，相互连接。第一永磁体的充磁方向沿径向指向磁体轴线，第二永磁体的充磁方向沿轴向指向第一永磁体，第三永磁体的充磁方向沿径向背离磁体轴线。

本发明的永磁体系统的内孔设置有磁体内筒，磁体内筒为直筒结构，或端部截面为锥形的端部锥形筒结构，或截面为阶梯形向内收缩的阶梯筒结构。磁体内筒的一端焊接有法兰，通过法兰连接到第一永磁体的外筒上，磁体内筒的材料为不锈钢或无磁合金。

本发明的第一永磁体的内孔的半径变化取决于磁体内筒的形状，对于直筒结构的磁体内筒，第一永磁体的内孔半径由端部沿轴向缓慢增大；对于端部锥形筒结构的磁体内筒，第一永磁体的内孔半径由端部沿轴向逐渐减小；对于阶梯筒结构的磁体内筒，第一永磁体端部区域的内孔半径远大于靠近均匀区区域的内孔半径。均匀区是位于磁体中心且轴向延伸一定长度的区域，均匀区的延伸长度取决于微波器件的要求。第二永磁体中部区域的内孔半径最小，向两端逐渐增大。第三永磁体靠近均匀区区域的内孔半径小于远离均匀区区域的内孔半径。三个永磁体的内孔半径的尺寸变化形成阶梯形结构的内孔。

本发明的第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体均通过外筒和法兰来支撑和定位，第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体均固定在相应的外筒的内表面，并且两端都设置有法兰，法兰与外筒端面相连接。外筒材料为软铁或低碳钢，法兰材料为不锈钢或无磁合金。

本发明的第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体由多层高性能钕铁硼磁环组成，每层磁环由偶数块单向充磁的扇形磁钢拼接而成，每层磁钢数取决于磁钢的尺寸大小。

本发明的第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体用于在均匀区产生满足磁场位型和磁场强度的轴向磁场，调整永磁体每个磁环的内孔半径大小、轴向长度和相互位置，可以得到满足均匀区长度和磁场大小的磁场位型。

由于电荷间的静电排斥以及电场的影响，导致电子束会发生散焦。电子束在磁场中受到洛伦兹力作用，使电子束沿着磁力线螺旋运动，合理配置一定空间分布的静磁场能够有效地聚焦和引导电子束。本发明的永磁体系统能够产生微波器件所需空间分布的轴对称磁场，有效地聚焦和引导电子束，避免发生散焦。

本发明的永磁体系统适应于高次谐波回旋管和低磁场相对论返波管，能在电子束流区域产生0.5～1.2T的轴向磁场，满足高质量电子束所需的磁场位型和磁场均匀性要求。

附图说明

图1为本发明的实施例1的二维结构图；

图2为本发明的实施例2的二维结构；

图3为具体实施例2的第一永磁体的第一磁环的磁钢拼接示意图；

图4为具体实施例2的均匀区附近的磁场分布图；

图中：

1第一永磁体、2第二永磁体、3第三永磁体、4第一外筒、5第一法兰、6第二法兰、7第二外筒、8第三法兰、9第四法兰、10第三外筒、11第五法兰、12第六法兰、13磁体内筒、14均匀区、15负径向充磁扇形磁钢；

1.1第一永磁体的第一磁环、1.2第一永磁体的第二磁环、1.3第一永磁体的第三磁环、1.4第一永磁体的第四磁环、1.5第一永磁体的第五磁环；

2.1第二永磁体的第一磁环、2.2第二永磁体的第二磁环、2.3第二永磁体的第三磁环、2.4第二永磁体的第四磁环、2.5第二永磁体的第五磁环、2.6第二永磁体的第六磁环、2.7第二永磁体的第七磁环；

3.1第三永磁体的第一磁环、3.2第三永磁体的第二磁环、3.3第三永磁体的第三磁环。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明的实施例1的二维结构图。如图1所示，本发明永磁体系统包括永磁体、磁体内筒和支撑永磁体的外筒和法兰。

所述的永磁体由第一永磁体1、第二永磁体2和第三永磁体3组成。第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体均为环形结构，同轴顺序布置，相互连接。

第一永磁体1、第二永磁体2和第三永磁体3提供均匀区14所需的轴向磁场。所述第一永磁体1的充磁方向沿径向指向磁体轴线，所述第二永磁体2的充磁方向沿轴向指向第一永磁体1，所述第三永磁体3的充磁方向沿径向背离磁体轴线。

第一永磁体1固定在第一外筒4的内表面，第一永磁体1的两端设置有第一法兰5和第二法兰6；第二永磁体2固定在第二外筒7的内表面，第二永磁体2的两端设置有第三法兰8和第四法兰9；第三永磁体3固定在第三外筒10的内表面，第三外筒10的两端设置有第五法兰11和第六法兰12；第二法兰6与第二外筒7相连接，第六法兰12也与第二外筒7相连接。磁体内筒13的一端装有法兰，该法兰与第一外筒4相连接。第一外筒4、第二外筒7和第三外筒10的材料都为低碳钢。磁体内筒13为直筒结构，材料为不锈钢。第一法兰5、第二法兰6、第三法兰8、第四法兰9、第五法兰11和第六法兰12的材料均为铝合金。第一永磁体1、第二永磁体2和第三永磁体3的材料都为高性能钕铁硼。

为了在均匀区14产生所要求的磁场位型，第一永磁体1的内表面设置有三个台阶，第二永磁体2的内表面设置有四个台阶，第三永磁体3的内表面设置有两个台阶，通过布置与充磁方向相同的多层磁环实现永磁体内径的阶梯形变化。

为了更清楚地说明多层磁环的结构，本发明实施例2如图2所示。第一永磁体1由五层尺寸不同的磁环组成，分别为第一永磁体的第一磁环1.1、第一永磁体的第二磁环1.2、第一永磁体的第三磁环1.3、第一永磁体的第四磁环1.4和第一永磁体的第五磁环1.5。所述第一永磁体的五层磁环的端面相互紧贴，五层磁环的外径相同，内径从第一永磁体的第一磁环1.1到第一永磁体的第五磁环1.5逐渐减小。第二永磁体2由七层磁环组成，分别为第二永磁体的第一磁环2.1、第二永磁体的第二磁环2.2、第二永磁体的第三磁环2.3、第二永磁体的第四磁环2.4、第二永磁体的第五磁环2.5、第二永磁体的第六磁环2.6和第二永磁体的第七磁环2.7，所述第二永磁体的七层磁环的端面相互紧贴，七层磁环的外径相同，位于中间位置的第二永磁体的第四磁环2.4的内径最小，位于两端的磁环的内径依次递减。第三永磁体3由三层磁环组成，分别为第三永磁体的第一磁环3.1、第三永磁体的第二磁环3.2、第三永磁体的第三磁环3.3，所述第三永磁体的三层磁环的端面相互紧贴，三层磁环的外径相同，第三永磁体的第一磁环3.1和第三永磁体的第二磁环3.2的内径都小于第三永磁体的第三磁环3.3的内径。所有磁环都由16块钕铁硼扇形磁钢拼装而成，图3所示为第一永磁体的第一磁环1.1的磁钢拼接示意图，其由16块负径向充磁的扇形磁钢15组成。

实施例1也由多个磁环结构组成。实施例2与实施例1不同之处还有，磁体内筒13为端部锥形孔结构，可以满足端部特殊要求的微波管器件的要求。

实施例1和实施例2中的第一永磁体1、第二永磁体2和第三永磁体3工作在退磁状态，由第一永磁体1发出的大多数磁力线，沿轴向经过磁体内筒13的内孔气隙，进入第三永磁体3，由第二永磁体发出的磁力线用于压缩经过均匀区14的磁力线，从而在均匀区14内产生0.5～1.2T的轴向磁场。实施例2的永磁体系统能够在110mm长的均匀区14内产生0.88T的轴向磁场，图4示意性地给出了均匀区附近的轴向磁场Bz分布。

Claims (7)

1.一种用于聚焦和引导电子束的圆筒形永磁体系统，包括三个圆环形永磁体、磁体内筒(13)和支撑三个永磁体的外筒和法兰；三个所述的永磁体为第一永磁体(1)、第二永磁体(2)和第三永磁体(3)，其特征在于：所述第一永磁体(1)的充磁方向沿径向指向磁体轴线，所述第二永磁体(2)的充磁方向沿轴向指向第一永磁体(1)，所述第三永磁体(3)的充磁方向沿径向背离磁体轴线；所述第一永磁体(1)、第二永磁体(2)和第三永磁体(3)的内孔均为阶梯形结构，构成阶梯孔；所述第一永磁体(1)固定在第一外筒(4)的内表面，第一永磁体(1)的两端设置有第一法兰(5)和第二法兰(6)；所述第二永磁体(2)固定在第二外筒(7)的内表面，第二永磁体(2)的两端设置有第三法兰(8)和第四法兰(9)；所述第三永磁体(3)固定在第三外筒(10)的内表面，第三永磁体(3)的两端设置有第五法兰(11)和第六法兰(12)；所述第二法兰(6)与第二外筒(7)相连接，所述第六法兰(12)也与第二外筒(7)相连接；所述磁体内筒(13)的一端有法兰，与第一外筒(4)相连接，磁体内筒(13)设置在所述圆筒形永磁体系统的内孔中。

2.按照权利要求1所述的圆筒形永磁体系统，其特征在于，所述磁体内筒(13)为直筒结构，或端部截面为锥形的端部锥形筒结构，或截面为阶梯形向内收缩的阶梯筒结构。

3.按照权利要求1所述的圆筒形永磁体系统，其特征在于，所述第一永磁体(1)的内孔的半径变化取决于磁体内筒(13)的形状，对于直筒结构的磁体内筒(13)，第一永磁体(1)的内孔半径由端部沿轴向缓慢增大；对于端部锥形筒结构的磁体内筒(13)，第一永磁体(1)的内孔半径由端部沿轴向逐渐减小；对于阶梯筒结构的磁体内筒(13)，第一永磁体(1)端部区域的内孔半径远大于靠近均匀区(14)区域的内孔半径。第二永磁体(2)中部区域的内孔半径最小，向两端逐渐增大。第三永磁体(3)靠近均匀区区域的内孔半径小于远离均匀区(14)区域的内孔半径。三个永磁体的内孔半径的尺寸变化形成阶梯形结构的内孔。

4.按照权利要求1所述的圆筒形永磁体系统，其特征在于，所述第一永磁体(1)、第二永磁体(2)和第三永磁体(3)由多层磁环组成，每层磁环由偶数块单向充磁的扇形磁钢拼接而成，每层磁环的磁钢的数量取决于磁钢的尺寸大小。

5.按照权利要求1所述的圆筒形永磁体系统，其特征在于，所述第一永磁体(1)、第二永磁体(2)和第三永磁体(3)用于在均匀区(14)产生满足磁场位型和磁场强度的轴向磁场，调整永磁体每个磁环的内孔半径大小、轴向长度和相互位置，可以得到满足均匀区长度和磁场大小的磁场位型。

6.按照权利要求1所述的圆筒形永磁体系统，其特征在于，所述第一永磁体(1)、第二永磁体(2)和第三永磁体(3)的材料为钕铁硼。

7.按照权利要求1所述的圆筒形永磁体系统，其特征在于，所述的第一外筒(4)、第二外筒(7)和第三外筒(10)的材料为软铁或低碳钢；所述的第一法兰(5)、第二法兰(6)、第三法兰(8)、第四法兰(9)、第五法兰(11)、第六法兰(12)和磁体内筒(13)的材料为不锈钢或无磁合金。