CN108377607B - 一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统 - Google Patents

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Abstract

本公开属于电磁分离器领域，特别涉及一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，该系统包括：铁芯、线圈；其中铁芯为V型，铁芯包括磁轭和磁极，磁轭为H型铁结构，磁轭上下两边经中线对折，成为V型结构，磁极包括磁极柱和磁极面；其中磁极柱为V型柱结构，磁极面为长圆孔型板；磁极柱顶面与磁轭固定连接，磁极柱底面与磁极面固定连接。采用铁芯为V型设计，且磁动势NI≥7000安匝，实现在磁铁气隙400mm的情况下，中心磁场值达到500Gs，满足离子源束流的产生与引出；磁极采用磁极柱和磁极面配合，磁极面为长圆孔型板设计，可使磁场在z方向均匀度达到90％以上的情况下，磁极与磁轭之间的漏磁减小14％。

Description

一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统
技术领域
本公开属于电磁分离器领域，特别涉及一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统。
背景技术
由于离子源是一个复杂的系统，实验研究是必不可少的研究手段。在离子源的系统中，等离子体放电是最核心的问题，离子源的束流强度和稳定性往往受限于等离子体放电不够充分和稳定。因此，需要建立针对离子源的等离子体测试实验装置，优化放电方式、放电结构，并研究其中关键问题的机理。
等离子体测试实验装置主要包括主真空腔体、真空泵组、探测传动系统、电磁铁系统、水冷系统和供电系统。其中电磁铁系统是等离子体实验装置的一个关键系统，磁场的一个作用是保证带电粒子不是沿直线运动，而是沿具有一定的曲率半径的弧度运动，在离子源出口缝位置，引出缝的纵向曲率半径为2800mm，这就要求磁铁的磁力线曲率半径为2800mm，从而能满足束的纵向聚焦的要求，所以需要合理的选择离子源和磁铁的相对安装位置，保证弧放电室安装在曲率半径为2800mm的磁力线处。磁场的另一个作用是使电子在沿着有一定弧度的轨迹前进的同时，再以此轨迹为中心进行螺旋运动，增加电子的实际运动路程，从而增加电子与其它粒子的碰撞几率。因此我们需要一个二极磁铁外加一个磁场，使电子的运动轨迹符合我们的要求。
但是现有实验设备中的电磁铁系统，无法满足磁极大气隙、高强磁场的要求；同时存在漏磁严重，磁场利用率低；在试验装置中影响视窗等设备的安装等缺陷。
发明内容
(一)发明的目的
为解决现有技术的不足，本公开提供了一种用于在极大气隙、高强磁场环境下，能显著提高磁场均匀度和利用率的离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统。
(二)技术方案
为解决上述不足，实现设计效果，采用以下技术方案：
一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，包括：铁芯、线圈，铁芯为V型结构，铁芯由磁轭和磁极组成，磁极包括磁极柱和磁极面，磁极面为长圆孔型板，线圈缠绕在磁极柱上。
所述磁轭为H型铁结构，磁轭上下两边经中线对折，成为V型结构。
所述磁极柱为V型柱结构，磁极柱固定连接在磁轭上，磁极面连接在磁极柱上。
所述磁轭V型夹角130°～170°。
所述磁极柱V型夹角与磁轭V型夹角相同。
所述磁轭V型夹角150°。
所述磁极成对使用。
所述铁芯为软磁性导磁材料。
所述线圈的励磁总安匝数NI≥7000安匝。
所述线圈与铁芯采用环氧树脂浇筑，上下绕组串联。
(三)有益效果
本公开采用铁芯为V型结构设计，磁极面为长圆孔型板，线圈缠绕在磁极柱上，磁极采用磁极柱和磁极面配合，且励磁总安匝数NI≥7000安匝，通过以上设计的结合，首次实现了在磁铁气隙400mm、中心磁场值达到500Gs的环境下，磁场在z方向均匀度达到90％以上的情况下，磁极与磁轭之间的漏磁减小14％，成功满足离子源束流的产生与引出。
磁轭与磁极柱采用V型设计，能够在产生相同磁场的情况下，不影响离子源束流观察窗的安装位置。
附图说明
图1本公开的一个实施例提供的电磁铁系统结构示意图。
图2本公开的一个实施例提供的y＝0，z＝0磁场沿x轴分布曲线图。
图3本公开的一个实施例提供的测量磁场曲线图。
其中1磁轭 2磁极柱 3磁极面 4线圈
具体实施方式
本公开了一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，包括：铁芯、线圈4；其中铁芯为V型，铁芯包括磁轭1和磁极，磁轭1为H型铁结构，磁轭1上下两边经中线对折，成为V型结构；磁极包括磁极柱2和磁极面3，其中磁极柱2为V型柱结构，磁极面3 长圆孔型板，如图1所示，本公开中所述的长圆孔型板是将圆形板两侧切除，形成一组平行边；磁极柱2固定连接在磁轭1上，磁极面3固定连接在磁极柱2上。
磁轭V型结构夹角130°～170°，磁极柱2V型夹角与磁轭1V型夹角相同，磁极成对使用，铁芯的软磁性导磁材料，线圈4的励磁总安匝数NI≥7000安匝，线圈4与铁芯采用环氧树脂浇筑，上下绕组串联。根据上述电磁铁系统结构设计开发试验样机，开展试验研究，具体实施方式如下：
实施例1
根据上述电磁铁系统结构本实施例铁芯采用DT4电工纯铁，磁气隙达到400mm；铁芯V 型夹角为150°；线圈匝数N＝1682匝，上下磁极分别安置一绕组，每极匝数为841匝，绕组用截面为S＝4×2mm2的扁铜漆包线绕制。绕线每层29匝，共29层，I＝8.3A时，因此电流密度小于1.5A/mm2，所以免去水冷装置，使装置更加简单。
磁铁安装完成后，我们对磁铁产生的磁场进行了测量，中心磁场为均匀磁场，磁场强度达到506Gs，能够满足等离子体测试实验装置的实验需求。并在等离子体实验台架上开展了初步的氩气气体离子源实验，离子源成功放电，测得的束流强度为27.5mA，磁场在z方向均匀度达到93％以上的情况下，磁极与磁轭之间的漏磁减小14％。
实施例2
本实施例采用与实施例1相同结构的电磁铁系统，主要不同点在于本实施例铁芯采用DT4 电工纯铁，磁气隙达到400mm；铁芯V型夹角为130°～170°；线圈匝数N＝1682匝，上下磁极分别安置一绕组，每极匝数为841匝，绕组截面为S＝4×2mm2的扁铜漆包线绕制。绕线每层29匝，共29层，I＝8.6A时，因此电流密度小于1.5A/mm2，所以免去水冷装置，使装置更加简单。
磁铁安装完成后，我们对磁铁产生的磁场进行了测量，中心磁场为均匀磁场，磁场强度达到519Gs，能够满足等离子体测试实验装置的实验需求。并在等离子体实验台架上开展了初步的氩气气体离子源实验，离子源成功放电，测得的束流强度为27.8mA，磁场在z方向均匀度达到93％以上的情况下，磁极与磁轭之间的漏磁减小14％。
实施例3
本实施例采用与实施例1相同结构的电磁铁系统，主要不同点在于本实施例铁芯采用DT4 电工纯铁，磁气隙达到400mm；铁芯V型夹角为130°～170；线圈匝数N＝1682匝，上下磁极分别安置一绕组，每极匝数为841匝，绕组截面为S＝4×2mm2的扁铜漆包线绕制。绕线每层29匝，共29层，I＝9.0A时，因此电流密度小于1.5A/mm2，所以免去水冷装置，使装置更加简单。
磁铁安装完成后，我们对磁铁产生的磁场进行了测量，中心磁场为均匀磁场，磁场强度达到540Gs，能够满足等离子体测试实验装置的实验需求。并在等离子体实验台架上开展了初步的氩气气体离子源实验，离子源成功放电，测得的束流强度为28.1mA，磁场在z方向均匀度达到92％以上的情况下，磁极与磁轭之间的漏磁减小14％。
实施例4
本实施例采用与实施例1相同结构的电磁铁系统，主要不同点在于本实施例铁芯采用DT4 电工纯铁，磁气隙达到400mm；铁芯V型夹角为130°～170；线圈匝数N＝1682匝，上下磁极分别安置一绕组，每极匝数为841匝，绕组截面为S＝4×2mm2的扁铜漆包线绕制。绕线每层29匝，共29层，I＝9.3A时，因此电流密度小于1.5A/mm2，所以免去水冷装置，使装置更加简单。
磁铁安装完成后，我们对磁铁产生的磁场进行了测量，中心磁场为均匀磁场，磁场强度达到550Gs，能够满足等离子体测试实验装置的实验需求。并在等离子体实验台架上开展了初步的氩气气体离子源实验，离子源成功放电，测得的束流强度为28.4mA，磁场在z方向均匀度达到91％以上的情况下，磁极与磁轭之间的漏磁减小14％。
实施例5
本实施例采用与实施例1相同结构的电磁铁系统，主要不同点在于本实施例铁芯采用DT4 电工纯铁，磁气隙达到400mm；铁芯V型夹角为130°～170；线圈匝数N＝1682匝，上下磁极分别安置一绕组，每极匝数为841匝，绕组截面为S＝4×2mm2的扁铜漆包线绕制。绕线每层29匝，共29层，I＝9.5A时，因此电流密度小于1.5A/mm2，所以免去水冷装置，使装置更加简单。
磁铁安装完成后，我们对磁铁产生的磁场进行了测量，中心磁场为均匀磁场，磁场强度达到568Gs，能够满足等离子体测试实验装置的实验需求。并在等离子体实验台架上开展了初步的氩气气体离子源实验，离子源成功放电，测得的束流强度为28.7mA，磁场在z方向均匀度达到90％以上的情况下，磁极与磁轭之间的漏磁减小14％。
以上所述仅为本公开的示例实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，包括：铁芯、线圈(4)，其特征在于，铁芯为V型结构，铁芯由磁轭(1)和磁极组成，磁极包括磁极柱(2)和磁极面(3)，磁极面(3)为长圆孔型板，线圈(4)缠绕在磁极柱(2)上；
所述磁轭(1)为H型铁结构，磁轭(1)上下两边经中线对折，成为V型结构；
所述磁极柱(2)为V型柱结构，磁极柱(2)固定连接在磁轭(1)上，磁极面(3)连接在磁极柱(2)上；
所述磁轭(1)V型夹角130°～170°；
所述磁极柱(2)V型夹角与磁轭(1)V型夹角相同；
所述线圈(4)的励磁总安匝数NI≥7000安匝。
2.根据权利要求1所述的一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，其特征在于，所述磁轭(1)V型夹角150°。
3.根据权利要求1所述的一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，其特征在于，所述磁极成对使用。
4.根据权利要求1所述的一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，其特征在于，所述铁芯为软磁性导磁材料。
5.根据权利要求1所述的一种用于离子源等离子体测试实验装置的电磁铁系统，其特征在于，所述线圈(4)与铁芯采用环氧树脂浇筑，上下绕组串联。
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