CN110975964B

CN110975964B - 一种磁性器件的设计方法及其应用

Info

Publication number: CN110975964B
Application number: CN201911023364.0A
Authority: CN
Inventors: 罗万居; 胡海韬; 白波; 黄志强; 袁宝; 童欣
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS; Spallation Neutron Source Science Center
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2039-10-25
Also published as: CN110975964A

Abstract

本申请公开了一种磁性器件的设计方法及其应用。本申请磁性器件的设计方法，包括以下步骤：(1)将磁性器件分为至少两部分；(2)分别对各部分进行磁化，各部分磁化的方向以拼接后相邻两部分能够形成闭合磁路为准；(3)将磁化后的各部分组装成一个完整的磁性器件。本申请的磁性器件的设计方法，通过将磁性器件分为至少两部分，并对各部分分别进行磁化，然后再组装成具有闭合磁路的磁性器件，使得磁性器件对周围磁场反应不敏感，对周围磁性物体的磁作用力非常微弱，从而减小对外部磁场设备的相互影响，提高磁性设备的安全性。

Description

一种磁性器件的设计方法及其应用

技术领域

本申请涉及磁性器件设计领域，特别是涉及一种磁性器件的设计方法及其应用。

背景技术

在大型科学研究平台上，如散裂中子源、反应堆中子源和同步辐射光源等，常常用到强磁场样品环境设备。强磁场样品环境下能够观测物质对外部磁场的响应、以及物性随磁场的变化，因而可以发现许多新的现象。为了提供很强的磁场，常用到超导磁体。目前超导磁体最大能够提供20多特斯拉的恒稳磁场，常用的超导磁体也能提供10特斯拉左右的磁场。一般情况下，如果超导磁体在设计制造时不考虑磁性屏蔽措施，其周围杂散场也相应比较高。由于这种样品环境设备需要安装到大型科学平台的谱仪的样品台上进行实验，因此样品台及周围操作台的材料也必须加以细致考虑，以防止受到超导磁体杂散场诱导而产生较强的磁性，这种磁性又反过来作用于超导磁体线圈，从而对超导磁体本身形成威胁甚至破坏。

样品台以及操作台作为结构性承载支架，需要具有较大的机械强度。钢材自然是样品台以及操作台很重要的材料选项之一，因为它既具有较强的机械强度又具有较好的加工性能。但是大多数钢材具有一定的易磁化性能，因此对超导磁体形成潜在的威胁。有一种特种316不锈钢，它的结构为奥氏体，是无磁性的。但是，缺点是它的造价特别昂贵，是普通钢铁的十几倍。而且，在焊接加工后在焊缝周围有可能产生奥氏体向马氏体转变而变成易磁化。

除此之外，还可以考虑为超导磁体设计磁屏蔽。增加了磁屏蔽的超导磁体杂散场可以做到非常小，但是一般的样品台留给样品环境设备的安装空间非常有限，屏蔽结构将占用超导磁体本身的空间，从而限制超导磁体设计强磁场的上限。因此，这条途径只在磁场强度不是要求非常高的时候适用，而希望发挥超导磁体的最大潜能，一般不考虑外部磁场屏蔽的设计。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的磁性器件的设计方法及其应用。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种磁性器件的设计方法，包括以下步骤，

(1)将磁性器件分为至少两部分；

(2)分别对各部分进行磁化，各部分磁化的方向以拼接后相邻两部分能够形成闭合磁路为准；

(3)将磁化后的各部分组装成一个完整的磁性器件。

其中，将磁性器件分为至少两部分，可以是磁性器件本身由多部分组成，本申请将其人为分成至少两部分；也可以是将一个一体化的完整的磁性器件切割成至少两部分，或者在铸造时，直接制成一套至少两部分组成的形状互补的磁性器件。总的来说，就是将磁性器件分成不同的部分进行磁化，然后再组装成一个完整的磁性器件。

可以理解，本申请对各部分进行磁化的目的是为了使各部分组装成一个磁性器件后，能够形成闭合磁路；因此，各部分的磁化方向可以根据具体情况而定，例如，如图1所示，磁性器件被分割成左右两部分，两部分按照上下方向进行磁化，则左部分的上部为N极、下部为S极，右部分的上部为S极、下部为N极，两部分组合后则形成一个从左部分起由下至上的顺时针的闭合磁路。如果同样是分割成左右两部分，但是，两部分按照左右方向进行磁化，如图4所示，则左部分的左边为S极、右边为N极，同样的，右部分的左边为S极、右边为N极，两部分组合后则在端部形成闭合磁路，即图4所示的两端的虚线。

需要说明的是，本申请的磁性器件是指由可磁化的材料制备的器件，例如常规的钢材等；磁性器件由于容易受外部磁场的影响而磁化，例如超导磁体产生的磁场，而磁性器件磁化后又会产生反作用力，例如反作用于超导磁体；屏蔽设计虽然可以一定程度上解决磁性器件磁化的问题，但是，无论是对超导磁体还是磁性器件进行屏蔽设计，都必然会占据大量空间，影响正常使用。因此，本申请创造性的提出，对磁性器件进行闭合磁路设计，使得磁性器件本身形成闭合的磁路，从而使其对外部磁场不敏感；解决了因磁性器件易被外部磁场磁化所造成的问题。

优选的，步骤(3)中，采用机械加固的方式将各部分稳固的组装成一个完整的磁性器件。

优选的，磁性器件为钢材构件。

本申请的另一面公开了本申请的磁性器件的设计方法制备的磁性器件。

需要说明的是，本申请的设计方法获得的磁性器件，由于预先在磁性器件内设计了闭合磁路，使其对周围磁场反应不敏感，因此，可以很好的应用于各种磁场环境。

本申请的再一面公开了本申请的磁性器件的设计方法在散裂中子源的钢结构样品操作台中的应用。

需要说明的是，由于散裂中子源的钢结构样品操作台容易磁化，因此，采用本申请的设计方法对钢结构样品操作台的各组件进行处理后，可以很好的解决样品操作台的磁化问题。

本申请的再一面公开了一种散裂中子源的钢结构样品操作台的制备方法，包括采用本申请的磁性器件的设计方法对钢结构样品操作台的各组件进行设计，然后将各组件组装成一个完整的钢结构样品操作台。

需要说明的是，散裂中子源的钢结构样品操作台是由多个钢材构件组成，因此，本申请分别对各个钢材构件进行本申请的磁性器件的设计方法处理，使得各个钢材构件自身能够形成闭合磁路，然后再组装成一个完整的钢结构样品操作台，则整个钢结构样品操作台对周围磁场反应不敏感，从而对周围磁性物体的磁作用力非常微弱。

本申请的再一面公开了本申请的散裂中子源的钢结构样品操作台的制备方法制备的用于散裂中子源的钢结构样品操作台。

本申请的有益效果在于：

本申请的磁性器件的设计方法，通过将磁性器件分为至少两部分，并对各部分分别进行磁化，然后再组装成具有闭合磁路的磁性器件，使得磁性器件对周围磁场反应不敏感，对周围磁性物体的磁作用力非常微弱，从而减小对外部磁场设备的相互影响，提高磁性设备的安全性。

附图说明

图1是本申请实施例中对长方柱型钢材支撑构件的一种方式的切割磁化的结构示意图；

图2是本申请实施例中对长方柱型钢材支撑构件的另一种方式的切割磁化的结构示意图；

图3是本申请实施例中对长方柱型钢材支撑构件的另一种方式的切割磁化的结构示意图；

图4是本申请实施例中对长方柱型钢材支撑构件的另一种方式的切割磁化的结构示意图；

图5是本申请实施例中对多边形钢板样品台平板的磁化的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

散裂中子源的钢结构样品操作台主要由钢材的支撑构件和一个多边形钢板样品操作台平板组成，具体的，四根钢材支撑构件将多边形钢板样品操作台平板支撑起来，形成样品操作台。因此，本例分别对四根钢材支撑构件和多边形钢板样品操作台平板进行闭合磁路设计，然后再组装成一个完整的样品操作台。

其中，钢材支撑构件的柱形长2m，横截面为10cm×10cm。本例分别试验了四种切割和磁化方式，对钢材支撑构件进行闭合磁路设计；具体的，分别进行不同形式的切割，将钢材支撑构件切割成两部分，各部分分别进行磁化，然后再组装成一个完整的钢材支撑构件。具体如下：

方案一：如图1所示，本例直接将一根钢材支撑构件(如图1的A图所示)纵向切割成两部分，如图1的B图所示；然后，将两个切割部件分别进行纵向磁化，左边部分的切割部件上部磁化为N极、下部磁化为S极，右部分的切割部件上部磁化为S极、下部磁化为N极，如图1的C图所示；两部分组合后则形成一个从左部分起由下至上的顺时针的闭合磁路，如图1的D图所示；这样设计的钢材支撑构件对外显示微弱磁性。

方案二：如图2所示，本例将另一根钢材支撑构件(如图2的A图所示)从中部以不规整曲线切割成两部分，如图2的B图所示；然后，将两部分分别进行纵向磁化，左边部分的上部磁化为N极、下部磁化为S极，右部分的上部磁化为S极、下部磁化为N极，如图2的C图所示；两部分组合后则形成一个从左部分起由下至上的顺时针的闭合磁路，如图2的D图所示；这样设计的钢材支撑构件同样对外显示微弱磁性。

方案三：如图3所示，本例将另一根钢材支撑构件(如图3的A图所示)从中部挖切割出一块钢件，形成互补的两部分，如图3的B图所示；然后，将两部分分别进行纵向磁化，左边部分的上部磁化为N极、下部磁化为S极，右部分的上部磁化为S极、下部磁化为N极，如图3的C图所示；两部分组合后则形成一个从左部分起由下至上的顺时针的闭合磁路，如图3的D图所示；这样设计的钢材支撑构件同样对外显示微弱磁性。

方案四：如图4所示，本例直接将一根钢材支撑构件(如图4的A图所示)纵向切割成两部分，如图4的B图所示；然后，将两个切割部件分别进行与钢柱垂直方向的磁化，即两部分按照左右方向进行磁化，则左部分切割部件的左边为S极、右边为N极，同样的，右部分切割部件的左边为S极、右边为N极，如图4的C图所示；两部分组合后则在端部形成闭合磁路，如图4的D图所示，D图中两端的虚线即闭合磁路。

本例按照以上四种方案，分别对钢材支撑构件进行闭合磁路设计，获得四组钢材支撑构件，每组的四根钢材支撑构件采用相同的设计方案。

本例的样品操作台的多边形钢板操作台平板，是两块形状相同的多边形钢板层叠组合而成，多边形钢板操作台平板中间挖开一个圆形的空洞，用于安装样品环境设备。本例的多边形钢板样品台平板的规格为0.2×0.3×0.5m³。

如图5所示，对两块多边形钢板层进行垂直于板平面方向的磁化，即对于上面一块多边形钢板层，将其上面磁化为N极、下面磁化为S极，对于下面一块多边形钢板层，同样的，将其上面磁化为N极、下面磁化为S极；然后将两块磁化后的钢板层叠拼接在一起，形成一个完整的操作台的多边形钢板操作台平板。

分别采用方案一至方案四制备的钢材支撑构件与一个多边形钢板样品操作台平板组装成一个完整的样品操作台。本例在使用环境下，对各样品操作台施加外部磁场，结果显示，本例制备的样品台，对外部磁场都不敏感，可以用于磁性很强的超导磁体样品环境设备，而不会对超导磁体产生任何损害。

此外，中子谱仪散射室屏蔽体内部常常采用碳钢，碳钢是易磁化强磁性材料，如果散射室墙壁距离样品中心位置太近，将会因为碳钢磁化影响超导磁体的使用。因此，散射室墙壁内的钢块也可以采取方案一至方案四或者多边形钢板操作台平板的设计方法制备，然后砌入屏蔽墙内，实现对外部磁场不敏感的效果。

可以理解，本例的磁性器件设计方法，可以对任何形状的磁性器件进行设计，不仅限于柱形或板状，任何形状的磁性器件只要按照本例的设计思路都可以实现对外部磁场不敏感的效果，从而减小磁场相互作用的影响。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims

1.磁性器件的设计方法在散裂中子源的钢结构样品操作台中的应用；

所述磁性器件的设计方法包括以下步骤，

（1）将磁性器件分为至少两部分；

（2）分别对各部分进行磁化，各部分磁化的方向以拼接后相邻两部分能够形成闭合磁路为准；

（3）将磁化后的各部分组装成一个完整的磁性器件。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述步骤（3）中，采用机械加固的方式将各部分稳固的组装成一个完整的磁性器件。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述磁性器件为钢材构件。

4.一种散裂中子源的钢结构样品操作台的制备方法，其特征在于：包括采用磁性器件的设计方法对钢结构样品操作台的各组件进行设计，然后将各组件组装成一个完整的钢结构样品操作台；

所述磁性器件的设计方法包括以下步骤，

（1）将磁性器件分为至少两部分；

（3）将磁化后的各部分组装成一个完整的磁性器件。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，采用机械加固的方式将各部分稳固的组装成一个完整的磁性器件。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述磁性器件为钢材构件。

7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法制备的用于散裂中子源的钢结构样品操作台。