CN1172563C - 混合型摆动器 - Google Patents

Abstract

用作诸如电子加速器中的一种插入装置的新型混合型摆动器。这种混合型摆动器不同于普通的混合型摆动器，它由两个相互面对的磁体阵列组成，每个磁体阵列又由多块永磁体和多块用软磁材料制作的极板交替排列组成，从而能在两个磁体阵列的间隔空间中生成一个周期性正弦曲线磁场，促使电子束蜿蜒游动。各极板在横向上被夹在一对辅助磁体之间，使在间隔空间中的周期性磁场大大得到强化。

Description

混合型摆动器

本发明涉及一种新型插入装置，或者具体说涉及一种能插入电子加速器或电子存储环中线性部份的摆动器，以发出高亮度的同步加速器辐射。

插入装置由两个相互面对的磁体阵列组成，两个磁体阵列之间有一定的间隔空间，每个磁体阵列由多块永久性磁体组成，或由多块永久性磁体和多块用铁或铁钴合金等软磁性铁磁材料制作的磁体结合组成。所附的图6A是由两个永久性磁体阵列组成的插入装置的结构示意图，图中各块磁体侧面上的小箭头指示的是该磁体的磁化方向。这种插入装置插入电子加速器或电子存储环的线性部份时，要使两个磁体阵列之间形成一个空腔如图6A所示，并能在两个磁体阵列之间的空腔中生成一个周期性正弦曲线磁场如图6B所示。当电子加速器中以接近光速游动的电子沿磁体阵列的Z方向进入此摆动或波动的磁场时，电子束将沿图6A的小箭头(e)指示的方向蜿蜒游动，并如图6C所示，在各转弯点发出同步加速器辐射(R)。

如上所述，能生成周期性正弦曲线磁场的这种插入装置可以区分为两类，一类是仅由多块永久性磁体组成的海尔巴赫型，另一类是由多块永久性磁体和多块用软磁性铁磁材料制成的磁体结合而成的混合型〔详见《核设备与方法》第288卷(1983年)第117～125页和《科研设备评论》第58(3)卷(1987年3月号)〕。图7是海尔巴赫(Halbach)型插入装置中的磁体阵列从X轴方向的侧示图，这种插入装置仅由多块永久性磁体(41、42)组成，各块磁体分别沿磁体(41或42)的侧面标记的小箭头方向进行磁化。周期性正弦曲线磁场的周期相当于四块相邻的永久性磁体的长度(P)。

图8A是一种混合型插入装置相对Y轴方向的正视图。这种混合型插入装置的各磁体阵列由交替排列的多块永久性磁体(41)和用软磁性铁磁材料制作的用于集中磁通量的多块极板(43)结合组成。这种插入装置的周期性正弦曲线磁场的周期(P)相当于两块永久性磁体(41)和两块极板(43)的长度。上述两类插入装置生成的磁场的强度与分布是完全相同的，从性能上说没有明显差异，只是混合型更经济些，因为与海尔巴赫型相比混合型使用的永久性磁体的总数要少些。

根据作为周期长度(P)的函数的参数(K)值和磁场强度，上述两类插入装置还可以分为波动器和摆动器两种，即K值为1或小于1的插入装置为波动器，K值大于1的插入装置为摆动器。

本发明涉及混合型插入装置，具体说涉及混合型摆动器，如图8A正视图和图8B侧视图所显示的混合型摆动器，磁体阵列中的各极板(43)都被夹在两块永久性磁体(41)之间，而且，各块磁体沿磁体阵列纵向或C轴方向的极化方向与最靠近的磁体的极化方向相反，磁通量被集中于各块极板(43)上，因此，在由永久性磁体(41)和极板(43)共同组成的两个相互间隔为d的磁体阵列之间的间隔空间中生成一个强大的磁场。如图8A所示，各极板(43)在X轴向上的外廓尺寸小于同一轴向上的永久性磁体(41)，这样做的目的是利于将磁通量集中于电子沿其运动的中轴线(C)上。

由于摆动器的目的是用来生成高能或高强度的X射线，因而在两个磁体阵列间隔空间中必须形成足够强度的磁场。虽然缩短两个磁体阵列之间的间隔距离(d)可以增大磁场的强度，但是为了保持间隔空间的大小，将两个磁体阵列之间的间隔距离缩短至10mm以下是难以实现的。尽管使用增大永久性磁体体积的方法可以在一定程度上强化磁场，然而这种方法却无助于解决问题，因为在混合型摆动器中，磁场的强弱在增大永久性磁体(41)体积情况下受限于极板(43)的磁饱和度，而在海尔巴赫型摆动器中，只有增大中轴线(C)附近的永久性磁体的体积部分才有助于增大磁场的强度，增大距中轴线(C)较远的永久性磁体的体积部份则对增大磁场强度意义不大。

据估计，对中等尺寸大小的同步加速器辐射仪器来说，在使用强X射线的情况下，要求它所使用的摆动器能够产生一个周期性磁场峰值至少为2T的磁场。因此，可以肯定，鉴于可以形成大范围能量的同步加速器辐射。从而增大摆动器生成的磁场，各式同步加速器辐射仪器的使用必将增多。

本发明的目的是提供一种混合型摆动器，它能够形成现有摆动器不能形成的强周期性磁场。

因此，本发明提供的这种混合型摆动器，由两个相互面对的阵列组成，两个阵列之间有一定间隔空间，每个阵列均由多块永久性主磁体和多块软磁性铁磁材料(如铁或铁钴合金)制成的极板结合而成。由于极板是沿磁体阵列纵轴方向间隔排列的，所以一个磁体阵列中的一块永久性主磁体相对于另一个磁体阵列中的一块永久性主磁体，而一个磁体阵列中的一块极板相对于另一个磁体阵列中的一块极板，各极板在横向上又夹在两块永久性辅助磁体中间。

附图说明

图1A是本发明所述混合型摆动器在X-Z面上的X-Z剖面图。

图1B是本发明所述混合型摆动器沿图1A所示箭头IB-IB线方向断开的剖面图。

图2是本发明所述混合型摆动器所配用的磁场调节装置的剖面图。

图3A是本发明示例所述混合型摆动器的纵向剖面图。

图3B是图3A所述混合型摆动器沿图3A所示箭头111B-111B线方向断开的剖面图。

图3C是图3B所述混合型摆动器沿图3A所示箭头111C-111C线方向断开的剖面图。

图4是本发明示例所述混合型摆动器的磁场沿中轴线分布的曲线图。

图5是作为间隔距离(d)的函数的周期性磁场的峰值曲线图。

图6A是现有插入装置的结构示意图。

图6B是图6A所示插入装置间隔空间的正弦曲线周期性磁场示意图。

图6C是图6A所示插入装置间隔空间中电子蜿蜒运动轨迹图。

图7是海尔巴赫型摆动器的纵向Y-Z侧视图。

图8A是普通混合型摆动器的X-Z平面图。

图8B是普通混合型摆动器的Y-Z侧视图。

最佳实施例的详述

从以上所述可以得知，本发明所述混合型摆动器的最大特点，是位于一个磁体阵列中的两个相邻永久性主磁体之间的每块软磁性极板，被横向夹在两块永久性辅助磁体之间，由此，在两个磁体阵列之间的间隔空间中生成一个异乎寻常的强大磁场。

下面，参照附图详细介绍本发明所述混合型摆动器。

图1A是本发明所述混合型摆动器的一个磁体阵列在X-Z平面的X-Z剖面图，图1B是本发明所述混合型摆动器沿图1A所示箭头IB-IB线方向断开的剖面图。从这两图上可以得知，这种混合型摆动器主要由一对相互面对磁体阵列组成，两个磁体阵列之间有一定间隔(d)，从而形成一个间隔空间(G)。和图8A、8B所示的普通混合型摆动器一样，每个磁体阵列由多块永久性磁体(1，1)(以下称主磁体)和多块软磁性铁磁材料制成的磁体(3，3)(以下称极板)组成，两种磁体块沿磁体阵列的纵轴方向交替排列。主磁体(1，1)的极化方向是沿Z轴的方向，即磁体阵列的纵轴方向，但是，正如各块主磁体剖面上标记的小箭头所指，相邻两块主磁体的磁化方向是相反的。在间隔空间(G)中生成的周期性磁场主要是主磁体(1，1)和极板(3，3)作用的结果。

这种混合型摆动器的磁体阵列与普通混合型摆动器的磁体阵列的区别，在于其中的各块极板(3，3)被横向夹在一对永久性辅助磁体(2，2)(以下称辅助磁体)之间，即是说，各块极板(3)被四块永久性磁体包围着，其中有两块主磁体(1，1)在阵列纵向上夹住极板(3)，另外两块辅助磁体(2，2)在横侧面上夹住极板(3)。辅助磁体的磁化方向与Z轴线垂直并在X-Z平面上，然而，夹住一块极板(3)的两块辅助磁体(2，2)的磁化方向却是相反的，并且与邻近的另一对辅助磁体(2，2)的磁化方向也相反。由于有这样的辅助磁体(2，2)，使间隔空间(G)中的周期性正弦曲线磁场大为增强。

最好的布局是使面向间隔空间的主磁体(1)、辅助磁体(2)和极板(3)的端面(11，21和31)都在同一平面上，同时，使背对间隔空间的主磁体(1)和辅助磁体(2)的端面(16，26)在同一平面上，使背对间隔空间的极板(3，3)的端面(36)不与端面(26，16)在同一平面，而是凹进一些(见图1B左半部分)，主磁体(1)、辅助磁体(2)和极板(3)的这种排列的必要性在于防止磁通量向摆动器体外泄出，又能将磁通量集中到间隔空间(G)之内。

这种插入装置对降低磁场分布偏差量的要求较高，在磁体阵列一经组装完毕后，对磁场的调节通常是必不可少的。当前已知的磁场调节方法有以下几种：一种方法是在面向间隔空间(G)的各永久性磁体端面上附加一块用软磁体铁磁材料制成的薄片，另一种方法是在永久性磁体阵列外围附加若干由软磁性铁磁材料制作的有助于调节磁场的薄板。第一种方法不适合用于本发明所述的混合型摆动器，因为永久性磁体的端面已没有可以附加上述磁性薄片的余地，第二种方法也同样不能实现，因为要固定这样的磁体阵列就需要结构非常复杂的支架。

图2是一种混合型摆动器支架在X-Y平面的剖面图，这种支架由固定永久性磁体(2，2)的固定架(4)和固定极板(3)的固定架(8)组成。固定架(8)可以通过旋转推压螺钉(5)在相互面对的两个辅助磁体(2，2)中间滑动，从而使极板(3)可以相对四周包围的主磁体(1，1)和辅助磁体(2，2)作垂直移动。由于极板(3)的位置对间隔空间(G)中的磁场具有很大作用，只要稍稍转动推压螺钉(5)便可以达到调节磁场的全面效果。

制作极板(3)的材料是软磁性铁磁材料，诸如铁和铁基合金，最好是铁钴合金，因为这种材料具有较高的饱和磁化强度。

下面，通过一个实例更详尽地介绍本发明所述的混合型摆动器。实例

图3A、3B、3C是现已制备的混合型摆动器的剖面图。其中，表示大小尺寸的数据以mm为单位。图3A是在含有中轴线(C)的Y-Z平面断开的磁体阵列组合的垂直剖面图，图3B是沿图3A所示IIIB-IIIB线断开的剖面图，图3C则是沿图3A所示IIIC-IIIC线断开的剖面图。

主磁体(1，1)和辅助磁体(2，2)所用的永久性磁性材料是钕铁硼合金磁铁，这种材料的剩余磁化(Br)为12.9KG，矫顽磁力(iHc)为12.0KOe(N42H，Shin-Etsu化学公司的产品)。极板(3，3)是用铁钴合金材料制作的，这种材料的饱和磁化值为23.1KG(Cemendur，Tokin公司的产品)。在每个全长为100mm的磁体阵列中组配有三块极板(3，3)，两个磁体阵列之间的间距(d)可在3～30mm之间变化。

每个磁体阵列包括四块主磁体(1，1)和三块极板(3，3)，每块极板(3，3)被横向夹在一对辅助磁体(2，2)中间，辅助磁体(2，2)用非磁性固定架(4和8)固定。各磁体阵列覆盖有护板(9)并由带有螺栓(11)的磁压器(6)固定，整个磁体阵列安装在底板(7)上，底板(7)上有一开口(10)，用于插入可对极板(3)的位置进行微调的推压螺钉(5)。

上述制备的混合型摆动器是实用混合型摆动器的1/2大小的试验模型。例如，这种试验模型的间隔空间距离为5mm，而实用型的间隔空间距离为10mm。

图4的曲线是由上述试验型摆动器沿中轴线(C)的Y轴方向测得的周期性磁场By的结果，其使用的间隔距离(d)是以沿Z轴线的间距(Z)为横座标线的3.5mm(实线)和5.0mm(虚线)。不难发现上端顶点(2)稍小于下端顶点(1)，这是因为上端顶点被夹在两个下向顶点之间。这种差异情况在实用的混合型摆动器中不会出现，因为实用型有大量的磁场周期，其磁场峰值可以达到作为中间顶点的顶点(2)的峰值。

图5的曲线表示的是间隔距离(d)变化到30mm情况下相对顶点(1)和顶点(2)的磁场峰值(绝对值)。在间隔距离(d)分别为0.5mm和3.5mm时，顶点(2)的峰值分别是2.8T和3.0T，如此间距即相当于实用型的间距10mm和7mm。

Claims (7)

1.一种混合型摆动器，包括两个相互面对的阵列，两个阵列之间保持一个间隔空间，每个阵列由多块永久性主磁体和多块作为极板的用软磁性铁磁材料制作的磁体在阵列的纵向上交替排列组成，一个阵列中的每一块永久性主磁体恰好面对另一个阵列中的一块永久性主磁体，一个阵列中的每一块极板恰好面对另一个阵列中的一块极板，而且每块极板在横侧面上被两块永久性辅助磁体夹在中间。

2.根据权利要求1所述的混合型摆动器，其中，各极板都配有一个机械装置，通过它，可以使该极板在一对永久性主磁体和一对永久性辅助磁体所包围的空间中沿垂直于磁体阵列纵向的方向滑动。

3.根据权利要求1所述的混合型摆动器，其中，用来制作极板的软磁性铁磁材料是铁钴合金。

4.根据权利要求1所述的混合型摆动器，其中，永久性主磁体的磁化方向与磁体阵列的纵向相平行，与有一块极板相隔的最近的一块永久性主磁体的磁化方向相反。

5.根据权利要求1所述的混合型摆动器，其中，永久性辅助磁体的磁化方向与磁体阵列的纵向相垂直，而将极板夹在中间的成对的两块永久性辅助磁体的磁化方向却相互相反。

6.根据权利要求1所述的混合型摆动器，其中，一个磁体阵列中的永久性主磁体、极板和永久性辅助磁体三者面向间隔空间的端面在同一平面上。

7.根据权利要求1所述的混合型摆动器，其中，极板的远离间隔空间的端面相对于永久性主磁体和辅助磁体的远离间隔空间的端面凹进一截。

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