CN117580238A - 磁透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁透镜，可以应用于磁透镜技术领域。该磁透镜，用于利用旋转对称的磁场使射入磁透镜的粒子束进行聚焦，该磁透镜包括：磁场产生组件，用于产生磁场。磁轭，用于改变磁场的磁感线的路径。磁流变材料，设置在磁轭和磁场产生组件之间，以便于改变路径后的磁感线穿过磁流变材料，使磁流变材料发生流变特性变化，从而通过磁流变材料抑制由磁场产生组件引起的振动。
Description
技术领域
本发明涉及磁透镜技术领域，更具体地，涉及一种磁透镜。
背景技术
在磁透镜工作的过程中，磁透镜中的组件会受到磁透镜中的磁场产生组件所产生的磁场的影响，产生相对位移。基于此，存在磁场产生组件的磁场使磁透镜中的组件产生振动，从而影响整个粒子束设备内部组件的机械稳定性和设备精度的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种磁透镜。
根据本发明提供的一种磁透镜，用于利用旋转对称的磁场使射入磁透镜的粒子束进行聚焦，该磁透镜包括：
磁场产生组件，用于产生磁场。
磁轭，用于改变磁场的磁感线的路径。
磁流变材料，设置在磁轭和磁场产生组件之间，以便于改变路径后的磁感线穿过磁流变材料，使磁流变材料发生流变特性变化，从而通过磁流变材料抑制由磁场产生组件引起的振动。
根据本发明的实施例，上述磁流变材料的硬度与上述磁场的磁场强度之间正相关。
根据本发明的实施例，上述磁透镜还包括支撑架。上述磁场产生组件，包括第一磁场产生子组件和第二磁场产生单元，上述第一磁场产生子组件用于产生固定强度的磁场，上述第二磁场产生子组件用于产生磁场强度与输入磁透镜的输入电流的电流强度存在关联关系的磁场。
其中，上述支撑架设置在上述第一磁场产生子组件和上述第二磁场产生子组件之间。
其中，在上述支撑架用于支撑第一磁场产生子组件的情况下，上述第二磁场产生子组件与上述支撑架之间存在密闭空间。
其中，在上述支撑架用于支撑第二磁场产生子组件的情况下，上述第一磁场产生子组件与上述支撑架之间存在上述密闭空间。
其中，上述密闭空间用于填充预定体积的磁流变材料。
根据本发明的实施例，在上述支撑架用于支撑上述第一磁场产生子组件的情况下，上述第二磁场产生子组件设置在上述磁轭中。
根据本发明的实施例，上述第一磁场产生子组件包括永磁铁，上述永磁铁材料包括钕铁硼、钐钴和铝镍钴中的至少一种。
根据本发明的实施例，上述第二磁场产生子组件包括电磁线圈。
上述电磁线圈用于根据上述输入电流，产生磁场强度与上述输入电流的电流强度存在关联关系的磁场。
根据本发明的实施例，上述磁透镜还包括支撑架，上述支撑架设置在上述磁场产生组件和上述磁轭之间，上述支撑架用于支撑上述磁场产生组件。
上述支撑架与上述磁轭之间存在密闭空间，上述密闭空间用于填充预定体积的磁流变材料。
根据本发明的实施例，上述振动的振动强度与上述磁场的磁场强度之间正相关。
根据本发明的实施例，上述磁流变材料包括磁流变液、磁流变泡沫、磁流变胶和磁流变弹性体中的一个。
根据本发明的实施例，上述磁流变液包括可磁化颗粒、载液和无纺布纤维。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的磁透镜的结构图。
图2a示出了根据本发明实施例的无磁场的作用的情况下的磁流变材料的示意图。
图2b示出了根据本发明实施例的有磁场的作用的情况下的磁流变材料的示意图。
图3示出了根据本发明第一实施例的电磁和永磁组合式的磁透镜的结构图。
图4示出了根据本发明第二实施例的电磁和永磁组合式的磁透镜的结构图。
图5示出了根据本发明第三实施例的电磁和永磁组合式的磁透镜的结构图。
图6示出了根据本发明实施例的磁流变材料区域的磁感线示意图。
图7a示出了根据本发明实施例的磁流变材料的剪切强度与磁通密度的关系图。
图7b示出了根据本发明实施例的磁场强度与磁通密度的关系图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
图1示出了根据本发明实施例的磁透镜的结构图。
如图1所示，磁透镜100可以包括磁场产生组件110、磁流变材料120和磁轭130。
根据本发明的实施例，磁透镜100可以表征能使粒子束在旋转对称的非均匀磁场中受到洛伦兹力的作用，并使得粒子束聚焦成像的装置。磁透镜100用于利用旋转对称的磁场使射入磁透镜100的粒子束进行聚焦。
根据本发明的实施例，磁场产生组件110，用于产生磁场。进而，可以使穿过磁透镜100的轴向孔的粒子束受洛伦兹力作用进行聚焦。粒子束包含电子束和离子束等。
根据本发明的实施例，磁场产生组件110可以包括电磁线圈、电磁铁或永磁铁中的至少一种。其中，电磁线圈可以包括铜线圈等。永磁铁可以表征具有恒定磁场的磁铁。
根据本发明的实施例，在输入电流的电流值的不同的情况下，电磁线圈或电磁铁可以产生不同强度的磁场。在输入电流的电流强度提高的情况下，磁场的磁场强度可以提高。在输入电流的电流强度降低的情况下，磁场的磁场强度可以降低。
根据本发明的实施例，电磁线圈外层可以设置有冷却管，该冷却管中可以填充有冷却介质。例如，冷却介质和冷却管可以是盘绕设置的，也可以是环绕设置的。
由于线圈通电产生磁场的过程中，会不可避免的发热，因此，通过设置冷却介质和冷却管，可以实现带有电磁线圈的磁透镜的循环水冷系统结构设计，从而保持磁透镜的温度恒定。
根据本发明的实施例，磁轭130，用于改变磁场的磁感线的路径，即磁轭130可以用于根据光轴的位置，对磁场进行引导。由此，可以增强磁透镜100中的磁场强度。磁轭130一般由软磁材料构成，如软铁壳等。
根据本发明的实施例，磁轭130可以包括极靴。例如，极靴可以位于环形的磁轭130的开口端面处，用于辅助磁透镜100形成环形间隙，进行中心区域磁场增强。极靴可以用于汇集磁场的磁感线方向。基于此，极靴可以提高粒子束的聚焦程度。
在一些实施例中，极靴还可以是设置在电磁线圈内的由磁性材料构成的锥形环，该极靴可以用于增加电磁线圈内的磁场强度，从而使粒子束有效地集中。
根据本发明的实施例，磁流变材料120，设置在磁轭130和磁场产生组件110之间，以便于改变路径后的磁感线穿过磁流变材料120，使磁流变材料120发生流变特性变化，从而通过磁流变材料120抑制由磁场产生组件110引起的振动。
根据本发明的实施例，磁流变材料120可以表征物理性能可随着磁场强度变化而变化的流变材料。例如，可以通过磁场强度调节磁流变材料120的弹性模量和刚度等属性。可以由磁流变材料120构成抑制振动的阻尼通道。例如，磁场产生组件110产生的磁场的磁感线，可以垂直经过与磁流变材料构成的环形阻尼通道，由此可以通过磁透镜的磁场变化来调节磁流变材料的流变特性，使磁流变材料对电磁透镜的阻尼力可控。
根据本发明的实施例，磁流变材料120包括磁流变液、磁流变泡沫、磁流变胶和磁流变弹性体中的一个。
根据本发明的实施例，磁流变液包括可磁化颗粒、载液和无纺布纤维。载液可以包括硅油等。可磁化颗粒可以包括微米级铁磁颗粒等。添加剂可以包括无纺布纤维等。
根据本发明的实施例，磁流变材料120中可磁化颗粒可以决定磁流变性质。可磁化颗粒可以包括磁赤铁矿及其铁氧体，以及磁铁矿及其铁氧体等。
根据本发明的实施例，载液可以表征承载可磁化颗粒，使可磁化颗粒悬浮的液体。载液可以包括硅油、聚α烯烃、矿物油、乙二醇和水等。
根据本发明的实施例，使用无纺布可以提高磁流变材料的再分散性和沉降比，减少氧化，还可以增强磁流变效应。
图2a示出了根据本发明实施例的无磁场的作用的情况下的磁流变材料中铁磁颗粒的分布示意图。
如图2a所示，包括S极板141、可磁化颗粒121、添加剂122、载液123及N极板142。在没有磁场的作用的情况下，可磁化颗粒121可以自由流动，随机分布在载液123中。基于此，磁流变材料呈现流动的液体状态。
图2b示出了根据本发明实施例的有磁场的作用的情况下的磁流变材料中铁磁颗粒的分布示意图。
如图2b所示，包括S极板141、可磁化颗粒121、添加剂122、载液123、磁场方向124及N极板142。在受到磁场方向124由N极板142指向S极板141的磁场作用的情况下，可磁化颗粒121会被磁化，从而沿磁场方向124排列并形成链柱结构。基于此，磁流变材料可以在毫秒内从牛顿流体转变为非牛顿流体，进而磁流变材料在受到力的情况下，会转变为固体或半固体。
根据本发明的实施例，由磁场产生组件引起的振动的振动强度与磁场的磁场强度之间正相关。基于此，磁场强度越强，振动的振动强度越强，磁场强度越弱，振动的振动强度越弱。
根据本发明的实施例，磁流变材料的硬度与磁场的磁场强度之间正相关。基于此，磁场强度越强且振动的强度越强，磁流变材料的硬度越硬，磁场强度越弱且振动的强度越弱，磁流变材料的硬度越弱。
根据本发明的实施例，由磁场产生组件引起的振动的振动强度和磁流变材料的硬度与磁场强度都呈正相关关系。基于此，在磁场强度越强的情况下，振动强度和磁流变材料的硬度都会增强，进而可以保证磁流变材料对振动的抑制效果。
根据本发明的实施例，在有磁场的作用的情况下，撤去磁场，磁流变材料可以从固体或半固体转变为牛顿流体。
根据本发明的实施例，在磁透镜产生磁场的情况下，可以使磁流变材料发生流变特性变化，从而变为非牛顿流体，由此可以使用处于非牛顿流体状态的磁流变材料对磁场产生组件和磁轭进行减振。由此可以提高磁透镜的机械稳定性和测量精度。
基于此，通过将磁流变材料设置在磁场产生组件和磁轭之间，可以使尽可能多的磁感线穿过磁流变材料，由此，可以提高磁流变材料对磁透镜所产生的磁场的敏感度，从而提高磁流变材料的减振效果。
根据本发明的实施例，磁透镜还包括支撑架。
根据本发明的实施例，磁场产生组件可以包括第一磁场产生子组件和第二磁场产生子组件，第一磁场产生子组件用于产生固定强度的磁场，第二磁场产生子组件用于产生磁场强度与输入电流的电流值存在关联关系的磁场。
根据本发明的实施例，支撑架设置在第一磁场产生子组件和第二磁场产生子组件之间。
根据本发明的实施例，在支撑架用于支撑第一磁场产生子组件的情况下，第二磁场产生子组件与支撑架之间存在密闭空间。
根据本发明的实施例，在支撑架用于支撑第二磁场产生子组件的情况下，第一磁场产生子组件与支撑架之间存在密闭空间。
根据本发明的实施例，密闭空间用于填充预定体积的磁流变材料。
根据本发明的实施例，支撑架可以支撑第一磁场产生子组件，或者第一磁场产生子组件也可以支撑第二磁场产生子组件。
根据本发明的实施例，用于产生固定强度的磁场的磁场产生组件，其第一磁场产生子组件可以是永磁铁。用于产生磁场强度与输入电流的电流值存在关联关系的磁场的第二磁场产生子组件可以是电磁线圈。
根据本发明的实施例，预定体积与密闭空间的体积可以呈正相关关系。例如，密闭空间的体积越大，预定体积可以越大。例如，预定体积和密闭空间的体积可以相同。
根据本发明的实施例，在通过相同电流的情况下，磁流变材料的预定体积不同，可以产生不同的减振效果。在通过相同电流的情况下，磁流变材料的预定体积与减振效果可以呈正相关关系。
根据本发明的实施例，通过给第二磁场产生子组件施加电流，电磁线圈将会产生磁场，在磁场的作用下，磁流变材料瞬间被磁化，从而磁流变材料由牛顿流体状态转变为非牛顿流体状态，由此可以使用处于非牛顿流体状态的磁流变材料对磁场产生组件和磁轭进行减振。并且磁流变材料的状态转变是连续和可逆的，从而提高了减振的灵活性。
图3示出了根据本发明第一实施例的电磁和永磁组合式的磁透镜的结构图。
如图3所示，该实施例的磁透镜包括：支撑架301、光轴302、粒子束轨迹303、电磁线圈输入的电流方向304、磁流变材料120、电磁线圈305、永磁铁306、磁轭130和极靴131。
根据本发明的实施例，在磁透镜中设置有电磁线圈305，通过给电磁线圈305输入电流，可以改变由电磁线圈305产生的磁场，从而改变磁透镜的磁动力，使永磁铁306构成的磁透镜达到可调谐的状态。在此基础上，由于改变了磁场，因此可以改变磁流变材料120的硬度。
其中，极靴131的材料可以包括1J50铁镍软磁合金或DT-4软磁合金等。该材料为具有高磁导率、低剩磁和矫顽力的软磁合金。该材料中的铁和镍各占约50％。此类合金具有窄而陡的磁滞回线，在弱磁场中具有很大磁导率和很小的矫顽力。
图4示出了根据本发明第二实施例的电磁和永磁组合式的磁透镜的结构图。
如图4所示，该实施例的磁透镜包括：支撑架301、光轴302、粒子束轨迹303、电磁线圈输入的电流方向304、电磁线圈305、永磁铁306、外壳307、磁流变材料120、磁轭130和极靴131。
根据本发明的实施例，在支撑架301用于支撑第一磁场产生子组件的情况下，第二磁场产生子组件设置在磁轭130中。其中，第一磁场产生子组件可以为永磁铁306，第二磁场产生子组件可以为电磁线圈305。
根据本发明的实施例，该磁透镜沿光轴302左右对称。
根据本发明的实施例，磁流变材料120设置在支撑架301和磁轭130之间的密闭空间内，并进行密封。
根据本发明的实施例，在永磁铁306构成的磁透镜的中嵌入电磁线圈305，通过改变电磁线圈305输入电流，可以改变电磁线圈305所产生的磁场，从而改变磁透镜的磁动力，使永磁铁306构成的磁透镜达到可调谐的状态。在此基础上，磁流变材料120受磁场影响转变为非牛顿流体状态。并且，由于改变了磁场，因此可以改变磁流变材料120的硬度。
根据本发明的实施例，通过给第二磁场产生子组件输入电流，磁流变材料可以转变为非牛顿流体状态，磁流变材料设置在磁场产生组件与磁轭之间，从而提高磁透镜的减振效果。
根据本发明的实施例，第一磁场产生子组件包括永磁铁，永磁铁的材料包括钕铁硼、钐钴和铝镍钴中的至少一种。
根据本发明的实施例，上述永磁铁能够长期保持其磁性，永磁铁的构成材料包括但不限于钕铁硼、钐钴（SmCo）、铝镍钴（AlNiCo）和铁氧体中的至少一种。可以根据剩磁、矫顽力和最大磁能积等参数来选取永磁铁。
根据本发明的实施例，第一磁场产生子组件还可以是产生固定强度的磁场的电磁铁。
根据本发明的实施例，在磁透镜的磁路配置中，将第一磁场产生子组件设置为固定电磁强度的永磁铁，与电磁强度可变的第二磁场产生子组件组合使用，与只用永磁铁相比，可以避免漏磁场，进而提高了磁透镜的粒子束聚焦能力。
根据本发明的实施例，第二磁场产生子组件包括电磁线圈。电磁线圈用于根据输入电流，产生磁场强度与输入电流的电流强度存在关联关系的磁场。
根据本发明的实施例，第二磁场产生子组件可以产生磁场强度可变的磁场。
根据本发明的实施例，通过改变输入电流的大小，可以产生磁场强度不同的磁场。磁场强度与电流大小呈正相关关系。因此，对于同一个电磁线圈，电流越大，通电电磁线圈所产生的磁场强度越强，电流越小，通电电磁线圈所产生的磁场强度越小。
根据本发明的实施例，磁场产生子组件通过调节第二磁场产生子组件的输入电流的大小，可以调节磁场强度，进而调节磁流变材料的屈服应力和粘度，从而提高了调整磁流变材料的阻尼的灵活性。
图5示出了根据本发明第三实施例的电磁和永磁组合式的磁透镜的结构图。
如图5所示，该实施例的磁透镜包括：支撑架301、光轴302、粒子束轨迹303、电磁线圈输入电流方向304、电磁线圈305、外壳307、磁流变材料120、磁轭130及极靴131。
根据本发明的实施例，支撑架301可以设置在磁场产生组件和磁轭130之间，支撑架301用于支撑磁场产生组件。例如，支撑架301设置在电磁线圈308和磁轭130之间，支撑架301可以用于支撑电磁线圈308。
根据本发明的实施例，支撑架301与磁轭130之间存在密闭空间，密闭空间可以用于填充预定体积的磁流变材料120。
根据本发明的实施例，通过将磁流变材料120设置在磁场产生组件和磁轭130之间，可以使尽可能多的磁感线穿过磁流变材料120，从而可以提高磁流变材料120对磁透镜所产生的磁场的敏感度。
图6示出了根据本发明实施例的磁流变材料区域的磁感线示意图。
如图6所示，包括光轴302、电磁线圈305、粒子束轨迹303、磁流变材料120、磁轭130和极靴131。在电磁线圈305中的输入电流的电流值为1A的情况下，可以改变磁流变材料120内部的磁场强度，使磁流变材料120的剪切屈服应力增大，进而磁流变材料120可以对由磁场产生组件产生的振动进行抑制。
图7a示出了根据本发明实施例的磁流变材料的剪切强度与磁通密度的关系图。
图7b示出了根据本发明实施例的磁场强度与磁通密度的关系图。
可以使用常用的电磁仿真软件建立磁透镜的实体模型，并针对MRF-J25T型号的磁流变液进行数值仿真计算分析。如图7a和图7b所示，磁流变材料的剪切强度和磁场强度均可以随着磁通密度的增加而增加。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明本发明的目的、技术方案和有益效果，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。不脱离本发明的范围，在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁透镜，其特征在于，用于利用旋转对称的磁场使射入所述磁透镜的粒子束进行聚焦，包括：
磁场产生组件，用于产生所述磁场；
磁轭，用于改变所述磁场的磁感线的路径；
磁流变材料，设置在所述磁轭和所述磁场产生组件之间，以便于路径改变后的磁感线穿过所述磁流变材料，使所述磁流变材料发生流变特性变化，从而通过所述磁流变材料抑制由所述磁场产生组件引起的振动。
2.根据权利要求1所述的磁透镜，其特征在于，所述磁流变材料的硬度与所述磁场的磁场强度之间正相关。
3.根据权利要求1所述的磁透镜，其特征在于，所述磁透镜还包括支撑架；
所述磁场产生组件，包括第一磁场产生子组件和第二磁场产生子组件，所述第一磁场产生子组件用于产生固定强度的磁场，所述第二磁场产生子组件用于产生磁场强度与输入所述磁透镜的输入电流的电流强度存在关联关系的磁场；
其中，所述支撑架设置在所述第一磁场产生子组件和所述第二磁场产生子组件之间；
其中，在所述支撑架用于支撑第一磁场产生子组件的情况下，所述第二磁场产生子组件与所述支撑架之间存在密闭空间；
其中，在所述支撑架用于支撑第二磁场产生子组件的情况下，所述第一磁场产生子组件与所述支撑架之间存在所述密闭空间；
其中，所述密闭空间用于填充预定体积的磁流变材料。
4.根据权利要求3所述的磁透镜，其特征在于，在所述支撑架用于支撑所述第一磁场产生子组件的情况下，所述第二磁场产生子组件设置在所述磁轭中。
5.根据权利要求3所述的磁透镜，其特征在于，所述第一磁场产生子组件包括永磁铁，所述永磁铁的材料包括钕铁硼、钐钴和铝镍钴中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的磁透镜，其特征在于，所述第二磁场产单元包括电磁线圈；
所述电磁线圈用于根据所述输入电流，产生磁场强度与所述输入电流的电流强度存在关联关系的磁场。
7.根据权利要求1所述的磁透镜，其特征在于，还包括支撑架，所述支撑架设置在所述磁场产生组件和所述磁轭之间，所述支撑架用于支撑所述磁场产生组件；
所述支撑架与所述磁轭之间存在密闭空间，所述密闭空间用于填充预定体积的磁流变材料。
8.根据权利要求1所述的磁透镜，其特征在于，所述振动的振动强度与所述磁场的磁场强度之间正相关。
9.根据权利要求1所述的磁透镜，其特征在于，所述磁流变材料是磁流变液、磁流变泡沫、磁流变胶和磁流变弹性体中的一个。
10.根据权利要求9所述的磁透镜，其特征在于，所述磁流变液包括可磁化颗粒、载液和无纺布纤维。
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