DE1283976B

DE1283976B - Magnetsystem fuer die Erzeugung eines sehr homogenen magnetischen Feldes

Info

Publication number: DE1283976B
Application number: DEN26604A
Authority: DE
Inventors: Watson Edward
Original assignee: NEWPORT INSTR Ltd; Newport Instruments Ltd
Current assignee: NEWPORT INSTR Ltd; Newport Instruments Ltd
Priority date: 1964-04-22
Filing date: 1965-04-21
Publication date: 1968-11-28
Also published as: NL6505044A; US3412352A; GB1110172A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für die Dimensionen des Elektronenbündels in der Wander-Erzeugung eines sehr homogenen magnetischen FeI- wellenröhre erzeugt werden soll. Hierzu dient eine des, bestehend aus zwei rechteck- oder kreisförmig Vielzahl gestapelter magnetischer Zellen. Die PoI-begrenzten Polschuhen aus magnetisch weichem Ma- schuhplatten bestehen daher aus dünnen Blechen terial, die einander zugekehrte, ebene, parallele Pol- 5 von etwa 1,6 mm Dicke. Derartig dünne Bleche verflachen aufweisen, und aus mindestens zwei Dauer- mögen dem Verzerrungseffekt der den magnetischen oder Elektromagneten, die zwischen den Polschuhen Fluß erzeugenden Elemente zwischen den Platten symmetrisch zu deren Begrenzungslinien an den über eine beliebige, sehr große Fläche nicht entgegenüberliegenden Stellen angeordnet sind, den gegenzuwirken. Die zwischengeordneten Polschuh-Abstand der beiden Polflächen begrenzen und die io bleche und die beiden Endplatten sind jeweils gesenkrecht zu den Polflächen gleichsinnig magneti- locht bzw. müssen hierbei gelocht sein, um die versiert sind, so daß sie den einander gegenüberstehen- schiedenen Anschlüsse mit der Wanderwellenröhre den Polschuhen eine entgegengesetzte Polarität ver- herzustellen. Derartige Lochungen in den Endplatten leihen. Derartige Magnetsysteme finden unter ande- rufen eine Verzerrung des Magnetfeldes zwischen rem bei der Durchführung von Experimenten und 15 den Platten hervor. Ein derartiges bekanntes Ma-Beobachtungen der gyromagnetischen Resonanz gnetsystem mit gestapelten magnetischen Zellen hat Verwendung. die Aufgabe, lediglich ein im wesentlichen eindimen-Experimente mit der gyromagnetischen Resonanz sionales homogenes Magnetfeld über eine große werden in einem möglichst homogenen magnetischen Länge senkrecht zu den Polflächen zu erzeugen. Feld durchgeführt. Da die Resonanzfrequenz eine 20 Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Funktion der angewandten magnetischen Feldstärke Magnetsystem zu schaffen, das beispielsweise bei der ist, wird die sich einstellende Resonanz bei inhomo- Durchführung von Experimenten und Beobachtungener magnetischer Feldstärke über einen Frequenz- gen der gyromagnetischen Resonanz benutzt wird bereich verteilt sein, was ein Nachteil ist. Außerdem und das ein sich im wesentlichen über die ganze ist die Resonanzintensität proportional dem Quadrat 25 Zone der Polflächen, das heißt über ein beträchtliches der magnetischen Feldstärke, und infolge des elek- Arbeitsraumvolumen in zwei Dimensionen erstrektrischen Rauschens in jedem gegebenen Beobach- kendes homogenes Magnetfeld erzeugt. Die Lösung tungskreis sind bei geringen magnetischen Feldstär- der Aufgabe besteht bei einem Magnetsystem der ken starke Signale nur verfügbar, wenn große VoIu- eingangs genannten Art darin, daß die Polschuhe mina homogener magnetischer Felder angewandt 30 als durchbrechungslose Platten ausgebildet sind, die werden. senkrecht zu den Polflächen eine solche Dicke auf-

Es ist eine allgemeine Eigenschaft der üblich weisen, daß ihr magnetischer Widerstand klein dimensionierten Mapete für Versuche mit der gyro- gegenüber dem der Dauer- oder Elektromagnete ist. magnetisqken Resonanz, daß der Arbeitsraum des Infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung des homogenen magnetischen Feldes infolge der durch 35 Magnetsystems mit zwei verhältnismäßig dicken PoI-die Magnete erzeugten Feldstreuung auf die Grö- schuhen, von denen jeder eine plane und ununterßenordnung von 5 cm³ begrenzt ist. In einem sol- brochene Polfläche aufweist, die unmittelbar einchen bekannten Magnetsystem, wie es in der briti- ander zugekehrt sind, wird eine gleiche räumliche sehen Patentschrift 901828 beschrieben ist, sind Verteilung des Magnetfeldes über die Polflächen zwei parallele Weicheisenplatten mit je einem vor- 40 erzielt. Eine solche Anordnung nutzt die kissenförstehenden Weicheisenpolschuh versehen, wobei zwi- mige Verzerrung in dem Streufeld der freien Pole sehen den, sich gegenüberstehenden Seiten der Pol- der Magnete aus, um die tonnenförmige Verzerrung scHuhe^:'em kleiner Luftspalt begrenzt ist, in dem die infolge der endlichen Größe des Verhältnisses Pol-Resonanzexperimente durchgeführt werden können. schuhstirnbreite/Spaltbreite auszugleichen. Durch In dem Spalt wird durch Permanentmagnete, die 45 diese gegenseitige Aufhebung der kissenfönnigen zwischen den Platten.'an. von-den Polschuhen ent- und der tonnenförmigen Verzerrungen der magnetifernten Stellen angeordnet sind, ein magnetisches sehen Feldlinien, die um Magnete bzw. zwischen den Feld induziert. Diese Permanentmagnete sind mit Polschuhen entstehen, ergibt' sich in dem Luftspalt einem magnetischen Rückschluß versehen, um den ein magnetisches Feld sehr hoher Homogenität. Streufluß, in dem Luftspalt zu verringern und die 50 Bei vorliegender Erfindung darf der innere magne-Homogenität des magnetischen Feldes in dem Spalt tische Widerstand der den magnetischen Fluß erzeuzu verbessern. In einer solchen Anordnung beein- genden Mittel nicht null sein, und er muß groß im flußt jedoch noch ¹SIe tonnenförmige Verzerrung Vergleich zu dem magnetischen Widerstand der PoI-das magnetische Feld Jn dem Spalt, was auf dem schuhe sein. Die wirkliche Dimensionierung eines endlichen Wert des Verhältnisses Polschuhdurch- 55 erfindungsgemäßen Magnetsystems ist verwickelt und messer/Spaltbreite beruht. Dieses Verhältnis wird kann am besten unter Verwendung des Modells daher so groß wie möglich gemacht. eines elektrolytischen Troges als Analogon erreicht

Die maximale Größe des Poldurchmessers ist aber werden. Obgleich es eine optimale Dimensionierung durch die Dimensionierung der Magnete, räumliche irgendeines Magnetsystems je nach dem verwendeten Erfordernisse und die Kosten begrenzt, so daß es 60 Werkstoff gibt, sollte der Spalt zwischen den Stirnbisher unpraktisch war, einen großvolumigen Luft- seiten der Polschuhe vorzugsweise nicht größer als spalt vorzusehen. die Hälfte der kleinsten Abmessung (Länge oder

Es ist weiterhin ein Magnetsystem bekannt, das in Breite bzw. Durchmesser) der Polflächen sein. Verbindung mit Wanderwellenröhren oder äquiva- Bei einem erfindungsgemäßen Magnetsystem mit lenten Geräten Verwendung findet und mit Hilfe 65 zwei an gegenüberliegenden Seiten des Luftspaltes dessen ein homogenes magnetisches Feld über eine angeordneten Dauermagneten ist es vorteilhaft, wenn beträchtliche Länge, jedoch über eine verhältnis- der gegenseitige Abstand der Dauermagnete vermäßig kleine Querschnittsfläche entsprechend den änderbar ist, damit jeweils die optimale Homogeni-

3 4

tat des magnetischen Feldes eingestellt werden kann. Permanentmagnetblöcken 30, 32, so daß sie sich

Werden bei dem Magnetsystem gemäß der Erfindung gegenseitig aufheben und dadurch in dem Innen-

Polschuhe mit kreisförmigen Polflächen verwendet, bereich zwischen den gegenüberliegenden ebenen

so ist es vorteilhaft, zur Erzeugung des magneti- Polschuhseiten 34, 36 der beiden Platten 10, 20 ein

sehen Flusses vier Elektromagnete konzentrisch zu 5 homogenes, unverzerrtes magnetisches Feld schaffen,

den Polflächen innerhalb des Umfanges derselben Ein solches Magnetsystem mit einem sehr homo-

und mit gleichen Abständen voneinander anzu- genen magnetischen Feld in dem Spalt ist besonders

ordnen. für gyromagnetische Untersuchungen und andere

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden Experimente über den Massenfluß einer Substanz in

zwei Ausführungsformen in den Einzelheiten als xo einer durch solch ein magnetisches Feld laufenden

Beispiele beschrieben. Rohrleitung geeignet. Eine solche Rohrleitung ist

F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines er- in den F i g. 1 und 2 bei 42 eingezeichnet und mit

findungsgemäßen Magnetsystems mit zwei recht- einer Radiofrequenzprüfspule 44 mit den Leitern

eckigen Polschuhen und zwei einen Magnetfluß er- 46, 48 verbunden. Das Magnetsystem ist natürlich

zeugenden Abstandselementen; 15 nicht nur bei strömenden Substanzen, sondern auch

F i g. 2 ist eine Seitenansicht des Magnetsystems bei statischen Proben verwendbar,

der Fig. 1; Die Homogenität des magnetischen Feldes zwi-

F i g. 3 ist eine schematische Darstellung der ton- sehen den Platten 10, 20 kann durch Veränderung nenförmigen Verzerrung des magnetischen Feldes, der Spaltlänge, d. h. des Abstandes zwischen den das bei Abwesenheit der den Fluß erzeugenden Ab- 20 ebenen Stirnseiten 34, 36 der Polschuhe, unter Konstandselemente zwischen den Polschuhen des Ma- stanthaltung des Abstandes zwischen den Permanentgnetsystems der Fig. 1 induziert wird; magnetblöcken 30, 32 optimiert werden. Das kann

F i g. 4 ist eine schematische Darstellung des in irgendeiner gewünschten Weise erfolgen, z. B.

magnetischen Feldes, das durch die Abstandsele- durch Einstellschrauben 50, die durch die obere

mente des Magnetsystems der F i g. 1 gebildet wird, 25 Platte 10 reichen und in der Oberseite der unteren

und Platte 20 auf den dem Spalt abgewandten Seiten der

F i g. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer zwei- Permanentmagneten enthalten sind. Zur Einstellung

ten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ma- des kissenförmigen Feldes können dünne Einlagen

gnetsystems mit zwei kreisförmigen Polschuhen. aus magnetisch weichem Material mit ausgewähl-

Das in den F i g. 1 bis 4 gezeigte Magnetsystem 30 tem magnetischem Widerstand zwischengelegt

enthält eine erste rechteckige, verhältnismäßig dicke werden.

Platte 10 aus weichem Eisen oder anderem Werk- Zur Optimierung der Feldhomogenität können die stoff mit hoher Permeabilität, die ein erstes Paar Permanentmagnete 30, 32 unter Konstanthaltung parallele Seiten 12, 14 und ein zweites Paar par- der Spaltbreite zueinander zur Spaltmitte hin bealleler Seiten 16, 18 aufweist sowie eine zweite 35 wegt werden. Die kissenförmige Verzeichnung wird gleiche Platte 20 aus gleichem Material mit einem bei dichter zusammenliegenden Magneten erhöht und ersten Paar paralleler Seiten 22, 24 und einem zwei- bei größerem Abstand vermindert.
ten Paar paralleler Seiten 26, 28. Diese beiden Plat- In einer in F i g. 5 gezeigten anderen Konstruktion ten werden durch zwei im Querschnitt rechteckige, werden zwei kreisförmige Platten 60, 62 aus Weichparallel in Berührung mit ihnen angeordnete Perma- 40 eisen benutzt. Die zwei Platten haben je eine gegennentmagnetblöcke 30, 32 parallel und auf Abstand überliegende obere und untere ebene Polstirnseite gehalten. Die Platten 10, 20 wirken als Polschuhe in 64 bzw. 66 und werden durch mehrere, in F i g. 5 dem Magnetsystem. Ihre gegenüberliegenden ebenen vier, Elektromagnetkerne 68 auf Abstand gehalten, Stirnseiten 34 bzw. 36 dienen als die Polseiten an die mit einer Erregerwicklung 70 versehen sind, den gegenüberliegenden Seiten des zwischen den 45 Diese Kerne sind am Umfang der kreisförmigen Plat-Stirnseiten gebildeten Luftspaltes. Der magnetische ten 60, 62 angeordnet und haben untereinander glei-Widerstand der Permanentmagnete 30, 32 ist groß chen Abstand. Wie in der ersten Ausführungsform im Vergleich zu dem magnetischen Widerstand der ist der magnetische Widerstand der Kerne 68 groß Polschuhe 10, 20. Die Spaltlänge, d. h. der Abstand im Vergleich zu dem magnetischen Widerstand der zwischen den Stirnseiten 34, 36 der Polschuhe, ist 50 Polschuhe 60, 62. Die Spaltlänge ist vorzugsweise vorzugsweise kleiner als die Hälfte der kürzeren kleiner als der Radius der Polschuhstirnseiten 64, Ausdehnung der Stirnseite 34, 36 der Polschuhe. Die 66. Auf diese Weise werden bei Erregung der Kerne Seiten des Luftspaltes sind durch die nach innen die Verzerrungen in gleicher Weise wie bei der gerichteten Seiten 38, 40 der zwei Permanentmagnet- ersten Ausführungsform selbsttätig aufgehoben. In blöcke 30 bzw. 32 begrenzt. Die zwei Permanent- 55 dem Spalt zwischen den Polschuhstirnseiten 64, 66 magnetblöcke 30, 32 reichen beinahe bis an die wird so ein sehr homogenes magnetisches Feld erSeiten 12, 14 und 22, 24 heran und sind nahe den zeugt. Wie in der ersten Ausführungsform können Kanten der Seiten 16, 26 und 18, 28 der Polschuhe Mittel zur Veränderung des Abstandes der Polseiten angeordnet. Die Permanentmagnetblöcke 30, 32 sind vorgesehen sein, beispielsweise in Form von drei so magnetisiert, daß die eine Platte 10 in Berührung 60 Einstellschrauben, die in gleichem Abstand voneinmit den Nordpolen und die andere Platte 20 in ander durch die obere Platte 60 reichen und in der Berührung mit den Südpolen der Permanentmagnet- unteren Platte 62 gehaltert sind oder durch Bewe,-blöcke ist. Nach den F i g. 3 und 4 überlagert sich gung der Kerne radial nach innen zur Spaltmitte, die tonnenförmige Verzerrung der magnetischen Die Elektromagnetkerne 68 können in beliebiger geFeldlinien zwischen den gegenüberliegenden Ebenen 65 eigneter Weise, einschließlich durch Leitungen aus der Stirnseiten der Platten 10, 20 mit der kissenför- supraleitendem Werkstoff, erregt werden,
migen Verzerrung der magnetischen Feldlinien zwi- Obgleich die Ausführungsform der F i g. 1 mit sehen den zwei parallel auf Abstand gehaltenen Permanentmagneten und die der F i g. 5 mit Elek-

tromagneten ausgeführt ist, können diese nötigenfalls wegen besonderer Arbeitsumstände ausgetauscht werden. Außerdem kann die Zahl der Abstandselemente nach Wunsch verändert werden, und die verwendeten Werkstoffe können von irgendeiner geeigneten Art sein. Da eine geringe Inhomogenität durch Verwendung eines Werkstoffes mit inhomogenem magnetischem Widerstand verursacht werden kann, ist magnetisch sehr weiches, gut angelassenes Material erforderlich.

Wenn es gewünscht wird, dem magnetischen Hauptfeld ein Abtastfeld zu überlagern, kann das durch Verwendung von Spulen erreicht werden, die genau über die Permanentmagnete, Elektromagnete oder supraleitenden Magnete — je nach dem vorliegenden Fall — gewickelt sind. Das erhöht oder verringert in einfacher Weise die Feldstärke, ohne daß die Richtcharakteristik geändert wird.

Claims

Patentansprüche: 20

1. Magnetsystem für die Erzeugung eines sehr homogenen magnetischen Feldes, bestehend aus zwei rechteck- oder kreisförmig begrenzten Polschuhen aus magnetisch weichem Material, die einander zugekehrte, ebene, parallele Polflächen aufweisen, und aus mindestens zwei Dauer- oder Elektromagneten, die zwischen den Polschuhen symmetrisch zu deren Begrenzungslinien an gegenüberliegenden Stellen angeordnet sind, den Abstand der beiden Polflächen begrenzen und die senkrecht zu den Polflächen gleichsinnig magnetisiert sind, so daß sie den einander gegenüberstehenden Polschuhen eine entgegengesetzte Polarität verleihen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (10, 20; 60, 62) als durchbrechungslose Platten ausgebildet sind, die senkrecht zu den Polflächen eine solche Dicke aufweisen, daß ihr magnetischer Widerstand klein gegenüber dem der Dauer- oder Elektromagnete ist.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1 mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Luftspaltes angeordneten Dauermagneten, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Dauermagnete (30, 32) veränderbar ist, um die optimale Homogenität des magnetischen Feldes einzustellen.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Luftspaltes in Richtung senkrecht zu den Polflächen (34,36; 64, 66) nicht größer als die Hälfte der kleinsten Abmessung (Länge oder Breite bzw. Durchmesser) der Polflächen ist.

4. Magnetsystem nach Anspruch 1, bei der die Polflächen kreisförmig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß durch mindestens vier konzentrisch zu den Polflächen (64,66) innerhalb des Umfanges derselben und mit gleichen Abständen voneinander angeordnete Elemente (68) erzeugt wird.

5. Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (68) Elektromagnete sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen