DE1539799C - Mehrpolige Magnetlinse mit Permanent magneten und mit einer geraden Anzahl 2 N von Polschuhen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrpolige zylindrische Magnetlinse mit einer geraden Anzahl 2 N von sich in radialer Richtung erstreckenden Polschuhen, die wechselweise Nord-¹ oder Südpole sind, mit gleichem Winkelabstand innerhalb eines Winkels von 2 π/2 N um die Zylinderachse angeordnet sind und von denen jeder im senkrechten Schnitt zur Achse und in der Nähe der Achse ein hyperbolisches Profil hat und mit nicht magnetischen Polflanschen senkrecht zur Zylinderachse, die dazu bestimmt sind, die Polschuhe in ihrer Stellung zo. halten, Permanentmagneten in orthoradialer Richtüiig,; die zwischen den äußeren Enden von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Polschuhen angebracht sind; "und: deren Pole so orientiert sind, daß sie die Polschuhe wechselweise zu einem Nord- oder Südpol mächen.'

Es sind bereits mehrpolige Magnete bekannt, die aus einer Anzahl gerader zylindrischer Pole, und zwar wechselweise aus Ndrd-^Tünd· Südpolen, bestehen und in gleicher Entfernung von einer gemeinsamen Achse eine Rotationssymmetrie bestimmter Ordnung aufweisen.

Es .ist weiterhin bekannt, daß die Variation als Funktion des Achsenabstandes des radialen Feldgradienten, der durch derartige mehrpolige Magnetlinsen entsteht, von der Ordnung der Rotationssymmetrie abhängt. Für Vierpollinsen ist der Gradient konstant, während er für Sechspollinsen proportional zum Polradius ist, d. h., daß das magnetische Querfeld entsprechend proportional ist zum Radius und zum Quadrat des Radius. Die Leistungskoeffizienten des Radius der übergeordneten Ordnung sind um so schwächer, je mehr das Profil der Pole sich einer theoretischen Kurve nähert, die im Falle einer Vierpollinse ein Ast einer gleichseitigen Hyperbel und im allgemeinen ein Ast einer Kurve von hyperbolischem Verlauf ist, deren Asymptoten untereinander einen Winkel bilden, der gleich ist dem Quotienten von 2 π dividiert durch die Ordnung der Rotationssymmetrie.

Die mehrpoligen Magnetlinsen sind entweder mittels Elektromagneten oder Permanentmagneten erregt.

Die mehrpoligen elektromagnetischen Linsen haben eine durch die Änderung der Stärke des in den Spulen des Elektromagneten fließenden Stroms regulierbare Konvergenz. Leider ist diese Linsenart wegen ihres großen Raumbedarfs für eine vorgegebene Konvergenz für gewisse Anwendungszwecke (z. B. Fokussierung von atomaren Strahlen) wenig geeignet. Dieser Umstand macht entweder die Konstruktion von sehr umfangreichen Behältern für die Linse erforderlich, was schwierige ■ technologische Probleme aufwirft, wie z. B. Isolierungen von Leitungen, die im Vakuum nicht entgast werden können, Abkühlung der Spulen im Vakuum, das Evakuieren des einzigen wirksamen Bereichs des Luftspalts, der im" wesentlichen ein gerader Kreiszylinder ist, dessen Durchmesser gleich ist dem des Linsenhalses. Man ist dann gezwungen, eine Röhre zu benutzen, deren Radius groß genug ist, damit die Pumpengeschwindigkeit ausreichend bleibt. Diese Lösung, die die Größe des Vakuumbehälters verringert im Vergleich mit der erstgenannten Lösung, vergrößert den Platzbedarf und das Gewicht des Elektromagneten ebenso wie die zu liefernde elektrische Leistung. Andererseits ist ein stoßartiges Stabilisieren der Stromversorgung erforderlich, was ein anderes schwieriges Problem wegen der großen Stromstärken aufwirft.

Die mehrpoligen Linsen mit Permanentmagneten ergeben ein Feld von großer Stabilität. Der Raumbedarf wird beträchtlich reduziert, wodurch es möglich wird, die Linsen ebenso zu verkleinern wie auch die Anordnung, die zur Fokussierung der atomaren Strahlenbündel dient. Es ist bereits bekannt, die Brechkraft von durch Dauermagneten erregten Linsen dadurch zu ändern, daß ein veränderbarer magnetischer Nebenschluß vorgesehen ist; vgl. die deutsche Auslegeschrift 1 060 511.

ίο Aufgabe der Erfindung ist - es, eine mehrpolige Magnetlinse der eingangs bezeichneten Art mit veränderbarer Konvergenz zu scharfen, bei der die Form und die Symmetrie der Feldverteilung im wirksamen Bereich nicht verändert wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Polschuhe und die Permanentmagneten von einem zylindrischen Stabkäfig umgeben sind, der aus Stäben aus magnetisierbarem Material aufgebaut ist, die mit den Permanentmagneten einen magnetischen Nebenschluß bezüglich der Polschuhe ergeben und daß der Stabkäfig relativ zu den Polschuhen und den Permanentmagneten drehbar und in einer bestimmten Stellung fixierbar ist.

Hieraus ergibt sich, daß die absolute Feldstärke in dem Linsenspalt und infolgedessen die Konvergenz desselben in einfacher Weise von der Winkelstellung des Käfigs abhängt, ohne daß die Form-und die Symmetrie der Feldverteilung in der wirksamen Zone beeinträchtigt wird.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine mehrpolige Magnetlinse mit sechs Polen und

F i g. 2 einen axialen Querschnitt dieser Linse.

In den F i g. 1 und 2 bezeichnen die Ziffern 1 bis 6 die zylindrischen Polschuhe aus einem Material von hoher magnetischer Permeabilität, wie z. B. Weicheisen. Die Polschuhe sind gegeneinander um einen Winkel von 2 π/6 versetzt. Damit das Magnetfeld proportional zum Quadrat der radialen Entfernung verändert werden kann, muß das Profil eines Poles theoretisch gemäß der Gleichung

(I) r³ cos 3 Θ j = r\

verlaufen, wobei r der Polradius ist, Θ der Polwinkel und r₀ eine Konstante, die gleich ist dem Radius der Halseinschnürung der Linse. Das magnetische Potential eines jeden Sechstels wird ausgedrückt durch die Gleichung ■■-■■-·

(II)

wobei F₀ das magnetische Potential des entsprechenden Pols ist.

Wenn man in den Ausdruck Vj V₀ bei einer bestimmten Zahl von Gliedern (die praktisch bedeutungslos sind) (2 η + 1) 3\Θ — wobei η eine ganze Zahl ist — einsetzt, kann man der Form der Pole die in F i g. 1 dargestellte Form geben, bei der das Ende jedes Poles bei 7 kreisförmig ist, dann einen keilförmigen Teil 8 bildet, um bei 9 in einen quaderförmigen Teil überzugehen und schließlich in einen neuen keilförmigen Teil 10. Der hintere (äußere) Teil des Ansatzes eines jeden Pols ist durch einen Kreiszylinder 11 begrenzt.

Die Verbreiterung des keilförmigen Teil 10 ist erforderlich, damit die Seiten 12 des Ansatzes zweier aufeinanderfolgender Pole parallel verlaufen. Jedoch ist diese Form nicht zwingend, obschon sie interessant ist,

da sie die Verwendung von Permanenmagneten einfacher Form gestattet. Zwischen den Seiten 12 sind quaderförmige Permanentmagnete 21 bis 26 angeordnet. Sie werden so magnetisiert, daß, wenn man sie längs der Peripherie eines mit der Linsenachse konzentrischen Kreises verschiebt, sich zwei Nordpole ergeben und danach zwei Südpole und so foit.

Die zylindrischen Pole sind an zwei Polflanschen 13 und 14 befestigt, welch letztere in ihrer Mitte durchbohrt und an einem Flansch 15 zweier Hohlzylinderstücke 16 und 17 befestigt sind. Diese zylindrischen Stücke 16 und 17 sind an den Ständern 18 und 19 des Gehäuses 20 befestigt. Sie dienen als Träger für die Kugellager 27 und 28, auf welchen die Flansche 29 und 30 eines die magnetischen Nebenschlüsse tragenden zylindrischen Stabkäfigs angebracht sind. Die die magnetischen Nebenschlüsse bedingenden Stäbe 31 bis 36 haben die Form von Zylindersektoren und sind in der gleichen Anzahl vorhanden wie die Pole. Jeder hat eine Winkelausdehnung, die mindestens gleich ist dem Zischenraum zwischen zwei aufeinanderliegenden Magneten. Die Stäbe sind mit je vier Schrauben 37 an den Flanschen 29, 30 befestigt, wodurch es möglich wird, an dem Stabkäfig magnetische Nebenschlüsse von verschiedener Winkelausdehnung anzubringen. Die Zwischenräume 38 zwischen den magnetisierten Stäben sind leer.

An dem den magnetischen Nebenschluß bedingenden Stabkäfig ist ein Schnecken-Reduzier-Getriebe 39/40 angebracht. Die Schnecke 40 trägt eine Skala 41, und an einem der Ständer 18/19 ist ein Zeiger 42 angebracht.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mehrpolige zylindrische Magnetlinse mit einer geraden Anzahl 2 N von sich in radialer Richtung erstreckenden Polschuhen, die wechselweise Nordoder Südpole sind, mit gleichem Winkelabstand innerhalb eines Winkels von 2 π/2 N um die Zylinderachse angeordnet sind und von denen jeder im senkrechten Schnitt zur Achse und in der Nähe der Achse ein hyperbolisches Profil hat, und mit nichtmagnetischen Polflanschen senkrecht zur Zylinderachse, die dazu bestimmt sind, die Polschuhe in ihrer Stellung zu halten, mit Permanentmagneten in orthoradialer Richtung, die zwischen den äußeren Enden von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Polschuhen angebracht sind und deren Pole so orientiert sind, daß sie die Polschuhe wechselweise zu einem Nord- oder Südpol machen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (1, 2, 3, 4, 5, 6) und die Permanentmagneten (21, 22, 23, 24, 25, 26) von einem zylindrischen Stabkäfig umgeben sind, der aus Stäben (31, 32, 33, 34, 35, 36) aus magnetisierbarem Material aufgebaut ist, die mit den Permanentmagneten einen magnetischen Nebenschluß bezüglich der Polschuhe ergeben, und daß der Stabkäfig relativ zu den Polschuhen und den Permanentmagneten drehbar und in einer bestimmten Stellung fixierbar ist.

2. Mehrpolige Magnetlinse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil jedes Polschuhes in der Nähe der Zylinderachse kreisförmig ist und in radialer Richtung daran anschließend von innen nach außen keilförmig (8), dann quaderförmig (4) und schließlich wiederum keilförmig (10) ist.

3. Mehrpolige Magnetlinse gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (21 bis 26) quaderförmig sind und daß die Seitenwände des zweiten keilförmigen Abschnitts (10) zweier aneinandergrenzender Polschuhe parallel zueinander verlaufen.

4. Mehrpolige Magnetlinse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Teile des Stabkäfigs drei Kreiszylinder-Sektoren sind, deren Scheitel der langen inneren Seite der gegenseitigen Entfernung der Permanentmagnete voneinander entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen