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Die Erfindung betrifft einen Dauermagneten zur
Beschleunigung eines Korpuskularstrahls, wie er in einem Wiggler,
einem Undulator, einer Wanderwellenröhre, einem Magnetron,
einem Zyklotron usw. verwendet wird, und sie ist inbesondere
durch einen Magneten vom Typ mit feiner Kornstruktur
gekennzeichnet, der gegen Schäden beständig ist, wie sie durch
radioaktive Strahlen verursacht werden.
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Ein Dauermagnet zum Beschleunigen eines Korpuskularstrahls
ist dazu erforderlich, ein starkes Magnetfeld in einem Raum
(räumliches Magnetfeld) zu erzeugen, und um gegen
Beschädigungen beständig zu sein, wie sie durch beliebige
radioaktive Strahlen hervorgerufen werden, die erzeugt werden oder
auslecken.
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Magnete vom R-Co-Typ aus einem Seltenerdelement (nachfolgend
mit "R" bezeichnet) und Kobalt wurden allgemein als
Dauermagnete verwendet, die dazu in der Lage sind, starke,
räumliche Magnetfelder zu erzeugen. Jedoch hängt die Stärke des
mit einem solchen Dauermagneten erzeugten räumlichen
Magnetfelds von der Qualität des Aufbaus des Magnetkreises ab und
beträgt nur etwa 2000 Gauss.
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Aus diesem Grund erschienen Magnete vom Nd-Fe-B-Typ, die
stärkere räumliche Magnetfelder als Magnete vom
herkömmlichen R-Co-Typ erzeugen (siehe japanische Patentoffenlegung
Nr. 46008/1984)
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Dies erlaubte die Entwicklung eines Dauermagneten zur
Verwendung in einer Undulatorvorrichtung und einer Vorrichtung
zum Umwandeln eines Strahls schneller, geladener Korpuskeln
unter Verwendung eines Magneten vom Nd-Fe-B-Typ (japanische
Patentoffenlegung Nr. 243153/1986).
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Es kann daran gedacht werden, daß es wünschenswert sei,
einen derartigen Magneten vom Nd-Fe-B-Typ zu verwenden, da
er ein starkes, räumliches Magnetfeld erzeugt und gegen
Beschädigungen beständig ist, wie sie durch radioaktive
Strahlen hervorgerufen werden; dies dank der Tatsache, daß er nur
eine kleine Menge an Co enthält.
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Undulatorvorrichtungen erzeugen Röntgenstrahlen sehr hoher
Frequenz mit einer Wellenlänge von 0,1 bis 10 nm, wenn ein
Elektronenstrahl beschleunigt und durch eine Reihe von
Dauermagneten abgelenkt wird, und sie werden in
Lithographiegeräten für Halbleiter verwendet. Wiggler sind derartigen
Undulatoren grundsätzlich ähnlich, unterscheiden sich von
diesen jedoch durch den Punkt, daß sie einen Strahl mit
einer Wellenlänge einer Kürze bis zu 0,1 bis 0,001 nm
erzeugen. Ein Wiggler ist ein Gerät, das einen Laser mit freien
Elektronen bildet.
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Herkömmliche Nd-Fe-B-Magnete sind mit einem
pulvermetallurgischen Verfahren hergestellte Sintermagnete und sogenannte
Permanentmagnete vom Keimbildungstyp (europäische
Patentoffenlegungs-Veröffentlichung Nr. 0 101 552). Derartige Arten
von Permanentmagneten verfügen über ihren Magnetismus dank
einer Nd-reichen Phase, die eine durch Nd&sub2;Fe&sub1;&sub4;B
repräsentierte Hauptphase umgibt, und sie erreichen eine
ausreichende Koerzitivkraft nur dann, wenn die den Magneten bildenden
Körner auf eine Größe gemahlen sind, die dem kritischen
Radius einer einzigen magnetischen Domäne entspricht (etwa
0,3 um) . Es wird angenommen, daß es ideal ist, wenn die
Hauptphasen voneinander durch nichtmagnetische, R-reiche
Phasen voneinander getrennt sind, die große Mengen an R
enthalten.
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Es hat sich jedoch in Versuchen herausgestellt, daß dann,
wenn ein Beschleuniger für einen Korpuskularstrahl unter
Verwendung eines Dauermagneten vom Keimbildungstyp verwendet
wird, eine Grenze für die Wellenlänge des Korpuskularstrahls
besteht, der mit diesem Beschleuniger beschleunigt werden
kann, wobei die Wellenlänge höchstens näherungsweise der
Wellenlänge der Strahlen entspricht, die von einer
Undulatorvorrichtung erzeugt werden, und der Beschleuniger -kann
nicht als ein solcher für sehr hochfrequente und
hochenergetische Strahlen verwendet werden, wie sie von einem Wiggler
erzeugt werden.
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Anders gesagt, ist ein Permanentmagnet dann, wenn er vom
Keimbildungstyp ist und sich seine Zusammensetzung ändert,
derselbe grundsätzlich nicht dazu in der Lage,
Strahlungsschäden zu vermeiden, was demgemäß seine Verwendung als
Beschleuniger für einen Korpuskularstrahl beschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß erdachten die Erfinder einen Magneten vom Nd-Fe-B-
Typ vom Pinningtyp, der sich vom herkömmlichen Magneten vom
Nd-Fe-B-Typ unterscheidet, und sie fanden heraus, daß das
Hinzufügen von Ga die Wirkung hat, daß sich ein Magnet
ergibt, der gegen Strahlungsschäden beständig ist und
verbesserte Koerzitivkraft aufweist, was zu einer Verbesserung bei
den Schwierigkeiten mit herkömmlichen Magneten führt.
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Bei einem Pinning-Magneten werden die Bewegungen
magnetischer Domänenwände durch Ausfällungen festgepinnt, und der
Erzeugungsmechanismus für die Koerzitivkraft unterscheidet
sich völlig von demjenigen für den oben beschriebenen
Magneten vom Keimbildungstyp.
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Die Erfindung betrifft einen Dauermagneten zur
Beschleunigung eines Korpuskularstrahls, mit einer Zusaminensetzung der
Formel RaFeRestCobBcGadMe, in der M mindestens eines der
Elemente Al, Si, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf und W bezeichnet und die
Bedingungen 12 ≤ a ≤ 18; 0 ≤ b ≤ 30; 4 ≤ c ≤ 10; 0,01 ≤ d ≤
3; und 0 ≤ e ≤ 2, angegeben in Atomprozent, erfüllt sind,
wobei der Permanentmagnet mit magnetischer Anisotropie
versehene feinkristalline Körner enthält.
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Obwohl EP-A-0 216 254 eine entsprechende Zusammensetzung
offenbart, schlägt diese Schrift keinen Pinning-Magneten mit
feinkristallinen, mit magnetischer Anisotropie versehenen
Körnern vor, wie in Anspruch 1 angegeben. Dasselbe gilt für
die Offenbarung in Patent Abstracts of Japan, Vo. II, Nr.
117 (E-498) (2564), 11. April 1987, wo die Verwendung
bestimmter Metalle einschließlich Ga und Al als Sinterhilfe
beim Herstellen eines R-Fe-B-Magneten offenbart ist.
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Bei der Erfindung können sehr feinkristalline Körner mit
Korngrößen von 0,01 bis 0,5 um, was sehr viel kleiner als
die 0,3 bis 80 um Abmessung der Körner, wie sie durch ein
herkömmliches pulvermetallurgisches Verfahren erhalten
wurden, aus einer Legierungsschmelze mit der oben angegebenen
Zusammensetzungsformel durch schnelles Abschrecken erhalten
werden. Die durch das schnelle Abschrecken erhaltenen
Flokken und Pulver werden durch Heißpressen und dergleichen
verdichtet und dann plastisch deformiert, um magnetische
Anisotropie zu ergeben.
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Obwohl die vorstehend genannte technische Idee zuvor in der
europäischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr.
0 133 758 offenbart wurde, haben die Erfinder optimale
Arbeitsbedingungen ermittelt, und sie haben auch
herausgefunden, daß die Verwendung von Ga als zusätzlichem Element die
Wirkung hat, eine Verringerung der Koerzitivkraft zu
verbessern
oder zu minimieren, welche Verringerung aufgrund der
Wärmebehandlung und der plastischen Deformation entsteht,
und daß dies auch zu einer Verbesserung der
Widerstandsfähigkeit gegen Strahlungsschäden führt.
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Bei der Erfindung ist das Verhältnis plastischer Bearbeitung
h&sub0;/h als Verhältnis der Höhe h&sub0; einer Probe vor plastischer
Bearbeitung (z. B. vor Heißstauchen) zur Höhe h der Probe
nach der plastischen Bearbeitung (z. B. Heißstauchen)
definiert, und vorzugsweise beträgt in Fällen des Erhaltens
eines Wertes B5 von 11 kG oder mehr das Verhältnis h&sub0;/h 2
oder mehr. Br wird auf 11 kG eingestellt, wlecher Wert nicht
durch ein Sinterverfahren unter Verwendung einer
magnetischen Längspresse erzielt werden kann, sondern erstmals
durch die Erfindung erzielt werden kann.
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Die Gründe zum Beschränken der Zusammensetzung der Erfindung
sind die folgenden:
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Wenn R weniger als 12 Atom-% beträgt, erscheint α-Fe, was
einen ausreichenden Wert von iHc verhindert, während dann,
wenn R 18 Atom-% übersteigt, der Wert von Br erniedrigt
wird.
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Da Nd und Pr unter den R repräsentierenden Elementen zu
hohen Sättigungsmagnetisierungen führen, muß die Bedingung
(Pr + Nd)/R ≥ 0,7 erfüllt sein, um dem Erfordernis zu
genügen, daß Br 11 kG oder mehr ist.
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Ce ist in einem billigen Material, wie Didymium, enthalten.
Wenn die Menge an Ce klein ist, (Ce/R ≤ 0,1), werden die
Magneteigenschaften des sich ergebenden Magneten nicht
nachteilig beeinflußt.
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DY, Tb und Ho dienen dazu, die Koerzitivkraft wirkungsvoll
zu verbessern. Jedoch muß die Bedingung (Tb + Dy)/R ≤ 0,3
erfüllt sein, um der Bedingung zu genügen, daß Br 11 kG oder
mehr ist.
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Co ersetzt Fe, um den Curiepunkt der Magnetphase zu erhöhen.
Das Hinzufügen von Co zusammen mit Ga verbessert sowohl den
Temperaturkoeffizienten von Br als auch den irreversiblen
Derriagnetisierungsfaktor bei hoher Temperatur.
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Wenn die Menge an B weniger als 4 Atom-% ist, wird die
R&sub2;Fe&sub1;&sub4;B-Phase nicht ausreichend als Hauptphase gebildet,
während dann, wenn die Menge 11 Atom-% übersteigt, der Wert
von Br wegen des Auftretens von Phasen erniedrigt wird, die
hinsichtlich der Magneteigenschaften unerwünscht sind.
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Ga weist einen deutlichen Effekt hinsichtlich des
Verbesserns der Koerzitivkraft und der Beständigkeit gegen
Strahlenschäden auf. Jedoch wird dann, wenn die Menge an Ga
weniger als 0,01 Atom-% ist, keine Wirkung erzielt. Wenn die
Menge 3 Atom-% überschreitet, wird die Koerzitivkraft im
Gegenteil erniedrigt.
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M dient dazu, die Koerzitivkraft wirkungsvoll zu verbessern.
Unter den Elementen (M) sind Zn, Al und Si dazu in der Lage,
die Koerzitivkraft zu verbessern, und die Abnahme des Wertes
von Br wird klein, wenn die Menge dieser hinzugefügten
Elemente nicht mehr als 2 Atom-% beträgt. Obwohl Nb, Ta, Ti,
Zr, Hf und W dazu in der Lage sind, das Wachstum von
Kristallkörnern zu unterdrücken und die Koerzitivkraft zu
verbessern, beeinträchtigen sie die Bearbeitbarkeit mit dem
Ergebnis, daß sie vorzugsweise mit einer Menge von nicht
mehr als 2 Atom-%, noch bevorzugter 1 at% oder weniger,
hinzugefügt werden.
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Die wünschenswerteste Art plastischer Bearbeitung bei der
Erfindung ist Warmstauchen, mit dem eine sogenannte
Grenznetzformung unter Verwendung einer Form mit der Endgestalt
ausgeführt werden kann. Jedoch können auch Extrudieren,
Walzen und andere Bearbeitungsarten verwendet werden.
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Es ist auch wirkungsvoll, das oben angegebene plastische
Bearbeiten anschließend an das Verdichten unter Verwendung
einer Heißpresse auszuführen, bevor die Temperatur abnimmt.
Obwohl eine Erhitzung auch nach der plastischen Bearbeitung
vorgenommen werden kann, wenn eine Zusammensetzung
ausgewählt wird, in der ein besonders bemerkenswerter Effekt
durch Hinzufügen von Ga auftritt, entspricht der ohne das
Ausführen jedes Erhitzens erhaltene Effekt demjenigen, der
mit dem Erhitzen erhalten wird.
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Ein ungebrannter, verdichteter Gegenstand weist sehr großen
Verformungswiderstand auf, wenn die Verformungstemperatur
unter 600ºC liegt, und kann demgemäß nicht einfach
bearbeitet werden, und der Wert Br des sich ergebenden Magneten ist
niedrig. Andererseits wird dann, wenn die
Verformungstemperatur über 800ºC liegt, die Koerzitivkraft aufgrund des
Wachstums von Kristallkörnern auf einen Wert unter 12 kOe
verringert.
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Wenn die Dehngeschwindigkeit 1 x 10&supmin;&sup4; sec&supmin;¹ oder weniger
ist, wird die Koerzitivkraft aufgrund der langen Zeitspanne
der Bearbeitung verringert, und der Herstellwirkungsgrad ist
demgemäß auch niedrig. Eine derartige Dehngeschwindigkeit
ist daher unerwünscht. Wenn andererseits die Dehn- oder
Bearbeitungsgeschwindigkeit 1 x 10&supmin;¹ sec&supmin;¹ oder mehr ist, wäre
dies zu hoch dafür, um das Erzielen eines ausreichenden
plastischen Flusses während der Bearbeitung zu erzielen,
wodurch keine ausreichende Anisotropie erzielt werden könnte
und leicht Risse auftreten könnten.
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Schließlich wird die Anwendung der Erfindung erläutert.
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Der erfindungsgemäße Dauermagnet ist nicht auf Wiggler- und
Undulatorvorrichtungen beschränkt, sondern kann in weitem
Umfang als Dauermagnet zum Beschleunigen eines
Korpuskularstrahls in einer in einem Satelliten angebrachten
Wanderwellenröhre, einem Magnetron, einem Zyklotron oder einem
Quadrupolmagneten verwendet werden. Derartige
Quadrupolmagnete werden auch als Quads bezeichnet, und sie werden zum
Erzeugen starker Magnetfelder verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1A zeigt Hysteresekurven einer erfindungsgemäßen
Magnetlegierung; und
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Fig. 1B zeigt Hysteresekurven eines Vergleichsbeispiels.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die Erfindung wird untenstehend unter Bezugnahme auf
Beispiele beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf die
Formen dieser Beispiele beschränkt, sondern kann, wie oben
angegeben, in weitem Umfang verwendet werden.
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In der ganzen Beschreibung wurden die physikalischen
Einheiten kG und kOe dazu verwendet, die magnetische Flußdichte
bzw. die Koerzitivkraft anzugeben, wobei gilt: 1 kG = 0,1 T
und 1 koe = 10³/4πkA/m 80 kA/m.
Beispiel 1
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Eine Legierung mit der Zusammensetzung Nd&sub1;&sub4;Fe79,5B&sub6;Ga0,5
wurde durch Bogenschmelzen als Stammlegierung zu einem
Barren ausgebildet. Die so gebildete Stammlegierung wurde
erneut durch Hochfrequenzerhitzen in Ar-Atmosphäre geschmolzen
und dann durch eine einzige Walze abgeschreckt, um
flockenförmige Proben zu bilden. Die mit einer Umfangsgeschwindig
keit der Walze von 30 mm/sec erhaltenen Flocken wiesen
verschiedene Formen mit Dicken von 25 ± 3 um auf. Es stellte
sich als Ergebnis von Röntgenstrahlanalysen heraus, daß jede
der so erhaltenen Flocken aus einer Mischung einer amorphen
Phase und einer kristallinen Phase bestand. Jede der Flocken
wurde grob zu feinen Körnern einer Größe der Maschenzahl 32
oder weniger gemahlen, die dann in einer Gießform unter
einem Gießdruck von 3 t/cm² kaltgeformt wurden, um einen
ungebrannten, kompakten Gegenstand auszubilden. Dieser
ungebrannte, kompakte Gegenstand wurde dann mit einem
Hochfrequenzheizer erhitzt, wurde in einer Metallgießform durch
Anwenden eines Drucks von 1,5 t/cm² verdichtet und dann bei
750ºC warmgestaucht. Die Dehngeschwindigkeit während des
Warmstauchens betrug 2,5 x 10&supmin;² sec&supmin;¹. Nach dem Warmstauchen
wurde eine Probe mit einer Abmessung von 5 x 5 x 7 mmt vom
erhaltenen Material abgetrennt, um in Versuchen verwendet zu
werden.
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Um Vergleichsbeispiele zu erhalten, wurden Legierungen
mit den Zusammensetzungen Nd&sub1;&sub4;Fe79,5B&sub6;Ga0,5 bzw.
Nd15,5Fe&sub7;&sub8;B&sub6;Ga0,5 durch Bogenschmelzen zu Barren geformt.
Jeder der so erhaltenen Barren wurde zu Körnern mit einer
mittleren Korngröße von 4 um oder weniger feingemahlen,
wurde in einem Magnetfeld geformt und für eine Stunde bei
1080ºC im Vakuum gesintert. Nachdem die so erhaltenen,
gesinterten, verdichteten Gegenstände einer Wärmebehandlung
bei 600ºC in Ar-Atmosphäre für eine Stunde unterzogen
wurden, wurden Proben mit einer jeweiligen Abmessung von
5 x 5 x 7 mmt von den gesinterten, verdichteten Gegenständen
abgeschnitten, um dadurch Vergleichsbeispiele zu erhalten.
Die Tabelle 1 und Fig. 1 zeigen jeweils Vergleiche der Probe
des Beispiels 1 mit den Vergleichsbeispielen, wie für die
magnetischen Eigenschaften durch Messungen unter Verwendung
eines B-H-Meßkopfs und für die Hysteresekurven erhalten.
Tabelle 1
Zusammensetzung
Erfindung
Vergleichsbeispiel 1
(abgeschreckter und gestauchter Magnet)
(gesinterter Magnet)
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Wie in Tabelle 1 dargestellt, ermöglicht es die Erfindung,
eine im Vergleich zu den Sintermagneten hohe Koerzitivkraft
zu erzielen. Es ist auch erkennbar, daß der Sintermagnet des
Vergleichsbeispiels 1, der dieselbe Zusammensetzung wie
derjenige des gestauchten, erfindungsgemäßen Magneten aufweist,
Eigenschaften nicht zeigt, die für einen Dauermagneten
erforderlich sind, da die zum Erzeugen der Koerzitivkraft
erforderlichen Nd-reichen Korngrenzenphasen im Sintermagneten
nicht gebildet werden. Aus den in Fig. 1A und 1B
dargestellten Hysteresekurven ist auch erkennbar, daß der gestauchte,
erfindungsgemäße Magnet einen Mechanismus zum Erzeugen der
Koerzitivkraft aufweist, der vom Pinning-Typ ist,
verschieden von demjenigen des Sintermagneten des
Vergleichsbeispiels 2.
Beispiel 2
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Jede der beim Beispiel 1 gebildeten Proben und die dabei
gebildete Vergleichsprobe 2 wurden kontinuierlich mit
γ-Strahlen bestrahlt, und die Magneteigenschaften derselben wurden
nach 100 Stunden, 500 Stunden, 1000 Stunden und 5000 Stunden
gemessen.
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Um irgendwelche Effekte thermischer Änderungen
auszuschließen, wurden die Versuche ausgeführt, während die Proben in
flüssigem Stickstoff gehalten wurden.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Bestrahlungszeit
Erfindung
Vergleichsprobe
(gestauchter Magnet)
(gesinterter Magnet)
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Wie aus Tabelle 2 erkennbar, weist der abgeschreckte,
gestauchte, erfindungsgemäße Magnet keine Verschlechterung der
Magneteigenschaften bei Bestrahlung mit γ-Strahlen auf.
Beispiel 3
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Sowohl die beim Beispiel 1 erhaltene Probe als auch die
dabei ausgebildete Vergleichsprobe 2 wurden mit
Neutronenstrahlen von 15 MeV über 200 Stunden kontinuierlich
bestrahlt, und die Magneteigenschaften wurden nach der
Bestrahlung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3
dargestellt.
Tabelle 3
Erfindung
Vergleichsprobe
nach der Bestrahlung
vor der Bestrahlung
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Wie aus Tabelle 3 erkennbar, weist der abgeschreckte,
gestauchte, erfindungsgemäße Magnet keine Verringerung der
Koerzitivkraft bei Bestrahlung mit Neutronenstrahlen auf.