EP4062432A1 - Anordnung von zweipoligen permanentmagneten zu einem array und dessen verwendung - Google Patents

Anordnung von zweipoligen permanentmagneten zu einem array und dessen verwendung

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Publication number
EP4062432A1
EP4062432A1 EP20816381.6A EP20816381A EP4062432A1 EP 4062432 A1 EP4062432 A1 EP 4062432A1 EP 20816381 A EP20816381 A EP 20816381A EP 4062432 A1 EP4062432 A1 EP 4062432A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
permanent magnets
pole
pole plates
pole permanent
array according
Prior art date
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Pending
Application number
EP20816381.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Earl Babcock
Olaf HOLDERER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4062432A1 publication Critical patent/EP4062432A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0273—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation
    • H01F7/0278—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation for generating uniform fields, focusing, deflecting electrically charged particles

Definitions

  • Homogeneous magnetic fields can be generated, for example, by means of Halbach magnets [“Application of permanent magnets in accelerators and electron storage rings (invited)” Klaus Haibach Journal of Applied Physics 57, 3605 (1985)] or dipole-like magnet systems with two columns or with two rows of Columns of permanent magnets [“Layout and performance often the polarizing guide system for the J-NSE spectrometer at the FRM II”, O. Holderer et al Nuclear Instruments and Method in Physics Research A 586 (2008) 90-94].
  • the size of the region with a high homogeneous field of such a system is limited by the material properties, and the long-range stray fields in the external area can lead to interference with other components and processes outside the magnet system or to undesired interactions.
  • the devices with which homogeneous magnetic fields are generated are spatially very extensive, which is why they also enclose relatively large volume elements and lead to long-range stray fields which impair the homogeneity of the magnetic field.
  • the magnetic fields can also lead to undesired interactions with components and processes outside the magnetic system to generate a homogeneous magnetic field.
  • the magnetic field strength in the volume element in which the homogeneous magnetic field is to be generated should be increased.
  • two two-pole permanent magnets of the same magnetic orientation which form a pair, are arranged between two pole plates in an array so that they enclose a volume element with the pole plates, which is perpendicular to the plane delimited by the two-pole permanent magnets and the pole plates , is open.
  • the device By choosing the dimensions of the device components, the device can be made structurally small and the magnetic field strength in the enclosed volume element can be increased.
  • the magnetization is carried out with two poles of high permeability.
  • the far field is thereby compensated and falls significantly faster than in the standard solution according to the state of the art, in which no magnets with anti-parallel alignment are positioned on the outside of the pole plates.
  • the far field With the same internal field, which is located as a volume element between the pole plates and the permanent magnets arranged between the pole plates, the far field is lower by more than an order of magnitude, ie a power of ten.
  • the arrangement can also be used to increase the strength of the internal field between the poles, while the stray fields continue to be significantly lower than in the standard geometry.
  • the array according to the invention for the enclosed, internal volume element, which is located between the two-pole permanent magnets and the pole plates, compared to the array according to the prior art, which has no external two-pole permanent magnets, otherwise same construction materials and material thickness, a 25% to 35% higher internal magnetic field can be achieved.
  • At least one further two-pole permanent magnet of the same magnetic orientation is arranged in a row behind the two two-pole permanent magnets, which are located between the pole plates, the pole plates covering all two-pole permanent magnets.
  • n two-pole permanent magnets can be arranged one behind the other in a row, the rows preferably running essentially parallel to one another in order to bring about the best possible homogeneity of the magnetic field.
  • the two-pole permanent magnets located between the pole plates can consist of a single magnet or at least two two-pole permanent magnets, for example 2, 3 or 4, which are stacked together.
  • the two-pole permanent magnets which are located between the pole plates, can be made of any permanent magnetic material, for example NbFeB, ferrites, AINiCo, or SmCo. It can be permanent magnets or composites, for example magnetic materials that are embedded in plastics, such as magnetic powder in plastics.
  • the number n of pairs of two-pole permanent magnets arranged in a row in an array, which are located between the pole plates, can be adapted to the experimental requirements and, depending on the use of the array according to the invention, can be, for example, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, ... 15, ... 20, ... 30, ... up to 50, but the upper values are in principle open and only limited by practical circumstances.
  • a number of 1 to 50 permanent dipole magnets in each row has proven to be particularly practical.
  • the distances between the individual two-pole permanent magnets or pairs of two-pole permanent magnets, which are arranged one behind the other between the pole plates can be, for example, 0 to 2 cm. Distances of 0 to 1 cm in each case are particularly preferred. A particularly strong magnetic field with good homogeneity can thus be generated. In principle, the distance between the pairs of two-pole permanent magnets should be as small as possible, since a magnetic field with high homogeneity can be achieved in this way.
  • the two-pole permanent magnets on the outside can each lie on the same cutting plane, which runs through a pair of two-pole permanent magnets lying opposite between the pole plates. It is not imperative that a two-pole permanent magnet is continuously attached to each of these sectional planes, which are parallel to one another. The arrangement should, however, be regular. Embodiments are also possible in which two-pole permanent magnets are arranged with gaps, for example in the manner of a chessboard. However, continuous rows of two-pole permanent magnets are preferred, which are preferably each located on a sectional plane that runs through two opposing two-pole permanent magnets between the pole plates.
  • the number m of two-pole permanent magnets arranged one behind the other in an array, which are located outside the pole plates, can be adapted to the experimental requirements and can for example be 1, 2, 3, 4, 5, 6 depending on the use of the array according to the invention , 7, 8, 9, 1, ... 15, ... 20, ... 30, ... up to 50, but the upper values are in principle open and only limited by practical circumstances.
  • a number of 1 to 50 permanent dipole magnets in each row has proven to be particularly practical.
  • the external two-pole permanent magnets, which are located on the pole plates can be made of any permanent magnetic material, for example NbFeB, ferrite, AINiCo or SmCo. It can be fixed magnets or composites, for example magnetic materials that are embedded in plastics.
  • the figures show the device according to the invention in schematic form, as well as magnetic fields generated by the device. It shows:
  • FIG. 1 an array according to the invention.
  • FIG. 2 A side view of the opening of the array according to the invention.
  • FIG. 3 A side view of the array according to the invention.
  • Figure 2 shows a side view of the opening of the device according to the invention.
  • the same device components have the same numbering.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Array von zweipoligen Permanentmagneten (1, 2) bei dem mindestens zwei zweipolige Permanentmagnete (1, 2) mit gleicher Magnetisierungsrichtung, welche ein Paar bilden, zwischen zwei Polplatten (3), (4) angeordnet sind, so dass sie mit den Polplatten (3), (4) ein Volumenelement einschließen, welches senkrecht zur Ebene, die durch die zweipoligen Permanentmagnete (1, 2) und die Polplatten (3), (4) begrenzt wird, offen ist, bei dem sich auf den Seiten der Polplatten (3), (4), welche den zweipoligen Permanentmagneten (1, 2) abgewandt ist, außenliegende zweipolige Permanentmagnete (5, 6), deren Magnetisierung der Magnetisierung der zweipoligen Permanentmagnete (1, 2), welche sich zwischen den Polplatten (3), (4) befinden, entgegengesetzt ist befinden, so dass deren Magnetfelder eine antiparallele Ausrichtung haben.

Description

B e s c h r e i b u n g
Anordnung von zweipoligen Permanentmagneten zu einem Array und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung von zweipoligen Permanentmagneten zu einem Array und dessen Verwendung.
In der Physik besteht in vielen Fällen der Bedarf Volumenelemente mit Magnetfeldern einer hohen Homogenität zu erzeugen. So werden beispielsweise zum Halten von Superspiegeln für Neutronen-Polarisatoren homogene Magnetfelder benötigt. Homogene Magnetfelder können beispielsweise mittels Halbach-Magneten [„Application of permanent magnets in accer- leraors and electron storage rings (invited)“ Klaus Haibach Journal of Applied Physics 57, 3605 (1985)] oder dipolartigen Magnetsystemen mit zwei Säulen oder mit zwei Reihen von Säulen von Permanentmagneten [„Layout and performance oft the polarizing guide System for the J-NSE spectrometer at the FRM II“, O. Holderer et al Nuclear Instruments and Methode in Physics Research A 586 (2008) 90-94] hergestellt werden. Die Größe der Region mit hohem homogenen Feld eines solchen Systems ist durch die Materialeigenschaften begrenzt, und die langreichweitigen Streufelder im Außenbereich können zu Störungen mit anderen Komponenten und Prozessen außerhalb des Magnetsystems oder zu ungewünschten Wechselwirkungen führen.
Die Vorrichtungen, mit denen homogene Magnetfelder erzeugt werden sind räumlich sehr ausgedehnt, weshalb sie auch relativ große Volumenelemente umschließen und führen zu langreichweitigen Streufeldern, welche die Homogenität des Magnetfeldes beeinträchtigen. Die Magnetfelder können auch zu ungewünschten Wechselwirkungen mit Komponenten und Prozessen außerhalb des Magnetsystems zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes führen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der möglichst homogene Magnetfelder erzeugt werden, wobei Streufelder in dem Volumenelement, welches von der Vorrichtung umschlossen wird, stark reduziert oder komplett ausgeschaltet werden. Die Magnetfeldstärke in dem Volumenelement, in welchem das homogene Magnetfeld erzeugt werden soll, soll verstärkt werden.
Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die kleinere Volumenelemente umschließen kann und baulich kleiner ausgestaltet sein kann. Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und der nebengeordneten Ansprüche wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil dieser Ansprüche angegebenen Merkmalen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nunmehr möglich, homogene Magnetfelder mit wenig oder keinen Streufeldern zu erzeugen, die insbesondere kleinere Volumenelemente baulich eng umschließen, die gegenüber dem Stand der Technik ein verstärktes Magnetfeld aufweisen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die Erfindung erläutert, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist.
In einer einfachen Ausführungsform sind zwei zweipolige Permanentmagnete gleicher magnetischer Ausrichtung, welche ein Paar bilden, zwischen zwei Polplatten in einem Array so angeordnet, dass sie mit den Polplatten ein Volumenelement einschließen, welches senkrecht zur Ebene, die durch die zweipoligen Permanentmagnete und die Polplatten begrenzt wird, offen ist.
Erfindungsgemäß befinden sich auf den Seiten der Polplatten, welche den zweipoligen Permanentmagneten abgewandt sind, jeweils mindestens ein außenliegender zweipoliger Permanentmagnet, dessen Magnetisierung den zweipoligen Permanentmagneten zwischen den Polplatten entgegengesetzt ist, so dass er eine antiparallele Ausrichtung hat.
Dadurch werden Streufelder stark reduziert oder verhindert, durch die Wahl der Abmessungen der Vorrichtungsbestandteile kann die Vorrichtung baulich klein ausgestaltet und die Magnetfeldstärke in dem umschlossenen Volumenelement erhöht werden. Die Magnetisierung wird dabei mit zwei Polen hoher Permeabilität geführt. Das Fernfeld wird dadurch kompensiert und fällt deutlich schneller ab als in der Standard-Lösung nach dem Stand der Technik, bei der an den Außenseiten der Polplatten keine Magnete mit antiparalleler Ausrichtung positioniert sind. Bei gleichem internen Feld, welches sich als Volumenelement zwischen den Polplatten und den zwischen den Polplatten angeordneten Permanentmagneten befindet, ist das Fernfeld um mehr als eine Größenordnung, d.h. eine Zehnerpotenz, geringer. Umgekehrt kann die Anordnung auch dafür verwendet werden, die Stärke des internen Feldes zwischen den Polen zu erhöhen, während die Streufelder weiterhin deutlich geringer ausfallen als in der Standard-Geometrie. Mit dem erfindungsgemäßen Array kann für das umschlossene, interne Volumenelement, welches sich zwischen den zweipoligen Permanentmagneten und den Polplatten befindet gegenüber dem Array nach dem Stand der Technik, welches keine außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete besitzt, bei ansonsten gleicher Bauweise Materialien und Materialstärke, ein 25 % bis 35 % höheres internes Magnetfeld erreicht werden.
In einerweiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Arrays sind hinter den beiden zweipoligen Permanentmagneten, welche sich zwischen den Polplatten befinden, jeweils mindestens ein weiterer zweipoliger Permanentmagnet gleicher magnetischer Ausrichtung in einer Reihe angeordnet, wobei die Polplatten alle zweipoligen Permanentmagnete abdecken. So entsteht eine tunnelförmige Anordnung von Paaren zweipoliger Permanentmagnete, welche mit den Polplatten größere Volumina umschließen. So können jeweils n zweipolige Permanentmagnete in einer Reihe hintereinander angeordnet sein, wobei die Reihen vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen um eine möglichst gute Homogenität des Magnetfeldes zu bewirken.
Die zweipoligen Permanentmagnete, welche sich zwischen den Polplatten befinden, sind vorzugsweise stabförmig bzw. Stabmagnete.
Die sich zwischen den Polplatten befindenden zweipoligen Permanentmagnete können aus einem einzelnen Magneten oder mindestens zwei zweipoligen Permanentmagneten, beispielsweise 2, 3 oder 4, die zusammengestapelt sind, bestehen.
Die zweipoligen Permanentmagnete, welche sich zwischen den Polplatten befinden, können aus jedem permanentmagnetischem Material sein, beispielweise NbFeB, Ferrite, AINiCo, o- der SmCo. Es können dabei permanente Festmagnete oder Composite sein, beispielsweise magnetische Materialien, welche in Kunststoffe eingebettet sind, wie Magnetpulver in Plastik.
Die zweipoligen Permanentmagnete, welche sich zwischen den Polplatten befinden, können eine Länge von beispielsweise 1 bis 100 cm haben. Die Länge ist aber grundsätzlich frei wählbar. Grundsätzlich können auch größere Abmessungen Einsatz finden. So können die Permanentmagnete zwischen den Polplatten auch mehrere Meter haben.
Die zweipoligen Permanentmagnete, welche sich zwischen den Polplatten befinden, haben vorzugsweise eine Magnetfeldstärke von 0,2 bis 2 Tesla, vorzugsweise 1 bis 1 ,3 Tesla.
Die Zahl n der in einem Array jeweils in einer Reihe angeordneten Paare zweipoliger Permanentmagnete, welche sich zwischen den Polplatten befinden, kann an die experimentellen Bedürfnisse angepasst werden und kann dabei je nach Verwendung des erfindungsgemäßen Arrays beispielsweise 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1 , ...15,... 20,... 30,... bis zu 50 betragen, ist jedoch nach oberen Werten im Prinzip offen und nur durch praktische Gegebenheiten beschränkt. Als besonders praktikabel hat sich eine Anzahl von 1 bis 50 permanente Dipolm.ag- nete in jeweils einer Reihe herausgestellt. Die Abstände der einzelnen zweipoligen Permanentmagnete bzw. Paare von zweipoligen Permanentmagneten, die zwischen den Polplatten hintereinander angeordnet sind, können beispielsweise 0 bis 2 cm betragen. Besonders bevorzugt sind Abstände von jeweils 0 bis 1 cm. Damit kann ein besonders starkes Magnetfeld mit guter Homogenität erzeugt werden. Grundsätzlich sollte der Abstand zwischen den Paaren von zweipoligen Permanentmagneten möglichst klein sein, da so ein Magnetfeld mit hoher Homogenität erreicht werden kann.
Die zweipoligen Permanentmagnete zwischen den Polplatten, die sich hintereinander in einer Reihe befinden, sind vorzugsweise äquidistant angeordnet.
Die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete, welche sich auf der dem Innenraum abgewandten Seite befinden, sind vorzugsweise Stabmagnete. An Stelle eines einzigen Stabmagnetes können auch zwei, drei oder mehrere kleinere Stabmagnete linear in einer Reihe angeordnet sein.
Die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete sind auf der Polplatte vorzugsweise so angeordnet, dass sie auf der gleichen Schnittebene des Arrays liegen, in der sich die zweipoligen Permanentmagnete befinden, die sich zwischen den Polplatten befinden.
Die Länge der außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete, welche sich auf den Polplatten befinden, kann wiederum zwischen 1 bis 100 cm liegen. Die Länge ist aber je nach Bedarf frei wählbar.
Die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete sollten bezogen auf eine Ebene, die durch zwei Permanentmagnete geht, die zwischen den Polplatten sind, vorzugsweise den gesamten Abschnitt zwischen den zweipoligen Permanentmagneten abdecken, die sich zwischen den Polplatten befinden um eine bestmögliche Homogenität des Magnetfeldes zu erreichen. Dabei können sie aber auch in einer weniger bevorzugten Ausführungsform nicht auf der Schnittebene die durch zwei Permanentmagnete geht, die zwischen den Polplatten sind, sondern zu der Ebene verschoben angeordnet sein.
Die Abstände der außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete auf der Außenseite der Polplatten haben vorzugsweise die gleichen Abstände voneinander, wie die Paare der zweipoligen Permanentmagnete, die sich zwischen den Polplatten befinden.
Die Abstände der Reihen der außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete auf der Polplatte können 0 cm bis 2 cm betragen. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen außenliegenden zweipoligen Permanent magnete einen kleinen Anstand haben, da das erzeugte Magnetfeld in diesem Fall eine hohe Homogenität erreicht.
Die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete können jeweils auf derselben Schnitt- ebene liegen, die durch ein Paar gegenüber liegenden zweipolige Permanentmagnete zwischen den Polplatten verläuft. Dabei ist es nicht zwingend, dass auf jeder dieser Schnittebenen, die parallel zueinander stehen, ein zweipoliger Permanentmagnet durchgehend angebracht ist. Die Anordnung soll aber regelmäßig sein. Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen zweipolige Permanentmagnete lückenhaft, beispielsweise Schachbrettartig angeordnet sind. Bevorzugt sind jedoch durchgehende Reihen von zweipoligen Permanentmagneten, welche sich vorzugsweise jeweils auf einer Schnittebene befinden, die durch zwei gegenüberliegende zweipolige Permanentmagnete zwischen den Polplatten verläuft.
Die Zahl m der in einem Array jeweils hintereinander angeordneten zweipoligen Permanentmagnete, welche sich außerhalb der Polplatten befinden, kann an die experimentellen Be- dürfnisse angepasst werden und kann dabei je nach Verwendung des erfindungsgemäßen Arrays beispielsweise 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1 , ...15,... 20,... 30,... bis zu 50 betragen, ist jedoch nach oberen Werten im Prinzip offen und nur durch praktische Gegebenheiten beschränkt. Als besonders praktikabel hat sich eine Anzahl von 1 bis 50 permanente Dipolmagnete in jeweils einer Reihe herausgestellt. Die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete, welche sich auf den Polplatten befinden, können aus jedem permanent magnetischem Material sein, beispielweise NbFeB, Fer- rite, AINiCo oder SmCo. Es können dabei Festmagnete oder Composite sein, beispielsweise magnetische Materialien, welche in Kunststoffe eingebettet sind.
Die Feldstärke der außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete kann von 0,2 bis 2 Tesla, vorzugsweise 1 bis 1 ,3 Tesla betragen.
Das Volumen der außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete, ist auf jeder nach außen gewandten Seite der Polplatten vorzugsweise gleich des Volumens der jeweils hintereinander gereihten Paare von zweipoligen Permanentmagneten zwischen den Polplatten. Das gilt insbesondere, wenn die einzelnen außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete und je- weils hintereinander gereihten zweipoligen Permanentmagnete zwischen den Polplatten die gleiche Magnetisierung aufweisen.
Vorzugsweise soll die Magnetisierung, die durch die zweipoligen Permanentmagnete, die zwischen den Polplatten angeordnet sind, bewirkt wird, und die Magnetisierung, die durch die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete bewirkt wird, den gleichen Betrag haben. Das bedeutet, dass die äußeren und inneren zweipoligen Permanentmagnete, wenn sie aus gleichem Material bestehen und eine gleiche Magnetisierung aufweisen, auch das gleiche Volumen einnehmen. In der bevorzugten Ausführungsform haben daher alle verwendeten Magnete das gleiche Material mit der gleichen Magnetisierung und nehmen dabei das gleiche Volumen ein.
Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vorzugsweise baulich miteinander verbunden um sie zusammen zu halten. Das kann beispielsweise mit einem Rahmen bewirkt werden, in den die Bestandteile eingespannt oder eingelegt sind. Damit kann repulsiven Kräften entgegengewirkt werden.
Die Polplatten sollten eine möglichst hohe Permeabilität aufweisen. Beispielhaft können Polplatten mit Permeabilitäten von m = 103 bis 10® gewählt werden. Die Polplatten mit hoher magnetischer Permeabilität sollten eine Saturierung oberhalb der remanenten Magnetisierung der sich zwischen den Polplatten befindenden zweipoligen Permanentmagnete haben. Unabhängig von einer einzelnen Ausführungsform können die Polplatten praktikabel eine Dicke von mehr als 1 mm bis beispielsweise 3 cm haben. Die Dicke der Polplatten können jedoch in Abhängigkeit auch andere größere Werte annehmen und sind frei wählbar.
Die Polplatten sollten zudem dick genug sein, damit die Permeabilität für eine gegebene Magnet-Anordnung nicht in Sättigung geht. Eine geeignete Dicke kann beispielsweise in einem Array aus NbFeB Magneten für ein hohes Magnetfeld 0,07 Tesla in einem Volumenelement von 20 x 40 x 60 cm Feld 1 - 3 cm betragen. Die Dicke sollte hoch genug sein um eine Sättigung in dem Volumen des Polplattenmaterials zu verhindern.
Die Stärke des internen Feldes zwischen den Polplatten kann durch das Volumen der benutzten Magnete angepasst werden. Die sich zwischen den Polplatten befindenden zweipoligen Permanentmagnete sind Ausgestaltungen mit einer oder mehreren Magnetsäulen.
Die Magnetfeldstärke der außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete kann in einem Bereich von 0,2 bis 2 Tesla, vorzugsweise 1 bis 1,3 Tesla, liegen um im internen Volumenelement eine hohe Magnetfeldstärke zu erreichen.
Vorzugsweise soll der magnetische Fluss, die durch die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete erzeugt wird und der, der durch die zweipoligen Permanentmagnete, zwischen den Polplatten erzeugt wird, gleich groß sein. Insbesondere wenn das Volumen der zweipoligen Permanentmagnete außerhalb der Polplatten und der gegensinnig gepolten zweipoligen Permanentmagnete zwischen den Polplatten in der erfindungsgemäßen 4-Magnet-Anordnung gleich ist und die Magnete von gleicher Art sind und vergleichbaren magnetischen Fluss erzeugen, werden die Fernfelder der Anord nung besonders gut minimiert.
Das interne Magnetfeld zwischen den Polplatten ist am homogensten für eine reguläre und gleichförmige Anordnung der Permanentmagnete. Diese ist beispielsweise gegeben, wenn die Permanentmagnete zwischen den Polplatten baulich gleich und äquidistant angeordnet sind und/oder die Permanentmagnete außerhalb der Polplatten baulich gleich und äquidistant angeordnet sind. Die zweipoligen Permanentmagnete zwischen den Polplatten und die zweipoligen Permanentmagnete, welche sich auf der vom Innenraum abgewandten Außenseite der Polplatten angeordnet sind, befinden sich dann vorzugsweise jeweils auf einer Schnittebene.
Gegenüber einem bestehenden System mit 2 zweipoligen Permanentmagneten zwischen Polplatten nach dem Stand der Technik wirkt sich das erfindungsgemäße Hinzufügen eines gleichen Volumens antiparalleler Magnete vorzugsweise gleicher Stärke auf die Polplatten in einem 25 %igen bis 35 %igen Anstieg des internen Feldes, welches sich zwischen den Polplatten befindet, aus.
Wenn die Feldstärke zwischen den Polplatten im Vergleich zu der 2-Säulen-Lösung nach dem Stand der Technik, die ohne Permanentmagnete außerhalb der Polplatten auskommen, nicht vergrößert werden soll sondern konstant bleiben soll, muss das Gesamtvolumen aller Magnete, also der zweipoligen Permanentmagnete, welche sich zwischen den Polplatten befinden und der zweipoligen Permanentmagnete, welche sich aus der Außenseite der Polplatten befinden, entsprechend reduziert werden abhängig von der genauen Geometrie. Damit kann erreicht werden, dass das interne Magnetfeld zwar nicht vergrößert wird, das Streufeld jedoch verringert wird.
Das erfindungsgemäße Array kann daher dazu verwendet werden, das interne Magnetfeld zu homogenisieren und/oder das Streufeld außerhalb des Arrays zu verringern.
Das erfindungsgemäße Array kann für die Erzeugung von Magnetfeldern von beispielsweise bis zu 2 Tesla verwendet werden.
Die Figuren zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Form, sowie durch die Vorrichtung erzeugte Magnetfelder. Es zeigt:
Fig.1 Ein erfindungsgemäßes Array. Fig.2 Eine Seitenansicht, auf die Öffnung des erfindungsgemäßen Arrays Fig.3 Eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Arrays Fig.4 Eine Aufsicht auf das erfindungsgemäße Array
Fig.5a, 5b: Durch das erfindungsgemäße Array erzeugte Magnetfelder.
In dem Array in Figur 1 sind zwei Reihen von zweipoligen Permanentmagneten gleicher magnetischer Ausrichtung (1, 1a, 1b .1n), (2, 2a, 2b, 2n) parallel zwischen zwei Polplatten (3) und (4) angeordnet, auf denen sich jeweils stabförmige außenliegende zweipolige Permanentmagnete (5, 5a, 5b, ...5n) (6, 6a, 6b, ...6n) befinden, deren Magnetisierung entgegensetzt der Magnetisierung der permanenten Dipolmagnete (1 , 1a, 1b .1n), (2, 2a, 2b,
2n) verläuft.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht auf die Öffnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In ihr haben gleiche Vorrichtungsbestandteile dieselbe Nummerierung.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In ihr haben gleiche Vorrichtungsbestandteile dieselbe Nummerierung, wie in den vorhergehenden Figuren.
Figur 4 zeigt eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung. In ihr haben gleiche Vorrichtungsbestandteile dieselbe Nummerierung, wie in den vorhergehenden Figuren.
Figur 5b zeigt eine modellhafte finite Element Rechnung für ein internes und externes Magnetfeld, das erfindungsgemäß hergestellt wird im Vergleich zu einem entsprechenden Magnetfeld in Figur 5a, welches nach den Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde. Beim Stand der Technik wird in dieser Ausführung ein zentrales Feld von 0,055 Tesla erreicht, die Isolinien sind im Abstand von 0,004 Tesla eingezeichnet. Die Seitenlänge der Figuren 5a und 5b beträgt 1 m. In den Figuren sind die Polplatten (3), (4) senkrecht angeordnet. Die zweipoligen Permanentmagnete (1), (2) zwischen den Polplatten (3), (4) begrenzen die Anordnung oben und unten. Auf der dem Innenraum zwischen den Polplatten (3), (4) abgewandten Außenseiten der Polplatten (3), (4) befinden sich jeweils außenliegende zweipolige Permanentmagnete (5), (6). In Figur 5b beträgt das zentrale Magnetfeld zwischen den Polplatten (3), (4) 0,073 Tesla. Beispiel:
Magnetfeld zum Halten der Magnetisierung eines Superspiegels für Neutronen-Polarisatoren oder -Analysatoren. Dieses Gerät kann als verbessertes Magnetsystem dafür verwendet werden, das die Wirkung des Superspiegels gewährleistet und gleichzeitig die langreichweiti- gen Streufelder deutlich reduziert. Zum Beispiel wird die Stärke des Streufeldes in 2 m Abstand zum Superspiegel-Analysator mit einer 4-Magneten-Anordnung um mehr als eine Größenordnung reduziert. In diesem Beispiel wird ein „Dipol'-System (2-Säulen-Lösung) be trachtet für eine 26 cm hohe, 12,6 cm breite und 60 cm lange Superspiegel-Analysator-Ein- heit mit einem internen Feld zwischen den Polen von 0,055 Tesla, das in 2 m Abstand ein Feld von 30 pTesla erzeugt, d.h. in ähnlicher Größenordnung wie das Erd-Magnetfeld. Mit der hier beschriebenen 4-Magneten-Anordnung wird ein Feld von < 3 pTesla im selben Abstand erzeugt. Da diese Geräte häufig beweglich sind und einige Neutronenstreu-Experimente äußerst empfindlich gegenüber veränderlichen externen Magnetfeldern sind, kann es bei schlechter Abschirmung der Magnetfelder zu starken Störungen in der Nachbarschaft kommen. Die hier präsentierte Lösung reduziert die Stärke der unerwünschten Streufelder um mehr als eine Größenordnung, wodurch Interferenzen verschiedener Instrumente minimiert werden, im besten Fall so, dass gegenseitige Störungen komplett ausgeschlossen werden. Für den speziellen Fall des Neutronen-Spin-Echo Spektrometers, ein Nachbarinstrument mit einem Superspiegel-Analysator mit 2-Magnetsäulen Anordnung für das magneti- sehe Feld kann eine Phasenverschiebung des polarisierten Neutronenstrahls am Neutronen- Spin-Echo Spektrometer verursachen in der Größenordnung von bis zu 60°. Streufelder, die mehr als eine Größenordnung geringer wären, würden einen gleichzeitigen Betrieb beider Instrumente gestatten. Figur 5b zeigt die Streufelder für die oben beschriebene Geometrie.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Array von zweipoligen Permanentmagneten (1 , 2) bei dem mindestens zwei zweipolige Permanentmagnete (1, 2) mit gleicher Magnetisierungsrichtung, welche ein Paar bilden, zwischen zwei Polplatten (3), (4) angeordnet sind, so dass sie mit den Polplatten (3), (4) ein Volumenelement einschließen, welches senkrecht zur Ebene, die durch die zweipoligen Permanentmagnete (1, 2) und die Polplatten (3), (4) begrenzt wird, offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf den Seiten der Polplatten (3), (4), welche den zweipoligen Permanentmagneten (1, 2) abgewandt ist, außenliegende zweipolige Permanentmagnete (5, 6) deren Magnetisierung der Magnetisierung der zweipoligen Permanentmagnete (1, 2), welche sich zwischen den Polplatten (3), (4) befinden, entgegengesetzt ist, befinden, so dass deren Magnetfelder eine antiparallele Ausrichtung haben.
2. Array nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es über eine Anzahl n von Paaren zweipoliger Permanentmagnete (1, 1a, 1b...) (2, 2a, 2b...) und m Paaren außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete (5, 5a, 5b...) (6, 6a, 6b...) verfügt, welche bei einer Anzahl n sowie m > 1 jeweils in einer Reihe hintereinander angeordnet sind, wobei n und m einen Wert zwischen 2 und 50 haben kann.
3. Array nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare zweipoliger Permanentmagnete (1 , 1a, 1b...) (1, 2a, 2b...) und außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete (5, 5a, 5b...) (6, 6a, 6b..) jeweils auf einer Schnittebene liegen.
4. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegenden Permanentmagnete (5, 5a, 5b...) und (6, 6a, 6b...) bezogen auf die Schnittebene, welche durch die Permanentmagnete (1 , 1a, 1b...), (2, 2a, 2b...) zwischen den Polplatten und der Polplatten (3), (4) geht, den gesamten Abstand zwischen den zweipoligen Permanentmagneten (1), 1a, 1b...), (2, 2a, 2b...) zwischen den Polplatten abdecken.
5. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete (5, 5a, 5b...) und (6, 6a, 6b...) bezogen auf die Schnittebene, welche durch die zweipoligen Permanentmagnete (1 , 1a, 1b...), (2, 2a, 2b...) zwischen den Polplatten und der Polplatten (3), (4) geht, einen Teil des Abstandes zwischen den zweipoligen Permanentmagneten zwischen den Polplatten (1, 1a, 1b...), (2, 2a, 2b...) abdecken.
6. Array nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete (5, 5a, 5b...,), (6, 6a, 6b,...), welche sich auf den Schnittebenen, welche durch die jeweiligen zweipoligen Permanentmagnete (1, 1a, 1b...), (2, 2a, 2b...) zwischen den Polplatten und der Polplatten (3), (4) gehen befinden, in einer Lücke zueinander versetzt positioniert sind.
7. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle zweipoligen Permanentmagnete (1 , 1a, 1b...), (2, 2a, 2b...), (5, 5a, 5b...), (6, 6a, 6b...) bei gleicher Magnetisierung das gleiche Volumen haben.
8. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der zweipoligen Permanentmagnete (1 , 1a, 1b...), (2, 2a, 2b...), (5, 5a, 5b...), (6, 6a, 6b...) 0,2 bis 1,3 Tesla beträgt.
9. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatten (3), (4) eine Permeabilität von m = 103 bis 10® besitzen.
10. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare der zweipoligen Permanentmagnete (1 , 1a, 2b...), (2, 2a, 2b...) zwischen den Polplatten (3), (4) einen Abstand von 0 cm bis 2 cm haben.
11. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegenden zweipoligen Permanentmagnete, (5, 5a, 5b...), (6, 6a, 6b...) außerhalb der Polplatten (3), (4) einen Abstand von 0 cm bis 2 cm haben.
12. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweipoligen Permanentmagnete, (1 , 1a, 2b...), (2, 2a, 2b...) und/oder die zweipoligen Permanentmagnete, (5, 5a, 5b...), (6, 6a, 6b...) aus einem permanent- magnetischem Material aus der Gruppe bestehend aus NbFeB, Ferrite, AINiCo oder
SMCo bestehen.
13. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das permanentmagnetische Material in Form von Compositen mit Kunststoff vor- liegt.
14. Array nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Komponenten, aus denen sie besteht baulich miteinander verbunden sind, so dass repulsiven Kräften zwischen den Komponenten entgegengewirkt wird.
15. Verwendung eines Arrays nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Homogenisierung eines Magnetfeldes.
16. Verwendung eines Arrays nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Verringerung von Streufeldern.
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