система регулирования магнитного поля в кольцевой камере

Формула изобретения

1. Система регулирования магнитного поля в кольцевой камере, содержащая две пары круговых соосных электрических контуров, расположенных симметрично по обе стороны от средней плоскости кольцевой камеры и соединенных с блоком питания, отличающаяся тем, что диаметр одной из пар контуров меньше внутреннего диаметра камеры, а контуры одной пары соединены встречно по отношению к магнитному полю контуров другой пары на оси кольцевой камеры.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена одной или несколькими парами круговых соосных электрических контуров диаметром, меньшим внутреннего диаметра камеры, расположенных симметрично по обе стороны от средней плоскости кольцевой камеры и соединенных с блоком питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области регулирования магнитного поля, в частности может быть использовано для регулирования и компенсации магнитных полей в кольцевых камерах различного назначения.

Известна система для создания однородного одноосного магнитного поля в заданном объеме пространства и регулирования величины напряженности этого поля, состоящая из двух или более концентрических электрических контуров, плоскости которых удалены на заданное расстояние друг от друга (кольца Гельмгольца) [1]. Недостатком является значительное превышение габаритов колец Гельмгольца по сравнению с габаритными размерами объема с однородным магнитным полем.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система регулирования магнитного поля, используемая для компенсации внешних магнитных полей в объеме кольцевой камеры электронного магнитного спектрометра [2] (прототип). Устройство содержит вакуумный объем энергоанализатора в виде кольцевой камеры с соответствующими приспособлениями для возбуждения и регистрации сигналов, а также систему для компенсации осевой составляющей напряженности поля Земли в объеме камеры энергоанализатора. Система компенсации содержит две пары круговых соосных электрических контуров, расположенных симметрично по обе стороны от средней плоскости кольцевой камеры, а диаметр контуров больше наружного диаметра камеры. Контуры соединены с блоком питания.

Недостаток известной системы регулирования магнитного поля в кольцевой камере - большие габариты в сравнении с объемом кольцевой камеры, большой вес и энергопотребление устройства в целом.

Системы компенсации типа колец Гельмгольца создают однородное магнитное поле в некоторой сплошной выпуклой области пространства, охватывающей центр электронного магнитного спектрометра и область движения исследуемых электронов. Очевидно, что, во-первых, поля такого вида имеют максимальную однородность в центре прибора, и, во-вторых, размер пространства с заданной величиной однородности поля находится в прямой зависимости от размеров системы компенсации. Следовательно, для обеспечения высокого качества работы спектрометра возникает необходимость в системах компенсации, имеющих достаточно большие размеры. Например, для создания магнитного поля необходимой степени однородности в рабочей области прибора система колец Гельмгольца должна иметь размеры, в восемь раз превышающие радиус центральной орбиты движения исследуемых электронов.

Практика изготовления и использования таких систем компенсации для магнитного энергоанализатора с разрешением 10"⁵ показывает, что с их помощью не удается компенсировать быстрые изменения магнитного поля с необходимой точностью. Причиной этого является большая индуктивность колец Гельмгольца, находящихся в системе обратной связи.

Таким образом, именно размеры используемых в настоящее время систем компенсации определяют недостаточную эффективность, габариты и вес электронных магнитных спектрометров, ограничивая тем самым их применение. Поэтому уменьшение размеров системы компенсации внешних магнитных полей является необходимым условием создания высокоэффективных магнитных спектрометров.

Особенностью магнитных полей, создаваемых системами компенсации типа колец Гельмгольца, является то, что область однородного поля, создаваемого ими, является сплошной, охватывающей центр прибора и область движения электронов.

Можно утверждать, что магнитные поля такого типа не являются оптимальными для компенсации внешних полей электронных магнитных спектрометров. Это объясняется тем, что для высококачественной работы прибора компенсировать внешние поля необходимо не в сплошной области вокруг центра спектрометра, а вблизи его оптической оси, т.е. внутри вакуумной камеры. Следовательно, в электронных магнитных спектрометрах необходимо использовать системы компенсации, создающие магнитные поля так называемого тороидального типа. Поскольку область высокой однородности таких полей не должна быть протяженной, то целесообразным является предположение о том, что размеры систем компенсации такого типа не должны быть большими.

Предлагаемое изобретение направлено на снижение габаритов, веса и энергопотребления устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в системе регулирования магнитного поля в кольцевой камере, содержащей две пары круговых соосных электрических контуров, расположенных симметрично по обе стороны от средней плоскости кольцевой камеры и соединенных с блоком питания, в соответствии с предложением, диаметр одной из пар контуров меньше внутреннего диаметра камеры, а контуры одной пары соединены встречно по отношению к магнитному полю контуров другой пары на оси кольцевой камеры.

Кроме того, устройство может быть снабжено одной или несколькими парами круговых соосных электрических контуров диаметром, меньшим внутреннего диаметра камеры, расположенных симметрично по обе стороны от средней плоскости кольцевой камеры и соединенных с блоком питания.

Выполнение диаметра одной из пар контуров меньшим внутреннего диаметра камеры и соединение этой пары встречно по отношению к магнитному полю контуров другой пары на оси кольцевой камеры позволяет снизить габариты, вес и энергопотребление устройства. Это достигается за счет того, что благодаря такому выполнению системы однородное магнитное поле может быть создано непосредственно внутри (в тороидальном объеме) кольцевой камеры, что достигается контурами, имеющими диаметры, соизмеримые с наружным диаметром камеры (в устройстве-прототипе [2] в однородном поле находится вся камера и поэтому контуры имеют размеры, значительно превышающие габариты камеры). Соответственно, меньшие габариты контуров приводят к снижению веса, а также энергопотребления устройства в целом, поскольку уменьшаются активное сопротивление контуров и необходимая величина тока в них (снижаются ампер-витки контуров, необходимые для создания одного и того же магнитного поля внутри камеры).

Введение в систему дополнительно одной или нескольких пар контуров и соответствующее их соединение с другими парами контуров дает возможность повысить однородность магнитного поля внутри кольцевой камеры.

Изобретение поясняется чертежом, где показан общий вид устройства в разрезе.

Система регулирования магнитного поля (см. чертеж) содержит кольцевую камеру 1 и пары 2, 3 и 4 электрических контуров (обмоток, катушек и т.п.), соединенных с блоком питания (не показан). Контуры соединены между собой таким образом, что магнитное поле на оси камеры от пары 2 контуров направлено встречно по отношению к магнитному полю пар 3 и 4 контуров (направление токов в контурах показано крестом и точкой).

Устройство работает следующим образом. От блока питания в пары 2 и 3 контуров (катушек) (см. чертеж) подаются токи, которые создают во внутреннем объеме кольцевой камеры 1 магнитное поле, направленное вдоль оси камеры. Величина тока выбирается (с учетом числа витков в катушках) из условия получения заданной величины и однородности магнитного поля внутри камеры.

Для получения заданной однородности магнитного поля внутри камеры могут быть использованы дополнительно одна (пара 4 на чертеже) или несколько пар круговых соосных электрических контуров диаметром, меньшим внутреннего диаметра камеры, расположенных симметрично по обе стороны от средней плоскости кольцевой камеры и соединенных с блоком питания. Ток и его направление в дополнительных контурах выбирается из условия получения заданной однородности магнитного поля в кольцевой камере.

Система компенсации, создающая однородное магнитное поле тороидального типа, была рассчитана для 100-сантиметрового магнитного спектрометра и имеет характеристики, указанные в таблице. Из этих данных видно, что равномерность магнитного поля внутри кольцевой камеры улучшается в зависимости от количества пар колец ее составляющих.

Таблица
Номер катушки	Внутренний радиус катушки (м)	Расстояние от нижнего основания катушки до плоскости симметрии (м)	Высота катушки (м)	Количество секций	Радиальные размеры катушек (м)	Кол-во витков в секции	Полная радиальная толщина провода (м)	Сила тока, I (А)	Точность компенсации внешнего поля относительно поля энергоанализатора (радиальная компонента)
1	2,07456	0,56696	0,20148	4	0,009	9	0,001	0,0221	0,0000868(по г) 0,0000066 (по z)
2	1,00857	0,69666	0,20148	4	0,001	1	0,001	0,0221
1	2,07456	0,56696	0,20148	4	0,121	121	0,001	0,017	0,0000102 (по г) 0,0000492 (по z)
2	1,00857	0,69666	0,20148	4	0,014	14	0,001	0,017
3	0,493325	0,07659	0,10242	4	0,002	2	0,001	-0,0017
1	2,07456	0,56696	0,20148	4	0,121	121	0,001	0,017	0,0000076 (по г) 0,0000470 (по z)
2	1,00857	0,69666	0,20148	4	0,014	14	0,001	0,017
3	0,493325	0,07659	0,10242	4	0,002	2	0,001	-0,0017
4	0,7035	0,11524	0,03048	1	0,007	7	0,001	0,00017

Предлагаемая система регулирования магнитного поля обеспечивает по сравнению с известными устройствами снижение габаритов, веса и энергопотребления устройства. Она может быть использована, во-первых, во всех устройствах и приборах с применением кольцевых (тороидальных) камер, в которых требуется компенсировать сторонние (внешние) магнитные поля. Во-вторых, данная система может использоваться для создания и регулирования магнитного поля внутри конструкций типа кольцевой камеры, например для создания заданной величины магнитного поля в круговых отсеках космических станций и т.п.

Источники информации

1. Штамбергер Г.А. Устройство для создания слабых магнитных полей. - Новосибирск: Наука, 1972, - 176 с.

2. Гольдберг В.Л. и др. Прецизионный безжелезный магнитный электронный спектрометр ЭСИФМ-3. Электронная промышленность, 1984, вып.2 (130), с.84-89.