Магнитная линза

 

СОО3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(51) Н 01 Х 37 14

ГОСУДАРСТВЕННИЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВ ГОРСЯОМУ СОИДЕТЕЛЬСТВУ. (21) 3663358/24-21 (22) 15 ° 11.83. (46) 30,04.85. Бюл. В 16 (72) В.С.Босов и А,И.Елякотко (53) 621 385.833 (088.8 ) (56) 1. Стоянов П.А. и др. Объектив% иая линза злектронного микроскопа с болыюй магнитодвижущей силой. Изв.

АН СССР. Сер. физическая. 1968, т. 32, У 7, с. 1120.

2, Солцатенко Г.А. Магнитная линза с ленточной обмоткой высоковольтного электронного. микроскопа. Препринт. Киев. Институт ядерных иссле::дований АН УССР, 1977, с. 3-13 (прототип ).

„„SU„„1 3368 А, - (54 ) (57 ) МАГНИТНАЯ ЛИНЗА, содержащая магнитопровод, ленточную обмотку возбуждения, выполненную из электропроводящего материала, покрытого слоем изоляции, и охлаждаемые теплообменники, контактирующие с обмоткой возбуждения по ее торцовым поверхностям, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения веса и габаритов линзы за счет увеличения допустимой плотности тока, линза снабжена до- . полнительной ленточной обмоткой из немагнитного теплопроводящего материала, размещенной между витками обмотки возбуждения и соединенной по торцам с поверхностью теплообменников.

1 l ) 533

Изобретение относится к оптике заряженных частиц, а именно к. фокусировке электронных или ионных пучков, и может найти применение, например, в микроскопии. 5

Известна магнитная линза, содер- жащая магнитопровод иэ ферромагнитного металла, обмотку возбуждения, выполненную изолированным проводом круглого сечения, и водоохлаждаемые 1О теплообменники из немагнитного металла. Фокусное расстояние этой линзы для частиц с заданными массой, зарядом и энергией определяется числом ампер-витков в обмотке возбуждения и конфигурацией магнитопровода.

При этом габариты и вес линзы существенно зависят от допустимой плотности тока в обмотке возбуждения, а надежность ее работы — от темпера- gp туры и толщины межвитковой изоляции и изоляции обмотки от корпуса jI), Недостатки линзы данного типамалая степень заполнения сечения обмотки проводами, затрудненный отвод тепла от внутренних витков обмотки, слабая эффективность охлаждения, низкая плотность тока в обмотке (23 А/мм ) и, как следствие, большие габариты и вес, Наиболее близкой к изобретению является магнитная линза, содержащая магинтопровод, ленточную обмотку возбуждения, выполненную из электропроводящего материала, покрытого слоем изоляции, и охлаждаемые теплообменники, контактирующие с обмоткой возбуждения по ее торцовым поверхностям $2).

В известной линзе вследствие высо40 кой степени заполнения обмотки металлом с большим коэффициентом теплопроводности и эффективного отвода тепла в осевом направлении рабочая плотность

45 . тока в обмотке линзы составляет 68 А/ми при относительной простоте ее конструкции. Магнитную линзу с ленточной обмоткой отличает также сравнительная компактность и легкость.

Однако известная линза характеризуется низкой теплопроводностью слоя изоляции между обмоткой и охлаждаемыми теплообменниками. Увеличение площади поперечного сечения этого слоя ограничено наружным и внутренним радиусами обмотки, а уменьшение толщины слоя — требованиями к механической и диэлектрической прочности конструкции, т.е. требованиями надежности. Дальнейшее повышение плотности тока в обмотке с целью меньшения габаритов и веса магнитной линзы, является невозможным.

Цель изобретения — уменьшение веса н габаритов линзы за счет увеличения допустимой плотности тока.

Укаэанная цель достигается тем, что магнитная линза, содержащая магнитопровод, ленточную обмотку возбуждения, выполненную иэ электропроводящего материала, покрытого слоем изоляции, и охлаждаемые теплообменники, контактирующие с обмоткой возбужцения по ее торцовым поверхностям, снабжена дополнительной ленточной обмоткой из немагнитного теплопроводящего материала, размещенной между витками обмотки возбуждения и соединенной по торцам с поверхностью теплообменников.

На чертеже схематически изображена магнитная линза, общий вид.

Магнитная линза содержит магнитопровод 1 из ферромагнитного металла, обмотку 2 возбуждения, выполненную иэ ленты шириной 0 и толщиной d водоохлаж знаемые .теплообменники 3 из немагнитного материала, изолированные от обмотки возбуждения слоем изоляции толщиной А, межвитковую изоляцию 4 толщиной oä и дополнительную ленточную обмотку 5 иэ немагнитного теплопроводящего материала шири и Е,- Е + 2 а и толщиной витки которой размещены между витка" ми обмотки 2 возбуждения.

Магнитная линза работает следующим образом.

Прохождение тока через обмотку возбуждения создает магнитное поле, которое концентрируется магнитопроводом в области рабочего зазора шириной 5 и диаметром 9 . При этом фокусное расстояние линзы для частиц с определенной массой, зарядом и энергией обратно пропорционально квадрату числа ампер-витков в обмотке возбуждения, причем это.число ог- . раничивается допустимой температурой обмотки. Дополнительная ленточная обмотка 5 улучшает условия теплообмена и тем самым позволяет увеличить допустимую плотность тока обмотки возбуждения. При заданных параметрах линзы уменьшается необходимое число витков обмотки воз суждения, а

1153368 4

Если через Т обозначить температуру и- в плоскости z.= =P/2, совпадающей с и- боковой поверхностью ленты обмотки возбуждения, то

Разность температур на слоях меди и изоляции составляет

У() (+, +, +2

{ 1 т -т т,-т„}((т, - Т, } (1.

3 следовательно, ее вес и габариты настолько, что компенсируется увел чение веса за счет введения дополн тельной обмотки. Это может быть про иллюстрировано следующим расчетным примером.

Тепловая мощность, вь»деляющаяся одной иэ секций линзы, может быть рассчитана по формуле

»«{...,,){з {с;.ь; и.„1 (» -,)РУ где Э - ток обмотки возбуждения;

9 - удельное электрическое сопротивление меди при рабочей

1 температуре; и »; - внешний и внутреннний радиусы обмотки соответственно, -г т

+б" +fg и 2 — число витков в секции обмотки возбуждения.

Эффективная разность температур между лентами обмотки возбуждения, по которой проходит ток и дополниФ 2 тельной обмотки охлаждения равна (Зж1 с{"и {, т+ < +26"и)

"Т, „.,2„

Т и 2 1) где К вЂ” коэффициент теплопроводнос3 ти материала межвитковой изоляции.

Вследствие малой толщины слоя изоляции сР„ между витками и большой площади попеоечного сечения этого

Т{1

35 слоя разность темпера«

{{т {ф+2+ тур Т> невелика, и можно считать, что в каждом сечении обмотки, перпендикулярном оси, устанавливается при- 40 мерно одинаковая температура. Основной градиент температур будет иметь место в направлении продольной оси линзы. При этом на участке, равном ширине ленты обмотки возбуждения, 45 обе ленты в тепловом отношении будут эквивалентны одной ленте толщиной

У + 6 . Если начало оси координат совместить с центром секции обмотки, то распределение температуры будет иметь вил

У(3) (W,+ " +г,»" ) 2

2(2- 1 01Е К (, ) где Т и Т вЂ” температуры в секции обмотки в сечениях с координатами z = 0 и z соответственно.

) (" ) ;tЄ;,; „„)) ") где Т„ — температура поверхности охлаждаемых теплообменников.

В конечном итоге, для линзы, в состав которой входят ленточная обмотка возбуждения и дополнительная ленточная обмотка. ползучим уР4 Ж "о 2" )

4 (, ) ЕГК„,.К„(,» Ä))

Аналогично может быть определена разность (Т вЂ” Т„,/ для линзы-протоТ типа, для которой обмотка возбуждения соединена с теплообменниками только через слой изоляции.

Положительный эффект реализуется при условии

Например, магнитная линза-прототип имеет обмотку возбуждения из медной ленты с коэффициентом теплопроводности K = 4 .10 Вт/м-град, в ко2 торой максимальная плотность тока и равна 8 А/мм . Остальные параметры имеют следующие значения:

=4 10 м; d" = 2 10 M

«10 и, ь! =. 2,1 10 м; Т = 30 С;

T = 90 С; у = 2,24-10 8 Ом м и 3ы =

3, 47 . 10 4 Авит. При этом межвитковая изоляция выполнена из конденсаторной бумаги толщиной 2-10 м, пропитана эпоксидной смолой в вакууме и приклеена к водоохлаждаемым теплообменникам через слой изоляции толщиной 5 = 2,! .10 4 м. Эта величина

«1 находится около предела, определяемого требованиями надежности.

Пользуясь соотношением {.7 1 не« трудно показать, что при введении дополнительной ленточной обмотки может быть изготовлена новая линза со щпмн амет, „, . 2 10-4 „.

do = 1 10; Г„= 3-10

1153368

7 )0 M; v, 8 3 10 м;

1,12.10 "м; ь= 2 )О м Tì = 30 С;

Т> 80оС; у = 2,16 )0 s Омм ) м =

4 -10 Вт/м град; K 2 -10 "Вт/м " град и Зм 4,6 10 Авит.

Из сравнения параметров двух линз следует, что число ампер-витков в новой линзе увеличено в ),32 раза. Это позволяет для частиц данного сорта и энергии на 757 уменьшить фокусное расстояние линзы. При этом наружный диаметр и длина обмотки уменьшены, соответственно в 1,25 и 1,08 раза, Габаритняе размеры линзы в целом >5 уменьшены прИблизительно в такой же пропорции, что эквивалентно снижению веса линзы примерно в 1,6 раза.

Толщина межвитковой изоляции увеличена в 1,5 раза, а толщина слоя изоляции между обмоткой и водоохлаждаемыми корпусами увеличена почти на порядок. Это существенно повышает надежность линзы.

Максимальная температура обмотки в ее центральном сечении снижена с .90 до 80 С, что также увеличивает параметр надежности s.èíçû.

С помощью аналогичного расчета линза может быть оптимизирована и по одному из ее параметров, например весу или температуре, ВНЮШИ Заказ 2513/42 Тираж 679 Подписное

Филиал ПЙП Патент, г. Ужгород, ул.Проектная,4