Магнитная фокусирующая система

 

И - Н И Е ц769660

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 22.11.78 (21) 2687204/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл.

Н 01J 23/087

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (43) Опубликовано 07.10.80. Бюллетень № 37 (53) УДК 621,385.6 (088.8) (45) Дата опубликования описания 07.10.80 (72) Авторы изобретения

И. М. Балаклицкий, И. А. Вязьмитинов, В. Е. Капитонов, И. В. Лопатин, А. Ф. Плеханов, Ю. А, Райков и А. Х. Худайберганов

Специальное конструкторско-технологическое бюро с Опытным производством Института радиофизики и электроники АН УССР (71) Заявитель

Г; (54) МАГНИТНАЯ ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА 1, ., — ",: з.мт> ". ..

Изобретение относится к области электроники СВЧ, а именно к магнитным фокусирующим устройствам, предназначенным для транспортировки и концентрации электронного потока, и может найти применение в электровакуумных приборах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, например, генераторах дифракционного излучения (ГДИ), лампах обратной волны (ЛОВ), магнетронах и т. и., бортового назначения.

В электровакуумных приборах (ЭВП)

СВЧ коротковолновой части миллиметрового диапазона для фокусировки интенсивных электронных пучков преимущественно применяются магнитные фокусирующие системы (МФС) с ограничением пучка магнитным полем. Поэтому вес и габариты пакетированных ЭВП на 80 —:90% определяются весом и габаритами их МФС. Большие напряженности магнитных полей (2 —: —:10 кГс) существенно ограничивают возможности применения коротковолновых

ЭВП миллиметрового диапазона в бортовой аппаратуре из-за большого веса МФС.

Значительное снижение веса и габаритов МФС достигнуто за счет применения редкоземельных магнитожестких материалов с постоянной намагниченностью, не изменяющей величины и направления в больших интервалах изменения внешних магнитных полей (1).

Наряду с большими значениями макси5 мальной магнитной энергии и коэрцитпвной силы отмечается приближенное равенство единице магнитной проницаемости.

Последний фактор определил наиболее эффективное направление в разработке ма1р логабаритных МФС с малым весом — без применения магнитомягких материалов.

Известны магнитные системы, состоящие из магнитов с различным направлением намагниченности. В них малые вес и ra15 бариты достигаются за счет того, что поле в центральной части зазора образуется в результате судерпозиции полей магнитов, намагниченных в акснальном и радиальном направлениях. Часть магнитов намаг20 ничена аксиально в направлении, совпадающем с направлением поля в зазоре, часть — в противоположном направлении и часть — в радиальном. Магниты стыкуются по коническим поверхностям раздела (2).

Недостатком таких систем является то, что в них не обеспечиваются минимальные вес и габариты. Это вызвано неоптимальными формами поверхностей раздела маг769660

65 нптов и внешней границы систем, а также использованием магнитов только с четырьмя направлениями намагниченности.

Наиболее близким техническим решением является аксиально-симметричная магнитная система, состоящая из магнитов с различным направлением намагниченности. В ней наряду с аксиально и радиально намагниченными магнитами допускается применение магнитов с промежуточными направлениями намагниченности. Эффективность известной системы достигается за счет оптимальной формы поверхностей, по которым стыкуются магниты. Для каждой пары стыкуемых магнитов с различным направлением намагниченности эта поверхность имеет коническую форму со строго определенным углом раствора конуса. Конусы соосны с осью системы, а их вершины совпадают с центром рабочего зазора. Без существенного изменения эффективности системы в определенных пределах допускается отступление от оптимальных поверхностей раздела. Оптимальная форма поверхностей раздела магнитов обеспечивает по сравнению с другими возможными формами и при прочих равных условиях наибольшую напряженность поля в центре рабочего зазора. Известное техническое решение имеет смысл только в том случае, если магнитная проницаемость магнитов равна единице, т. е., если система выполнена из магнитов с постоянной намагниченностью (3).

Недостатком известной системы является то, что в ней не обеспечиваются минимальные вес и размеры, так как не выполняются условия наиболее эффективного размещения магнитного материала. Внешняя граница известной системы за пределами рабочего зазора имеет не оптимальную конфигурацию. Чаще всего применяется цилиндрическая форма внешней границы. При этом в контур системы входят малоэффективные зоны пространства, в которых магнитные элементы вносят малый вклад в поле центральной части зазора и не входят более эффективные зоны, располагаясь в которых, магнитные элементы того же веса могут создавать в центре зазора гораздо большую напряженность поля.

Целью изобретения является уменьшение веса и размеров магнитной фокусирующей системы при сохранении напряженности поля в центре рабочего зазора.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитной фокусирующей системе, состоящей из магнитов с постоянной намагниченностью различных направлений, образующая поверхности ее внешней границы за пределами рабочего зазора в плоскости осевого сечения расположена в пределах зоны, ограниченной линиями, являющимися геометрическим местом точек, удаленных от центра зазора на расстояние з

1 + 0 05 g / 3 cos (2 — ф) + cos ф

2 4

l где углы у и ф отсчитаны от вектора поля в центре рабочего зазора в положительном направлении;

rp — угол между вектором поля в центре зазора и прямой, проходящей через центр зазора и произвольную точку на образующей; — угол между вектором поля в центре зазора и вектором намагниченности, магнита, на поверхности которого расположена эта точка;

L — длина системы по оси, совпадающей с направлением поля в центре зазора.

На фиг. 1 изображен общий вид МФС с замкнутым цилиндрическим зазором; на фиг. 2 — то же, со сквозным цилиндрическим зазором; на фиг. 3 — то же, с плоскопараллельным зазором; на фиг. 4 и

5 — чертежи, поясняющие определение угла ф для магнитов с заданным направлением намагниченности (общий случай); на фиг. 6 — образующая внешней границы

МФС и пояснение определений ср и R; на фиг. 7 — общий вид полюса опытного образца МФС ГДИ с технологичной конфигурацией внешних границ; на фиг. 8 — линии равных удельных вкладов для систем, состоящих из радиально и аксиально намагниченных магнитов и контур известной системы.

Предлагаемая магнитная фокусирующая система состоит (фиг. 1 — 3) из магнитов

1 — 5 с постоянной намагниченностью. Магниты 1 — 5 имеют различные направления намагниченности. На фиг. 1 — 3 приведены варианты предлагаемой системы, которые состоят из магнитов только с четырьмя направлениями намагниченности: магниты 1 и 5 намагничены аксиально по направлению поля в зазоре, магниты 2 намагничены в противоположном направлении и магниты 3 и 4 — в радиальном. Возможны другие варианты предлагаемой системы, в которых используются магниты (любое количество), направление намагниченности которых занимает любое промежуточное направление между радиальным и аксиальным. Система условно делится на два полюса, которые могут быть как замкнутыми (фиг. 1 и 2), так и разомкнутыми (фиг. 3). Рабочий зазор АБСД имеет форму, зависящую от конструкции ЭВП. Он может быть, например, замкнутым цилиндрическим (фиг. 1), сквозным цилиндрическим (фиг. 2) и с плоскопараллельными границами (фиг. 3) . Направления намагниченности магнитов 1 — 5 заданы векторами 6 намагниченности. В общем случае (фиг. 4, 5) между вектором 7 магнитного поля в центре 0 зазора АБСД и векторами

769660 з

3 cos (2v — ф) + cos y

22 — на расстояние з

3 cos (2q — ф) + соз ф

1 — 0,05

21

2 а внешняя линия

1+ 0,05

6 намагниченности данных магнитов 8 и 9 образуется угол ф, отсчитываемый в положительном направлении (против часовой стрелки) от вектора 7. Вектор 7 лежит на оси системы 10. На фиг. 4 и 5 пунктиром показан перенесенный для совмещения с началом вектора 7 вектор 6 и отсчет угла ф Для систем, изображенных на фиг. 1 — 3, угол имеет значения: для магнитов 1 и

5 — 1> = О, для магнитов 2 — ф = л, для магнитов 3 — i(=n/2, для магнитов 4 — ф=

= (3/2) л. Магниты 1 состыкованы с магнитами 3, магниты 3 и 4 — с магнитами 2, магниты 5 — с магнитами 4, а магниты 8 и

9 — с соседними магнитами (не показанными на фиг. 4, 5), по поверхностям 11 раздела. В оптимальном случае эти поверхности имеют коническую форму с оптимальными углами раствора конусов.

Образующая 12 поверхности внешней границы системы в плоскости осевого сечения (по оси 10) состоит из отрезков

13 — 19, каждый из которых ограничивает соответственно магниты 1 — 9. Образующая

12 расположена в пределах зоны 20 (заштрихованной на фиг. 1 и 6) в плоскости осевого сечения. Зона 20 ограничена линиями 21 и 22 (показаны пунктиром), которые являются геометрическим местом точек, удаленных от центра зазора на расстояние з

1+ О, 05 1 / 3 cos (2e + ф) -1 cos ф

2 4

Внутренняя линия 21 является геометрическим местом точек, удаленных на расстояние

В гех случаях, когда зазор АБСД соприкас ется с внешней границей системы (фиг. 2 и 3), зона 20 ограничивается еще и контуром рабочего зазора, т. е. в общем случае ограничивается линиями 21 и 22 за пределами рабочего зазора.

В формуле (1) р — текущий угол между вектором 7 поля в центре зазора н прямой 23 (фиг. 6), проходящей через центр

О зазора и произвольную точку на образующей 12 Угол <р отсчитывается в положительном направлении от вектора 7. Угол в формуле (1) соответствует тому магниту

1 — 9, на поверхности (т. е. на отрезке

13 — 18 или 19) которого находится точка

24, В пределах каждого магнита, т. е. при располож ии текущей точки 24 на одном из отрезков 13 — 19 образующей 12, значение ф по."1оянно. В формуле L — длина сИСТЕ,"йЬ1 IIO oCH 10, 5

Система имеет наименьшие вес и размеры в случае, когда образующая 12 расположена по линии, являющейся геометрическим местом точек, удаленных от центра

О на расстояние з

i / 3 cos (2 р — ф) — cos

2 4

Однако без существенного изменения эффективности системы образующую ее внешней границы можно расположить вблизи оптимального положения, в пределах зоны

20. Такое отклонение от оптимума позволяет применять технологичную конфигурацию внешних границ МФС. На фиг. 7 приведен пример конструкции полюса МФС с технологичными внешними границами. Образующая 12 в этом случае имеет впд ломаной линии.

Расположение образующей 12 внешней границы МФС в пределах зоны 20 обеспечивает наиболее эффективное для создания поля в центре зазора расположение магнптожесткого материала — магнитов с постоянной намагниченностью. 3а счет этого предлагаемая МФС по сравнению с известной прп прочих равных условиях (расположение поверхностей раздела, параметры материала и рабочий зазор) обеспечивает большую напряженность поля. При одинаковом поле в центре зазора в предлагаемой системе уменьшается вес и размеоы.

Для объяснения конфигурации внешних границ предлагаемой системы рассмотрим удельный вклад в осевую компоненту магнитного поля в центре О зазора магнитных элементов малой величины (на уровне размепов доменов). Под удельным вкладом понимают величину С = В, ; где В„. — осевая компонента поля, которая создается данным магнитным элементом (элементарным магнитом) в центре О. а P — вес элемента. Поверхности 11 раздела предполагаются заданными (например, конической формы) и имеющими такую же конфигурацию, как в известной системе. Этим определены те прострайственные (конические) области, в которых можно располагать магниты с данным направлением намагниченности. В пределах каждой из таких областей пространства определим изменение удельного вклада магнитных элементов. По условиям задачи в пределах каждой области вектор намагниченности элементов должен совпадать по направлению с вектором намагниченности того магнита, в области которого он находится (угол ф). Внешние границы областей не огоаничиваются.

На оси 10 системы каждому значению удельного вклада соответствует единственное значение расстояния 1; от центра зазопа до точки на оси 10, в которой С = С;, На фиг, 8 изменение удельного вклада нц

769660

10 оси 10 системы представлено слева в относительных единицах. С, уменьшается с удалением от центра О. Для каждого значения С; можно построить поверхности равных удельных вкладов, на которых

C; = const. Образующие этих поверхностей в осевом сечении (линии равных удельных вкладов) описываются выражением з р у у 3 соя (2у — фф сов ф рф

4 ф где R; — расстояние от центра 0 зазора до произвольной точки на образующей (на линии равного удельного вклада), а угол между вектором 7 поля в центре 0 и прямой, проходящей через центр 0 и эту точку, отсчитанный от вектора 7 в положительном направлении. Угол определен выше и отсчитывается в том же направлении.

На фиг. 8 представлены линии 25 равных удельных вкладов (образующие поверхностей) для случая, когда МФС состоит из радиально и аксиально намагниченных магнитов 1 — 5. Для получения заданного поля в центре 0 зазора при минимальном весе (и объеме) системы необходимо последовательно заполнять магнитным материалом зоны, ограниченные этими линиями, в порядке убывания их эффективности, т. е. удельного вклада. Совершенно нецелесообразно, например, только частично заполнить зону с большим вкладом, так как это потребует применения большего количества магнитного материала в менее эффективных зонах, Следовательно, оптимальная внешняя граница системы должна располагаться на поверхности равных удельных вкладов с образующей 25.

На фиг. 8 пунктиром показаны контуры

26 известной системы. В ней магнитным материалом не заняты полностью зоны

I — V, эффективность которых убывает с увеличением номера. Если в известной системе магнитный материал из частично заполненных зон (например, III, IV и V) с большим номером переместить в зоны с меньшим номером (например, 1 и П) до полного заполнения последних, то каждый перемещенный магнитный элемент создает большее поле в центре зазора, т. е. произойдет увеличение поля. Если после этого уменьшить количество магнитного материала в граничных областях системы, исключая его последовательно по линиям 25 удельного вклада, можно уменьшить поле в центре зазора до такой же величины, как в известной системе, но при значительно меньших размерах и весе МФС.

Таким образом, в предлагаемой системе обеспечивается уменьшение веса и размеров.

Подставив в выражение (2) вместо l;

11оловину длины L системы по оси 10, по15

65 лучаем формулу (1), задающую конфигурацию оптимальной внешней границы

МФС. Каждой конкретной конфигурации рабочего зазора и заданной величине напряженности поля соответствует определенное расчетное значение L, но только в том случае, когда внешние границы заданы формулой (1), система имеет минимальные вес и размеры. В варианте конструкции

МФС со сквозным рабочим зазором (фиг. 2) под длиной L системы понимается длина полной системы (фиг. 1), частью которой она является. Кроме того, предложенная система позволяет по формуле (1) найти соотношение между L и диаметром

D системы из условия R = D при = — и

2 определить длину полной системы и ее границы.

Внешняя граница системы может распо. лагаться на поверхности, образующей которой является, например, ломаная линия (фиг. 7). Допустимые отклонения образующей от оптимума при которых эффективность МФС меняется несущественно, заданы в формуле (1) коэффициентом (11+-0,05). Он получен из критерия потери эффективности МФС, принятого в известном техническом решении. В нем считается, что эффективность системы существен-. но не изменится, если поверхности раздела расположить по коническим поверхно стям с углами раствора, отличающимися от оптимальных на +.20 . Расчет показывает, что такое отступление от оптимума вызывает в известной системе уменьшение удельного вклада магнитных элементов на — 40О/О. Эта цифра принята исходной в качестве допустимого изменения удельного вклада С, при котором эффективность системы существенно не изменяется. По ней определены допустимые изменения и в формулу (1) введен указанный коэффициент.

Положительный эффект, достигаемый в предлагаемой МФС, подтвержден расчетными и экспериментальными данными.

Образец Мо 1 МФС сравнивался с образцом системы (прототипа), который имел такой же зазор с длиной 50 мм, такие же поверхности раздела магнитов, формировал такое же поле в центре 0 (4100 Гс), но имел цилиндрические внешние границы.

Вес образца системы — прототипа составляет 6 кГ, на 2,5 кГ больше.

Общий вид опытных образцов предложенной МФС показан на фиг. 7. Для улучшения технологичности магниты 1 с осевой намагниченностью имеют форму шестиугольных призм, а магниты 2 с радиальной намагниченностью составлены из деталей, имеющих форму четырехугольных призм.

Образующая внешней границы МФС представляет собой ломаную линию, расположенную в зоне 20. Наборы магнитов полю

769660 4 Ю сов МФС вклеены в дюралюминиевую ар м атуру.

Для МФС ГДИ и ЛОВ с различной степенью технологичности внешних границ и поверхностей раздела, с плоскопараллельным зазором от 50 до 40 мм и полем от 4 до 5 кГс уменьшение веса предлагаемой системы по рассчетным и экспериментальным данным составляет в среднем

1,5 —:2 кГ.

Формула изобретения

Магнитная фокусирующая система, состоящая из магнитов с постоянной намагниченностью различных направлений, о тличающаяся тем, что, с целью уменьшения ее веса и размеров при сохранении напряженности поля в центре рабочего зазора, образующая поверхности ее внешней границы за пределами рабочего зазора в плоскости осевого сечения расположена в пределах зоны, ограниченной линиями, являющимися геометрическим местом точек, удаленных от центра зазора на расстояние.

10 з

1 + 0,05 з/3 cos (2с — ф) —,— cos ф

4 где углы ср и g отсчитаны от вектора поля в центре зазора в положительном направлении;

cp — угол между вектором поля в центре зазора и прямой, проходящей через центр зазора и произвольную точку на образующей; ф — угол между вектором поля в центре зазора и вектором намагниченности магнита, на поверхности которого расположена эта точка;

15 L — длпна системы по оси, совпадающей с направлением вектора поля в центре зазора.

Источники информации, принятые во внимание прп экспертизе

20 1. Дерягин A. В. Редкоземельные магнитожесткпе материалы. УФН, Ч. 120, вып. 3, 1976, с. 393 — 437.

2. Патент СШЛ No 3768054, кл. 315 — 3,5, опублик. 1973.

25 3. Авторское свидетельство СССР

М 51339б, кл. Н 01F 7/00. 1973 (прототип).

769660 фиг 8

Составитель С. Шитов

Техред А. Камышникова Корректор С. Серобаба

Редактор О. Филиппова

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2404/9 Изд. № 525 Тираж 857 Подписное

НПО с<Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5