Регулируемый генератор магнитного поля на основе структур хальбаха

Регулируемый генератор магнитного поля на основе структур хальбаха

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к генераторам магнитного поля и конкретно к регулируемым генераторам магнитного поля на основе структур Хальбаха.

Уровень техники

Генераторы магнитного поля находят широкое применение в научных исследованиях, например при исследовании магнитокалорических, магнитооптических, магнитоакустических, магнитоэлектрических явлений; в физике твердого тела для изучения энергетических спектров электронов в металлах, полупроводниках и сверхпроводниках; для исследования ферро- и антиферромагнетизма; в магнитохимии; для удержания плазмы в магнитогидродинамических генераторах и двигателях; для получения сверхнизких температур; в электронных микроскопах для фокусировки пучков электронов и других областях.

К традиционным генераторам магнитного поля для получения магнитных полей порядка единиц тесла относятся электромагниты. Однако для этого вида генераторов требуется источник питания не менее чем на несколько киловатт. Более того, для многих применений одним из основных требований является компактность установки для исследований, и применение электромагнитов в этих случаях затруднено или невозможно из-за их значительных габаритов и массы, а также требований к электропотреблению и электробезопасности.

Указанные проблемы решены при использовании генераторов магнитного поля на основе постоянных магнитов. В статьях Н.А.Leupold, A.S.Tilak and E.Potenziani II, IEEE Trans. Mag., 2902 (1993) и Н.А.Leupold, A.S.Tilak and E.Potenziani II, J. Appl. Phys. 73, 10 (1993), описаны структуры, в которых отдельные постоянные магниты выстроены в виде полых цилиндров или сфер, причем вектора намагниченности указанных отдельных постоянных магнитов ориентированы в соответствии с теоремой Хальбаха (K.Halbach, Nucl. Instrum. Methods 169, 1 (1980)). Указанные структуры формируют магнитное поле, локализованное в рабочем отверстии, образованном в полости соответствующих цилиндра или сферы. Такие структуры называются структурами Хальбаха, в частности цилиндрами Хальбаха и сферами Хальбаха.

Из публикации заявки на патент Японии 2000-243621 А известен генератор магнитного поля на основе цилиндра Хальбаха. В указанном генераторе восемь постоянных магнитов треугольной формы образуют круговую конфигурацию, формируя цилиндр Хальбаха.

Однако предполагается, что в такой конфигурации поле в рабочем отверстии не может превышать величину коэрцитивной силы постоянных магнитов, формирующих указанный генератор.

Из патента US 6,768,407 известен генератор магнитного поля, в котором для усиления магнитного поля в полость магнитной цепи, выполненной в виде цилиндра Хальбаха, помещена вторая магнитная цепь, содержащая два полюсных наконечника, расположенных друг напротив друга, и постоянные магниты, осуществляющие магнитное соединение между указанными полюсными наконечниками.

Такая конфигурация постоянных магнитов в указанном генераторе магнитного поля обеспечивает концентрацию магнитного потока, создаваемого первой магнитной цепью, между указанными полюсными наконечниками с помощью второй магнитной цепи. Это позволяет создать в рабочем отверстии указанного генератора магнитное поле, превышающее величину коэрцитивной силы постоянных магнитов, формирующих указанный генератор.

Генераторы магнитного поля на основе структур Хальбаха имеют перед электромагнитами следующие преимущества:

1) компактность;

2) отсутствие необходимости в источнике питания.

Указанные преимущества позволяют использовать генераторы магнитного поля на основе структур Хальбаха, в частности, в мобильных лабораториях на базе автомобилей и аэроносителей, где затруднено или невозможно использование стандартных источников питания, а требование к компактности является решающим.

Общим недостатком описанных генераторов магнитного поля на основе структур Хальбаха является невозможность оперативной регулировки величины поля в рабочем отверстии. Величина магнитной индукции в рабочем отверстии определяется соотношениями

для цилиндра Хальбаха и

для сферы Хальбаха, где B_r - остаточная магнитная индукция постоянных магнитов, формирующих структуру Хальбаха; r₀ - радиус структуры Хальбаха; r_i - радиус рабочего отверстия.

Таким образом, для изменения этой величины в рабочем отверстии необходимо перестраивать генератор, изменяя радиус структуры Хальбаха, и/или радиус рабочего отверстия, и/или материал постоянных магнитов, что по существу означает создание нового генератора. Но даже в этом случае возможности регулировки величины магнитного поля весьма ограничены и сводятся к построению нескольких генераторов с разными величинами магнитных полей.

В то же время необходимо отметить, что при исследовании магнитных свойств материалов нередко возникает необходимость в проведении измерений в условиях изменяющегося, в том числе периодически, магнитного поля. Очевидно, что такие исследования невозможно проводить с применением описанных выше генераторов на основе структур Хальбаха. При использовании для получения переменного во времени магнитного поля электромагнитов возникают ограничения, связанные с большими размерами и массой электромагнитов, способных генерировать магнитное поле порядка единиц тесла, а также требованиями по электропотреблению и электробезопасности.

Как было отмечено выше, генераторы магнитного поля используют при проведении научных исследований, в частности при проведении магнитокалорических измерений. Так, из патента США 5806979 известна калориметрическая система, содержащая держатель образца с закрепленным на нем образцом, датчик температуры образца и нагреватель образца. Указанную систему используют для измерения теплоемкости образца. Указанная система также позволяет помещать образец в магнитное поле, создаваемое постоянным током. Очевидно, что такая система при необходимости получения магнитных полей порядка единиц тесла будет иметь значительные размер и массу, а также характеризоваться высоким энергопотреблением, что обусловлено используемым генератором магнитного поля.

Сущность изобретения

Задачей заявленной группы изобретений является создание генератора магнитного поля на основе структур Хальбаха с возможностью плавной регулировки величины генерируемого магнитного поля с сохранением высокой однородности магнитного поля для получения компактного, с минимальным потреблением электроэнергии генератора для генерации регулируемого магнитного поля, а также разработка способа проведения магнитокалорических измерений, а также

создание магнитокалорической измерительной системы,

магнитооптической измерительной системы,

магнитоакустической измерительной системы и

магнитоэлектрической измерительной системы, в которых для генерации магнитного поля использован генератор магнитного поля на основе структур Хальбаха с возможностью плавной регулировки величины генерируемого магнитного поля.

Поставленная задача решена тем, что в регулируемом генераторе магнитного поля, содержащем первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами, по меньшей мере один из указанных магнитов установлен с возможностью вращения. В таком генераторе магнитное поле, генерируемое в рабочем отверстии, является векторной суммой полей, создаваемых отдельными постоянными магнитами с разным направлением векторов намагниченности. Путем вращения по меньшей мере одного из указанных постоянных магнитов напряженность магнитного поля в рабочем отверстии можно изменять в диапазоне от -Н_max до +H_max, где H_max - максимальная напряженность магнитного поля, создаваемая указанным регулируемым генератором.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

Второй комплект постоянных магнитов также может быть установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.

Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения в генераторе имеется двигатель, соединенный по меньшей мере с одним из указанных постоянных магнитов для его вращения.

Указанный двигатель может быть шаговым.

Предлагаемый генератор может дополнительно включать управляющее устройство для управления двигателем.

Устройство для управления двигателем, как правило, содержит по меньшей мере одно вычислительное устройство.

В предпочтительном варианте генератор дополнительно содержит измеритель магнитного поля, который в свою очередь может содержать генератор Холла.

В предлагаемом генераторе может быть установлена обратная связь между измерителем магнитного поля и управляющим устройством для управления двигателем.

Постоянные магниты в предлагаемом генераторе могут быть изготовлены из сплава неодим-железо-бор.

Рабочая область в предлагаемом генераторе предпочтительно имеет цилиндрическую форму.

Указанные структуры Хальбаха могут быть выполнены в виде сфер Хальбаха или в виде цилиндров Хальбаха.

Указанные комплекты постоянных магнитов, расположенных с образованием структур Хальбаха, как правило, расположены соосно.

Первый и второй комплекты магнитов предпочтительно соединены между собой механизмом, обеспечивающим их согласованное вращение по отношению друг к другу.

Указанный механизм, как правило, обеспечивает вращение первого и второго комплектов магнитов в противоположных направлениях.

Магниты комплекта, каждый из которых установлен на оси с возможностью вращения, предпочтительно соединены между собой механизмом, обеспечивающим их согласованное вращение по отношению друг к другу.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что в магнитокалорической измерительной системе, содержащей:

генератор магнитного поля;

контейнер, в котором имеется отверстие для отсасывания содержащейся в нем среды и создания вакуума и который выполнен с возможностью размещения в нем образца;

нагреватель, выполненный с возможностью нагрева этого образца;

охладитель, выполненный с возможностью охлаждения этого образца; и

датчик температуры образца, выполненный с возможностью измерения температуры образца;

и

управляющее устройство для управления температурой, соединенное с указанным датчиком температуры, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения указанного контейнера, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов выполнен с возможностью вращения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

Целесообразно, чтобы второй комплект магнитов был также установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.

Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения управляющее устройство для управления температурой содержит по меньшей мере одно вычислительное устройство.

В предлагаемой измерительной системе может быть установлена обратная связь между управляющим устройством для управления температурой и нагревателем.

Охладитель, как правило, выполнен в виде криостатического устройства, в частности сосуда Дьюара со стержневым концом, причем указанный сосуд выполнен с возможностью помещения в него указанного контейнера. В качестве хладагента может быть использован жидкий азот.

Датчик температуры образца предпочтительно выполнен в виде термопары.

Указанная магнитокалорическая измерительная система может дополнительно содержать управляющее устройство для управления этой магнитокалорической измерительной системой, которое в свою очередь может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.

Как правило, указанное управляющее устройство дополнительно производит получение, запись, хранение и отображение информации.

Образец в контейнере может быть закреплен с помощью нити или может быть прикреплен к держателю винтами.

Контейнер предпочтительно выполнен с возможностью создания в нем вакуума глубиной не меньше чем 10^-3 Торр.

Также поставленная задача решена тем, что был реализован способ проведения магнитокалорических измерений, который включает:

помещение образца в рабочую область, образованную по меньшей мере первым комплектом постоянных магнитов, окружающих указанную рабочую область;

создание в указанном рабочем отверстии вакуума;

установление в указанном рабочем отверстии начальной напряженности магнитного поля;

установление и поддержание в указанном рабочем отверстии температуры измерений;

изменение напряженности магнитного поля в рабочем отверстии посредством вращения по меньшей мере одного из указанных постоянных магнитов; и

одновременное измерение изменений температуры образца при адиабатических условиях и напряженности магнитного поля в указанной рабочей области.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения перед помещением образца в рабочую область в полости первого комплекта постоянных магнитов дополнительно устанавливают второй комплект постоянных магнитов, скрепленных между собой и расположенных с образованием структуры Хальбаха, а вокруг рабочей области вращают постоянные магниты первого комплекта, также скрепленные между собой и расположенные с образованием структуры Хальбаха.

Второй комплект постоянных магнитов также могут вращать вокруг рабочей области.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанное вращение может быть реализовано благодаря тому, что по меньшей мере один из указанных магнитов вращают вокруг его оси.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения в рабочем отверстии обеспечивают вакуум глубиной не меньше чем 10^-3 Торр.

Информацию о значениях напряженности магнитного поля в указанном рабочем отверстии, температуре измерений и изменениях температуры образца при адиабатических условиях целесообразно получать, записывать, хранить и отображать.

Первый и второй комплекты постоянных магнитов целесообразно вращать в противоположных направлениях.

Также поставленная задача решена тем, что в магнитооптической измерительной системе, содержащей:

источник излучения;

приемник излучения, выполненный с возможностью получения излучения от указанного источника излучения;

держатель образца, выполненный с возможностью закрепления на нем образца, так что излучение от указанного источника излучения может взаимодействовать с указанным образцом;

генератор магнитного поля, выполненный с возможностью создания магнитного поля, взаимодействующего с указанным образцом; и

по меньшей мере один поляризатор, выполненный с возможностью взаимодействия с излучением от указанного источника излучения, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения в ней указанного держателя образца, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов установлен с возможностью вращения.

В предпочтительном варианте реализации изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов расположен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

Второй комплект постоянных магнитов также может быть расположен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.

Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитооптическая измерительная система содержит по меньшей мере один спектрометрический прибор.

Указанная магнитооптическая измерительная система может дополнительно содержать управляющее устройство для управления этой магнитооптической измерительной системой, которое в свою очередь может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.

Как правило, указанное управляющее устройство дополнительно производит получение, запись, хранение и отображение информации.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что в магнитоакустической измерительной системе, содержащей:

акустический генератор;

держатель образца, выполненный с возможностью закрепления на нем образца, так что акустический сигнал от указанного акустического генератора может взаимодействовать с указанным образцом;

генератор магнитного поля, выполненный с возможностью создания магнитного поля, взаимодействующего с указанным образцом; и

устройство для измерения уровня акустического сигнала, выполненное с возможностью измерения уровня акустического сигнала от указанного акустического генератора, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения в ней указанного держателя образца, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов установлен с возможностью вращения.

В предпочтительном варианте реализации изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

Второй комплект магнитов также может быть установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения может быть реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.

Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитоакустическая измерительная система содержит управляющее устройство для управления этой магнитоакустической измерительной системой, которое, в свою очередь, может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.

Устройство для управления магнитоакустической измерительной системой обычно производит получение, запись, хранение и отображение информации.

Как правило, магнитоакустическая измерительная система содержит акустический спектрометр.

Наконец, поставленная задача решена тем, что в магнитоэлектрической измерительной системе, содержащей:

держатель образца, выполненный с возможностью закрепления на нем образца;

генератор магнитного поля, выполненный с возможностью создания магнитного поля, взаимодействующего с указанным образцом; и

измерительное устройство для измерения электрического напряжения, выполненное с возможностью измерения электрического напряжения на образце, генератор магнитного поля включает первый комплект постоянных магнитов, расположенных с образованием рабочей области, окруженной этими магнитами и выполненной с возможностью размещения в ней указанного держателя образца, причем по меньшей мере один из указанных постоянных магнитов выполнен с возможностью вращения.

В предпочтительном варианте реализации изобретения генератор магнитного поля дополнительно включает второй комплект постоянных магнитов, при этом магниты первого комплекта скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, а магниты второго комплекта также скреплены между собой и расположены с образованием структуры Хальбаха, причем второй комплект установлен в полости первого комплекта, а указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что первый комплект магнитов расположен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

Второй комплект магнитов также может быть установлен с возможностью вращения вокруг рабочей области.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная возможность вращения реализована благодаря тому, что магниты комплекта установлены каждый на оси с возможностью вращения.

Целесообразно, чтобы указанные магниты были выполнены в форме цилиндров, причем в части объема указанных цилиндров магнит был замещен магнитомягким материалом.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения магнитоэлектрическая измерительная система содержит управляющее устройство для управления этой магнитоэлектрической измерительной системой, которое, в свою очередь, может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.

Управляющее устройство для управления магнитоэлектрической измерительной системой обычно производит получение, запись, хранение и отображение информации.

Описание настоящего изобретения снабжено соответствующими чертежами, перечень которых приведен ниже.

Фиг.1 - функциональная схема регулируемого генератора магнитного поля на основе структур Хальбаха, в котором структуры Хальбаха выполнены в виде цилиндров Хальбаха;

фиг.2 - поперечное сечение регулируемого генератора магнитного поля с показанными направлением вектора напряженности магнитного поля в рабочем отверстии и направлениями векторов намагниченности отдельных сегментов цилиндров Хальбаха;

фиг.3 - функциональная схема механической системы регулируемого генератора магнитного поля;

фиг.4 - функциональная схема магнитокалорической измерительной системы;

фиг.5 - внешний вид контейнера для магнитокалорической измерительной системы с разъединенными внешним корпусом и вставкой;

фиг.6 - внешний вид держателя образца;

фиг.7а - внешний вид охладителя;

фиг 7б - верхний конец охладителя с закрепленным на нем контейнером;

фиг.8 - держатель образца с образцом, закрепленным посредством хлопчатобумажной нити;

фиг.9 - держатель образца с образцом, закрепленным посредством пластиковой крышки с винтами;

фиг.10 - функциональная схема магнитооптической измерительной системы;

фиг.11 - функциональная схема магнитоакустической измерительной системы;

фиг.12 - функциональная схема магнитоэлектрической измерительной системы;

фиг.13 - поперечное сечение регулируемого генератора магнитного поля, содержащего постоянные магниты в виде цилиндров с магнитомягкими вставками.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Ниже представлено подробное описание настоящего изобретения со ссылками на соответствующие чертежи.

На фиг.1 показана функциональная схема предпочтительного варианта осуществления изобретения. В представленном регулируемом генераторе магнитного поля структуры Хальбаха выполнены в виде цилиндров Хальбаха. Из чертежа видно, что генератор включает внешний цилиндр 1 Хальбаха и внутренний цилиндр 2 Хальбаха, который расположен в полости цилиндра 1 соосно с ним. Оба указанных цилиндра помещены в корпус 5. В полости цилиндра 2 образована рабочая область, представляющая собой рабочее отверстие 3, предпочтительно цилиндрической формы, ось которого совпадает с осью цилиндра 2. Цилиндры 1 и 2 выполнены из постоянных магнитов, изготовленных, например, из сплава неодим-железо-бор. Магнитное поле в рабочем отверстии 3 равно векторной сумме магнитных полей, создаваемых каждым из указанных цилиндров. Для удобства при работе с генератором на торцевой крышке генератора выполнена отметка, например в виде болта, установленного в резьбовом отверстии, с помощью которой можно определить направление магнитного поля в рабочем отверстии. Для этого необходимо провести воображаемую линию, соединяющую ось рабочего отверстия 3 и центр указанного болта и лежащую в плоскости торцевой крышки, и тогда направление магнитного поля будет параллельно указанной линии. На фиг.2 показано поперечное сечение регулируемого генератора магнитного поля для одного из возможных взаимных положений внутреннего и внешнего цилиндров 2 и 1 Хальбаха с показанными направлениями вектора намагниченности отдельных постоянных магнитов, составляющих указанные цилиндры, и направлением результирующего магнитного поля в рабочем отверстии 3.

Цилиндры выполнены с возможностью вращения друг относительно друга, причем посредством их вращения напряженность магнитного поля в рабочем отверстии 3 можно изменять в диапазоне от -Н_max до +H_max, где H_max - максимальная напряженность магнитного поля, создаваемая указанным регулируемым генератором. Вращение можно выполнять различными способами, в частности вращать внешний цилиндр вокруг неподвижного внутреннего, вращать внутренний цилиндр внутри неподвижного внешнего или вращать указанные цилиндры в противоположных направлениях. Для вращения цилиндров можно использовать любой двигатель, который обеспечивает точный поворот цилиндров друг относительно друга на заданный угол, например шаговый двигатель.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения регулируемый генератор магнитного поля содержит шаговый двигатель 4 и передаточный механизм 6, расположенные в нижней части корпуса 5 и обеспечивающие вращение внешнего цилиндра 1 и внутреннего цилиндра 2 в противоположных направлениях. Передаточный механизм представлен на фиг.3 и содержит шестерню 67, насаженную на ведущий вал 68 двигателя 4, шестерню 69, насаженную на вал 70, вращающийся в подшипниках 71, шестерни 72 и 73, насаженные на вал 74, шестерню 75, насаженную на консольный вал 76, и шестерню 77, насаженную на вал 78. Подшипники 71 предпочтительно выполнены из керамического материала. Ведущий вал 68 через шестерню 69 связан с валом 70, на котором посажен внешний цилиндр 1. Далее через шестерни 72, 73, 75 и 77 и вал 74 ведущий вал 68 связан с валом 78, на котором установлен внутренний цилиндр 2. Наличие в механизме 6 шестерни 75, насаженной на вал 76, обеспечивает вращение вала 78 в противоположном направлении по отношению к валу 70 и, соответственно, вращение в противоположном направлении цилиндров 1 и 2.

Управление шаговым двигателем 4 осуществляют с помощью управляющего устройства 11, которое предназначено для управления двигателем и которое может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство.

Здесь и далее по тексту под вычислительным устройством понимают любое устройство для проведения вычислений, получения, обработки, хранения и выдачи информации, а также совокупность таких устройств, включая контроллер, компьютер и т.п.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 11 включает контроллер 10 движения, например двухосевой контроллер PCI-7340 производства National Instruments, и модуль 7 электропитания. Модуль 7 передает управляющий сигнал на шаговый двигатель 4 посредством экранированного соединительного кабеля длиной 2 м, снабженного соединителями DB15, и содержит источник 8 питания, например SP-300-24, и микрошаговый драйвер 9, например SMD-78.

Контроллер 10 движения посредством передачи трех управляющих сигналов управляет микрошаговым драйвером 9. В число указанных управляющих сигналов входят запускающий сигнал, сигнал установления направления движения и сигнал тактового импульса для установления скорости вращения. Передачу сигналов осуществляют по соединительному кабелю с 68-разъемным соединителем типа D.

Дополнительное управление микрошаговым драйвером 9 для установки требуемого режима работы шагового двигателя осуществляют с помощью восьми переключателей (не показаны), расположенных на самом драйвере. В частности, с помощью переключателей 1-3 включают ток в обмотках шагового двигателя, с помощью переключателя 4 включают ток удержания позиции, с помощью переключателей 5-8 устанавливают коэффициент деления для тактового импульса, полученного с контроллера 10 движения.

Источник 8 питания, обеспечивающий электропитанием шаговый двигатель 4 и микрошаговый драйвер 9, может выдавать 24 В стабилизированного напряжения при токе 12 А. При работе генератора магнитного поля средний ток модуля 7 электропитания составляет 1,2 А.

Для измерения напряженности магнитного поля в рабочем отверстии используют измеритель 13 магнитного поля, который может содержать гауссметр 14 и соединенный с ним датчик 15 магнитного поля. Датчик 15 расположен таким образом, что сигнал с него в любой момент времени пропорционален напряженности магнитного поля в рабочем отверстии. Датчик 15 может быть выполнен, в частности, в виде генератора Холла, например HGCA-3020 производства Lake Shore. В качестве гауссметра 14 может быть использован, например, гауссметр 475 DPS производства Lake Shore. Чувствительность датчика 15 предварительно загружают в память гауссметра 14, который соединен с управляющим устройством 12 для управления генератором и предназначен для получения с датчика 15 мгновенных значений напряженности магнитного поля, их предварительной обработки, записи и передачи на управляющее устройство 12.

Управляющее устройство 12 для управления генератором предназначено для общего управления регулируемым генератором магнитного поля и может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство. В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство 12 содержит управляющий компьютер, например ROBO-2000-4045 с контроллером NI PCI GPIB 488.2. На управляющем компьютере установлена операционная система Windows XP и управляющее программное обеспечение на базе LabView 8.0, совместимое с операционной системой Windows XP.

Управляющее устройство 12 соединено с гауссметром 14 через интерфейс GPIB. Устройство 12, гауссметр 14, а также модуль 7 электропитания помещены в 19" корпус Minirack производства Schroff.

С помощью управляющего устройства 12 устанавливают скорость регистрации данных гауссметром 14, которая может составлять 100 измерений/сек (по умолчанию), 30 измерений/сек или 10 измерений/сек, а также общее количество измерений за один цикл измерений. Это количество ограничено емкостью буфера гауссметра 14 и не может превышать 1024.

Команды, определяющие параметры вращения шагового двигателя 4, передают с управляющего устройства 12 на контроллер 10 движения, который соединен с управляющим устройством через шину PCI.

Для установления в рабочем отверстии 3 требуемой напряженности магнитного поля необходимо с помощью управляющего устройства 12 включить вращение шагового двигателя 4 для соответствующего изменения величины магнитного поля. Также устанавливают требуемую скорость вращения. Величину магнитного поля можно контролировать с помощью интерфейса программного обеспечения управляющего устройства 12, а также по вакуумному флуоресцентному дисплею, расположенному на передней панели гауссметра 14 и отображающему текущую величину напряженности магнитного поля, измеренную с помощью датчика 15 магнитного поля. При достижении требуемого значения напряженности вращение шагового двигателя и, соответственно, изменение величины магнитного поля прекращают. Кроме того, с помощью управляющего устройства 12 возможно автоматическое выставление конфигурации генератора магнитного поля, соответствующей нулевому значению поля в рабочем отверстии 3. Таким образом, с помощью управляющего устройства 12 в генераторе реализована обратная связь между управляющим устройством 11 для управления шаговым двигателем и измерителем 13 магнитного поля, которая обеспечивает точное и оперативное управление генератором для получения требуемой величины магнитного поля в рабочем отверстии 3.

Кроме того, представленный регулируемый генератор магнитного поля позволяет получать переменное во времени магнитное поле, в том числе быстропеременное, со скоростью развертки поля до 200 Гц. Этого достигают непрерывным вращением цилиндров 1 и 2 в противоположных направлениях, при этом в рабочем отверстии происходит периодическое изменение напряженности магнитного поля в диапазоне от -H_max до +H_max.

Генератор может работать в трех режимах в зависимости от того, какую часть полного цикла изменения магнитного поля используют:

1. режим половины цикла - генератор обеспечивает изменение магнитного поля, соответствующее половине полного цикла изменения магнитного поля. В этом режиме напряженность магнитного поля в рабочем отверстии изменяют от 0 до +H_max и снова до 0, что соответствует 4800 шагам шагового двигателя 4;

2. режим одного цикла - генератор обеспечивает изменение магнитного поля, соответствующее одному циклу изменения магнитного поля. В этом режиме напряженность магнитного поля в рабочем отверстии изменяют от 0 до +H_max, далее через до 0 до -Н_max и снова до 0, что соответствует 9600 шагам шагового двигателя 4;

3. режим множества циклов - генератор обеспечивает изменение магнитного поля, соответствующее двум и более циклам изменения магнитного поля. В этом режиме напряженность магнитного поля в рабочем отверстии 3 изменяют периодически в диапазоне от -Н_max до +Н_max, что соответствует 9600×N шагам шагового двигателя 4, где N≥2 - количество циклов изменения магнитного поля.

Требуемый режим переменного магнитного поля устанавливают с помощью управляющего устройства 12.

Следует отметить, что представленный регулируемый генератор магнитного поля может быть выполнен не только на основе цилиндров Хальбаха, но и на основе других структур Хальбаха, в частности на основе сфер Хальбаха.

Кроме того, еще в одном предпочтительном варианте реализации изобретения регулируемый генератор магнитного поля может содержать по