强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置制造方法
【专利摘要】一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，属于物理仪器领域。其特征是，在垂直或平行于磁性微粒运动方向上，施加均匀强磁场，将磁性微粒用真空镀膜法、沉降镀膜法镀到凝结板上，每当镀层增加一定厚度时，加压板都自动落下、对凝结板施加适当的压力后又自动回到原位，利用温度控制器，可使得加压板压紧凝结板时，凝结板具有适当的温度；在膜层达到需要的厚度时，停止镀膜，这样就制得强磁铁；也可将N、S磁极相对于凝结板转动180度，然后按同样方法镀下一个膜层，这样可制作周期性排列的强磁铁。这种磁铁对于科研、工业也很重要。
【专利说明】强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置
[0001]【技术领域】:本发明属物理仪器领域。
[0002]【背景技术】:众所周知，强磁铁在实际应用中是很重要的。例如，为产生短波长自由电子激光，就需要磁场强度很高、波长很短的扭摆磁场。现在的磁铁能做到波长为几个厘米，场强几个特斯拉的程度。对于产生X激光，这样磁铁不能很好地满足要求。为此需研制周期性排列的强磁铁。此外，强磁铁对于缩小电机尺度等众多工业领域也很重要。本发明提出了一个实现此目的方案。
[0003]
【发明内容】
:这里所说的强磁铁是磁场强度很高(如高于I个特斯拉)的磁铁；所说的磁性微粒是指磁矩不为零的原子、分子、或原子结合后形成的具有磁性的微粒，如纳米磁性微粒，这些磁性微粒可以是气态粒子、固体颗粒或微小液滴，即雾。
[0004]一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，在水平或竖直方向上，安置两块N、S磁极相对、在水平或竖直方向上产生均勻强磁场的磁铁或电磁铁,在两块磁铁之间的上部或下部安置有凝结板，当凝结板在下方时，在两块磁铁之间的上部、凝结板的上方可安置加压板，将磁性微粒用真空镀膜法镀到凝结板上、或用真空沉降镀膜法或液体中沉降镀膜法沉降到凝结板上，磁性微粒整体运动方向垂直或平行于磁场方向，每当镀层增加一定厚度时，都可用加压板对膜层施加适当的压力；在膜层达到需要的厚度时，可停止镀膜，这样制得强磁铁；也可将N、S磁极相对于凝结板转动180度，然后按同样方法镀下一个膜层，这样可制作周期性排列的强磁铁。
[0005]凝结板的特征是，凝结板是一个平板，其上有个膜层，这个膜层能够粘结磁性微粒；凝结板与控制其温度的温度控制器连接，使得凝结板具有适于磁性微粒相互结合的温度。
[0006]一种用真空镀膜法制作强磁铁的装置，其特征是，按这一方法，其相应装置有真空室，在真空室上部有水平放置的凝结板；在真空室下部有水平安置、可绕竖直轴旋转的底盘，底盘上固定有多个镀槽；在真空室相对的两侧面或顶、底部固定有磁场强而均勻、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁，镀槽中有可被加热蒸发的磁性材料，镀槽的个数与形成磁层所需材料的种类数相同；用电子枪或低压大电流对镀槽加热，将磁性微粒蒸发或溅射到凝结板上，使得磁性微粒在凝结板上相互结合、形成磁铁；真空室中也可充入少量惰性气体。
[0007]磁铁的成分有多种选择。不同物质的熔点都不相同。因此，对填充不同成分镀槽应该分别加温。同时要根据在这种磁铁中该成分的含量，确定其蒸发的速度。这是容易实现的，只要适当地控制该成分的蒸发温度就可以。
[0008]凝结板上的温度由磁性材料形成磁铁所需温度确定。在此温度下，磁铁中各种成分都能在凝结板上凝结，并结合为磁铁。
[0009]一种用真空镀膜法制作周期性排列强磁铁的装置，其特征是，按这一方法，其相应装置有真空室，在真空室上部有水平放置、可绕竖直轴旋转的凝结板，在真空室下部水平安置有可绕竖直轴旋转的底盘，底上固定有多个镀槽，在真空室相对的两侧或顶、底部固定有磁场强而均匀、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁，镀槽中有可被加热蒸发的磁性材料，镀槽的个数与形成磁层所需材料的种类数相同；在膜层达到所要求的厚度时，将凝结板绕竖直轴旋转180度或将磁场方向改变180度后，再按同样方式继续制作下一个磁性膜层；用电子枪或低压大电流对各个镀槽分别加温，将磁性微粒蒸发或溅射到凝结板上，使得磁性微粒在凝结板上相互结合，形成膜层，从而得到磁极相反的多个磁性膜层。
[0010]为确保各种成分的顺磁性及铁磁性微粒或分子在从真空室低部到凝结板的运动过程中，都能够按磁场方向排列，所加磁场的强度应尽可能地大。为了确保镀膜均匀，磁场必须尽可能地均匀，使底盘绕竖直轴旋转。
[0011]周期性排列强磁铁的制作方法的一个特征是，在按上述方式镀完一个磁性膜层后，可在此膜层上再镀上一层无磁性膜层。
[0012]膜层厚度的控制是重要的。控制膜层厚度的方法是，选择磁性膜层的透射系数和反射系数都不为零的单色光(最好是激光)，利用从膜层凝结板或无磁性膜层和膜层表面反射光的干涉控制膜层厚度。这是因为，当两束反射光位相相同时，反射光最强；当两束反射光位相相反时，反射光最弱。用同样的方法可以控制无磁性膜层的厚度。用这种方法可以很高精度地控制膜厚。
[0013]一种真空沉降镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁装置的特征是，按这一方法，其相应装置有一真空室，沿着真空室的周边安置有可绕中心竖直轴旋转的镀槽，各个镀槽中填充有制作磁铁的相应原料；在真空室相对的两侧或顶、底部固定有磁场强而均匀、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁；在真空室的底部安置有凝结板，凝结板与真空室外的控制其温度的温度控制器连接，凝结板上有能够粘结磁性微粒的胶层；各个镀槽连接有电源，在将真空室抽真空后，对各个镀槽分别加温，使其中材料气化；在强磁场和重力作用下，这些气态磁性微粒的磁矩平行于磁场方向、沉降在或相互结合后沉降在凝结板上，这些在凝结板上的磁性微粒在适当温度加压后，相互结合、形成强磁铁；当磁场方向垂直于竖直轴时，制作了一个膜层后，使凝结板绕竖直轴转动180度，按同样方法制作下一个膜层，依次重复，可得到周期性排列强磁铁。
[0014]液体中沉降镀膜法制作强磁铁或周期性排列的强磁铁装置的特征是，在一容器中填充有液体，在液体中有各个水平面上均匀分布的磁性微粒，在这一容器相对的两侧或顶、底部固定有磁场强而均匀、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁；在这一容器的底部安置有凝结板，凝结板与控制其温度的温度控制器连接，凝结板上有一层能够粘结磁性微粒、不溶于该液体的胶层；在强磁场和重力作用下，液体中磁性微粒的磁矩平行于磁场方向、沉降在或相互结合后沉降在凝结板上，当膜层达到需要的厚度时，蒸发除去液体，再适当地加温加压，所加温度低于该磁铁的居里温度，这些在凝结板上的磁性微粒在适当温度加压后，相互结合、形成强磁铁；当磁场方向垂直于竖直轴，制作了一个膜层后，使凝结板绕竖直轴转动180度，按同样方法制作下一个膜层，依次重复，可得到周期性排列强磁铁。
[0015]这里的液体的特征是，它们无磁性，并与磁性微粒或分子不发生任何反应。为了得到每层厚度都同样的膜层，控制真空、液体中磁性粒子或分子的密度及沉降速度是重要的。
[0016]磁性液体中悬浮有磁性微粒。改变磁性液体的成分，破坏磁性微粒的悬浮条件，可使得磁性液体中的磁性微粒沉降。这样，按上述方式可得到强磁铁。类似于此，可用化学镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁。
[0017]在磁性微粒或分子沉降过程中，由于强磁场的作用，磁性微粒或分子都被极化，磁极方向都与所加磁场相同。因此，这样形成的磁体的磁场强度都很高。
[0018]在用沉降法制作磁铁时，可在真空室或盛装液体容器的上部，安置有形状与下部的凝结板相同的加压板，加压板由不受磁场作用的材料制成，顶部有磁铁时，加压板在顶部磁铁的下面，每当镀层增加一定厚度时，加压板都自动落下、对凝结板施加适当的压力后又自动回到原位，利用温度控制器，可使得加压板压紧凝结板时，凝结板具有适当的温度；在此压力作用下，磁性微粒粘结得更紧密。
[0019]用上述方法制作的磁铁，磁场虽强，但可能薄；可能在垂直于磁场方向很薄，也可能在平行于磁场方向很薄。为得到足够强的磁场，这个方法的一个特征是，当磁铁片在平行于磁场方向的尺度小时，就沿着磁场方向将薄磁铁片叠加在一起；当磁铁片在垂直于磁场方向的尺度小时，就在垂直于磁场方向将薄磁铁片叠加、粘结在一起，这种情况下，各个相邻磁铁片的磁场方向可以是平行的，也可以是相互反平行的，当相邻磁铁片的磁场方向相互反平行时，得到的是周期性排列的磁铁。
[0020]【专利附图】
【附图说明】:图1是磁场垂直于竖直轴的真空镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁装置示意图。图中，I是真空室；2是产生均匀磁场的磁铁；3是镀槽；4是凝结板；5是检测膜厚的光学系统，虚线是光学系统射向膜层的光和膜层反射光。
[0021]图2是磁场平行于竖直轴的真空镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁装置示意图。
[0022]图3是磁场平行于竖直轴的真空沉降镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁装置示意图。图中，6是可自动升降的加压板；7是沉降镀膜法中的凝结板；8是安置在真空室周边、可绕中心竖直轴旋转的镀槽。
[0023]图4是磁场垂直于竖直轴的真空沉降镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁装置示意图。
[0024]图5在液体中沉降磁性微粒、磁场垂直于竖直轴的沉降镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁装置示意图；图中，9是均匀分布有磁性微粒的液体入口及蒸汽出口 ；10是液体出口。
[0025]图6是在液体中沉降磁性微粒、磁场平行于竖直轴的沉降镀膜法制作强磁铁或周期性排列强磁铁装置示意图。
[0026]【具体实施方式】:制作一块纯铁磁铁。一个直径100cm、高IOOcm的真空室，在其顶部安置一个30X30X lcm3、可绕中心竖直轴作180°旋转的铝铜复合版，其中；铝板厚9mm、铜板厚1mm，铝板、铜板连结在一起；铝铜复合版与真空室外部的温度控制器连通，使其恒温在300°C ;铜版的位置由位置自动控制装置控制，当膜层达到预定的厚度时，铜板绕竖直中心轴180°旋转。在真空室中部相对的两侧各安置有30X30X 15cm3、磁场强度为2特斯拉的磁铁。在真空室中部中心部位安置有钨槽，钨槽中填充有纯铁，钨槽与真空室外部的电源连通。
[0027]开通电源，将真空室抽真空，使其真空度达到-50KPa。然后向钨槽供电，使得钨槽温度达到15940 C，待钨槽中的纯铁全部融化后，继续加温，使得钨槽温度达到275O0-3OOO°C。这时纯铁液将蒸发，蒸发的铁分子的磁矩在强磁场作用下整齐地沿磁场方向排列在凝结板上。根据蒸发的温度与时间，判定在凝结板上的铁层厚度达到Imm厚度后，立即利用自动控制装置将铝铜复合版绕竖直中心轴转动180°，再镀下一个膜层。如此镀完10个磁极相反的膜层后，停止加热。然后冷却、降温，向真空室充气，打开真空室，取出镀在铜板上、30X30X Icm3的磁铁，将铜板与铝板剥离，就得到了附有薄铜片的周期性排列强磁铁磁铁。
[0028]用钕铁硼磁铁代替纯铁，用与上述类似的方法可制作比原钕铁硼磁铁场强更强的新磁铁。
【权利要求】
1.一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，在水平或竖直方向上，安置两块N、S磁极相对、在水平或竖直方向上产生均匀强磁场的磁铁或电磁铁，在两块磁铁之间的上部或下部安置有凝结板，当凝结板在下方时，在两块磁铁之间的上部、凝结板的上方可安置加压板，将磁性微粒用真空镀膜法镀到凝结板上、或用真空沉降镀膜法或液体中沉降镀膜法沉降到凝结板上，磁性微粒整体运动方向垂直或平行于磁场方向，每当镀层增加一定厚度时，都可用加压板对膜层施加适当的压力；在膜层达到需要的厚度时，可停止镀膜，这样制得强磁铁；也可将N、S磁极相对于凝结板转动180度，然后按同样方法镀下一个膜层，这样可制作周期性排列的强磁铁。
2.权利要求1所述的一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，制作强磁铁的真空镀膜法相应的装置是，有一真空室，在真空室上部有水平放置的凝结板；在真空室下部有水平安置、可绕竖直轴旋转的底盘，底盘上固定有多个镀槽；在真空室相对的两侧或顶、底部固定有磁场强而均匀、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁，镀槽中有可被加热蒸发的磁性材料，镀槽的个数与形成磁层所需材料的种类数相同；用电子枪或低压大电流对镀槽加热，将磁性微粒蒸发或溅射到凝结板上，使得磁性微粒在凝结板上相互结合、形成磁铁；真空室中也可充入少量惰性气体。
3.权利要求1所述的一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，制作周期性排列强磁铁的真空镀膜法相应的装置是，有一真空室，在真空室上部有水平放置、可绕竖直轴旋转的凝结板，在真空室下部水平安置有可绕竖直轴旋转的底盘，底上固定有多个镀槽，在真空室相对的两侧或顶、底部固定有磁场强而均匀、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁，镀槽中有可被加热蒸发的磁性材料，镀槽的个数与形成磁层所需材料的种类数相同；在膜层达到所要求的厚度时，将凝结板绕竖直轴旋转180度或将磁场方向改变180度后，再按同样方式继续制作下一个磁性膜层；用电子枪或低压大电流对各个镀槽分别加温，将磁性微粒蒸发或溅射到凝结板上，使得磁性微粒在凝结板上相互结合，形成膜层，从而得到磁极相反的多个磁性膜层。
4.权利要求1所述的一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，真空沉降镀膜法相应的装置是，有一真空室，沿着真空室的周边安置有可绕中心竖直轴旋转的镀槽，各个镀槽中填充有制作磁铁的相应原料；在真空室相对的两侧或顶、底部固定有磁场强而均匀、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁；在真空室的底部安置有凝结板，凝结板与真空室外的控制其温度的温度控制器连接，凝结板上有能够粘结磁性微粒的胶层；各个镀槽连接有电源，在将真空室抽真空后，对各个镀槽分别加温，使其中材料气化；在强磁场和重力作用下，这些气态磁性微粒的磁矩平行于磁场方向、沉降在或相互结合后沉降在凝结板上，这些在凝结板上的磁性微粒在适当温度加压后，相互结合、形成强磁铁；当磁场方向垂直于竖直轴时，制作了一个膜层后，使凝结板绕竖直轴转动180度，按同样方法制作下一个膜层，依次重复，可得到周期性排列强磁铁。
5.权利要求1所述的一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，液体中沉降镀膜法相应的装置是，在一容器中填充有液体，在液体中有各个水平面上均匀分布的磁性微粒，在这一容器相对的两侧或顶、底部固定有磁场强而均匀、磁场方向垂直或平行于竖直轴的磁铁；在这一容器的底部安置有凝结板，凝结板与控制其温度的温度控制器连接，凝结板上有一层能够粘结磁性微粒、不溶于该液体的胶层；在强磁场和重力作用下，液体中磁性微粒的磁矩平行于磁场方向、沉降在或相互结合后沉降在凝结板上，当膜层达到需要的厚度时，蒸发除去液体，再适当地加温加压，所加温度低于该磁铁的居里温度，这些在凝结板上的磁性微粒在适当温度加压后，相互结合、形成强磁铁；当磁场方向垂直于竖直轴，制作了一个膜层后，使凝结板绕竖直轴转动180度，按同样方法制作下一个膜层，依次重复，可得到周期性排列强磁铁。
6.权利要求1所述的一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，真空或液体中沉降镀膜法相应的装置是，在真空室或盛装液体容器的上部，安置形状与下部的凝结板相同的加压板，加压板由不受磁场作用的材料制成；顶部有磁铁时，加压板在顶部磁铁的下面；每当镀层增加一定厚度时，加压板都自动落下、对凝结板施加适当的压力后又自动回到原位，利用温度控制器，可使得加压板压紧凝结板时，凝结板具有适当的温度；在此压力作用下，磁性微粒粘结得更紧密。
7.权利要求1所述的一种强磁铁及周期性排列强磁铁的制作方法及装置，其特征是，当磁铁片在平行于磁场方向的尺度小时，就沿着磁场方向将薄磁铁片叠加在一起；当磁铁片在垂直于磁场方向的尺度小时，就在垂直于磁场方向将薄磁铁片叠加、粘结在一起，这种情况下，各个相邻磁铁片的磁 场方向可以是平行的，也可以是相互反平行的，当相邻磁铁片的磁场方向相互反平行时，得到的是周期性排列的磁铁。
【文档编号】H01F7/00GK103903848SQ201310433354
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】陈紫微, 陈宇星, 陈世浩 申请人:陈紫微