一种可调焦永磁透镜的制作方法

本发明属于永磁透镜技术领域，涉及一种可调焦永磁透镜。

背景技术：

磁透镜是指能够把匀速带电粒子束会聚，并且把这样的束程中的物体形成像的轴对称磁场。这样的磁场(磁透镜)可以由螺线管、电磁铁或永磁体产生。粒子－光学装置一般设置磁透镜或静电透镜，将带电粒子束聚焦到样品上，这些装置希望能在不同束能量下使用，但是不希望粒子束的焦点位置会相对样品移动。

磁透镜使用永磁材料，具有结构紧凑的优点，但传统的永磁透镜不能调焦，只得与静电透镜结合，才保持焦点位置恒定。其缺点是体积大还需要高压，不但有高压击穿的危险，还要使有专用的高压电源。所以，对于在真空场合使用的磁透镜，更需要可调焦永磁四极透镜。

螺线管电磁铁式磁四极是由四个螺线管电磁铁极头所组成的，通过电流来调整磁场强度的大小。其缺点是：需要配置大功率的低压大电流精密电源，设备尺寸大且散热困难，功耗高。

在《永磁四极透镜在加速器束流输送与聚焦中的应用》一文中提出采用内外2圈磁四极相对旋转调节磁四极的磁场梯度，双层磁四极的内外圈相对转动时，透镜实现了调焦。但内外圈各自产生的磁场在中心区域矢量叠加，空间每点的磁场大小和方向都会发生变化。而磁性方向的偏差又与内外圈的磁场强度的大小关联，在多个磁四极组成的透镜系统中，要求前一个磁四极的磁性方向与后一个磁四极的磁性方向成90°。由于前一个磁四极调焦时，改变了磁性方向，这就要求后面的磁四极也要做出相应的改变，这样就会出现很大的困难。因此，这项技术出现三十多年还未实现工业应用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了提供一种可调焦永磁透镜，实现了永磁透镜的电动调焦。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可调焦永磁透镜，该永磁透镜包括壳体、设置在壳体内的固定磁钢机构、环绕设置在固定磁钢机构外的转动磁钢机构以及与转动磁钢机构传动连接的驱动机构，所述的转动磁钢机构包括与驱动机构传动连接的主动转动磁钢组以及与主动转动磁钢组传动连接的多个从动转动磁钢组，所述的主动转动磁钢组及多个从动转动磁钢组沿周向环绕设置在固定磁钢机构外。壳体内开设有与转动磁钢机构相适配的转动磁钢组安装孔。主动转动磁钢组及多个从动转动磁钢组沿周向环绕设置在固定磁钢机构外，既可以是均匀环绕，也可以是两两一组，每相邻组成60°(磁六极)或90°(磁四极)夹角。

优选地，所述的主动转动磁钢组设有1个，所述的从动转动磁钢组设有7个。

进一步地，所述的固定磁钢机构由2n个(如4个、6个、8个、12个、16个、18个、24个)磁钢围成一周组合而成，在固定磁钢机构的中心区域产生偶数极磁场(例如四极磁场、六极磁场或其它多极磁场)，其中，n为正整数。主动转动磁钢组及从动转动磁钢组的总数优选为磁极数的2倍，例如8个(磁四极)或12个(磁六极)。

进一步地，所述的主动转动磁钢组及从动转动磁钢组均包括管体、设置在管体内的转动磁钢、设置在转动磁钢两端的轴伸、设置在轴伸与管体之间的轴伸轴承以及套设在其中一个轴伸端部的齿轮，所述的从动转动磁钢组的齿轮与主动转动磁钢组或相邻的从动转动磁钢组的齿轮啮合。

进一步地，所述的转动磁钢为径向圆柱体磁钢。

进一步地，所述的主动转动磁钢组还包括设置在轴伸端部的蜗轮轴伸，所述的驱动机构与蜗轮轴伸传动连接。

进一步地，所述的驱动机构包括马达座、设置在马达座上的马达以及与马达传动连接的蜗轮蜗杆组件，所述的蜗轮轴伸与蜗轮蜗杆组件传动连接。

进一步地，所述的蜗轮蜗杆组件包括一对轴承座、设置在两轴承座之间的蜗杆以及与蜗杆传动连接的蜗轮，所述的蜗杆的端部与轴承座之间设有蜗杆轴承，所述的蜗轮套设在蜗轮轴伸端部。

进一步地，所述的蜗轮蜗杆组件还包括与蜗轮相适配的蜗轮压板。

进一步地，所述的蜗杆与马达之间设有联轴器。

进一步地，所述的壳体上设有与轴伸轴承相适配的轴承压板、与齿轮相适配的齿轮压板以及盖板，所述的轴承压板及齿轮压板均位于壳体的一侧，所述的盖板位于壳体的另一侧。

当本发明为可调焦永磁四极透镜时，其工作原理为：图1显示用8个径向圆柱体磁钢围成一周，磁性方向如图排列时在中心区域就会产生一个四极磁场。图2a显示用16块磁钢其磁性按标出的方向排列时，组成的固定磁四极，在中心区域产生了一个四极磁场。图2b显示用12块磁钢也可以组成一个固定磁四极。图3显示，如果把图1的8个径向圆柱体磁钢围成一周后同轴地放置在图2a或图2b的外周，在中心区域可以得到由2个磁场叠加的永磁四极。实际上，这由2个磁场叠加的永磁四极不在乎里面的固定磁四极由几块磁钢组成，只要这个固定磁四极的磁参数符合设计要求就可以。如果在每个径向圆柱体磁钢的同一个端面套上相同大小的直齿轮，并使这些齿轮刚好啮合，这样只要驱动一个齿轮旋转，其它七个也会旋转，而且，方向就像图示的方向一样(或正好相反)。这8个可驱动旋转的径向圆柱体磁钢组成的永磁四极产生的主磁场的方向不变，大小可变，是一种理想的可调磁四极。由于固定磁四极的磁钢利用率高，成本相对较低，所以，固定磁四极的参数取值高，而可调磁四极的参数取值低。内圈固定磁四极的磁场方向和大小不变，而外圈8个磁钢旋转时在中心区域产生的磁场方向不变，而强度渐渐变小，到零，再变为负值。如果按图3所示的状态作为起始状态，记为0°，并从0°开始旋转，逐步旋转到180°，中心区域的磁场强度从最大值单调下降至最小值；再转180°，中心区域内主磁极的磁场强度再从最小值单调上升至最大值。限定齿轮只能在180°范围内旋转，每一个角度都对应一个中心区域边缘的磁场强度值。改变齿轮的旋转角度，就改变了中心区域边缘的磁场强度值，从而也改变了永磁四极透镜的焦距。

当本发明为可调焦永磁六极透镜或其它可调焦永磁多极透镜时，其具有类似的工作原理。

本发明的驱动机构用于驱动和自锁齿轮，保证可调焦永磁透镜的参数精度。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明实现了永磁透镜的电动调焦，且调焦不改变主磁极的理论位置(磁性方向不变)，只改变磁性的大小。因而，对于基于此方案的多个多极磁透镜所组成的系统中，每个磁透镜单元可以独立调整磁场参数，而不会影响其它多极磁透镜的工作参数，有利于应用推广。

2)转动磁钢机构由多个径向圆柱体磁钢根据设计要求排成一圈，并可在驱动机构的作用下同时旋转，因而在焦距调整时，只变动磁场的强度而主磁极的磁性方位不变。

3)本发明采用齿轮结构同步旋转磁钢的角度，因而安全可靠，不会带来附加的主磁极的磁性方位偏差。

4)在内部配置的固定磁钢机构组成固定磁四极、磁六极或其它偶数极磁场，提供了基准的磁四极、磁六极或其它偶数极磁场参数，有利于减少体积、减轻重量、节约成本。

附图说明

图1a为均匀环绕设置的8柱永磁四极的原理示意图；

图1b为两两一组，每相邻组成90°设置的8柱永磁四极原理示意图；

图2a为单圈16件永磁四极的原理示意图；

图2b为单圈12件永磁四极的原理示意图；

图3为本发明可调焦永磁四极透镜的原理示意图；

图4为本发明可调焦永磁四极透镜的结构示意图；

图5为驱动机构的结构示意图；

图6为固定磁钢机构的结构示意图；

图7a为从动转动磁钢组的结构示意图；

图7b为主动转动磁钢组的结构示意图；

图8为本发明可调焦永磁六极透镜的原理示意图；

图中标记说明：

1—壳体、2—主动转动磁钢组、3—从动转动磁钢组、4—管体、5—转动磁钢、6—轴伸、7—轴伸轴承、8—齿轮、9—蜗轮轴伸、10—马达座、11—马达、12—轴承座、13—蜗杆、14—蜗轮、15—蜗杆轴承、16—蜗轮压板、17—联轴器、18—轴承压板、19—齿轮压板、20—盖板、21—固定磁钢机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图3所示，通过把8个径向圆柱体磁钢围成一周后同轴地放置在图2a或图2b的外周，在中心区域可以得到由2个磁场叠加的永磁四极。其中，8个径向圆柱体磁钢两两一组，每相邻组成90°设置(如图1b所示)，可进一步设计为均匀环绕设置(如图1a所示)。

基于该原理，设计出如图4所示的一种可调焦永磁四极透镜，包括壳体1、设置在壳体1内的固定磁钢机构21、环绕设置在固定磁钢机构21外的转动磁钢机构以及与转动磁钢机构传动连接的驱动机构，转动磁钢机构包括与驱动机构传动连接的主动转动磁钢组2以及与主动转动磁钢组2传动连接的多个从动转动磁钢组3，主动转动磁钢组2及多个从动转动磁钢组3沿周向环绕设置在固定磁钢机构21外。

如图6所示，固定磁钢机构21由12个磁钢围成一周组合而成，在固定磁钢机构21的中心区域产生四极磁场。

如图7a、图7b所示，主动转动磁钢组2及从动转动磁钢组3均包括管体4、设置在管体4内的转动磁钢5、设置在转动磁钢5两端的轴伸6、设置在轴伸6与管体4之间的轴伸轴承7以及套设在其中一个轴伸6端部的齿轮8，从动转动磁钢组3的齿轮8与主动转动磁钢组2或相邻的从动转动磁钢组3的齿轮8啮合。转动磁钢5为径向圆柱体磁钢。主动转动磁钢组2还包括设置在轴伸6端部的蜗轮轴伸9，驱动机构与蜗轮轴伸9传动连接。

如图5所示，驱动机构包括马达座10、设置在马达座10上的马达11以及与马达11传动连接的蜗轮蜗杆组件，蜗轮轴伸9与蜗轮蜗杆组件传动连接。蜗轮蜗杆组件包括一对轴承座12、设置在两轴承座12之间的蜗杆13以及与蜗杆13传动连接的蜗轮14，蜗杆13的端部与轴承座12之间设有蜗杆轴承15，蜗轮14套设在蜗轮轴伸9端部。蜗轮蜗杆组件还包括与蜗轮14相适配的蜗轮压板16。蜗杆13与马达11之间设有联轴器17。

壳体1上设有与轴伸轴承7相适配的轴承压板18、与齿轮8相适配的齿轮压板19以及盖板20，轴承压板18及齿轮压板19均位于壳体1的一侧，盖板20位于壳体1的另一侧。

实施例2：

如图8所示，通过把12个径向圆柱体磁钢围成一周后同轴地放置在12块磁钢组成的固定磁六极的外周，在中心区域可以得到由2个磁场叠加的永磁六极。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。