Магнитная система для ЯМР высокого разрешения

NMR_Magnet: Магнитная система для ЯМР высокого разрешения

При решении задачи по созданию автоматического потокового анализатора, основанного на принципах ядерного магнитного резонанса (ЯМР), для химических, нефтехимических и иных производств, имеющих дело с органическими соединениями, возникла проблема по созданию магнитной системы. При этом наиболее выгодной нам представлялась магнитная система, источником магнитного поля в которой являются высококоэрцитивные магниты из материала Ne-Fe-B.

Имея ограниченные финансовые ресурсы, и не имея права на ошибку, мы решили воспользоваться предложением фирмы ТОР использовать студенческую версию программы ELCUT для расчета магнитной системы.

Главные параметры магнитной системы - это значение магнитной индукции в целевом объеме и его однородность. Для ЯМР высокого разрешения, пригодного для научных исследований и технологических применений, необходимо добиться значения индукции магнитного поля примерно 1.4 Тл и однородности в том же объеме на уровне 10^-6.

Основой магнитной системы являются два кольцевых магнита, имеющих намагниченность в радиальном направлении (патент РФ № 2190193). Поле, необходимое для наблюдения явления ЯМР, создается в зазоре между двумя полюсными наконечниками. Внешнее поле замыкается при помощи железного ярма.

Задача состоит в расчете магнитного поля в устройстве, оценке степени его однородности и предположении, что осесимметрический случай в пределе распространяется на трехмерный тип магнитной системы. В конечном итоге наша цель заключалась в создании поля с необходимыми параметрами в объеме гораздо меньшем, чем остальные размеры магнитной системы. Мы в рамках студенческой версии ELCUT исследовали сотни вариантов магнитной системы, и только заключительную пропустили через программу ANSYS. Отличие было в пределах нескольких процентов. Магнитная система

Воплощенное в железе решение отличалось от рассчитанного в программе ELCUT на 3 процента.

Тип задачи:
Нелинейная осесимметричная задача магнитостатики.

Геометрия:
Сечение магнитной системы с радиально намагниченными кольцевыми магнитами.
401 - зона однородности - сфера диаметром 5 мм, в зазоре длиной 16 мм
402 - кольцевой магнит, направление намагниченности в сторону керна
403 - кольцевой магнит, направление намагниченности в сторону ярма
404 - центральный ферромагнитный керн
405 - ферромагнитное ярмо
Система имеет аксиальную симметрию вокруг горизонтальной оси.

Исходные данные:

Относительная магнитная проницаемость воздуха и катушки μ = 1;
Коэрцитивная сила магнитов H_C = 871200 A/м;

Кривая намагничивания магнитопровода и якоря:

H (А/м)

460

640

720

890

1280

1900

3400

6000

B (Tл)

0.80

0.95

1.00

1.10

1.25

1.40

1.55

1.65

Задание:
Рассчитать размеры магнитной системы, которая бы удовлетворяла условиям создания поля с заданными значениями индукции и однородности поля.

Решение:
Фиксируя воздушный зазор и варьируя толщину кольцевого магнита, длину керна, получены приемлемые размеры магнитной системы. Естественно, априори понятно, что при весе системы, скажем в 1 тонну, достаточно легко получить заданные параметры. Но нас интересуют решения при минимальном весе (Вес магнитной системы составил 135 кг).

Сравнение результатов
Наибольшее значение z-составляющей магнитной индукции и однородности в рабочем объема в зазоре магнитной системы:

	B_z (Tл)	Однородность
Эксперимент	1.37	3·10^-6
ELCUT	1.32694	1·10^-6

Загрузить файлы задачи NMR_Magnet.zip