利用轴向磁化的永磁环制造轴向梯度磁场.pdf

第"(卷第&期高能物理与核物理BCD)"(，8C)&
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利用轴向磁化的永磁环制造轴向梯度磁场

彭全岭!赵起"

（中国科学院高能物理研究所!北京!###$%）
（平顶山广播电视大学"河南平顶山&’(###）

摘要首先叙述了由单个轴向磁化环所产生的磁场，并就两个永磁环所产生的纵向磁场进行了分
析)对于两个沿同一方向磁化的永磁体环，沿磁环中心线将会产生一个强度较为均匀的轴向磁场)
如果两者的磁化方向相反，则在两磁铁间的区域将产生一个纵向的梯度磁场，其磁场强度介于
到之间设计制造了一个高梯度的轴向磁场，其磁场梯度为，测量结果与计算结
*!#+!#)&()",-.
果非常一致)文中还讨论了产生变梯度磁场的方法)由于永磁环所产生的磁场和螺线管的磁场较
为相似，磁铁外部空间将有较大的漏场，最后还讨论了屏蔽漏场的问题)

关键词轴向磁化的永磁环轴向梯度磁场剩磁镜像磁单元

引言!$+#$*#
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轴向梯度磁场，也就是沿轴向上磁场强度能在$+#$*#
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一定的范围内，如从到之间连续变化的$+#+"!$*#+"!
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这里为永磁体剩磁，沿磁环中心线的最大场强
磁场)它在磁性材料的相变研究、直线加速器速调!0
为：
管和行波管中有着广泛的应用)可通过以下方法获
得轴向磁场：!）通过螺线管磁场；"）通过轴向磁化!!
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的永磁环；$）通过沿径向磁化的永磁环等)螺线!#+""!#+"!
图为单个永磁环沿轴向的场分布，这里取
管可产生轴向磁场，但产生同样大的场强需要较大!!0
的空间来排放螺线管线圈，并需要庞大的电源消耗，，从图中可以看到，
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和水冷却系统)利用径向磁化的永磁环也可获得轴
向梯度磁场，但其会受到以下两方面的限制)一是
沿径向磁化的永磁环实际难以制造，二是由于只有
靠近永磁环端部的区域才能实现轴向梯度磁场，并
且场梯度较弱)因此，利用轴向磁化的永磁环来实
现轴向梯度磁场是最佳的选择)

"轴向磁化的永磁环所产生的轴向磁
场

内半径为，外半径为，长度为，位于
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到+#之间沿轴向磁化的永磁环，沿磁环中心线的图!轴向磁化的永磁环沿磁环中心线的磁场分布
纵向磁场分布为

"##"*#&*"3收稿
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4,)高能物理与核物理（=>.?0.）第#5卷

其磁场分布在永磁环两侧的端部符号发生了改变，
它不同于螺线管的场分布!螺线管磁场，沿中心线
的磁场将保持同一种符号不变!事实上，轴向磁化
的永磁环沿中心线的场分布是由两层电流面密度为
!"的薄壁螺线管场所叠加而成!其中一层位于半
径为#，电流面密度为!"；另一层位于半径为#，
"#图#用./0123/程序计算的轴向梯度磁铁的场分布
电流面密度为
$!"!（这里采用了柱坐标系进行计算）!
利用（"）式，沿轴线方向磁化，间隔为#$的两
个轴向磁化的永磁环，其沿磁环中心线的场分布为
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图轴向梯度磁铁沿磁铁中心线和沿半径为
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&[($的（）和（）的磁场分布
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%$$)图4为理论计算和实际测量到的磁场分布比
（）##$较，两者比较结果非常接近从图中可以看到，中心
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%$#&$$段的磁场为梯度均匀的轴向磁场，梯度值为’%
(（）##$，其磁场强度在的长度内从
!%$#&$$’#"456#78+""++$*!-"7
均匀变化到’*!-"7!
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（）##)!)
!%$$’#"
如果两永磁环的磁化方向相同，（)）式第二项取
正号，两磁环间区域内将产生近似均匀的纵向磁场，
相当于单个永磁环被加长了!如果两磁环的磁化方
向相反，（)）式中第二项符号取负号，在两磁环间的
区域内将产生一个轴向梯度磁场!

!利用轴向磁化的永磁环制造轴向梯
度磁铁

图4轴向梯度磁铁沿中心线的磁场分布
实际中，利用轴向磁化的两个永磁环来产生轴./0123/计算值和实际测量值的比较!

向梯度磁场!每个永磁环的长度为#&%)*++，内外在直线加速器的速调管及行波管中，利用沿束
半径分别为，，两永