小型磁偏轉質(zhì)譜計磁場(chǎng)的分析計算

　　磁偏轉質(zhì)譜計是根據離子在磁分析器中運動(dòng)時(shí)，不同質(zhì)荷比的離子有不同的偏轉半徑原理來(lái)實(shí)現質(zhì)量分離的。磁場(chǎng)大小和分布對質(zhì)譜計的性能影響較大，因而設計時(shí)需要對質(zhì)譜計磁場(chǎng)分布進(jìn)行精確計算。應用有限元法建立了計算質(zhì)譜計磁分析器磁場(chǎng)的物理模型，并利用這一模型計算了磁分析器磁感應強度在空間的分布情況。結果表明，在半徑分別為20 mm和50 mm的1/4 圓弧軌道上，其磁場(chǎng)分布規律類(lèi)似。由于邊緣磁場(chǎng)效應，在磁鐵邊界區域約3 mm范圍內，磁感應強度基本呈直線(xiàn)下降，這一結果為磁分析器的結構優(yōu)化和邊緣場(chǎng)補償提供了理論依據。

1、引言

　　磁偏轉質(zhì)譜計穩定性好、定量性好、豐度靈敏度高，被廣泛應用在星球探測、航天器環(huán)境分析、工業(yè)過(guò)程控制、食品安全、藥物檢測和疾病診斷等諸多領(lǐng)域。磁偏轉質(zhì)譜計磁分析器的主要作用就是為質(zhì)譜計提供均勻恒定的磁場(chǎng)，當離子在垂直于磁場(chǎng)的平面上運動(dòng)時(shí)，不同荷質(zhì)比的離子有不同的偏轉半徑，從而實(shí)現對離子的分離。因此質(zhì)譜計工作性能的優(yōu)劣很大程度上取決于磁分析器的合理設計。為了優(yōu)化結構、減輕質(zhì)量，需要對其磁場(chǎng)的大小和分布，做出嚴密的分析與準確的計算。這樣有助于所選用的磁性材料得到合理利用，充分發(fā)揮出材料的性能。

　　對于磁場(chǎng)的計算問(wèn)題一直是磁工技術(shù)工作者關(guān)注的重點(diǎn)和難題。如今對磁場(chǎng)的計算已經(jīng)發(fā)展了很多種解析的方法，如級數解法、保角變換法和變分公式法等。然而問(wèn)題在于這些解析法的缺點(diǎn)是缺乏普遍性，所以限定了它們只能處理最簡(jiǎn)單的情形。通常它們局限于穩恒狀態(tài)情形，多數情況下只能用于二維空間。而對于復雜的磁場(chǎng)問(wèn)題，想得到其解析表達式是極其困難的，此時(shí)只有借助數值方法來(lái)求解微分方程或積分方程。在磁場(chǎng)的數值計算方法主要有有限差分法、邊界元法和有限元法等。在這幾種方法中，有限元法適用性最強，幾乎能處理所有的電磁場(chǎng)問(wèn)題。

　　作者從Maxwell方程組出發(fā)，引入磁標勢φ，根據泛函理論建立與之對應的變分形式，然后利用變分原理建立求解磁場(chǎng)分布的有限元模型，獲得了磁分析器空間磁場(chǎng)的分布情況，重點(diǎn)研究了在其磁場(chǎng)均勻區域內2條軌道上的磁場(chǎng)分布，為校準磁分析器邊緣場(chǎng)區域提供了理論依據。

5、結論

　　用有限元法分析并計算了磁分析器空間磁場(chǎng)的分布情況，重點(diǎn)研究了以（0，30，0）為圓心、半徑為20 mm和以（0，0，0）為圓心、半徑為50 mm 的1/4 圓弧2 條軌道上的磁感應強度分布情況。結果表明，在磁鐵邊界區域大約3 mm 范圍內，磁感應強度大小基本呈直線(xiàn)下降，這一結果為校準和補償磁分析器邊緣磁場(chǎng)部分的磁感應強度分布提供了理論依據。