高性能永磁体制备方法及含该永磁体的真空波荡器磁结构技术

本发明专利技术提供一种高性能永磁体制备方法及含该永磁体的真空波荡器磁结构，其中所述永磁体制备方法包括：S1，提供一磁化方向厚度为2.0mm‐2.5mm的永磁体；S2，在所述永磁体的表面覆盖TbF3粉末后将其置于一钼金属盒内，而后对其依次进行高温晶界扩散处理及回火处理；S3，在经过所述步骤S2的永磁体表面镀NiCuNi层、TiN层或NiCuTiN层；S4，对经过所述步骤S3的永磁体进行饱和磁化处理；S5，对经过所述步骤S4的永磁体进行老化处理。本发明专利技术解决了现有技术中永磁体内禀矫顽力的一致性欠佳、永磁体取向厚度未优化等问题。

【技术实现步骤摘要】
高性能永磁体制备方法及含该永磁体的真空波荡器磁结构
本专利技术涉及永磁材料技术，尤其涉及一种高性能永磁体制备方法及含该永磁体的真空波荡器磁结构。
技术介绍
Halbach永磁阵列概念最早是在20世纪80年代初由美国劳伦斯伯克利国家实验室的ⅪausHalbach教授提出。永磁型真空波荡器(IVU)为典型的Halbach磁路结构，是第三代同步辐射光源及自由电子激光装置的关键设备之一。近三十多年，基于各种性能的永磁波荡器占据同步辐射光源和自由电子激光装置波荡器的绝大多数。在众多永磁波荡器中，永磁真空波荡器的比例较大，特别是同步辐射光源装置中永磁真空波荡器数量几乎达到70％以上；在自由电子激光领域真空波荡器数量也很多，且随时间推移呈现逐年增加趋势。数量众多的各种永磁真空波荡器在线运行，为同步辐射及自由电子激光用户的各种丰富多彩科学实验提供了有力的保障。永磁体是真空波荡器的“心脏”，其综合磁特性对真空波荡器整机的磁场峰值、磁场均匀性、磁场稳定性、真空性能、运行维护等都有着极为重要影响。目前国内外常规真空波荡器主要采用两种永磁体：一种是2:17型与1:5型钐钴，另一种是钕(镨)铁硼，由于要适应真空波荡器小磁间隙环境下的强电磁辐射等环境，绝大多数采用高稳定耐电磁辐射钐钴永磁体。近若干年，日本等极少数国家的高能物理研究机构通过和永磁公司合作采用特殊工艺研制了高性能高稳定钕(镨)铁硼作为永磁真空波荡器的磁场源，一定程度上提高了真空波荡器磁场的峰值与品质(相比于钐钴真空波荡器)。低温永磁波荡器(CPMU)实为低温下工作的永磁真空波荡器，这几年正成为国际同步辐射领域研究的热点，采用的永磁体也有两种：一种是具有自旋再取向效应的钕铁硼，另一种是低温磁性能近线性变化的镨铁硼。随着用户对同步辐射及自由电子激光永磁真空波荡器提出了越来越高的要求。目前国内外在线运行的几种真空波荡器或多或少存在着不少缺陷与不足，具体如下：对于基于钐钴真空波荡器，目前国内外大多数常规真空波荡器采用钐钴永磁体作为磁场源，其特点是波荡器磁场稳定，但峰值偏低，且由于钐钴本身缺陷对波荡器磁场均匀性(如相位误差及积分场)带来不利影响，制约了用户的一些科学实验需求。这一点在我国显得由为明显，国产钐钴磁性能及磁场均匀性和国际先进水平还有不小距离(如我国和日本钐钴最高有效剩磁分别为1.06T和1.12T，平均磁化偏角分别约为1.0°和0.5°)，制约了我国真空波荡器发展，如SSRF(上海光源)首批真空波荡器及出口加拿大CLS(CanadianLightSource)的真空波荡器IVU20及扭摆器IVW80被迫使用日本钐钴，交货期长且价格昂贵。对于基于钕铁硼的真空波荡器，其特点是磁场峰值相比钐钴有一定程度提高(一般约5-10％)，波荡器磁场均匀性也有所改善，但这需要高品质的钕铁硼永磁体并对基于钕铁硼真空波荡器做相应的前期基础应用研究才能获得实际应用。与钐钴真空波荡器相比，基于钕铁硼真空波荡器磁场峰值提高的并不多，目前掌握并采用这一技术的仅有日本等极少数国家。对于基于钕铁硼或镨铁硼的CPMU，其特点是低温运行磁场峰值可获得大幅度提高(一般约10-25％)，耐辐射性能优良，但这几年国内外研究经验表明，CPMU也有磁场均匀性不佳(如一般情况下磁场相位误差不如常规IVU)、故障较频繁、研制运行成本高等缺点；而且特殊设计的低温系统结构也对同步辐射光源或自由电子激光装置宝贵的直线节带来一定长度的损失；并且需要研制复杂的低温磁测系统及低温冷却系统，价格较贵。同时，由于软铁极头饱和效应，使CPMU深冷低温磁场增加幅度和永磁体低温Br(剩磁)增加幅度不成正比，造成Br较大“浪费”。众所周知，永磁体内禀矫顽力Hcj与剩磁Br是一对矛盾概念，在钐钴或钕铁硼常规成分设计及粉末冶金工艺条件下，Hcj虽可大幅度提高，但同时也将大幅度降低Br。近几年国内外钕铁硼行业出现一种渗重稀土元素(Dy/Tb)晶界扩散技术，在不降低Br及节约贵重Dy/Tb基础上可大幅度提高Hcj约150-600kA/m。晶界扩散磁学原理如图1A-1B所示(图中以Tb晶界扩散为例)：扩散前，Tb分布在主磁性相晶体内部形成(NdPr,Tb)2Fe14B(见图1A)，扩散后，Tb扩散渗透在主磁性相晶体边界形成Tb2Fe14B(见图1B)，提高了晶体边界各向异性，从而大幅度增加Hcj。此外，由于扩散后Tb基本不进入主磁性相晶体内部形成(NdPr,Tb)2Fe14B，避免了传统工艺主相晶粒内部较多Nd被Tb取代造成Br下降的问题。目前国内少数永磁公司已对钕(镨)铁硼晶界扩散方法进行探索。钕(镨)铁硼晶界扩散技术在同步辐射光源和自由电子激光装置永磁真空波荡器中有着重要应用前景，具有如下有益效果：1)可获得较高磁场峰值：晶界扩散对钕铁硼剩磁影响不大，相对高Br为永磁真空波荡器磁场峰值的大幅度提高提供了空间(例如在100℃/1天高温烘烤条件下，钐钴最高剩磁在1.1T附近；而扩散钕铁硼在获得高Hcj基础上，最高剩磁Br可达1.35T)；且因无软磁极头饱和效应，扩散钕铁硼Br增加对IVU磁场峰值提高贡献是“实实在在的”。理论上，如果扩散制备方法不断获得改善，磁场峰值可接近部分CPMU水平。2)可获得较高真空度：晶界扩散钕铁硼可获得较大Hcj并结合特殊镀层密封，永磁体可经受100-120℃/1天以上高温烘烤，可使真空波荡器获得超高真空运行环境。如Hcj及镀层研究获得进展，预计其真空度接近基于耐高温烘烤钐钴真空波荡器。而有些CPMU为获得高磁场，采用常温Hcj不高的永磁体，不能适应高温长时间烘烤，虽低温运行环境对真空有点改善，但因未经过高温除残余气体真空清洁过程，CPMU真空罐内卫生条件差，长期加速器在线运行残余分子气体还是不断“漏出”，影响了真空环境。3)可获得较好磁场均匀性：相对于常规IVU钐钴，扩散钕铁硼微观磁场更均匀，可得到较好磁场积分、磁化偏角、N/S极对称性，这对IVU场相位误差及积分场改善十分有利。基于扩散钕铁硼IVU在常温工作，无CPMU低温环境下大梁变形、温度梯度差、热负载、磁测可靠性等实际难题，这同样对IVU获得较好磁场相位误差及积分场是有利的。同时钕铁硼扩散制备方法仅仅对“晶界”Hcj有重大改进，Br基本不变，使其整体外磁场均匀性影响不大，理论上预计基于扩散钕铁硼IVU磁场相位误差优于其他IVU(含CPMU)。4)具有良好的性价比：相对CPMU较贵的设计研制、磁场测量、低温运行等高成本因素，基于扩散钕铁硼IVU如能解决永磁铁材料基础问题及关键技术，其他如设计研制、磁场测量、运行等和一般常规真空波荡器一样，不需要研制昂贵的低温系统及磁场测量系统，且在加速器上在线运行管理相对简单，具有良好的性价比优势。然而，虽然基于晶界扩散钕(镨)铁硼永磁体具有上述众多优点，但其要在直线型Halbach磁路结构特别是永磁真空波荡器中获得应用，还有如下几个问题要解决：①永磁体内禀矫顽力Hcj增加幅度的一致性：由于真空扩散退火炉中氧含量不一致，而氧含量会影响永磁体的磁性能，所以批量生产如几百件甚至上千件钕(镨)铁硼永磁体晶界扩散Tb后Hcj的一致性欠佳；②永磁体取向方向厚度的确认：钕(镨)铁硼晶界扩散Tb效果和永磁体取向方向厚度密切相关，厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能永磁体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，提供一磁化方向厚度为2.0mm‑2.5mm的永磁体；S2，在所述永磁体的表面覆盖TbF3粉末后将其置于一钼金属盒内，而后对其依次进行高温晶界扩散处理及回火处理；S3，在经过所述步骤S2的永磁体表面镀NiCuNi层、TiN层或NiCuTiN层；S4，对经过所述步骤S3的永磁体进行饱和磁化处理；以及S5，对经过所述步骤S4的永磁体进行老化处理。

【技术特征摘要】
1.一种高性能永磁体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，提供一磁化方向厚度为2.0mm-2.5mm的永磁体；S2，在所述永磁体的表面覆盖TbF3粉末后将其置于一钼金属盒内，而后对其依次进行高温晶界扩散处理及回火处理；S3，在经过所述步骤S2的永磁体表面镀NiCuNi层、TiN层或NiCuTiN层；S4，对经过所述步骤S3的永磁体进行饱和磁化处理；以及S5，对经过所述步骤S4的永磁体进行老化处理。2.根据权利要求1所述的高性能永磁体制备方法，其特征在于，所述高温晶界扩散处理的温度控制在890-910℃，时间控制在8-12小时。3.根据权利要求1所述的高性能永磁体制备方法，其特征在于，所述回火处理的温度控制在450-500℃，时间控制在3-6小时。4.根据权利要求1所述的高性能永磁体制备方法，其特征在于，所述永磁体为各向异性烧结的钕铁硼永磁体、镨铁硼永磁体或钕...

【专利技术属性】
技术研发人员：何永周，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31