CN101488390B - 嵌套型磁铁 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种嵌套型磁铁，该磁铁包括：两个开口相对的П形主磁铁，用于提供磁场分布；分别缠绕在该П形主磁铁横梁上的两个励磁线圈；两个开口相对的П形内磁铁，用于改善磁场分布，该两个内磁铁分别位于两П形主磁铁的空腔内，且该两个内磁铁各有两个线圈，该两个线圈分别位于内磁铁的极头上。利用本发明，可以形成类似阶梯形的磁场分布，非常适合于将原始的高斯分布，甚至是很不规则的束流分布，在靶上转换为相对均匀化的束流。

Description

嵌套型磁铁
技术领域
本发明涉及电磁场技术领域，尤其是一种嵌套型磁铁，用于带电粒子束装置。
背景技术
目前，很多加速器束流的应用需要在靶上形成均匀化的束流。以前采用的方法是利用八极磁铁、十二极磁铁等高阶磁铁，但这类磁铁在孔径较大时极面场强很高而几乎不能应用，采用阶梯场磁铁可以很好的解决这个问题。普通结构的阶梯场磁铁所能提供的磁场分布在台阶部分下降缓慢，不能满足要求，需要采取新的技术来提高台阶部分的陡峭度并在磁铁的中心部分形成一个磁场近似为零的区域。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于带电粒子束装置中的嵌套型磁铁，以克服现有技术存在的缺陷，产生一个阶梯形的磁场分布，使在靶上形成均匀化的束流。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种嵌套型磁铁，该磁铁包括：
两个开口相对的Π形主磁铁，用于提供磁场分布；
分别缠绕在该Π形主磁铁横梁上的两个励磁线圈；
两个开口相对的Π形内磁铁，用于改善磁场分布，该两个内磁铁分别位于两Π形主磁铁的空腔内，且该两个内磁铁各有两个线圈，该两个线圈分别位于内磁铁的极头上；
其中，该内磁铁的磁场分布与该主磁铁的磁场分布是相反的，能够将位于主磁铁边缘的磁通吸收到该内磁铁中，缩短边缘磁场的延伸距离并改善磁铁的纵向分布，形成沿纵向为硬边近似的阶梯形的磁场分布。
优选地，所述主磁铁与位于其空腔内的内磁铁组成一组，同一组内的主磁铁和内磁铁开口方向一致，一组为上部分，另一组为下部分，各组开口向内，上下两部分的开口相对，且有一间隙，使上下两部分完全对称。
优选地，所述缠绕在主磁铁横梁上的两个励磁线圈由同一电源供电，所述缠绕在内磁铁极头上的四个线圈由同一电源供电。
(三)有益效果
本发明提供的这种新型的嵌套型磁铁，可以形成类似阶梯形的磁场分布，非常适合于将原始的高斯分布，甚至是很不规则的束流分布，在靶上转换为相对均匀化的束流。
另外，本发明在高功率质子加速器、质子/重离子治癌等医用加速器和很多辐照用加速器上有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的嵌套型磁铁的结构示意图；
图2是利用MAFIA程序得到的嵌套型磁铁在有内磁铁时磁场沿水平轴的分布示意图；
图3是利用MAFIA程序得到的嵌套型磁铁在无内磁铁时磁场沿水平轴的分布示意图；
图中，1为上部主磁铁；1’为下部主磁铁；2为上部内磁铁；2’为下部内磁铁；3为上部主线圈；3’为下部主线圈；4为上部内线圈；4’为下部内线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
很多加速器束流的应用需要在靶上形成均匀化的束流，本发明提供的这种新型的嵌套型磁铁(嵌套型阶梯场磁铁)，可以形成类似阶梯形的磁场分布，其结构和场分布见图1和图2(图1是本发明提供的嵌套型磁铁的结构示意图，图2是利用MAFIA程序得到的嵌套型磁铁在有内磁铁时磁场沿水平轴的分布示意图)，非常适合于将原始的高斯分布(甚至是很不规则的束流分布)在靶上转换为相对均匀化的束流。该嵌套型磁铁在高功率质子加速器、质子/重离子治癌等医用加速器和很多辐照用加速器上有很好的应用前景。
该嵌套型阶梯场磁铁的特点是，将磁铁的作用区域限制在扁长束流截面的长轴方向的边缘部分，从而可以将束流截面的外部粒子折回到内部区域，进而改善束流截面的分布形状。其核心内容有：一是采用反对称的磁场结构，即束流截面的两端分别处在磁场方向相反但强度相等(也可以不相等)的磁场中；二是采用内嵌的磁极和另一组励磁线圈，以明显改变磁场下降的陡峭度，即形成很明显的台阶形磁场分布。
该嵌套型磁铁结构还可以作一个延伸，将内外嵌套的磁铁的磁铁结构变为相邻的结构，以应用到普通的磁铁(包括二极磁铁和四极磁铁等)。无论是二极磁铁还是四极磁铁，都可以在端部增加一块磁铁芯，必要时再增加一组励磁线圈(其励磁功率很小)，该铁芯中的磁场分布与主铁芯中的磁场分布是相反的，可以将位于主磁铁边缘的磁通吸收到该附加铁芯中从而显著地缩短边缘磁场的延伸距离并改善磁铁的纵向分布，形成沿纵向为硬边近似的磁场分布，而不是通常的缓慢下降的磁场分布(软边近似)。这样的磁铁设计对某些采用很大孔径的磁铁(如较大磁间隙的二极磁铁和较大孔径的四极磁铁)的束流应用是很有用的，能满足束流动力学设计的需求。
如图1所示，图1是本发明提供的嵌套型磁铁的结构示意图，该嵌套型磁铁包括：上部主磁铁1；下部主磁铁1’；上部内磁铁2；下部内磁铁2’；上部主线圈3；下部主线圈3’；上部内线圈4；下部内线圈4’。
该嵌套型磁铁具体包括：两个开口相对的Π形主磁铁，用于提供磁场分布；分别缠绕在该Π形主磁铁横梁上的两个励磁线圈；两个开口相对的Π形内磁铁，用于改善磁场分布，该两个内磁铁分别位于两Π形主磁铁的空腔内，且该两个内磁铁各有两个线圈，该两个线圈分别位于内磁铁的极头上。
所述内磁铁的磁力线方向与在主磁铁中的磁力线方向相反，产生阶梯形的磁场分布。
所述主磁铁与位于其空腔内的内磁铁组成一组，同一组内的主磁铁和内磁铁开口方向一致，一组为上部分，另一组为下部分，各组开口向内，上下两部分的开口相对，且有一间隙，使上下两部分完全对称。
所述缠绕在主磁铁横梁上的两个励磁线圈由同一电源供电，所述缠绕在内磁铁极头上的四个线圈由同一电源供电。
中间的扁椭圆形为束流横截面的轮廓，束流方向由纸内指向纸外，束流水平方向的中间部分几乎不感受磁场的作用，而水平方向的两端则受到相反的磁场作用力。
本发明的嵌套型磁铁是因为该类型磁铁是由两个独立的、结构上分为内外的磁铁回路所组成，外磁铁(即主磁铁)提供主要的磁场分布，而内磁铁用来改善该磁场分布。在没有内磁铁的情况下，边缘场的下降较缓(如磁铁间隙的外侧)，两个主磁间隙的边缘磁场相互影响，从而形成如图3所示的磁场分布，图3是利用MAFIA程序得到的嵌套型磁铁在无内磁铁时磁场沿水平轴的分布示意图。
内磁铁的磁力线方向与在主磁铁中的磁力线方向相反，主磁隙漏出的磁通被内磁铁吸走，从而使磁场分布急速下降即具有明显的台阶形分布。调节内磁铁独立的励磁线圈可以进一步改善磁场的分布。
本发明提供的嵌套型磁铁分为上下完全对称的两个部分，上部主磁铁与下部主磁铁有一组励磁线圈(两个，上部主磁铁与下部主磁铁各一个，分别缠绕在上部主磁铁与下部主磁铁的横梁上)，上部内磁铁与下部内磁铁也有一组线圈(四个，上部内磁铁与下部内磁铁各两个，分别缠绕在上部内磁铁与下部内磁铁的极头上)。所述缠绕在上部主磁铁与下部主磁铁横梁上的两个励磁线圈由同一个电源供电，缠绕在上部内磁铁与下部内磁铁极头上的四个线圈由同一个电源供电，从而保证磁场的上下对称性。
因为这类磁铁所需要的磁场强度较低，通常低于0.5T，磁间隙又很小，因而只需要较低的励磁安匝数(如下表1所示，表1给出一个设计例子，是阶梯场磁铁模型的基本参数)。内磁铁线圈不需要水冷而采用较细的导线(例如直径为1mm的铜导线)，从而可以保证磁铁结构的紧凑性。上下磁铁先独立地用环氧绕涛的方法成形，然后再从左右两边用机械的方法固定在一起，例如采用在磁铁的两边设计安装用的凸起部分并用螺栓固定。
  参数   数值
  铁芯长度(mm)   150
  磁场强度(T)   0.2
  磁间隙(mm)   44
  内磁轭宽度(mm)   8
  外磁轭内边距中心距离(mm)   26
  外磁轭宽度(mm)   200
  外磁铁线圈总安匝数(AT)   15600
  内磁铁线圈总安匝数(AT)   5600
表1
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种嵌套型磁铁，其特征在于，该磁铁包括：
两个开口相对的п形主磁铁，用于提供磁场分布；
分别缠绕在该п形主磁铁横梁上的两个励磁线圈；
两个开口相对的п形内磁铁，用于改善磁场分布，该两个内磁铁分别位于两п形主磁铁的空腔内，且该两个内磁铁各有两个线圈，该两个线圈分别位于内磁铁的极头上；
其中，该内磁铁的磁场分布与该主磁铁的磁场分布是相反的，能够将位于主磁铁边缘的磁通吸收到该内磁铁中，缩短边缘磁场的延伸距离并改善磁铁的纵向分布，形成沿纵向为硬边近似的阶梯形的磁场分布。
2.根据权利要求1所述的嵌套型磁铁，其特征在于，所述主磁铁与位于其空腔内的内磁铁组成一组，同一组内的主磁铁和内磁铁开口方向一致，一组为上部分，另一组为下部分，各组开口向内，上下两部分的开口相对，且有一间隙，使上下两部分完全对称。
3.根据权利要求1所述的嵌套型磁铁，其特征在于，所述缠绕在主磁铁横梁上的两个励磁线圈由同一电源供电，所述缠绕在内磁铁极头上的四个线圈由同一电源供电。
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