CN101488391A - 带边缘场修正的复合型磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带边缘场修正的复合型磁铁，该复合型磁铁由一主磁铁和位于该主磁铁至少一端的附加磁铁构成，该主磁铁的一端对应一附加磁铁。利用本发明，能够克服现有技术存在的缺陷，有效改善大孔径磁铁端部边缘磁场的分布。

Description

带边缘场修正的复合型磁铁

技术领域

本发明涉及电磁场技术领域，尤其是一种带边缘场修正的复合型磁铁，用于带电粒子束装置。

背景技术

很多环形粒子加速器和束流输运线上需要采用较大孔径(譬如磁间隙或内切半径大于100mm)的磁铁，包括二极磁铁、四极磁铁和高阶磁铁。而磁铁产生的纵向磁场分布的形状与其孔径直接相关，孔径越大，其边缘磁场的延伸距离也就越大，而理想的磁场纵向分布是方波形的(硬边近似)。

大孔径磁铁的边缘场有三个明显的缺点：

一是增加了边缘场在整个积分磁场中的比重，从而使实际的束流光学与原始采用硬边近似时计算的束流光学有很大的差别，造成实际场情况下的线性束流光学调整困难和束流包络增加。

二是因为边缘磁场的尾巴较长，容易引起相邻磁铁的边缘磁场互相干扰，从而影响磁铁中的场分布。

三是大的边缘磁场也产生大的高阶非线性磁场，这也是束流动力学设计所不希望的。

目前已有的减小磁铁边缘场延伸距离的方法，是对常规的普通磁铁(非超导磁铁)采用在磁铁端部增加一块特殊形状的屏蔽磁铁。该方法有一定的效果，但加屏蔽磁铁后的磁场分布不好，且屏蔽铁很容易饱和，在不同场水平下对场的分布影响较大。

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带边缘场修正的复合型磁铁，以克服现有技术存在的缺陷，改善大孔径磁铁端部边缘磁场的分布。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种带边缘场修正的复合型磁铁，该复合型磁铁由一主磁铁和位于该主磁铁至少一端的附加磁铁构成，该主磁铁的一端对应一附加磁铁。

优选地，所述主磁铁包括：一主磁铁磁轭；偶数个对称放置的、位于该主磁铁磁轭内侧的、与主磁铁磁轭成为一体的主磁铁极头；缠绕于每个主磁铁极头上的主磁铁线圈，该主磁铁线圈基本覆盖该主磁铁极头的侧表面。

优选地，所述主磁铁为二极磁铁、四极磁铁或高阶磁铁。

优选地，所述附加磁铁包括：一与主磁铁磁轭截面形状近似的附加磁铁磁轭；与主磁铁的磁极头数目相等的、对称放置的位于该附加磁铁磁轭内侧的附加磁铁极头，该附加磁铁极头与附加磁铁磁轭成为一体；缠绕于该每个附加磁铁极头上的附加磁铁线圈，该附加磁铁线圈部分覆盖该附加磁铁极头的侧表面。

优选地，所述附加磁铁线圈缠绕于附加磁铁极头靠近附加磁铁磁轭的侧表面。

优选地，所述主磁铁和所述附加磁铁固定在一起，所述主磁铁极头和同极性(N极或S极)的附加磁铁极头在位置上是相对应的，且附加磁铁磁轭的厚度小于主磁铁磁轭的厚度。

优选地，所述主磁铁和附加磁铁采用机械方法紧密固定在一起。

优选地，所述主磁铁和附加磁铁采用螺钉紧密固定在一起。

优选地，所述主磁铁线圈和附加磁铁线圈采用同一电源供电。

(三)有益效果

本发明提供的这种带边缘场修正的复合型磁铁，能够克服现有技术存在的缺陷，有效改善大孔径磁铁端部边缘磁场的分布。在很多需要采用大孔径磁铁的加速器和束流输运线上有重要的应用；在其它一些加速器中即使孔径本身不大，但孔径对有效长度的比值较大或对磁场的纵向分布要求较高或相邻的磁铁相距较近从而可能会产生磁场相互干扰的情况下，本磁铁设计也是很好的解决方案。

附图说明

图1是本发明提供的带边缘场修正的复合型磁铁(二极磁铁)的结构示意图；

图2是普通磁铁与带边缘场修正的复合型磁铁的边缘场分布的比较示意图；

图中，1为主磁铁磁轭；2为主磁铁线圈；3为主磁铁极头；1′为附加磁铁磁轭；2′为附加磁铁线圈；3′为附加磁铁极头。

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。

如图1所示，图1是本发明提供的带边缘场修正的复合型磁铁(二极磁铁)的结构示意图，该复合型磁铁由一主磁铁和位于该主磁铁至少一端的附加磁铁构成，该主磁铁的一端对应一附加磁铁。

所述主磁铁包括：一主磁铁磁轭；偶数个对称放置的、位于该主磁铁磁轭内侧的、与主磁铁磁轭成为一体的主磁铁极头；缠绕于每个主磁铁极头上的主磁铁线圈，该主磁铁线圈基本覆盖该主磁铁极头的侧表面。所述主磁铁一般为二极磁铁、四极磁铁或高阶磁铁。

所述附加磁铁包括：一与主磁铁磁轭截面形状近似的附加磁铁磁轭；与主磁铁的磁极头数目相等的、同样对称放置的位于附加磁铁磁轭内侧的附加磁铁极头，该附加磁铁极头与附加磁铁磁轭成为一体；缠绕于每个附加磁铁极头上的附加磁铁线圈，该附加磁铁线圈部分覆盖该附加磁铁极头的侧表面。所述附加磁铁线圈缠绕于附加磁铁极头靠近附加磁铁磁轭的侧表面。

所述主磁铁和所述附加磁铁固定在一起，所述主磁铁极头和同极性(N极或S极)的附加磁铁极头在位置上是相对应的，且附加磁铁磁轭的厚度小于(一般是远小于)主磁铁磁轭的厚度。

孔径很大的磁铁(二极磁铁或四极磁铁或高阶磁铁)的边缘场分布较宽，因此可以采用如图1所示的磁铁结构(二极磁铁的例子，对于四极磁铁或高阶磁铁的情况是类似的)，图中显示磁铁两个端部中的一个，两块磁铁间的距离拉得较大以便表达结构，实际情况是两者较紧密地靠在一起的。图1的右边为普通设计的二极磁铁结构(主磁铁)，左边为本专利特别增加的结构(附加磁铁)，从而构成复合型磁铁。

端部附加磁铁的铁芯厚度根据具体情况而定，一般为几十mm，它可以吸收该区域的磁通从而使磁场下降的更快，附加磁铁上有一对上下对称的励磁线圈以进一步改善磁场分布，从而使磁场分布更接近于理论上的方波形，图2给出了普通磁铁和复合磁铁的边缘磁场分布比较。因为端部漏磁通主要集中在磁间隙附近，主线圈对边缘磁场的贡献通常小于铁芯的贡献，并且总的漏磁通不大，不至于导致附加磁铁的磁场饱和。

考虑到主磁铁的线圈超出其铁芯部分，附加铁芯只能位于该线圈的外侧，附加的小励磁线圈可位于铁芯的左右两侧、或同主线圈一样仍套在附加磁铁的上下磁极上(位置比主线圈更靠上或更靠下)，因为附加磁铁的截面形状不必与主磁铁的完全相同，关键的是在与主磁铁间隙相对应位置的磁极面宽度和高度一样就可以了。两块磁铁间的距离、附加磁铁的厚度、所加的励磁铁安匝数都是在实际应用中根据具体情况可调的。

实际应用时，附加磁铁可通常螺钉等机械方法与主磁铁固定在一起，为节省经费，附加磁铁的线圈与主线圈可采用同一台电源供电，仅通过设计过程中的附加线圈的匝数和两个磁铁间的距离优化磁场的分布。

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 (9)

1、一种带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，该复合型磁铁由一主磁铁和位于该主磁铁至少一端的附加磁铁构成，该主磁铁的一端对应一附加磁铁。

2、根据权利要求1所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述主磁铁包括：

一主磁铁磁轭；

偶数个对称放置的、位于该主磁铁磁轭内侧的、与主磁铁磁轭成为一体的主磁铁极头；

缠绕于每个主磁铁极头上的主磁铁线圈，该主磁铁线圈基本覆盖该主磁铁极头的侧表面。

3、根据权利要求1所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述主磁铁为二极磁铁、四极磁铁或高阶磁铁。

4、根据权利要求1所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述附加磁铁包括：

一与主磁铁磁轭截面形状近似的附加磁铁磁轭；

与主磁铁的磁极头数目相等的、对称放置的位于该附加磁铁磁轭内侧的附加磁铁极头，该附加磁铁极头与附加磁铁磁轭成为一体；

缠绕于该每个附加磁铁极头上的附加磁铁线圈，该附加磁铁线圈部分覆盖该附加磁铁极头的侧表面。

5、根据权利要求4所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述附加磁铁线圈缠绕于附加磁铁极头靠近附加磁铁磁轭的侧表面。

6、根据权利要求2或4所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述主磁铁和所述附加磁铁固定在一起，所述主磁铁极头和同极性的附加磁铁极头在位置上是相对应的，且附加磁铁磁轭的厚度小于主磁铁磁轭的厚度。

7、根据权利要求1所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述主磁铁和附加磁铁采用机械方法紧密固定在一起。

8、根据权利要求7所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述主磁铁和附加磁铁采用螺钉紧密固定在一起。

9、根据权利要求1所述的带边缘场修正的复合型磁铁，其特征在于，所述主磁铁线圈和附加磁铁线圈采用同一电源供电。

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