CN102686006A

CN102686006A - 简化高阶场磁铁

Info

Publication number: CN102686006A
Application number: CN2011100633918A
Authority: CN
Inventors: 唐靖宇; 郭臻
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102686006B

Abstract

本发明公开了一种简化高阶场磁铁，涉及磁铁技术，包括磁极头、磁轭、励磁线圈；a)只设有靠近中心平面的四个磁极头；b)磁轭进行简化；c)励磁线圈的极性是根据磁场为对称的或反对称的进行设置；d)还设有两屏蔽磁铁板。本发明简化高阶场磁铁，成本低、耗电少、容易制造，对任意阶数的磁铁，根据需要都可以随意产生对称的磁场或反对称的磁场。

Description

简化高阶场磁铁

技术领域

本发明涉及磁铁技术领域，是粒子加速器磁铁技术，特别是一种简化高阶场磁铁。

背景技术

在现有的大型粒子加速器中，经常用到高阶场磁铁，从二阶场磁铁、三阶场磁铁到甚至五阶场磁铁，其标准设计的高阶场磁铁具有与“阶数加一”的二倍相等的磁极，因此，这些磁铁又称为六极磁铁、八极磁铁和十二极磁铁。常规的高阶磁铁具有缺点：阶数越高，极头数越多，结构相对也越复杂，从而造成造价也越高；如要求同样的高阶场强度，则阶数越高极面磁场随孔径的加大而增加的也越快，而这是与阶数越高极面磁场可以达到的强度越低是相反的，通过增加磁铁长度虽然可以部分弥补这个缺点，但又进一步增加了造价；不能随意提供对称或反对称的磁场分布，即偶数阶场磁铁如六极磁铁和十极磁铁等只能提供对称的磁场分布，而奇数阶场磁铁如八极磁铁和十二极磁铁等只能提供反对称的磁场分布。这些缺点造成高阶场磁铁在粒子加速器的某些应用方面存在较大的困难或不利局面。

发明内容

本发明的目的是提供一种简化高阶场磁铁，无论是多少阶数，它均只有4个磁极，因而在造价上和制造难度上具有明显的优势，在使用消耗电能方面也有很大的优势。

本发明所描述的简化高阶场磁铁还具有另外一个特性，即对任意的阶数，既可以产生左右对称的磁场，也可以产生左右反对称的磁场，而标准的高阶场磁铁只能是偶数阶磁铁产生对称的磁场、奇数阶磁铁产生反对称的磁场。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种简化高阶场磁铁，包括磁极头、磁轭、励磁线圈；其中，

a)只设有靠近中心平面的四个磁极头，极头由铁磁性材料制作，其靠近磁铁中心的曲面形状根据不同的磁场要求进行优化；磁极头对称地布置在中心平面的上下、左右，并与磁轭通过机械方法固定在一起或与相邻的磁轭部分直接加工成一体，将上下左右四个磁轭通过机械方法装配成一个整体；

b)磁轭进行简化：如果是反对称磁场，上下位置和左右位置的磁轭均为铁磁性材料，既提供磁场回路也提供机械支撑；如果是对称磁场，只设有左右的磁轭，上下位置磁轭以非铁磁性材料的薄板代替，仅提供机械支撑；

c)每个磁极头均套有一组励磁线圈，各励磁线圈是串联供电的，但励磁线圈的极性是根据磁场为对称的或反对称的进行设置；

d)还设有两屏蔽磁铁板，两屏蔽磁铁板纵向设置，对称地位于中心水平平面的上下位置，板面相互平行，两屏蔽磁铁板分别由非铁磁性材料的支撑杆或板与上下磁轭固连。

所述的简化高阶场磁铁，其所述d)点的屏蔽磁铁板，其板面距离磁轭的高度，其屏蔽磁铁板厚度和宽度根据具体高阶场磁铁的情况设置，屏蔽磁铁板长度与磁铁的磁轭轴向长度近似相同。

所述的简化高阶场磁铁，其所述d)点的两屏蔽磁铁板分别由非铁磁性材料的支撑杆或板与上下磁轭固连，支撑杆内端与屏蔽磁铁板纵中线固接，外端与磁轭固接；支撑板纵向设置，内边缘与屏蔽磁铁板纵中线固接，外边缘与磁轭固接；支撑板长度小于磁轭长度。

所述的简化高阶场磁铁，其所述支撑杆为四个，每一屏蔽磁铁板由两个支撑杆支撑，两支撑杆分别位于屏蔽磁铁板的两端；支撑板为两个，每一屏蔽磁铁板由一支撑板支撑。

本发明的简化高阶场磁铁与现有的标准高阶场磁铁相比，其优点在于磁铁结构更为简单、造价便宜、运行费用低、对任意阶磁铁根据需要都可以产生对称磁场或者反对称磁场，特别是最后一条是性能上的巨大优势，其缺点是该类型磁铁只能用在磁铁位置束流横向截面是扁平的情况而不像标准高阶场磁铁可以适应不同截面形状的束流。

附图说明

图1为本发明的反对称简化八极磁铁的横截面结构示意图；

图2是参照的标准八极磁铁横截面示意图；

图3是利用二维磁场程序模拟得到的本发明的简化八极磁铁横截面上磁力线的分布图；

图4是本发明的简化八极磁铁垂直磁场分量沿水平方向的分布图；

图5是本发明磁铁与标准八极磁铁垂直磁场分量的相对误差示意图。

具体实施方式

高阶场磁铁主要应用于加速器中的束流传输和束流操纵，包括束流输运线上和环形加速器中。在一些特殊情况下，束流呈现扁平的特性，在一个方向(如水平方向)很长而在另一个方向上(如垂直方向)很短，从而对高阶场磁场的要求和对束流的通行能力仅局限在一个窄长的长方形区域中。本发明的简化高阶场磁铁正是利用了这一个特殊的应用条件。

作为本发明的简化高阶场磁铁的典型例子，图1给出了一台反对称的简化八极磁铁(或称为三阶场磁铁)的横截面结构。本发明的简化八极磁铁，同标准的八极磁铁(见图2)相比在结构上有一些变化一样，其核心部分包括四个部分：磁极头1、磁轭2、励磁线圈3、屏蔽磁铁板4。本发明的高阶场磁铁结构具有以下的特征：一是只保留标准多极磁铁靠近中心平面的四个磁极头1，且其极面的形状在标准双曲线形的基础上进行优化设计；二是磁轭2根据情况可以进行简化，如果是对称磁场，则只保留左右的磁轭2，上下位置的磁轭2可以保留、也可以省掉，而仅以非铁磁性材料的机械支撑结构代替，如果是反对称磁场，则上下位置的磁轭2既可设计为图1所示的圆形结构，也可以简化为较薄的板形结构，左右位置则与通常的磁轭类似，为铁磁性材料，既提供磁场回路也提供机械支撑；三是与标准的高阶场磁铁一样每个磁极头1均有一组励磁线圈3，各励磁线圈3是串联供电的，但励磁线圈3的极性是根据磁场为对称的或反对称的进行设置；四是有一对起屏蔽作用的磁铁板4对称地位于中心水平平面的上下位置，其高度位置、厚度和宽度根据具体高阶场磁铁的情况进行优化设计，长度与磁铁的磁轭2长度近似相同，该对屏蔽磁铁板4分别由各自的非铁磁性材料支撑杆(或板)5与上下磁轭2相连。

本发明的简化高阶场磁铁：

磁极头1：其形状和位置决定了该磁铁是多少阶的以及工作磁场区的范围，为了使磁铁内部不过分饱和，磁极头靠磁铁中心的曲面(磁极面)上的最高磁场一般不超过0.7T。

磁轭2：它是为磁场提供回路的磁铁部分，如果是对称磁场，只需要左右各一部分磁轭，分别给左边和右边的二块磁极头提供磁场回路；如果是反对称磁场，则上面和下面的磁轭也能为上面的二块磁极头和下面的二块磁极头分别提供磁场回路，但可以显著简化，如变成板形结构以减少造价。

励磁线圈3：它是为磁铁提供励磁电流的，做成整体套在磁极头上，并由同一台电源给四个线圈串联供电；在同侧的二个线圈在上下二个极面上产生相反的磁极，即它们的磁场方向是一致的；在不同侧的线圈对之间如果是励磁方向一致的，则产生对称磁场，如果励磁方向是不一致的，则产生反对称磁场。

屏蔽板4和支撑杆5：屏蔽板4是利用其吸收一部分磁通的能力起到改善磁场分布的形状的作用，上下对称地放置一对，它们的高度位置、厚度和宽度与具体的磁铁设计有关，甚至可以设计为厚度有变化的，其长度与磁铁的铁芯(磁极头和磁轭)一样长；另有非铁磁性材料的支撑杆5，它们起到将屏蔽板4固定到上下磁轭2的作用。

本发明的简化高阶场磁铁还具有另外一个特点，即对阶数为n的高阶场磁铁，它可以提供一个具有以下形式的场分布，参见图3、图4：

(反对称场)，

或

(对称场)

其中，x水平方向，y垂直方向，a为满足特殊磁场分布要求设置的磁场中心部分磁场为零的区域在水平方向的半宽度，通常为零；B_y(x)代表垂直磁场分量随水平位置的函数，A对应于该磁铁的高阶场强度。

因为具有对称性，该磁铁的水平磁场分量在中心平面上始终为零，而垂直方向限制为很窄的，在不同垂直高度下的水平磁场分量也相对较小，通常不作重点考虑。

本发明的简化高阶场磁铁的一个典型应用是在束流输运线上对终点靶上的束斑分布进行均匀化，通过合适的束流线性光学设计和一个或二个阶数不同的反对称高阶场磁铁的作用可以在一个方向上(如水平方向)将束斑转换为近似均匀的，如在另一个方向上(如垂直方向)再增加一个或二个阶数不同的反对称高阶场磁铁，则可以将束斑的均匀化做的更好。

图5是本发明简化高阶场磁铁与标准八极磁铁磁场分布的相对误差图。可见，相对误差在1％以内，可以满足大多数情况下的高阶场应用要求。

Claims

1.一种简化高阶场磁铁，包括磁极头、磁轭、励磁线圈；其特征在于，

2.如权利要求1所述的简化高阶场磁铁，其特征在于，所述d)点的屏蔽磁铁板，其板面距离磁轭的高度，其屏蔽磁铁板厚度和宽度根据具体高阶场磁铁的情况设置，屏蔽磁铁板长度与磁铁的磁轭轴向长度近似相同。

3.如权利要求1所述的简化高阶场磁铁，其特征在于，所述d)点的两屏蔽磁铁板分别由非铁磁性材料的支撑杆或板与上下磁轭固连，支撑杆内端与屏蔽磁铁板纵中线固接，外端与磁轭固接；支撑板纵向设置，内边缘与屏蔽磁铁板纵中线固接，外边缘与磁轭固接；支撑板长度小于磁轭长度。

4.如权利要求1或3所述的简化高阶场磁铁，其特征在于，所述支撑杆为四个，每一屏蔽磁铁板由两个支撑杆支撑，两支撑杆分别位于屏蔽磁铁板的两端；支撑板为两个，每一屏蔽磁铁板由一支撑板支撑。