CN103345957A - 一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置及其制造方法，该装置包括：准直靶座、上磁轭、下磁轭、四个励磁线包、二个屏蔽磁体、真空管道、连接导线、第一接头和第二接头；该方法包括以下步骤：根据欲操控带电粒子束的全粒子尺寸，确定真空管道的内、外孔径与极面孔径；在确定了极面孔径的常规标准六极场磁铁的基础上，取消其中位于同一直径上的二个磁极头，并使得保留的四个磁极中的一对相邻60°的磁极极性反转；以真空管道外直径和极面尺寸为限，以真空管道外表面为屏蔽磁体装配基础，以屏蔽磁体不与磁极头表面有直接接触为限，选择屏蔽磁体形状，并调整磁极头形状使得散焦扇区侧变窄且磁场弱化至要求的范围内。

Description

一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及核技术及其应用领域中带电粒子束输运的技术领域，特别涉及一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置及其制造方法。

背景技术

加速器输出的束流横向尺寸一般在毫米量级，其横向分布一般是不均匀的。在某些场合为了获得较好的使用效果，可能对输出束流进行均匀化操控，低能加速器输出束流操控技术多数采用动态扫描磁场技术或与准直器技术结合。与准直器技术结合时，丢失的带电粒子会对环境造成放射性。近几十年来，领域内开始考虑发展质子束驱动次临界核反应堆，并做了一些研究工作，此方向的装置称为加速器驱动的次临界反应堆，简称ADS。因此，ADS是将加速器装置与核反应堆装置连接在一起的一个系统。由于ADS系统要求加速器输出束流功率在10MW左右，而加速器驱动的次临界反应堆可能输出1000MW以上的热功率，人们又称ADS为能量放大器。一般的加速器装置输出的最大束流功率在10kW左右，而ADS要求的束流功率在10MW左右。ADS系统中的加速器输出束流功率（流密度）极高。为了在反应堆中产生的功率有较好的均衡性，通常会要求驱动质子束比较均匀地撞击重金属靶。同时，加速器总是工作在高真空条件下，而核反应堆并不要求高真空条件，为了满足束流传输的高真空条件必须在重金属靶前用金属窗膜（称为质子束窗）将两个装置隔离。为了不使得高功率质子束烧蚀质子束窗，也必须将加速器输出的束流进行均束化拓展。目前，国际上通常采用静态高阶磁场进行高功率束流的均束化操控。目前，发表的反对称非线性高阶场磁铁文献，多数属于适用于扁平束的操控，只能够安装在扁平束腰处，在金属靶上获得的束斑基本类似于矩形束斑。

高阶磁场技术适用于高功率粒子束流的输运传输，可用于加速器驱动次临界堆的束流操控变换，也可用于其它低能量加速器输出束流的操控变换，可降低丢失粒子对环境放射剂量率的影响。简化高阶磁场技术起源于标准高阶场磁场技术，与其它的简化高阶场技术（参见唐靖宇、郭臻、王相綦等人：A novel structure of multipole field magnets and their applications inuniformizing beam spot at target；Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A691(2012)97-108）。文中介绍了简化高阶场技术，形成磁场的可用区域（即带电粒子粒子能够通过的区域）通常为扁长的矩形区域。文中介绍的磁铁安装在实空间截面非常扁的椭圆束位置。该文介绍的简化高阶场技术，当水平径向是聚焦作用时，交叉垂直的另一方向散焦作用被屏蔽磁体弱化，但是屏蔽磁体也阻挡了该区域粒子运动的通道，所以这样的简化高阶场技术不宜直接用于圆形束流的束流粒子操控。该文介绍的简化高阶场技术，在横向的一个方向是聚焦作用，能够将该方向的束流粒子向束轴方向聚束，但在横向的另一交叉垂直方向是被弱化的散焦作用磁场。

常规的标准六极场磁铁，在同步加速器或储存环中主要起色品校正作用，其磁场具有对称轴空间对称性；其极面孔径内其它区域内自然可划分为六个扇区，这些扇区的磁场都是与对称轴中心对称的，且扇区交错排列具有聚焦作用或散焦作用。因此，常规的标准六极场磁铁的位于同一直径方向的扇区，很自然地，其一个扇区的磁场是聚焦磁场，对称中心相隔180°另一个扇区的磁场必然是散焦磁场。欲使得常规标准六极场磁铁以同一直径为对称轴的两个扇区同时具有聚焦作用是不可能的，唯一的方法是取消其中二个位于同一直径上的一对磁极头，并将其中对称轴夹角为60°的二个磁极的极性进行调变，使得保留的四个磁极头极性仍然交错排列。由此，取消二个磁极头的磁铁，称为圆孔径反对称简化六极场磁铁（simplifiedsixtupole field magnet，SSFM）。具有水平横向为对称轴的两个60°扇区是聚焦磁场的装置称为I型圆孔径反对称简化六极场磁铁，或记为SSFM-I。具有垂直横向为对称轴的两个60°扇区是聚焦磁场的装置称为II型圆孔径反对称简化六极场磁铁，或记为SSFM-II。

这样的圆孔径反对称简化六极场磁铁极面孔径内分割为四个跨度为60°或120°的磁场扇区，其中二个60°磁场扇区场型是聚焦磁场，另外二个120°的磁场扇区场型是散焦磁场。当聚焦扇区磁场对束核粒子聚焦的同时，另外的散焦扇区磁场对另一部分束核粒子散焦，其作用相当于将扁矩形斑束或椭圆斑束往圆斑束方向调整。要想如此操控束粒子，使得束流成为均匀化程度比较高的圆形束，必须取消至少弱化二个120°的磁场扇区孔径内的散焦磁场。在极面孔径真空管道外表面敷设磁体块对部分磁场进行屏蔽是一项可行的措施。模拟计算表明，这样的措施是有效的。

在同一直径的圆周上，二个120°的磁场扇区（对称轴）的角向磁场与二个60°的磁场扇区（对称轴）的角向磁场之比，从0.45降到了0.36（如图12（a）、12（b）所示），在120°磁场扇区同一圆弧段上角向磁场明显下降。

另外，必须继续调变圆孔径反对称简化六极场磁铁的极面形状或屏蔽磁体形状与位置，以获得极面孔径内120°的磁场扇区角向磁场的整体弱化。在继续调变极面形状或屏蔽磁体形状与位置后，同一圆弧段上的归一化角向磁场降低到0.17～0.36（如图13所示）。特别地，沿120°的磁场扇区对称轴上的最高角向磁场从610高斯下降至约420高斯，有明显的改善（如图14（a）、14（b）所示）。

在对圆孔径反对称简化六极场磁铁进行弱化的120°扇区的角向磁场优化设计时，可能会使得该磁体的60°的磁场扇区的角向磁场产生了更高阶的磁场分量，这将有利于对束核粒子的聚焦操控（如图15（a）、15（b）所示）。可以看出，如图15（b）所示，优化设计后的圆孔径，高于常规标准六极场磁铁的角向磁场随位移的变化速率。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供二种型号的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，用于在两个60°的磁场扇区同时进行聚焦均束操控束流粒子。两种型号的装置分别具有水平横向聚焦功能与垂直横向聚焦功能。同时，要确保可对横向截面呈圆柱状束流（斑）进行操控，或均束操控获得圆柱状束（斑），故称为圆形孔径反对称简化六极场磁铁装置（simplified sixtupole fieldmagnet with circular aperture，CASSFM），具有水平横向聚焦功能的记为CASSFM-I，具有垂直横向聚焦功能的记为CASSFM-II。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，该装置的型号分为I型装置和II型装置，该两种型号装置均包括：准直靶座，上磁轭、下磁轭，第一励磁线包、第二励磁线包、第三励磁线包、第四励磁线包，真空管道，第一屏蔽磁体、第二屏蔽磁体，连接导线，以及定位销钉、连接螺栓和螺母，绝缘支架与螺钉；其中，

所述准直靶座用于安装准直靶；

所述上磁轭包括第一上磁轭磁极头和第二上磁轭磁极头；所述下磁轭包括第一下磁轭磁极头和第二下磁轭磁极头；

所述四个励磁线包用于向所述四个磁轭上的磁极头提供励磁电流；所述四个励磁线包串联供电，使所述四个磁轭上的磁极头极性交错排列；

所述二个屏蔽磁体安装在所述真空管道的外表面上，并且与所述四个磁轭的磁极头无接触；其中I型装置的屏蔽磁体以横向垂直轴对称安装，而II型装置的屏蔽磁体以横向水平轴对称安装；

所述连接导线用于实现所述第四励磁线包与所述第一励磁线包的串联馈电，所述第一励磁线包与所述第二励磁线包的串联馈电，所述第二励磁线包与所述第三励磁线包的串联馈电，所述第三励磁线包与所述第四励磁线包的串连馈电，以及实现所述第四励磁线包与第二接头连接和所述第一励磁线包与第一接头连接；

所述第一接头和第二接头用作不直接短接的馈电接头与冷却水接口；

所述定位销钉、连接螺栓和螺母用于所述二个磁轭之间的连接定位；

所述绝缘支架与螺钉用于第一励磁线包引线、第四励磁线包引线之间的绝缘以及它们与磁轭之间的绝缘支承定位。

进一步的，所述准直靶座包括第一准直靶座、第二准直靶座、第三准直靶座和第四准直靶座。

进一步的，所述准直靶座由无磁不锈钢材料制成。

进一步的，所述上磁轭包括准直靶座支承。

进一步的，I型装置的第一和第二上磁轭的磁极头夹角为120°，而II型装置的第一和第二上磁轭的磁极头夹角为60°。

进一步的，所述上磁轭的准直靶座支承由无磁不锈钢材料制成；所述上磁轭的其余部分由磁性材料制成。

进一步的，所述下磁轭还包括磁铁安装底座。

进一步的，所述磁铁安装底座由无磁不锈钢材料制成；所述下磁轭的其余部分由磁性材料制成。

进一步的，所述第一和第二励磁线包装配在所述上磁轭上，所述第一和第二励磁线包串联连接；励磁线包定位箍与锁紧螺钉用于使所述第一和第二励磁线包在所述上磁轭的两个磁极头上套装定位，且与上磁轭绝缘隔离。

进一步的，所述第三和第四励磁线包装配在所述下磁轭上，所述第三和第四励磁线包串联连接；励磁线包定位箍与锁紧螺钉用于使所述第三和第四励磁线包在所述下磁轭的两个磁极头上套装定位，且与下磁轭绝缘隔离。

进一步的，所述四个励磁线包都由可通冷却水的绝缘铜导线绕制而成。

进一步的，所述绝缘铜导线为中空的铜质方形导线，外表面敷有高强度的绝缘涂层，所述四个励磁线包上都装有通冷却水的励磁线包馈电导线。

进一步的，所述冷却水为纯净水。

进一步的，I型装置的所述第一屏蔽磁体位于所述第一上磁轭磁极头与第二上磁轭磁极头之间的对称轴位置；所述第二屏蔽磁体位于I型装置的所述第一下磁轭磁极头与所述第二下磁轭磁极头之间的对称轴位置；而II型装置的所述第一屏蔽磁体位于所述第一上磁轭磁极头与第二下磁轭磁极头之间的对称轴位置，所述第二屏蔽磁体位于II型装置的所述第二上磁轭磁极头与所述第一下磁轭磁极头之间的对称轴位置。

进一步的，所述二个屏蔽磁体都由磁性材料制成。

进一步的，所述真空管道为圆筒状，壁厚为3mm。

进一步的，所述装置的长宽尺寸为403mm×395mm，磁铁对称中轴线高为187mm。

另外，本发明还提供一种如上述圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据欲操控带电粒子束的全粒子尺寸，确定真空管道的内、外孔径与极面孔径；

步骤2：在确定了极面孔径的常规标准六极场磁铁的基础上，对于I型装置取消位于横向垂直直径位置的二个磁极头，对于II型装置取消位于横向水平直径位置的二个磁极头；对于I型装置，使得保留四个磁极头后形成以横向水平直径为对称中心线的二个60°扇区的I型装置；对于II型装置，使得保留四个磁极头后形成以横向垂直直径为对称中心线的二个60°扇区的II型装置；

步骤3：在保留的四个磁极头中，选择其中的夹角为60°的两个磁极头上的二个励磁电流线圈的电流反向，以使得保留的四个磁极头的极性交错排列，并使得两个60°扇区均为聚焦扇区，获得与常规六极场磁铁对称性不同的反对称简化六极场磁铁；其中励磁电流的取向宜确保二个60°扇区的磁场为反对称的聚焦磁场，二个120°扇区的磁场为反对称的散焦磁场；

步骤4：以真空管道外直径和极面尺寸为限，以真空管道外表面为屏蔽磁体装配基础，以屏蔽磁体不与磁极头表面有直接接触为限，选择屏蔽磁体形状，并调整磁极头形状使得散焦扇区侧变窄且磁场弱化至要求的范围内。

（三）有益效果

本发明所提供的一类两种型号圆孔径反对称简化六极场磁铁装置极面孔径具有与全粒子尺寸相吻合的孔径，可以在带电粒子束流输运线的任何一处位置安装并且操控；由于其具有一定的平面与中心几何对称性与场型反对称性，按水平横向聚焦作用或垂直横向聚焦作用两种需求交错排列组合使用，可以对束核粒子进行均束操控，与交叉垂直双向聚焦作用的简化十二极场磁铁等反对称高阶场配合使用，可以获得有较好均匀性的圆斑束；此外，该类两种型号的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置极面孔径内中心区域是反对称六极场，可以有效地补偿其它适用于扁（或椭圆）束反对称非线性磁场的均束效果。

附图说明

图1是根据本发明的两种型号圆孔径反对称简化十二极场磁铁装置制造方法的各步骤的示意图；其中，

图1（a）是I型装置所述制造方法的第一步的示意图；

图1（b）是II型装置所述制造方法的第一步的示意图；

图1（c）是I型装置所述制造方法的第二步的示意图；

图1（d）是II型装置所述制造方法的第二步的示意图；

图1（e）是I型装置所述制造方法的第三步的示意图；

图1（f）是II型装置所述制造方法的第三步的示意图；

图2是根据本发明的两种型号圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的结构示意图，图2（a）是I型装置结构示意，图2（b）是II型装置结构示意；

图3是图2所示装置中准直靶座的示意图；

图4是图2所示装置中上磁轭的示意图，同时给出了图2所示装置中第一、二励磁线包与上磁轭的装配关系，以及励磁线圈连接导线的定位夹与锁紧螺钉的安装关系；其中图4（a）是I型装置上磁轭的示意图，图4（b）是II型装置上磁轭的示意图。

图5是图2所示装置中下磁轭的示意图，同时给出了图2所示装置中第三、四励磁线包与左磁轭的装配关系，以及励磁线圈连接导线的定位夹与锁紧螺钉的安装关系；其中图5（a）是I型装置下磁轭的示意图，图5（b）是II型装置下磁轭的示意图。

图6是对本发明所提供的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的计算机模拟跟踪的跟踪系统入口处的粒子束横向相空间分布与实空间分布图；其中，

图6（a）为入口处相空间x-x′粒子呈高斯分布的归一化密度相图；

图6（b）为入口处相空间y-y′粒子呈高斯分布的归一化密度相图；

图6（c）为入口处实空间x-y粒子呈高斯分布的归一化密度相图；

图7是对本发明所提供的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的计算机模拟跟踪的跟踪系统出口处的粒子束横向相空间分布与实空间分布图；其中，

图7（a）为出口处相空间x-x′粒子的归一化密度相图；

图7（b）为出口处相空间y-y′粒子的归一化密度相图；

图7（c）为出口处实空间x-y粒子的归一化密度相图；

图8展示了无屏蔽磁体和有屏蔽磁体的圆孔径反对称简化六极场磁铁，及它们极面孔径内60mm直径圆周线上归一化角向磁场分布，其中，

图8（a）展示了无屏蔽磁体的圆孔径反对称简化六极场磁铁极面孔径内60mm直径圆周线上归一化角向磁场分布；

图8（b）展示了有屏蔽磁体的圆孔径反对称简化六极场磁铁极面孔径内60mm直径圆周线上归一化角向磁场分布；

图9展示了极面与屏蔽磁体优化的圆孔径反对称简化六极场磁铁极面孔径内60mm直径圆周线上归一化角向磁场分布；

图10展示了圆孔径反对称简化六极场磁铁极面孔径内散焦扇区角向磁场被屏蔽磁体弱化的数据，其中，

图10（a）展示了无屏蔽磁体圆孔径反对称简化六极场磁铁散焦扇区角向磁场沿对称轴分布；

图10（b）展示了极面与屏蔽磁体优化后的圆孔径反对称简化六极场磁铁散焦扇区角向磁场沿对称轴分布；

图11（a）展示了无屏蔽磁体圆孔径反对称简化六极场磁铁聚焦扇区对称轴上角向磁场沿对称轴分布，及其与标准六极场磁铁磁场幅值的对比；

图11（b）展示了极面与屏蔽优化后的圆孔径反对称简化六极场磁铁聚焦扇区对称轴上角向磁场沿对称轴分布，及其与标准六极场磁铁磁场幅值的对比；

图12（a）、12（b）展示了在同一直径的圆周上，二个120°的磁场扇区（对称轴）的角向磁场与二个60°的磁场扇区（对称轴）的角向磁场之比，从0.45降到了0.36，在120°磁场扇区同一圆弧段上角向磁场同样明显下降；

图13展示了在继续调变极面形状、屏蔽磁体形状与位置后，同一圆弧段上的归一化角向磁场降低到0.17～0.36；

图14（a）、14（b）展示了沿120°的磁场扇区对称轴上的最高角向磁场从610高斯下降至约420高斯，即有明显的改善；

图15（a）、15（b）展示了在对圆孔径反对称简化六极场磁铁进行弱化的120°扇区的角向磁场优化设计时，可能会使得该磁体的60°的磁场扇区的角向磁场产生了更高阶的磁场分量，这将加强了聚焦扇区方向对束流粒子的聚焦操控。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种圆形孔径反对称简化六极场磁铁装置，该装置的型号分为I型装置和II型装置，该两种型号装置均包括：准直靶座，I型和II型上磁轭，I型和II型下磁轭，第一励磁线包、第二励磁线包、第三励磁线包、第四励磁线包，励磁线包定位箍与锁紧螺钉，真空管道，第一屏蔽磁体、第二屏蔽磁体，连接导线，以及定位夹与紧固螺丝钉、定位销钉、连接螺栓和螺母。其中，所述准直靶座用于安装准直靶；所述上磁轭包括第一上磁轭磁极头和第二上磁轭磁极头；所述下磁轭包括第一下磁轭磁极头和第二下磁轭磁极头；所述四个励磁线包用于向所述二个磁轭上的磁极头提供励磁电流；所述四个励磁线包串联供电，使所述二个磁轭上的磁极头极性交错排列；所述二个屏蔽磁体安装在二个120°的磁场扇区所述真空管道的外表面上，并且与所述邻近的二个磁轭磁极头无接触。所述连接导线用于实现所述第四励磁线包与所述第一励磁线包的串联馈电，所述第二励磁线包与所述第三励磁线包的串联馈电，所述第三励磁线包与所述第四励磁线包的串联馈电；所述第一引线接头和第二引线接头用作不直接短接的馈电接头与冷却水接口；所述定位箍与锁紧螺钉用于励磁线包套装在磁极头上定位；所述定位销钉、连接螺栓和螺母用于所述二个磁轭之间的连接定位；所述定位夹与紧固螺钉，用于励磁线圈引线的定位及实现其与磁轭之间的绝缘效果。特别地，所述准直靶座包括第一准直靶座、第二准直靶座、第三准直靶座和第四准直靶座，所述准直靶座由无磁不锈钢材料制成。同样地，所述上磁轭包括准直靶座支承。所述第一和第二上磁轭磁极头的对称轴夹角，I型装置为120°，II型装置为60°。所述上磁轭的其余部分由磁性材料制成。同样地，所述下磁轭还包括磁铁安装底座。所述第一和第二下磁轭磁极头的对称轴夹角，I型装置为120°，II型装置为60°。所述磁铁安装底座由无磁不锈钢材料制成，所述下磁轭的其余部分由磁性材料制成。同样地，所述第一和第二励磁线包装配在所述上磁轭上，所述第一和第二励磁线包串联连接；励磁线包定位箍与锁紧螺钉用于使所述第一和第二励磁线包在所述上磁轭的两个磁极头上套装定位。所述第三和第四励磁线包装配在所述下磁轭上，所述第三和第四励磁线包串联连接；励磁线包定位箍与锁紧螺钉用于使所述第三和第四励磁线包在所述下磁轭的两个磁极头上套装定位。所述四个励磁线包都由可通冷却水的绝缘铜导线绕制而成。所述绝缘铜导线为中空的铜质方形导线，外表面敷有高强度的绝缘涂层，所述四个励磁线包上都装有通冷却水的励磁线包馈电导线，而励磁线包定位箍与锁紧螺钉均用无磁不锈钢材料制作。所述冷却水为纯净水。同样地，所述第一屏蔽磁体，I型装置中位于所述第一上磁轭磁极头与所述第二上磁轭磁极头之间的对称轴上，II型装置中所述第二上磁轭磁极头与所述第一下磁轭磁极头之间的对称轴上；所述第二屏蔽磁体，I型装置中位于所述第一下磁轭磁极头与所述第二下磁轭磁极头之间的对称轴上，II型装置中位于所述第一上磁轭磁极头与所述第二下磁轭磁极头之间的对称轴上。所述二个屏蔽磁体都由磁性材料制成。同样地，所述真空管道为圆筒状，壁厚为3mm。所述两种型号装置的尺寸为403mm×369mm，磁中心高为187mm。

本发明还提供了两种型号圆形孔径反对称简化六极场磁铁装置的制造方法，该方法包括：根据欲操控带电粒子束的全粒子尺寸，确定真空管道的内、外孔径与极面孔径；在确定了极面孔径的常规标准六极场磁铁的基础上，取消其中位于同一直径位置上的二个磁极头；I型装置中取消位于垂直横向的一对磁极头，II型装置中取消位于水平横向的一对磁极头。这样，同时以真空管道外直径和极面尺寸为限，以真空管道外表面为屏蔽磁体装配基础，以屏蔽磁体不与磁极头表面有直接接触为限，选择磁体形状，以使得两个120°磁场扇区内磁场被弱化。

下面参照附图对本发明作进一步的详细说明。

图1是根据本发明的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置制造方法的各步骤的示意图；其中，图1（a）和图1（b）是所述制造方法的第一步的示意图，其中图1（a）示意的是I型装置，图1（b）示意的II型装置；图1（c）和图1（d）是所述制造方法的第二步的示意图，其中图1（c）示意的I型装置，图1（d）示意的II型装置；图1（e）和图1（f）是所述制造方法的第三步的示意图，其中图1（e）示意的是I型装置，图1（f）示意的II型装置；

如图1所示，本发明提供二种型号圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的制造方法，该方法包括以下步骤：

第一步：根据欲操控带电粒子束的全粒子（实空间）尺寸，确定真空管道的内、外孔径与极面内孔径。图1（a）和图1（b）展示了第一步，其中图1（a）涉及I型，图1（b）涉及II型，即根据带电粒子束的全粒子空间尺寸确定真空管道内、外孔径和磁极面内孔径。如图1（a）和图1（b）所示，中心区域有绿色剖面线的粗实线为真空管道内外直径圆，红色虚线为极面孔径圆，标注有“N”、“S”字样的为六个磁极头。

第二步：在确定了极面孔径的常规六极场磁铁的基础上，取消其中位于同一直径上的二个极头。图1（c）和图1（d）展示了第二步，其中图1（c）涉及I型，图1（d）涉及II型，即取消图1（a）垂直对称轴上的二个极头和图1（b）水平对称轴上的二个极头，进行二维磁场计算。如图1（c）所示，相当于取消在6小时与12小时方向的虚线所示的两个极头，并且调换2小时与4小时方向两个极头的极性，使得保留的四个极头仍然是极性交错排列（详见图1（c）中实线极头的极性），或如图1（d）所示，相当于取消在3小时与9小时方向的虚线所示的两个极头，并且调换1小时与11小时方向两个极头的极性，使得保留的四个极头仍然是极性交错排列（详见图1（d）中实线极头的极性），然后进行二维磁场计算，了解真空管道内的磁场分布；励磁电流根据需要磁场强度确定，其取值以不导致磁场饱和为前提。

第三步：以真空管道外直径和极面形状尺寸为限，以真空管道外表面为屏蔽磁体装配基础，以屏蔽磁体不与磁极头表面有直接接触为限，选择磁体形状。图1（e）和图1（f）展示了第三步，即以真空管道外表面为屏蔽磁体安装装配基面，并以屏蔽磁体不与磁极头表面接触为限，进行二维磁场计算并调变屏蔽磁体的形状与位置，完成弱化散焦扇区磁场的示意图。如图1（e）和图1（f）所示，有剖面线部分为真空管道，而屏蔽磁体附在真空管道外侧，四个励磁线包分别装在四个极头上，计算二维磁场，使得散焦扇区角向磁场弱化达到设计指标。

按照上述制造方法，本发明提供了一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置。图2是本发明的一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的结构示意图，图2（a）示意的是I型装置，图2（b）示意的是II型装置。

如图2所示，该装置包括：准直靶座1；上磁轭2与下磁轭3，上磁轭的两个磁极头分别为21和22，下磁轭的两个磁极头为31和32；上、下磁轭由零件61、62、63和64连接成一体；所述二个磁轭分别具有两个磁极头；第一励磁线包为41，第二励磁线包为42，第三励磁线包为43，第四励磁线包为44；所述四个励磁线包用于向各所述二个磁轭上的磁极头提供励磁电流，所述四个励磁线包（由连接导线81和82，连接头83和84，引线头85和86）串联供电，以确保所述二个磁轭上的磁极头极性交错排列；绕制励磁线包的与连接导线均为同一规格的中空铜导线制作，同时用作冷却水的通道；四个励磁线包套装在磁极上由定位箍（螺钉）51、52、53、54定位；连接导线用两种尺寸的定位夹（含螺钉）71、72、73和74、75、76紧固定位；所述二个屏蔽磁体沿真空管道外表面设置；所述其中一个屏蔽磁体位于上磁轭的二个磁极头之间的对称轴上，所述另外一个屏蔽磁体位于下磁轭的二个磁极头之间对称轴上，二个屏蔽磁体位于同一直径上，每个屏蔽磁体均安装在真空管道10的外表面上，与所述上、下磁轭的磁极头均无接触。

下面对该装置中各个部件进行详细说明。

图3是图2所示装置中的准直靶座的A向视图。如图3所示，所述准直靶座1包括第一准直靶座11、第二准直靶座12、第三准直靶座13和第四准直靶座14；上述四个准直靶座均由无磁不锈钢制作，用于安装准直靶。

图4是图2所示装置中上磁轭的示意图，其中图4（a）示意的是I型装置的，而图4（b）示意的是II型装置的。如图4所示，所述上磁轭2包括第一上磁轭磁极头21、第二上磁轭磁极头22和准直靶座支承23。所述第一和第二上磁轭磁极头夹角为120°的二个磁极头。所述上磁轭上的准直靶座支承采用无磁不锈钢材料制作，优选为无磁不锈钢；所述上磁轭的其余部分均采用磁性材料制作，优选为矽钢片。

图5是图2所示装置中下磁轭示意图，其中图5（a）示意的是I型装置的，而图5（b）示意的是II型装置的。如图5所示，所述下磁轭3包括第一下磁轭磁极头31、第二下磁轭磁极头32以及磁铁安装底座33。所述下磁轭的磁铁安装底座采用无磁不锈钢制作，优选为无磁不锈钢；所述下磁轭的其余部分均采用磁性材料制作，优选为矽钢片。图5也给出了图2所示装置的第三励磁线包、第四励磁线包与下磁轭的装配示意图。

如图2（a）和图2（b）所示，第一励磁线包41与第二励磁线包42装配在上磁轭2上，第一励磁线包与第二励磁线包串联连接，所述励磁线包定位箍（含锁紧螺钉）51、52用于使所述第一励磁线包和第二励磁线包在上磁轭的磁极头上套装定位。

图2（a）和图2（b）所示，第三励磁线包43与第四励磁线包44装配在下磁轭3上，第三励磁线包与第四励磁线包串联连接，所述励磁线包定位箍（含锁紧螺钉）53、54用于使所述第三励磁线包和第四励磁线包在下磁轭的磁极头上套装定位。

上述四个励磁线包都由可通冷却水的绝缘铜导线绕制而成。所述绝缘铜导线为中空的铜质方形导线，外表面敷有高强度的绝缘涂层，每个励磁线包上装有通冷却水的励磁线包馈电导线。

所述冷却水优选为纯净水。

所述第一屏蔽磁体和第二屏蔽磁体均由磁性材料制成，优选为纯铁。

所述真空管道呈圆筒状，壁厚优选为3mm，由无磁不锈钢制作，起真空隔离作用，同时用于安装屏蔽磁体的定位。

所述励磁线包定位箍与所述锁紧螺钉都由非磁性金属材料制作，优选为无磁不锈钢。

整块圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的外形尺寸优选为403mm×369mm，磁中心高187mm。磁铁的几何长度可以根据束流输运设计需要选取。

安装准直基础由本发明所提供的圆孔径反对称简化六极场磁铁上部（有圆柱孔）的准直靶座提供（参见图3）。本发明所提供的圆孔径反对称简化六极场磁铁中心轴线位置经准直仪器可转换为准直靶座数据，供准直安装。整块圆孔径反对称简化六极场磁铁经由下磁轭的磁铁安装底座33安装在支承装置上。

为了更好地对本装置的功能和效果进行说明，下面是对本发明所提供的装置进行计算机模拟跟踪的结果，跟踪获得的入口与出口两处圆斑质子束的横向相图，列举了一个高斯分布圆斑质子束的束流粒子被两个圆孔径反对称简化六极场磁铁的组合磁场操控变换前后的相粒子密度分布。

图6为跟踪系统入口处的粒子束横向相空间分布与实空间分布，圆圈为全粒子的边界。图6（a）为入口处相空间x-x′粒子呈高斯分布的归一化密度相图，轴心密度为1，圆周内侧密度为零；图6（b）为入口处相空间y-y′粒子呈高斯分布的归一化密度相图，轴心密度为1，圆周内侧密度为零；图6（c）为入口处实空间x-y粒子呈高斯分布的归一化密度相图，轴心密度为1，直径11mm圆周内侧密度为零。

图7为跟踪系统出口处的粒子束横向相空间分布与实空间分布，圆圈为全粒子的边界。图7（a）为出口处相空间x-x′粒子的归一化密度相图；图7（b）为出口处相空间y-y′粒子的归一化密度相图；图7（c）为出口处实空间x-y粒子的归一化密度相图。对比图7（c）与图6（c）可以看出，直径约11mm圆周内粒子经两个圆孔径反对称简化六极场磁铁后，均束成直径约260mm的大尺寸基本均匀圆斑束，粒子分布平均功率密度由之前的0.6左右降至0.3左右。

由计算机模拟跟踪结果看，经过两个圆孔径反对称简化六极场磁铁的操控变换，能够将入口处的非均匀分布小尺寸束斑变换成大尺寸基本均匀圆斑束；且出口处的束晕区域内粒子较少，表现出归一化密度均匀性有所改善。圆孔径反对称简化六极场磁铁的有场可用孔径，几乎与圆斑束外圈有相同的形状（与其它的束斑变换操控磁铁相比），在束流输运线的安装位置选择上有较大的灵活性；此类简化六极场磁铁的操控变换，可以直接获得近似圆形束斑，与形成双向束腰线性束流光学匹配设计，可以用来获得目标物上大尺寸圆束斑，特别利于高功率密度粒子束的传输变换。

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，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 (18)

1.一种圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，该装置的型号分为I型装置和II型装置，该两种型号装置均包括：准直靶座，上磁轭、下磁轭，第一励磁线包、第二励磁线包、第三励磁线包、第四励磁线包，真空管道，第一屏蔽磁体、第二屏蔽磁体，连接导线，以及定位销钉、连接螺栓和螺母，绝缘支架与螺钉；其中，

所述准直靶座用于安装准直靶；

所述上磁轭包括第一上磁轭磁极头和第二上磁轭磁极头；所述下磁轭包括第一下磁轭磁极头和第二下磁轭磁极头；

所述四个励磁线包用于向所述四个磁轭上的磁极头提供励磁电流；所述四个励磁线包串联供电，使所述四个磁轭上的磁极头极性交错排列；

所述二个屏蔽磁体安装在所述真空管道的外表面上，并且与所述四个磁轭的磁极头无接触；其中I型装置的屏蔽磁体以横向垂直轴对称安装，而II型装置的屏蔽磁体以横向水平轴对称安装；

所述连接导线用于实现所述第四励磁线包与所述第一励磁线包的串联馈电，所述第一励磁线包与所述第二励磁线包的串联馈电，所述第二励磁线包与所述第三励磁线包的串联馈电，所述第三励磁线包与所述第四励磁线包的串连馈电，以及实现所述第四励磁线包与第二接头连接和所述第一励磁线包与第一接头连接；

所述第一接头和第二接头用作不直接短接的馈电接头与冷却水接口；

所述定位销钉、连接螺栓和螺母用于所述二个磁轭之间的连接定位；

所述绝缘支架与螺钉用于第一励磁线包引线、第四励磁线包引线之间的绝缘以及它们与磁轭之间的绝缘支承定位。

2.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述准直靶座包括第一准直靶座、第二准直靶座、第三准直靶座和第四准直靶座。

3.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述准直靶座由无磁不锈钢材料制成。

4.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述上磁轭包括准直靶座支承。

5.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，I型装置的第一和第二上磁轭的磁极头夹角为120°，而II型装置的第一和第二上磁轭的磁极头夹角为60°。

6.如权利要求4所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述上磁轭的准直靶座支承由无磁不锈钢材料制成；所述上磁轭的其余部分由磁性材料制成。

7.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述下磁轭还包括磁铁安装底座。

8.如权利要求7所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述磁铁安装底座由无磁不锈钢材料制成；所述下磁轭的其余部分由磁性材料制成。

9.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述第一和第二励磁线包装配在所述上磁轭上，所述第一和第二励磁线包串联连接；励磁线包定位箍与锁紧螺钉用于使所述第一和第二励磁线包在所述上磁轭的两个磁极头上套装定位，且与上磁轭绝缘隔离。

10.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述第三和第四励磁线包装配在所述下磁轭上，所述第三和第四励磁线包串联连接；励磁线包定位箍与锁紧螺钉用于使所述第三和第四励磁线包在所述下磁轭的两个磁极头上套装定位，且与下磁轭绝缘隔离。

11.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述四个励磁线包都由可通冷却水的绝缘铜导线绕制而成。

12.如权利要求11所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述绝缘铜导线为中空的铜质方形导线，外表面敷有高强度的绝缘涂层，所述四个励磁线包上都装有通冷却水的励磁线包馈电导线。

13.如权利要求11所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述冷却水为纯净水。

14.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，I型装置的所述第一屏蔽磁体位于所述第一上磁轭磁极头与第二上磁轭磁极头之间的对称轴位置；所述第二屏蔽磁体位于I型装置的所述第一下磁轭磁极头与所述第二下磁轭磁极头之间的对称轴位置；而II型装置的所述第一屏蔽磁体位于所述第一上磁轭磁极头与第二下磁轭磁极头之间的对称轴位置，所述第二屏蔽磁体位于II型装置的所述第二上磁轭磁极头与所述第一下磁轭磁极头之间的对称轴位置。

15.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述二个屏蔽磁体都由磁性材料制成。

16.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述真空管道为圆筒状，壁厚为3mm。

17.如权利要求1所述的圆孔径反对称简化六极场磁铁装置，其特征在于，所述装置的长宽尺寸为403mm×395mm，磁铁对称中轴线高为187mm。

18.一种如权利要求1所述圆孔径反对称简化六极场磁铁装置的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据欲操控带电粒子束的全粒子尺寸，确定真空管道的内、外孔径与极面孔径；

步骤2：在确定了极面孔径的常规标准六极场磁铁的基础上，对于I型装置取消位于横向垂直直径位置的二个磁极头，对于II型装置取消位于横向水平直径位置的二个磁极头；对于I型装置，使得保留四个磁极头后形成以横向水平直径为对称中心线二个60°扇区的I型装置；对于II型装置，使得保留四个磁极头后形成以横向垂直直径为对称中心线的二个60°扇区的II型装置；

步骤3：在保留的四个磁极头中，选择其中的夹角为60°的两个磁极头上的二个励磁电流线圈的电流反向，以使得保留的四个磁极头的极性交错排列，并使得两个60°扇区均为聚焦扇区，获得与常规六极场磁铁对称性不同的反对称简化六极场磁铁；其中励磁电流的取向宜确保二个60°扇区的磁场为反对称的聚焦磁场，二个120°扇区的磁场为反对称的散焦磁场；

步骤4：以真空管道外直径和极面尺寸为限，以真空管道外表面为屏蔽磁体装配基础，以屏蔽磁体不与磁极头表面有直接接触为限，选择屏蔽磁体形状，并调整磁极头形状使得散焦扇区侧变窄且磁场弱化至要求的范围内。

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