CN110113857B - 一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁，包括：磁轭、第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极和励磁线圈，每个磁极装配有一励磁线圈；第一磁极和第二磁极位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的上半空间，第一磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°‑θ)，第二磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°+θ)；第三磁极和第四磁极位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的下半空间，第三磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°+θ)，第四磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°‑θ)；θ为大于零的角度。

Description

一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁

技术领域

本公开涉及加速器领域及带电粒子束流输运领域，尤其涉及一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁。

背景技术

交变梯度聚焦理论问世以来就用于高能物理与同步辐射光源储存环。此类应用普遍采用分离作用的交变梯度聚焦理论进行设计。为了消除引起头尾不稳定性引入六极磁场进行色品校正。为了消除高阶磁场对动力学孔径的影响，人们提出就地校正色品与180度相移安装校正色品六极磁铁的技术。加速器物理的知识告诉我们，横向聚焦理论中的聚焦强度K[m^-2]，与有聚焦作用的磁场梯度k[T·m^-1]成正比，与带电粒子的磁刚度Bρ[T·m]成反比，即

k＝KBρ

通常，磁铁设计人员根据此等式设计四极磁铁磁场梯度k的工作范围。加速器lattice(磁聚焦结构)设计一般要求四极磁铁磁场梯度达到较宽范围的好于±5×10^-4的均匀性，目前的设计工作与制造技术是能够满足此要求的。一般来说，校正色品必须与提高动力学孔径相关联，且与寻找优异的lattice结构相关联。在对撞机储存环的对撞区域，往往选择180度相差来安装六极磁铁，以抵消六极磁场对动力学孔径的破坏作用。

通常四极磁铁中，拥有足够范围的均匀磁场梯度，即励磁电流恒定时，均匀磁场梯度k是个常数。因此具有一定能散束流中具有不同磁刚度的带电粒子，感受到聚焦强度K是不一样的。通常说，能量偏高的粒子感受到较弱的聚焦强度，能量偏低的粒子感受到较强的聚焦强度。因此，这导致了天然色品为负值。

如果不同磁刚度的带电粒子，能够感受到相同的聚焦强度，即

如果磁场梯度的分布，与粒子能散对应的磁刚度分散对应，能够使得

则不同能量的粒子感受到聚焦强度仅仅与理想粒子闭轨处的k₀/(Bρ)₀值有关。即

因此，在四极磁铁中增添使得磁场梯度发生接近线性变化的六极磁场是必要的可行方案之一。

一般在无磁性材料的磁间隙中，磁场的分布都是调和函数。经验告诉我们，真实的磁场总是可以用多项式拟合的。问题在于寻找合适的等势的极面函数。四六极磁场的组合磁铁，其四极磁场必须是反对称的，因此四六极磁场组合磁铁的设计比较合理的做法，是基于四极磁铁的二维模型进行演变。

通常的四极磁铁设计，是基于双曲线极面形状基础上，进行适当的垫补处理，获得较宽的在(1～5)×10^-4水平上的均匀磁场梯度，但通常都不具备色品校正性能。

公开内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述技术问题，本公开提供了一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁。

(二)技术方案

本公开提供了一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁，包括：磁轭、第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极和励磁线圈，每个磁极装配有一励磁线圈；第一磁极和第二磁极位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的上半空间，第一磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°-θ)，第二磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°+θ)；第三磁极和第四磁极位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的下半空间，第三磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°+θ)，第四磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°-θ)；θ为大于零的角度。

在本公开的一些实施例中，各个磁极极头边缘的间距、以及各个磁极励磁线圈的间距均超过0.8cm。

在本公开的一些实施例中，第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流小于第一磁极和第四磁极的励磁线圈的励磁电流。

在本公开的一些实施例中，第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流、与第一磁极和第四磁极的励磁线圈的励磁电流按比例调变，实现磁场梯度与磁场梯度变化率的同比例调整。

在本公开的一些实施例中，第二磁极和第三磁极的励磁线圈、与第一磁极和第四磁极的励磁线圈配对驱动组合磁铁磁场。

本公开还提供了一种组合四六极磁场磁铁的调变方法，包括：步骤S1：分上半部分和下半部分分别旋转组合四六极磁场磁铁的四个磁极与磁极相应的励磁线圈；步骤S2：调整四个磁极的磁极头边缘端点；步骤S3：调整组合四六极磁场磁铁By零点与几何原点的重叠性；步骤S4：比例调变磁场梯度变化率g₀与中心点磁场梯度k₀；步骤S5：调整旋转后的组合四六极磁场磁铁同型号内工作点。

在本公开的一些实施例中，在步骤S1中，将组合四六极磁场磁铁磁中心平面的上半空间的第一磁极和第二磁极依顺时针方向旋转θ角度，将其磁中心平面的下半空间的第三磁极和第四磁极依逆时针方向旋转同一θ角度。

在本公开的一些实施例中，在步骤S3中，调低第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流，使第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流小于第一磁极和第四磁极的励磁线圈的励磁电流。

在本公开的一些实施例中，在步骤S4中，分别旋转组合四六极磁场磁铁的上半部分和下半部分的四个磁极与相应的励磁线圈，调变六极磁场与四极磁场的比例。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

组合四六极磁场磁铁具有色品校正性能，可以实现旋转组合四六极磁场磁铁的四个磁极，调整四个磁极的磁极头边缘端点，调整组合四六极磁场磁铁By零点与几何原点的重叠性，比例调变磁场梯度变化率g₀与中心点磁场梯度k₀，调整转组合四六极磁场磁铁同型号内工作点。

附图说明

图1a和图1b分别为本公开实施例具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁的平面示意图和立体示意图。

图2为基于常规四极磁铁的磁极轮廓，磁中心平面的上半空间的磁极与相应的励磁线圈顺时针旋转一角度，磁中心平面的下半空间磁极与相应的励磁线圈逆时针旋转同样的角度，所有的励磁线圈施加同样数值的13020AN的励磁电流，获得的磁力线分布图形。

图3为中心水平面几何原点邻域磁场梯度分布图，具有的磁场梯度变化率约为-162.5T·m^-2。

图4为磁极头与相应的励磁线圈旋转操作后的四六极磁场组合磁铁，中心水平面磁场Bx与By沿径向的分布图，

图5为经过第二磁极和第三磁极(即左侧磁极)励磁电流调变，中心水平面磁场By零点调至几何原点后的磁场By与Bx沿径向的分布图，其中第一磁极和第四磁极的励磁电流13020AN，第二磁极和第三磁极(即左侧磁极)励磁电流9000AN。

图6为第一磁极和第四磁极励磁线圈电流13020AN，第二磁极和第三磁极(即左侧磁极)励磁线圈电流9000AN的分布图，几何原点磁场梯度为-10.13T·m^-1，几何原点邻域的磁场梯度变化率约为-160T·m^-2。

图7为未校正磁场By零点至几何原点的沿中心水平面的磁场By与Bx的分布图。

图8为调变磁场By零点移动至几何原点前的沿中心水平面径向分布的磁场梯度分布图，其磁场梯度变化率约为-163.2T·m^-2。

图9为旋转操作3度角的组合磁铁中心水平面磁场沿径向分布曲线。

图10为旋转操作3度角组合磁铁中心水平面：几何原点处的磁场梯度值-12.84T·m^-1，几何原点邻域磁场梯度变化率值-71T·m^-2。

图11为磁场By零点与几何原点重叠的四六极磁场组合磁铁二维模型。

图12为磁场By零点与几何原点重叠的四六极磁场组合磁铁的中心水平面磁场沿径向分布图。

图13为磁场By零点与几何原点重叠的四六极磁场组合磁铁的中心水平面磁场梯度沿径向分布图，几何原点邻域的磁场梯度变化率约为-167.5T·m^-2。

图14为第一磁极和第四磁极励磁线圈电流11067AN，第二磁极和第三磁极(即左侧磁极)励磁线圈电流7650AN，几何原点磁场梯度-888T·m^-1的磁力线分布示意图。

图15为第一磁极和第四磁极励磁电流11067AN，第二磁极和第三磁极励磁电流7650AN，磁场梯度变化率约为-146.6T·m^-2的分布图。

图16为本公开实施例组合四六极磁场磁铁的调变方法流程图。

符号说明

1-第一磁极；2-第二磁极；3-第三磁极；4-第四磁极；5-励磁线圈；6-磁轭；7-水平对称轴。

具体实施方式

本公开根据就地校正色品的概念，在均匀磁场梯度的四极磁铁中添加较强的六极磁场。采用拟似双曲线函数设计的四极磁铁磁极头，再辅助以本公开的技术路线，可以获得具有强六极磁场分量的四六极磁场组合磁铁。本公开采用拟式双曲线技术计算极面坐标与极头旋转技术配合，更有利于进行极面坐标计算。

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供了一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁，如图1a和图1b所示，该组合四六极磁场磁铁包括：磁轭6、第一磁极1、第二磁极2、第三磁极3、第四磁极4和励磁线圈5，每个磁极装配有一励磁线圈5。

其中，第一磁极1和第二磁极2位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的上半空间，第一磁极1的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴7之间的夹角为(45°-θ)，第二磁极2的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴7之间的夹角为(45°+θ)。第三磁极3和第四磁极4位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的下半空间，第三磁极3的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴7之间的夹角为(45°+θ)，第四磁极4的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴7之间的夹角为(45°-θ)。

图2为本实施例组合四六极磁场磁铁的所有励磁线圈施加同样数值的13020AN的励磁电流，获得的磁力线分布图形。图3是图1a和图1b相应的几何模型在中心水平面几何原点邻域的磁场梯度分布，显示的磁场梯度随径向坐标基本是线性变化的，且偏离几何原点坐标的粒子(即偏能粒子)感受到的磁场梯度会使得其相应的聚焦强度等同于理想粒子感受到的聚焦强度。

其中，θ为大于零的角度，其具体角度值由圆型加速器lattice提出的六极磁场与四极磁场的比例关系确定。θ的取值范围以下述原则为限：不同磁极极头边缘的间距及不同磁极极头励磁线圈的间距，均应超过0.8cm。

本实施例中，对于组合四六极磁场磁铁，可进一步调变各个磁极的磁极头的边缘端点，以使得第一磁极1的磁极头和第四磁极4的磁极头之间有足够大的磁间隙，如图2所示。

上述组合四六极磁场磁铁，其磁场By的零点将偏离移向上下磁极头距离比较近的一侧，如图4所示，明显看出磁场By零点向右移动偏离几何原点近1.0cm。By零点坐标偏离移至x＝1.0cm附近。这就改变了四极磁铁中原几何中心磁场By为零的特点(穿越几何中心的理想粒子应该是不受磁场力的)。这可以适当调低第二磁极2和第三磁极3的励磁线圈5的励磁电流予以调变。在本实施例中，第二磁极2和第三磁极3的励磁线圈5的励磁电流小于第一磁极1和第四磁极4的励磁线圈5的励磁电流。图5显示了第二磁极和第三磁极的励磁电流从13020AN调变为9000AN时的中心水平面磁场沿径向分布曲线。调整后的磁场By零点基本上回到几何原点邻域，且Bx＝0。经过By零点调变操作后，不仅几何原点处的磁场By＝0，且几何原点处的磁场梯度变化率保留了其近似线性的特征，磁场梯度变化率没有明显地改变，如图6所示。

由图4～6中不难看出，将磁场By的零点坐标移向几何原点，磁场梯度变化率仅变动了±3.5×10^-4。因此，借助第二磁极和第三磁极励磁电流的调整，实现磁场By零点移至几何原点是可行的。图7与图8分别显示了未进行励磁电流调整前中心水平面的磁场分布与磁场梯度分布由图中数据看出，本实施例的组合四六极磁场磁铁，不但保留了反对称的具有较强聚焦作用的四极磁场，同时具有很强的就地校正色品的六极磁场。

进一步地说，本实施例的组合四六极磁场磁铁，不仅具有磁场By零点返回几何原点的调变能力，同时也要具有六极磁场与四极磁场比例的调变能力。不同的θ值对应不同的六极磁场与四极磁场的比例。因此，本公开根据圆型加速器的lattice设计最终方案确定不同的θ值，以获得所需要的六极磁场与四极磁场比例关系的组合磁铁轮廓几何学设计数据。一般来讲，加速器物理中要求将色品校正至微正，根据此原则选择旋转的角度。

例如，当θ为3度角，获得了组合磁铁的六极磁场与四极磁场的不同比例关系。参见图9与图10，与图3、图5、图6对比可以看出，借助的θ的取值不同，可以控制四六极磁场组合磁铁的六极磁场与四极磁场的比例关系。

对于磁场梯度(四极磁场分量)与磁场梯度变化率(六极磁场分量)，本实施例采用第二磁极2和第三磁极3、与第一磁极1和第四磁极4的励磁线圈5的励磁电流按比例调变，该比例取决于圆型加速器磁聚焦结构设计参数与动量偏差设计参数，可以实现磁场梯度与磁场梯度变化率的同比例调整，由上述附图可以看出此规律。几何原点邻域磁场梯度变化率与几何原点磁场梯度的比例，调变范围从3度θ角的-71T·m^-2/-12.84T·m^-1(详见图10)，到10度θ角的-163T·m^-2/-10.13T·m^-1(详见图6)。因此，几何原点邻域的磁场梯度变化率与几何原点的磁场梯度的比例是可以借助磁极头的旋转角度的不同进行调变的。

进一步地讲，本实施例的组合四六极磁场磁铁，θ为10度时，磁极铁轭中的最高磁场大约是1.77T(详见图11)，远低于所用磁性材料的饱和磁场。因此，磁场梯度和磁场梯度变化率均有较大的调整范围。

由计算数据可以看出，θ为10度时，四六极磁场组合磁铁励磁电流从7650AN+11067AN配对驱动(7650AN为左侧磁极，即第二磁极2与第三磁极3励磁线圈5驱动电流安匝数；11067AN为右侧磁极，即第一磁极1与第四磁极4励磁线圈5驱动电流安匝数，下述类同)组合磁铁磁场，到9000AN+13020AN配对驱动组合磁铁磁场，几何原点邻域的磁场梯度变化率调变范围从-146.6T·m^-2(详见图15)到-167.5T·m^-2(详见图13)；几何原点磁场梯度调变范围从-8.90T·m^-1(详见图15)到-10.25T·m^-1(详见图13)。一般来讲，这样宽的调变范围是有可能满足圆型加速器磁聚焦结构设计中的聚焦与色品校正要求的。

本发明中的磁性材料数据是国内武钢高磁铁磁材料，励磁线圈，允许的励磁电流最高安匝数为20600AN，单个励磁线圈导线通电总截面为2060mm²。

本公开另一实施例，还提供了一种组合四六极磁场磁铁的调变方法，如图16所示，包括：

步骤S1：分上半部分和下半部分分别旋转组合四六极磁场磁铁的四个磁极与磁极相应的励磁线圈。

在本步骤中，对于具有足够均匀好场范围的组合四六极磁场磁铁，将其磁中心平面的上半空间第一磁极1和第二磁极2依顺时针方向旋转θ角度，将其磁中心平面的上半空间第三磁极3和第四磁极4依逆时针方向旋转同一θ角度。

步骤S2：调整四个磁极的磁极头边缘端点，以使得第一磁极1和第四磁极4之间有足够大的磁间隙。

步骤S3：调整组合四六极磁场磁铁By零点与几何原点的重叠性。

在本步骤中，通过调低第二磁极2和第三磁极3的励磁线圈5的励磁电流，使第二磁极2和第三磁极3的励磁线圈5的励磁电流小于第一磁极1和第四磁极4的励磁线圈5的励磁电流，来调整组合四六极磁场磁铁By零点与几何原点的重叠性。

步骤S4：比例调变磁场梯度变化率g₀与中心点磁场梯度k₀。

通过分别旋转组合四六极磁场磁铁磁中心平面的上半部分和下半部分的四个磁极与相应的励磁线圈5，调变六极磁场与四极磁场的比例。根据圆型加速器的lattice设计最终方案确定的不同的旋转角度，以获得所需要的六极磁场与四极磁场比例的组合磁铁轮廓几何学设计数据。一般来加速器物理中要求将色品校正至微正，根据此原则选择旋转的角度。

步骤S5：调整旋转后的组合四六极磁场磁铁同型号内工作点，所述同型号内工作点是指指左、右磁极励磁线圈的配对励磁电流安匝数。

旋转10度角的四六极磁场组合磁铁励磁电流从7650AN+11067AN配对驱动组合磁铁磁场，到9000AN+13020AN配对驱动组合磁铁磁场，几何原点邻域的磁场梯度变化率调变范围从-146.6T·m^-2(详见图15)，到-167.5T·m^-2(详见图13)；几何原点磁场梯度调变范围从-8.90T·m^-1(详见图15)，到-10.25T·m^-1(详见图13)。

至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有色品校正性能的组合四六极磁场磁铁，包括：磁轭、第一磁极、第二磁极、第三磁极、第四磁极和励磁线圈，每个磁极装配有一励磁线圈；

第一磁极和第二磁极位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的上半空间，第一磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°-θ)，第二磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°+θ)；

第三磁极和第四磁极位于组合四六极磁场磁铁磁中心平面的下半空间，第三磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°+θ)，第四磁极的轴线与组合四六极磁场磁铁水平对称轴之间的夹角为(45°-θ)；θ为大于零的角度；

第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流小于第一磁极和第四磁极的励磁线圈的励磁电流；

第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流、与第一磁极和第四磁极的励磁线圈的励磁电流按比例调变，实现磁场梯度与磁场梯度变化率的同比例调整。

2.如权利要求1所述的组合四六极磁场磁铁，各个磁极极头边缘的间距、以及各个磁极励磁线圈的间距均超过0.8cm。

3.如权利要求1所述的组合四六极磁场磁铁，第二磁极和第三磁极的励磁线圈、与第一磁极和第四磁极的励磁线圈配对驱动组合磁铁磁场。

4.一种权利要求1至3任一项所述的组合四六极磁场磁铁的调变方法，包括：

步骤S1：分上半部分和下半部分分别旋转组合四六极磁场磁铁的四个磁极与磁极相应的励磁线圈；

步骤S2：调整四个磁极的磁极头边缘端点；

步骤S3：调整组合四六极磁场磁铁By零点与几何原点的重叠性；

步骤S4：比例调变磁场梯度变化率g₀与中心点磁场梯度k₀；

步骤S5：调整旋转后的组合四六极磁场磁铁同型号内工作点；

在步骤S3中，调低第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流，使第二磁极和第三磁极的励磁线圈的励磁电流小于第一磁极和第四磁极的励磁线圈的励磁电流；

在步骤S4中，分别旋转组合四六极磁场磁铁的上半部分和下半部分的四个磁极与相应的励磁线圈，调变六极磁场与四极磁场的比例。

5.如权利要求4所述的调变方法，在步骤S1中，将组合四六极磁场磁铁磁中心平面上半空间的第一磁极和第二磁极依顺时针方向旋转θ角度，将其磁中心平面下半空间的第三磁极和第四磁极依逆时针方向旋转同一θ角度。

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