CN110461083A - 一种跳变磁铁 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种跳变磁铁，包括：金属盒(101)，其截面为U形结构，U形结构的开口处通过一大于U形结构底部面积的第一金属板(102)密封，以使金属盒(101)内部形成内腔室，第一金属板(102)一中心轴线上开设一缝隙(104)，用于入射带电粒子束流，作为带电粒子束流的横向通道；第二金属板(103)，与第一金属板(102)平行设置，且与第一金属板(102)相对面结构相同，第一金属板(102)与第二金属板(103)形成外腔室。该跳变磁铁可以形成高达数百高斯米的有效脉冲磁场，足以满足3.5GeV以下能量的电子与正电子的轨道斜率变化1mrad的跳变需求。

Description

一种跳变磁铁
技术领域
本公开涉及圆形加速器技术领域，尤其涉及一种跳变磁铁。
背景技术
带电粒子圆形加速器的注入过程目标是为了储存较高流强，其工作过程中局部凸轨收缩使得随后的阻尼过程将入射束流送抵理想闭轨的接受度空间内。由于圆形加速器其非线性磁场的影响，带电粒子圆形加速器的横向动力学孔径往往具有不同的尺度。当动力学孔径足够大时，尤其是比带电粒子圆形加速器的物理孔径还大时，入射束流注入过程会比较顺利。随着圆形加速器，如储存环高亮度运行方式的发展，其动力学孔径逐渐变小。因此，凸轨注入过程会因多种因素扰动已存储束流的稳定运行。储存环的注入过程往往是将位于动力学孔径之外的注入束流送抵动力学孔径之内，否则储存环很难积累高稳定的储存束流。近年来也发展了一种注入系统，取消了凸轨磁铁，代之以一个脉冲高阶场磁铁，此种磁铁在储存束流理想闭轨邻域有较低磁场，对储存束团内核区域带电粒子的影响较小，但对储存束团外核区域的带电粒子仍有影响。在储存环运行状态满能量注入时，受到扰动的束团外核的粒子会丢失，升高了储存束流运行的本地噪声。因此能否在储存环的合适位置处安装一种新颖的with massless septum的脉冲磁铁，来实现对储存束团没有扰动的目标，成为加速器物理探索的热点课题之一。当脉冲磁场作用时间很短时，在储存环坐标系中考虑，且仅仅只对入射束流起作用时，是可能实现注入束流发射度瞬间缩小的目标，称这样的脉冲磁铁为跳变磁铁。但由这种跳变磁铁与常规脉冲切割磁铁组合而成的注入系统，对于动力学孔径非常小的圆形加速器，只有数毫米至数十毫米物理孔径真空管道，跳变磁铁的物理尺寸也必须有很小的整体尺寸。因此，必须设计一种小尺寸的有较高脉冲磁场的且能置于超高真空管道内部的跳变磁铁。
发明内容
本公开提供了一种跳变磁铁，包括：金属盒101，其截面为U形结构，在所述U形结构的开口处通过一大于U形结构底部面积的第一金属板102密封，以使所述金属盒101内部形成内腔室，所述第一金属板102一中心轴线上开设一缝隙104，用于入射带电粒子束流，作为带电粒子束流回旋中的横向收缩通道；第二金属板103，与所述第一金属板102平行设置，且与所述第一金属板102相对面结构相同，所述第一金属板102与第二金属板103形成外腔室。
该跳变磁铁设于真空管道105内，该真空管道105为该跳变磁铁提供其工作需要的真空环境。
可选地，所述金属盒的材料为无氧铜。
可选地，所述第一金属板102的材料为无氧铜。
可选地，所述第二金属板103的材料为无氧铜。
可选地，所述缝隙104的最小高度为0.3mm。
可选地，所述缝隙104的截面形状为方形、梯形或其组合中的一种。
可选地，所述第一金属板102与第二金属板103的间距为3.0～5.0mm。
可选地，所述内腔室接收励磁电流脉冲驱动，所述第一金属板102与金属盒101厚度大于所述励磁电流脉冲基波频率对应的趋肤深度的1.5倍。
可选地，所述第二金属板(103)接收励磁电流脉冲驱动，所述第二金属板103的厚度为所述励磁电流脉冲基波频率对应的趋肤深度的2～4倍。
可选地，所述第一金属板102与第二金属板103的高度为18～32mm。
可选地，所述真空管道105截面可为圆形，椭圆，及其他形状。
本公开提供了一种跳变磁铁，可以形成高达数百高斯米的有效脉冲磁场积分，足以满足3.5GeV以下能量的电子与正电子的轨道斜率变化1mrad的跳变需求。在短脉冲驱动电流作用下，储存束流通道的跳变磁铁内腔室内是几乎无磁场的，且跳变磁铁的外腔室的脉冲磁场持续时间远小于储存带电粒子束流的回旋周期。同时可以满足正负电子束穿越的轨道处，有好于1％均匀性的约2mm宽的均匀脉冲磁场。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的跳变磁铁的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的励磁电流脉冲峰值为307A时跳变磁铁内部的磁场线性图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的励磁电流脉冲峰值为307A时跳变磁铁内部的磁场分布图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的励磁电流脉冲峰值为1075A时跳变磁铁内部的磁场线性图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的励磁电流脉冲峰值为1075A时跳变磁铁内部的磁场分布图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的励磁电流脉冲峰值为385A时跳变磁铁内部的磁场线性图；-
图7示意性示出了根据本公开实施例的励磁电流脉冲峰值为385A时跳变磁铁内部的磁场分布图。
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。
本公开提供了一种跳变磁铁，用于加速带电粒子，包括：金属盒101，其截面为U形结构，在U形结构的开口处通过一大于U形结构底部面积的第一金属板102密封，以使金属盒101内部形成内腔室，第一金属板102一中心轴线上开设一缝隙104，用于入射带电粒子束流，作为带电粒子束流的横向通道；第二金属板103，与第一金属板102的面积相同，且与第一金属板102平行设置，第一金属板102与第二金属板103形成外腔室。图1为该跳变磁铁的结构图。下边将结合图1对该跳变磁铁进行详细介绍。
该跳变磁铁设于真空管道105内，该真空管道105为该跳变磁铁提供其工作需要的真空环境。
参见图1，真空管道105可以用于为跳变磁铁提供真空环境，减少空气阻力等对粒子的影响。该真空管道105截面可为圆形，椭圆，或其他形状。本发明实施例中真空管道105优选为圆形，其材料优选为无磁不锈钢。其内径可以为22mm～68mm，本发明实施例中优选为68mm。
金属盒101，其截面为U形结构，在U形结构的开口处通过一大于U形结构底部面积的第一金属板102密封，以使金属盒101内部形成内腔室，第一金属板102一中心轴线上开设一缝隙104，用于入射带电粒子束流，作为带电粒子束流回旋中的横向收缩通道。
参见图2，金属盒101为截面是U形结构，两端开口的良导体金属盒。用于室温下的金属盒101的材料优选为无氧铜。在该U形结构的开口处通过一大于U形结构底部面积的第一金属板102密封。该第一金属板102的材料优选为无氧铜。并且该第一金属板102上开设有一缝隙104，用于入射带电粒子束流，作为入射带电粒子束流回旋中的横向收缩通道，该缝隙104通过第一金属板102的中心且与第一金属板102的一边平行，如图1所示，该缝隙104位于水平方向。该缝隙104的截面形状为方形、梯形或其组合中的一种。该缝隙104的最低高度为0.3mm，优选高度为0.3～1.2mm。该金属盒101与第一金属板102组成的内腔室构成了励磁电流回路的一部分，可以接收励磁电流脉冲，第一金属板102与金属盒101厚度优选为大于励磁电流脉冲基波频率对应的趋肤深度的1.5倍。
第二金属板103，与第一金属板102平行设置，且与第一金属板102相对面结构相同，第一金属板102与第二金属板103形成外腔室。
参见图1，该第一金属板102与第二金属板103平行设置，两者之间的空隙形成外腔室(如图1中的右侧箭头部分)。第一金属板102与第二金属板103之间的间距优选为3.0～5.0mm。第二金属板103，与第一金属板102的相对面的结构相同，其高度优选为18～32mm。第二金属板103的厚度为上述励磁电流脉冲基波频率对应的趋肤深度的2～4倍。该第二金属板103的材料优选为无氧铜。
上述跳变磁铁的外腔室和内腔室形成励磁电流回路，外腔室在励磁电流脉冲的驱动作用下，内部产生较高的脉冲磁场，入射的带电粒子束流穿越外腔室的脉冲磁场时，会以储存带电粒子束流的闭轨相同的方向离开该跳变磁铁外腔室。经研究，该跳变磁铁外腔室入射束团的通道范围内可以形成高达数百高斯米的有效脉冲磁场，足以满足3.5GeV以下能量的电子与正电子的轨道斜率变化1mrad的跳变需求。在短脉冲驱动电流作用下，储存束流通道的跳变磁铁内腔室内是几乎无磁场的，且跳变磁铁的外腔室的脉冲磁场持续时间远小于储存带电粒子束流的回旋周期。
该跳变磁场在正常工作时其内腔室无磁场，可以在外腔室形成高达数百高斯米的积分磁场，以偏转数GeV的入射的正、负电子束。同时可以满足正负电子束穿越的轨道处，有好于1％均匀性的约2mm宽的均匀脉冲磁场。
下面将对该跳变磁铁在不同的励磁电流脉冲驱动下的性能进行说明。
真空管道105的内径为68mm，该跳变磁铁的内腔室尺寸为32mm×20mm，内腔室壁厚为2mm，第一金属板102与第二金属板103的高度为30mm，缝隙104的高度为1mm，坐标原点(即储存带电粒子束流闭轨)位于真空管道105的中心水平面，距图1中内腔室左壁的距离为20mm。外腔室宽度为4mm，第二金属板103的厚度为1mm。
当励磁电流脉冲为307A时，该跳变磁铁内的磁场分布如图2和图3所示，可以看出磁场分布沿真空管道105径向不是均匀分布的，在储存束流穿越的原点附近磁场基本为零，在入射束流首次穿越的外腔室有较高的接近径向梯形分布的磁场。内腔室和外腔室之间沿径向反向迅速降为零，此时将内腔室和外腔室之间磁场迅速下降为零的区域，称为massless切割板，如图2所示，此时massless切割板厚度为1.28mm，可用于入射带电粒子束流的后续径向振荡通道。外腔室1％均匀性的磁场为83.43±0.42Gauss(宽度1.96mm)，该均匀磁场的中心处为16.98mm为入射粒子束流进入跳变磁铁缝隙的轨道切线与入射粒子束流离开跳变磁铁缝隙的轨道切线的交点，可满足1GeV正负电子入射束流速度方向偏转1.0mrad。此外腔室径向外侧磁场反向。该跳变磁铁适用于大约有34.0mm径向动力学孔径的能量为1.0GeV的正负电子储存环的注入。
当励磁电流脉冲为1075A时，该跳变磁铁内的磁场分布如图4和图5所示，可以看出其massless切割板的厚度为1.26mm，外腔室1％均匀性磁场为291.91±1.46Gauss(宽度2.02mm)，该均匀磁场的中心处为16.95mm是入射粒子束流的轨道。当该磁铁纵向长度为0.4m时，其产生的磁场可满足3.5GeV的入射正负电子束的速度方向跳变1mrad的偏转角度，可满足36.0mm以上动力学孔径的对储存束无扰动的3.5GeV能量的正、负电子储存环的注入过程。
当励磁电流脉冲为385A时，该跳变磁铁内的磁场分布如图6和图7所示，为满足2.5GeV正负电子注入，储存环动力学孔径在跳变磁铁处约为14.0mm，即入射轨道xj＝6.0mm，此时内腔室尺寸为8.5mm，有第一金属板102厚为1.0mm，而massless切割板尺寸约0.87mm(小于第一金属板102厚度)；xj-1.0-3.0＝1mm，入射粒子束流进入跳变磁铁缝隙的轨道切线与入射粒子束流离开跳变磁铁磁间隙轨道切线的交点xj的邻域，仍有-1.0～+2.0mm的自由空间，可允许入射束流自由穿越跳变磁铁的磁间隙。如图6所示，入射束流进入跳变磁铁外腔室的轨道切线与离开跳变磁铁外腔室的轨道切线交点，xj＝6mm，该点邻域的磁场值为166.0～167.7Gauss，满足2.5GeV能量的正负电子偏转1.0mrad。massless切割板物理位置位于3.36～4.23mm处，其宽度为0.87mm。驱动脉冲磁场的脉冲励磁电流峰值385A时，则在xj为6mm邻域产生在166.0～167.7Gauss的磁场，足以使得2.5GeV正负电子轨道偏转1.0mrad。如果正、负电子储存环Lattice布局考虑到适于新颖的对储存环无扰动的跳变磁铁安装位置，则可以安排这样的有跳变磁铁纵向安装位置的新颖注入系统，是可以实现无扰动的满能量注入。
本公开提供的跳变磁铁，可以形成高达数百高斯米的有效脉冲磁场积分，足以满足3.5GeV以下能量的电子与正电子的轨道斜率变化1mrad的跳变需求。在短脉冲驱动电流作用下，储存束流通道的跳变磁铁内腔室内几乎无磁场，且跳变磁铁的外腔室的脉冲磁场持续时间远小于储存带电粒子束流的回旋周期。同时可以满足正负电子束穿越的轨道处，有高于1％均匀性的约2mm宽的均匀脉冲磁场。
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 (10)

1.一种跳变磁铁，包括：
金属盒(101)，其截面为U形结构，所述U形结构的开口处通过一大于U形结构底部面积的第一金属板(102)密封，以使所述金属盒(101)内部形成内腔室，所述第一金属板(102)一中心轴线上开设一缝隙(104)，用于入射带电粒子束流，作为入射带电粒子束流回旋中的横向收缩通道；
第二金属板(103)，与所述第一金属板(102)平行设置，且与所述第一金属板(102)相对面结构相同，所述第一金属板(102)与第二金属板(103)形成外腔室。
2.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述金属盒的材料为无氧铜。
3.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述第一金属板(102)的材料为无氧铜。
4.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述第二金属板(103)的材料为无氧铜。
5.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述缝隙(104)的截面形状为方形、梯形或其组合中的一种。
6.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述缝隙(104)的最小高度为0.3mm。
7.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述第一金属板(102)与第二金属板(103)的间距为3.0～5.0mm。
8.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述金属盒(101)接收励磁电流脉冲驱动，所述第一金属板(102)与金属盒(101)厚度大于所述励磁电流脉冲基波频率对应的趋肤深度的1.5倍。
9.根据权利要求8所述的跳变磁铁，第二金属板(103)接收励磁电流脉冲驱动，所述第二金属板(103)的厚度为所述励磁电流脉冲基波频率对应的趋肤深度的2～4倍。
10.根据权利要求1所述的跳变磁铁，所述第一金属板(102)与第二金属板(103)的高度为18～32mm。
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