CN110831316A - 一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法 - Google Patents

一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，包括以下步骤：测量加速器中心平面超导线圈轴向磁场分布Bc；调整超导线圈轴向偏移位置ΔZ实现轴向对中。本发明克服了传统的偏见：即现有技术解决紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向非对中问题时，一般通过径向磁场测量的方式调整超导磁体的轴向位置，该偏见导致不但工程实施难度大，而且测量精度较难保证；本发明提出仅测量加速器中心平面超导线圈提供的轴向磁场分布，并配合束流调试阶段调整超导线圈轴向偏移位置，通过数次迭代即可实现超导线圈轴向对中，实施简单，对中精度高。

Description

一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法
技术领域
本发明属于紧凑型超导回旋加速器技术领域，尤其涉及一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法。
背景技术
在回旋加速器中，磁场由两部分组成：一部分由线圈自身提供，一部分由磁铁被磁化后产生。如果是常温磁铁(非超导磁铁)，因为其磁场比较弱、还因为常温磁铁中线圈贡献的磁场非常小、即使线圈有一点上下不对称也无所谓，因为常温磁铁的磁场主要由磁铁贡献，所以常温加速器只需要磁铁上下对称即可。
超导磁铁不同于常温磁铁，超导回旋加速器中超导线圈提供的磁场占比大，所以要求超导回旋加速器中的超导线圈也是对称的，所谓要求超导线圈也是对称的如图1所示，就是要求上下两对线圈的中心面与加速器中心平面重合、或者在各个平面在同一水平线上，如图1中左图所示为理想情况下的磁场呈上下对称形态，中心平面仅有轴向向下的磁场分量Bz，束团在加速器轴向向下磁场分量Bz的作用下在中心平面沿着受力方向做旋转运动。如图1右图是线圈上下非对称的情况，由于线圈不像磁铁是加工出来的(由于磁铁是加工出来的、很容易保证上下对称)、而线圈是绕制出来、绕制出来的线圈很难做到上下对称，非对称线圈产生的磁场会在中心平面产生水平向左的径向磁场分量Br，由于产生径向磁场分量Br,，使粒子受到轴向的作用力而偏离加速器中心平面；当这种作用力足够大时，将使粒子打在上下磁极或高频腔体上，导致磁体受损或高频打火，影响加速器的运行稳定性。
为了使线圈轴向对中，现有的技术往往采用测量超导磁铁磁场的方法来确定超导线圈的轴向对中，比如，采用霍尔探头测量中心平面磁场的Br，调整超导磁体的轴向位置，直到中心平面的Br达到最小。这种方法往往需要制造较复杂的磁场测量装置，且磁场的Br分量相对于主磁场Bz分量是一个小量，磁场测量方式很难实现超导线圈的轴向高精度定位。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，目的是解决紧凑型回旋加速器中束流偏离加速器中心平面带来较大束流损失的问题。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案
一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，包括以下步骤：
步骤一、测量加速器中心平面超导线圈轴向磁场分布Bc；
步骤二、调整超导线圈轴向偏移位置ΔZ实现轴向对中。
所述步骤一具体过程如下：
⑴在加速器磁场测量阶段，在超导线圈目标流强I下，测量得到加速器中心平面轴向平均磁场分布Bz；
⑵将超导线圈电流提升10A，即电流达到I+10A，测量得到新的加速器中心平面轴向磁场分布
Figure BDA0002275950380000022
⑶由以上两个磁场分布得到目标流强I下，超导线圈提供的轴向磁场分布
Figure BDA0002275950380000021
⑷根据目标流强I下的中心平面磁场分布Bz,根据束流动力学软件计算得到不同半径位置的Vz,Vz为粒子运动一圈轴向的振荡数，表示的是加速器的轴向聚焦大小。
所述步骤二的具体过程如下：
⑴在束流调试阶段，伸入径向靶到加速器小半径位置，运行加速器，通过中心区卡束只提供极小的束流；
⑵径向靶沿径向往外拉，测量一系列径向位置ri(i＝1,n)处束流的轴向位置zi(i＝1,n)，n为测量的半径位置个数；
⑶通过步骤1中的轴向磁场Bz得到一系半径位置ri(i＝1,n)处轴向平均磁场Bi(i＝1,n)；通过步骤4中的轴向磁场分布Bc得到一系半径位置ri(i＝1,n)处的磁场梯度
Figure BDA0002275950380000031
(i＝1,n)；通过步骤4中的Vz曲线插值得到一系列半径位置ri(i＝1,n)处的Vzi(i＝1,n)；根据以上数据得到
Figure BDA0002275950380000032
⑷通过超导线圈的上下拉杆往轴向偏移线圈的位置
Figure BDA0002275950380000033
⑸重复步骤二⑴-⑷步骤，直到束流偏离中心平面的距离满足要求或ΔZ≤0.05mm。
本发明的优点效果
本发明克服了传统的偏见：即现有技术解决紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向非对中问题时，一般通过径向磁场测量的方式调整超导磁体的轴向位置，该偏见导致不但工程实施难度大，而且测量精度较难保证；本发明提出仅测量加速器中心平面超导线圈提供的轴向磁场分布，并配合束流调试阶段调整超导线圈轴向偏移位置，通过数次迭代即可实现超导线圈轴向对中，实施简单，对中精度高。
附图说明
图1为紧凑型加速器超导线圈中心平面轴向对中和轴向偏移示意图；
图2本发明紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中调节步骤；
图3为不同情况下的轴向平均磁场变化；
图4为本发明中超导线圈轴向对中调节前后，束流轴向位置沿半径的变化曲线；
图中：1：运行流强I下测得的轴向平均磁场；2：流强I+10A下测得的轴向平均磁场；3：运行流强I下，超导线圈贡献的轴向平均磁场；4：调节超导线圈前,不同半径位置径向靶测得的束流轴向位置；5：调节超导线圈轴向偏移后,不同半径位置径向靶测得的束流轴向位置；6：理论计算线圈轴向偏移带来的束流轴向偏离。
具体实施方式
本发明设计原理
1、超导线圈轴向非对中导致束流偏离中心平面的原理
带电粒子在加速器中心平面的磁场中的受力，可用右手定则表示为：
Figure BDA0002275950380000041
其中，q为粒子带电电荷；
Figure BDA0002275950380000042
为粒子在中心平面的束流向量，包含径向速度分量
Figure BDA0002275950380000043
和角向速度分量；同理，
Figure BDA0002275950380000045
为粒子在中心平面感受到的磁场，包含径向分量
Figure BDA0002275950380000046
和磁场分量
Figure BDA0002275950380000047
和
Figure BDA0002275950380000048
为角向单位向量和径向单位向量。当超导磁体和磁铁的中心平面轴向对中时，加速器结构呈上下对称，中心平面仅存在轴向磁场分量
Figure BDA0002275950380000049
粒子受力沿角向方向，因而在中心平面做回旋运动；而当超导磁体轴向不对中时，将在中心平面存在径向磁场分量
Figure BDA00022759503800000410
此时，粒子受力存在轴向的分量，从而偏离中心平面。
2、超导线圈轴向非对中量ΔZ的求解原理
根据回旋加速器物理的基本原理，粒子在回旋加速器中的轴向运动可表示为：
z和r为粒子的轴向和径向位置，Br和
Figure BDA00022759503800000412
为当前位置的径向磁场和轴向平均磁场。Vz为粒子一圈轴向振荡数，反映当前半径位置磁场的轴向聚焦力大小。在紧凑型回旋加速器中，加速是一个较缓慢的过程，公式右边项可以看成一个从零开始逐渐变化的变量，方程的解可表示为：
Figure BDA00022759503800000413
当不存在径向磁场分量Br时，z＝0表示粒子在中心平面运动。
当回旋加速器线圈电流加载到运行电流I时，中心平面的轴向磁场由两部分组成：一部分由磁铁磁化后提供，表示为Bm；一部分由超导磁圈自身提供，表示为Bc。可表示为
Bz＝Bm+Bc (3)
超导回旋加速器中磁铁达到极饱和状态，增加线圈电流10A后，磁铁磁化部分磁场 基本上不再变化，而超导线圈自身提供磁场与电流成正比，此时的总磁场表示为
Figure BDA0002275950380000051
由式(3)和(4)可得
Figure BDA0002275950380000052
进一步，假定超导线圈的轴向非对中量为ΔZ,由此在中心平面产生的径向磁场可由麦克斯韦方程求得：
Figure BDA0002275950380000053
上式中括号内的项为轴向磁场沿径向的梯度。结合式(2)和(6)得到超导线圈轴向非对中带来的束流轴向偏移(即偏离中心平面的量)为：
Figure BDA0002275950380000054
其中，
Figure BDA0002275950380000055
而在加速器实际运行过程中，我们可以采用径向靶测量束流的轴向位置，得到一系列径向位置ri(i＝1,n)处束流的轴向位置zi(i＝1,n)，n为测量的半径位置个数。事实上，由于加速器中还有其它导致束流轴向偏移的因素存在，测得束流轴向位置无法和公式(7)一致，但可以通过调节线圈轴向位置尽量使束流偏离中心平面最小，即求解
Figure BDA0002275950380000061
上式中GiΔZ表示通过理论计算得到的半径位置ri处束流轴向偏移。通过最小二乘法可求得
Figure BDA0002275950380000062
由于存在计算、测量误差，在实践中往往需要经过多次迭代才能使束流的轴向偏移最小；当ΔZ≤0.05mm,往往意味着其它因素而不是超导线圈轴向非对中带来的束流轴向偏移占主导作用。
基于以上发明原理，本发明设计了一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，如图2所示：
一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，包括以下步骤：
步骤一、测量加速器中心平面超导线圈轴向磁场分布Bc；
具体过程如下：
⑴在加速器磁场测量阶段，在超导线圈目标流强I下，测量得到加速器中心平面轴向平均磁场分布Bz；
⑵将超导线圈电流提升10A，即电流达到I+10A，测量得到新的加速器中心平面轴向磁场分布
Figure BDA0002275950380000064
⑶由以上两个磁场分布得到目标流强I下，超导线圈提供的轴向磁场分布
⑷根据目标流强I下的中心平面磁场分布Bz,根据束流动力学软件计算得到不同半径位置的Vz,Vz为粒子运动一圈轴向的振荡数，表示的是加速器的轴向聚焦大小。
步骤二、调整超导线圈轴向偏移位置ΔZ实现轴向对中。
具体过程如下：
⑴在束流调试阶段，伸入径向靶到加速器小半径位置，运行加速器，通过中心区卡束只提供极小的束流；
⑵径向靶沿径向往外拉，测量一系列径向位置ri(i＝1,n)处束流的轴向位置zi(i＝1,n)，n为测量的半径位置个数；
⑶通过步骤1中的轴向磁场Bz得到一系半径位置ri(i＝1,n)处轴向平均磁场
Figure BDA0002275950380000071
通过步骤4中的轴向磁场分布Bc得到一系半径位置ri(i＝1,n)处的磁场梯度
Figure BDA0002275950380000072
(i＝1,n)；通过步骤4中的Vz曲线插值得到一系列半径位置ri(i＝1,n)处的Vzi(i＝1,n)；根据以上数据得到
Figure BDA0002275950380000073
⑷通过超导线圈的上下拉杆往轴向偏移线圈的位置
Figure BDA0002275950380000074
⑸重复步骤二⑴-⑷步骤，直到束流偏离中心平面的距离满足要求或ΔZ≤0.05mm。
实施例
一台230MeV紧凑型超导回旋加速器，磁极半径为85cm,超导线圈电流运行在250A,加速器中心平面平均磁场范围为2.3～3.0T,磁铁处于极饱和状态。加速器内安装有径向靶，可测量从小半径10cm到引出半径位置的束流流强和束流轴向分布。在磁场测量阶段，测量得到250A和260A下的磁场分布，通过线圈轴向对中调整束流处于中心平面附近，步骤如下：
(1)由250A下测量的磁场计算束流动力学，得到轴向一周振荡数Vz随半径的变化曲线。
(2)由250A和260A下测得的磁场计算平均磁场见图3曲线1、2所示，由此推导超导线圈贡献的磁场Bc,见图3曲线3所示。
(3)束流调试阶段，伸入径向靶到半径10cm位置，中心区卡束，使径向靶位置测得的流强小于1nA。
(4)径向靶往外拉，分别测量半径10cm、20cm…80cm半径位置束流的轴向位置z1、z2…z8，如图3曲线4所示。
(5)计算超导线圈需要轴向偏移的量：
Figure BDA0002275950380000081
其中，
G1、G2…G8分别由10cm、20cm…80cm半径位置处的Vz,Bc和平均磁场
Figure BDA0002275950380000083
求得；根据数据求得线圈的轴向偏移量为0.2mm，理论计算该偏移量可以带来的束流轴向偏离见图3曲线6所示。
(6)调整超导线圈拉杆使线圈轴向偏移0.2mm，径向靶重新测量束流轴向偏离见图4曲线5所示。
观察测量结果可知，束流围绕中心平面振荡，这种偏离主要由其它因素造成，已无法继续通过超导线圈的轴向对中来优化，超导线圈的轴向对中完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、测量加速器中心平面超导线圈轴向磁场分布Bc；
步骤二、调整超导线圈轴向偏移位置ΔZ实现轴向对中。
2.根据权利要求1所述一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，其特征在于：所述步骤一具体过程如下：
⑴在加速器磁场测量阶段，在超导线圈目标流强I下，测量得到加速器中心平面轴向平均磁场分布Bz；
⑵将超导线圈电流提升10A，即电流达到I+10A，测量得到新的加速器中心平面轴向磁场分布
Figure FDA0002275950370000011
⑶由以上两个磁场分布得到目标流强I下，超导线圈提供的轴向磁场分布
Figure FDA0002275950370000012
⑷根据目标流强I下的中心平面磁场分布Bz,根据束流动力学软件计算得到不同半径位置的Vz,Vz为粒子运动一圈轴向的振荡数，表示的是加速器的轴向聚焦大小。
3.根据权利要求1所述一种紧凑型回旋加速器中超导线圈的轴向对中方法，其特征在于：所述步骤二的具体过程如下：
⑴在束流调试阶段，伸入径向靶到加速器小半径位置，运行加速器，通过中心区卡束只提供极小的束流；
⑵径向靶沿径向往外拉，测量一系列径向位置ri(i＝1,n)处束流的轴向位置zi(i＝1,n)，n为测量的半径位置个数；
⑶通过步骤1中的轴向磁场Bz得到一系半径位置ri(i＝1,n)处轴向平均磁场通过步骤4中的轴向磁场分布Bc得到一系半径位置ri(i＝1,n)处的磁场梯度
Figure FDA0002275950370000014
通过步骤4中的Vz曲线插值得到一系列半径位置ri(i＝1,n)处的Vzi(i＝1,n)；根据以上数据得到
Figure FDA0002275950370000015
⑷通过超导线圈的上下拉杆往轴向偏移线圈的位置
Figure FDA0002275950370000021
⑸重复⑴-⑷步骤，直到束流偏离中心平面的距离满足要求或ΔZ≤0.05mm。
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