CN110972385B - 一种弯转磁铁及其磁场梯度调变的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种弯转磁铁的磁场梯度调变的方法，弯转磁铁包括：主线圈、次级线圈、磁极以及磁轭，次级线圈的一段嵌入磁极内部，方法包括：S1、确定至少三个节点，至少三个节点包括至少两个端节点，以及至少一个中间节点；至少两个端节点中的一个端节点到与一个端节点相邻的一中间节点之间的极面为第一极面；S2、调整第一极面，使得磁中心水平面分布的磁场梯度径向分布的轴向高差减小至预设值；S3、将主线圈励磁电流设置为零，调节次级线圈励磁电流；或者改变磁极形状，得到磁感应强度不变而磁场梯度可调的弯转磁铁。

Description

一种弯转磁铁及其磁场梯度调变的方法
技术领域
本发明涉及磁场涉及领域，具体涉及一种弯转磁铁及其磁场梯度调变方法。
背景技术
实现束流的高亮度或低发射度，是现代加速器设计中追求的主要目标之一。由于MBA消色散结构有利于降低束流发射度，且具有轴向聚焦能力的二极磁场与四极磁场(Dipole and Quadrupole Field，DAQF)的组合作用弯转磁铁更有利于降低束流发射度，近年来，开始考虑采用DAQF组合作用弯转磁铁取代均匀磁场弯转磁铁。通过在弯转磁铁中添加k＜0的四极磁场的成份，利用此弯转磁铁的磁场梯度k＜0，即聚集强度K＜0，达到弯转磁铁对束流的轴向运动聚焦的目的。巴西光源L.Liu博士、中国合肥光源Z.H.Bai博士、意大利INFN-Frascati的M.Biagini博士等学者的论述中认为：先进同步辐射光源储存环的设计中，均要采用DAQF组合作用弯转磁铁。还有学者认为，如果DAQF组合作用弯转磁铁能够具有磁场梯度可单独调变特征，使用价值就更大了，因为这样可以在带电粒子能量与闭轨偏转半径都不改变的情况下单独调变磁场梯度或聚焦强度。但在目前现有的技术中，二四极组合作用弯转磁铁磁场梯度可单独调变的技术并不完善。
同时，在磁感应强度和磁场梯度可同时调变的DAQF组合作用弯转磁铁是在具有均匀磁场的二极磁铁基础上寻找合适的极面，以获得具有足够径向宽度的轴向聚焦功能的弯转磁铁。并且，极面形状的调整技术是DAQF组合作用弯转磁铁设计的关键技术，但成熟的极面形状的调整技术还需进一步的研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种弯转磁铁及其磁场梯度调变的方法，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种弯转磁铁的磁场梯度调变的方法，弯转磁铁包括：主线圈、次级线圈、磁极以及磁轭，次级线圈的一段嵌入磁极内部，该方法包括：S1、确定弯转磁铁的第一极面、第二极面、以及第一极面的最小间隙，在最小间隙到第一极面、最小间隙到第二极面的区域内确定至少三个节点，至少三个节点包括至少两个端节点，以及至少一个中间节点；至少两个端节点中的一个端节点到与该一个端节点相邻的一中间节点之间的极面为第一极面；S2、调整第一极面，使得弯转磁铁磁中心水平面的磁场梯度径向分布为倒立的马鞍形，使得第一极面的一端节点与第一极面内除该一端节点以外的所有节点之间的径向距离不变，使得磁中心水平面分布的磁场梯度径向分布的轴向高差减小至预设值；S3、将主线圈励磁电流设置为零，调节次级线圈励磁电流；或者改变磁极形状，得到磁感应强度不变而磁场梯度可调的弯转磁铁。
可选地，步骤S2中，调整第一极面包括：通过至少一个的拟式双曲函数调整第一极面。
可选地，拟式双曲函数为x·y1-δ＝C，其中，δ为拟式双曲函数的指数1-δ的调变量，C为拟式双曲函数的常数，通过拟式双曲函数调整第一极面，包括：根据磁中心水平面的好场区范围对第一极面设置调变量δ，通过调变量δ、至少两个端节点的坐标得到常数C；在一预设范围内改变调变量δ，针对每一调变量δ以及每一调变量δ得到的常数C得到的第一极面至少一个的节点坐标；选取呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布，呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布中存在至少三个极值点，根据至少三个极值点的坐标对第一极面进行调整。
可选地，拟式双曲函数为x·y1-δ＝C，其中，δ为所述拟式双曲函数的指数1-δ的调变量，C为所述拟式双曲函数的常数，所述通过拟式双曲函数调整所述第一极面，包括：设置调变量δ1，在一预设范围内改变调变量δ1，获得第一极面上呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布的极大值点PMAX的径向坐标xMAX与纵坐标y1，极小值点PMIN径向坐标xMIN与纵坐标y2；根据拟式双曲函数、调变量δ1、径向坐标xMAX和xMIN、纵坐标y1和y2得到常数C；设置调变量δ2，在一预设范围内改变调变量δ2，根据拟式双曲函数、调变量δ2、常数C以及径向坐标xMAX和xMIN，得到极大值点PMAX和极小值点PMIN的纵坐标yMAX和yMIN，调整第一极面。
可选地，该方法还包括：调整磁极的开孔位置与形状，得到磁感应强度不变而磁场梯度可调的弯转磁铁。
可选地，将次级线圈的励磁电流设置为零，主线圈设置一预设范围的励磁电流，得到磁感应强度与磁场梯度线性相关的弯转磁铁。
可选地，次级线圈的励磁电流可为正向或者反向。
可选地，调整第一极面，将磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布的均匀度调整到等于或者小于±5×10-4这一范围。
本发明还提供了一种弯转磁铁，弯转磁铁包括主线圈、次级线圈、磁轭、磁极以及磁间隙，次级线圈的一段嵌入磁极内部，其中，弯转磁铁磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布的均匀度在±5×10-4范围以内，弯转磁铁的磁感应强度不变而磁场梯度线性可调。
可选地，主线圈的安匝数的数值为次级线圈安匝数数值的100倍至1000倍。
(三)有益效果
1、通过二四极组合作用弯转磁铁中的次级线圈的一段嵌入磁极内部，在一预设范围内改变励磁电流的大小和方向，使得二四极组合作用弯转磁铁中主线圈的磁场梯度均匀度和次级线圈磁场梯度均匀度非线性相关，使得二四极组合作用弯转磁铁的磁场梯度可单独调变；
2、通过改变二四极组合作用弯转磁铁中的嵌入次级线圈的磁极形状，使得次级线圈单独作用时磁场梯度均匀性变差，从而使得二四极组合作用弯转磁铁磁场梯度可单独调变；
3、通过将二四极组合作用弯转磁铁中的主线圈加载励磁电流，次级线圈励磁电流调整为零，使得二四极组合作用弯转磁铁中的磁感应强度随磁场梯度的改变而线性改变；
4、通过拟式双曲函数调整DAQF组合作用弯转磁铁的磁中心水平面的极面形状，此极面形状的磁场梯度径向分布均匀性达到±5×10-4。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例中提供的二四极组合弯转磁铁磁场梯度调变的方法的流程图；
图2示意性示出了本发明实施例中提供的调整第一极面的第一种方法流程图；
图3示意性示出了本发明实施例中提供的调整第一极面的第二种方法流程图；
图4示意性示出了本发明实施例提供的最小间隙中三个节点在二维磁力线分布中的与第一极面对应点坐标图；
图5示意性示出了本发明实施例中提供的调整第一极面的第二种方法时的马鞍形磁场梯度径向分布曲线图与极值点位置；
图6示意性示出了本发明实施例中提供的第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的次级线圈在磁极内部的二维模型与磁力线分布图；
图7示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的次级线圈在磁极内部的二维模型与磁力线分布图；
图8示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁磁场梯度均匀度分析图；
图9示意性示出了本发明实施例中提供的第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁中在主线圈励磁电流为0AN，次级线圈励磁电流为40AN时的二维磁力线分布图；
图10示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁中在主线圈励磁电流为0AN，次级线圈励磁电流为40AN时的二维磁力线分布图；
图11示意性示出了本发明实施例中提供的第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布曲线图；
图12示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流为0AN时磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布曲线图；
图13示意性示出了本发明实施例中提供的第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁次级线圈单独作用时正负万分之五均匀度分析图；
图14示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁次级线圈单独作用时正负万分之五均匀度分析图；
图15示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时的二维磁力线分布图；
图16示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时通过拟式双曲函数调整的极面径向分布示意图；
图17示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁场梯度分布均匀度分析图；
图18示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁感应强度与磁场梯度等值图；
图19示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时的二维磁力线分布图；
图20示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时通过拟式双曲函数调整的极面径向分布示意图；
图21示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁场梯度分布均匀度分析图；
图22示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁感应强度与磁场梯度等值图；
图23示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁感应强度随励磁电流的变化而变化的示意图；
图24示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁场梯度随励磁电流的变化而变化的示意图；
图25示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁场梯度随磁感应强度的变化而变化的示意图。
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。
图1示意性示出了本发明实施例提供的二四极组合作用弯转磁铁磁场梯度调变的方法的流程图，参阅图1，本发明实施例提供了一种二四极组合作用弯转磁铁磁场梯度调变的方法，包括：
S1、确定弯转磁铁的第一极面、第二极面、以及第一极面的最小间隙，在最小间隙到第一极面、最小间隙到第二极面的区域内确定至少三个节点，至少三个节点包括至少两个端节点，以及至少一个中间节点；至少两个端节点中的一个端节点到与该一个端节点相邻的一中间节点之间的极面为第一极面。
具体实施内容为：该弯转磁铁为二四极组合作用弯转磁铁，确定二四极组合作用弯转磁铁的第一极面、第二极面以及第一极面的最小间隙，本实施例中，在最小间隙到第一极面、最小间隙到第二极面的区域内确定了三个点，上述三个点包括一个中间节点PM，两个端节点PG和PE；从端节点PG到中间节点PM之间的极面为第一极面，从中间节点PM到端节点PE之间的极面为第二极面。
参阅图4，图4示意性示出了本发明实施例最小间隙中三个节点在二维磁力线分布中的坐标图；在本实施例中以三个节点为例，三个节点PG、PM以及PE在二维磁力线分布图中分别对应于三个坐标点A、B、C，其中B点是马鞍形磁场梯度分布的中间节点，A、C是马鞍形磁场梯度分布的两个端节点。设置A、B、C三点的第一极面坐标分别为(-8.4，0.8)、(-5，y)、(-1，48.8)，其中B点(-5，y)中的纵坐标根据磁场梯度大小确定，横坐标的设置能够影响到磁场梯度的强度，例如想获得更高的磁场梯度，一般将B点的横坐标在坐标轴中左移。
S2、调整第一极面，使得弯转磁铁磁中心水平面的磁场梯度径向分布为倒立的马鞍形，使得第一极面的一端节点与第一极面内除该一端节点以外的所有节点之间的径向距离不变，使得磁中心水平面分布的磁场梯度径向分布的轴向高差减小至预设值。
其中，步骤S2中，调整第一极面包括通过至少一个的拟式双曲函数调整第一极面。
本实施例中拟式双曲函数为x·y1-δ＝C，其中，δ为拟式双曲函数的指数1-δ的调变量，C为拟式双曲函数的常数。参阅图2，图2示意性示出了本发明实施例中提供的调整第一极面的第一种方法流程图，包括：
S201、根据磁中心水平面的好场区范围对第一极面设置调变量δ，通过调变量δ、至少两个端节点的坐标得到常数C。
第一极面±5×10-4好场区范围例如可以为10.5mm，在上述好场区范围内设置至少两个端节点的坐标，得到一常数C。
S202、在一预设范围内改变调变量δ，针对每一调变量δ以及每一调变量δ得到的常数C得到的第一极面至少一个的节点坐标。
通过上述常数C，以及在一预设范围内改变的调变量δ，得到拟式双曲函数各个节点的坐标。
S203、选取呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布，呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布中存在至少三个极值点，根据至少三个极值点的坐标对第一极面进行调整。
再参阅图3，图3示意性示出了本发明实施例中提供的调整第一极面的第二种方法流程图，包括：
S301、设置调变量δ1，在一预设范围内改变调变量δ1，获得第一极面上呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布的极大值点PMAX的径向坐标xMAX与纵坐标y，极小值点PMIN径向坐标xMIN与纵坐标y2。
S302、根据拟式双曲函数、调变量δ1、径向坐标xMAX和xMIN、纵坐标y1和y2得到常数C。
S303、设置调变量δ2，在一预设范围内改变调变量δ2，根据拟式双曲函数、调变量δ2、常数C以及径向坐标xMAX和xMIN，得到极大值点PMAX和极小值点PMIN的纵坐标yMAX和yMIN，调整第一极面。
调整得到的第一极面，其磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布的均匀度等于或者小于±5×10-4这一范围。
参阅图5，图5示意性示出了本发明实施例中提供的调整第一极面的第二种方法时的马鞍形磁场梯度径向分布曲线，以及，结合图7和图8，图7示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的次级线圈在磁极内部的二维模型与磁力线分布图，图8示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁磁场梯度均匀度分析图，其中，图8中实线条表示±5×10-4好场区范围；虚线条表示±1×10-4的好场区范围。通过调整第一极面得到磁场梯度径向分布均匀度为±5×10-4的倒立马鞍形的磁场梯度径向分布。
一般来讲，多数情况下，要想获得DAQF组合作用弯转磁铁的磁中心水平面的此磁场梯度径向分布均匀性优于±5×10-4的极面形状，至少宜有不同值的两个调变量，以用于表征拟式双曲函数值从而得到光滑连接的极面曲线。
S3、将主线圈励磁电流设置为零，调节次级线圈励磁电流；或者改变磁极形状，得到磁感应强度不变而磁场梯度可调的弯转磁铁。
本发明具体实施例中，采用带有二组励磁线圈的DAQF TYPE II型号的组合作用弯转磁铁，将次级线圈的一端置入磁极中，共同调节主线圈以及次级线圈的励磁电流，上述次级线圈的励磁电流可为正向或者反向。通过正向或者反向的励磁电流对磁极内部的励磁线圈调节，使得磁力线重新分布，进而找到磁场强度不变而磁场梯度可微调的特征。
通过调整磁极的开孔位置与形状，得到磁感应强度不变而磁场梯度可调的弯转磁铁。也可将次级线圈的励磁电流设置为零，主线圈设置一预设范围的励磁电流，得到磁感应强度与磁场梯度线性相关的弯转磁铁。
参阅图6，图6示意性示出了本发明实施例中提供的第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的次级线圈在磁极内部的二维模型与磁力线分布图，以及，参阅图7，图7示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的次级线圈在磁极内部的二维模型与磁力线分布图，图6与图7之间二维磁力线分布图的差别在于次级线圈的不同。
图6以及图7表示带有两组励磁线圈的DAQF TYPE II型号的组合作用弯转磁铁，将不同的次级线圈的一段嵌入磁极内部的二维磁力线模型分布，通过DAQF TYPE II型号的组合作用弯转磁铁中主、次线圈的共同调节，尤其是在磁轭内部的磁线圈调节，能够对磁力线的重新分布有重要影响，进而可以找到磁场强度不变而磁场梯度可微调的特征。再结合图6以及图7，图6中并没有显示磁场梯度可微调的特征，而图7中的找到了磁场梯度可微调的特征，通过分析后可以得知，图6与图7之间的本质区别在于次级线圈的不同。因此，为了更好的分析出励磁线圈单独作用下的磁场分布，本实施例中将图6以及图7中的主线圈安匝数调为0AN，次级线圈安匝数调为40AN后，得到图9以及图10，其中，图9示意性示出了本发明实施例中提供的第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁中在主线圈励磁电流为0AN，次级线圈励磁电流为40AN时的二维磁力线分布图；以及，图10示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁中在主线圈励磁电流为0AN，次级线圈励磁电流为40AN时的二维磁力线分布图。
其次，参阅图11，图11示意性示出了本发明实施例中提供的第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布曲线图；以及，参阅图12，图12示意性示出了本发明实施例中提供的第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布曲线图；从图11、图12、图13以及图14中可以看出，次级线圈单独作用时，第一种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的磁场梯度±5×10-4的好场区范围为10.0mm，而第二种DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的磁场梯度±5×10-4的好场区范围为2.05mm。
最后，结合图6-图14的分析，可以得出以下结论：当次级线圈单独作用时，磁场梯度的均匀性越差，就越容易找到磁感应强度不变而磁场梯度可调变的区域。由于磁感应强度与磁场梯度是由主、次线圈相互叠加影响的结果，若两组线圈单独作用都使得磁场梯度均匀度特别好，例如参阅图6、图9以及图11时，此时磁感应强度和磁场梯度之间的是线性变化的；而参阅图7、图10以及图12时，可以发现主线圈单独作用时使得磁场梯度均匀度很好，而次级线圈单独作用时磁场梯度均匀度很差，那么两个线圈合并作用会使得最终的磁感应强度与磁场梯度是非线性变化的，从而可以找到磁感应强度不变而磁场梯度可微调的区域。并且，在图6-图14中次级线圈的安匝数不能过大，如果次级线圈的安匝数过大，则会使得磁力线只从磁极内部次级线圈的同一边经过，或者，磁力线围绕磁极内部的励磁线圈旋转，从而达不到调节磁感应强度与磁场梯度的目的。
因此，在二四极组合作用弯转磁铁中，将次级线圈的一段放入磁极中，或者改变次级线圈嵌入的磁极形状，通过在一预设范围内分别调节主、次线圈的励磁电流使得二四极组合作用弯转磁铁中磁力线重新分布，以及通过拟式双曲函数的调整使得主线圈与次级线圈的磁场梯度径向分布均匀度在±5×10-4，进而能够达到磁场强度不变而磁场梯度可微调这一技术效果。
在步骤S1-S3以及图1-图14的分析基础上，本发明提供了DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的主线圈励磁电流6015-6040AN，次级线圈励磁电流-10-+10AN具体实施例，其中，本发明对主线圈以及次级线圈的励磁电流的范围不做具体限制。
参阅图15，图15示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时的二维磁力线分布图；参阅图16，图16示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时通过拟式双曲函数调整的极面径向分布示意图；参阅图17，图17示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁场梯度分布均匀度分析图；以及，图18示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流6030AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁感应强度与磁场梯度等值图。
通过确定二四极组合作用弯转磁铁的极面的最小间隙，以及在极面的最小间隙中确定的节点，得到第一极面与第二极面；调整第一极面，得到如图17所示的马鞍形的磁场梯度径向分布均匀度；再通过调节通过二四极组合作用弯转磁铁的励磁电流，本实施例中主线圈励磁电流为6030AN，次级线圈励磁电流为0AN，得到如图18所示的磁感应强度与磁场梯度等值图。从图18中可以看出，磁场梯度的等值线与磁感应强度等值线“分离”开来了，这就反应出，磁感应强度不变而磁场梯度可单独调变的特征了。因此，本发明提供的DAQF TYPEII型号的组合作用的弯转磁铁结构，具有闭轨处磁感应强度不变状态下，独立微调磁场梯度的功能。
本发明还提供一具体实施例，其中，DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁的主线圈励磁电流10370AN，次级线圈励磁电流-20-+20AN。参阅图19，图19示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时的二维磁力线分布图；图20示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPEII型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时通过拟式双曲函数调整的极面径向分布示意图；图21示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPEII型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁场梯度分布均匀度分析图；图22示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE II型号组合作用弯转磁铁主线圈励磁电流10376AN，次级线圈励磁电流为0AN时的磁感应强度与磁场梯度等值图；
通过确定二四极组合弯转磁铁的极面的最小间隙，以及在极面的最小间隙中确定的节点，得到第一极面与第二极面；调整第一极面，得到如图21所示的马鞍形的磁场梯度径向分布均匀度；再通过调节通过二四极组合作用弯转磁铁的励磁电流，本实施例中主线圈励磁电流为10376AN，次级线圈励磁电流为0AN，得到如图22所示的磁感应强度与磁场梯度等值图。从图22中可以看出，磁场梯度的等值线与磁感应强度等值线“分离”开来了，这就反应出磁感应强度不变而磁场梯度可单独调变的特征，因此，本发明提供的DAQF TYPE II型号的组合作用的弯转磁铁结构，对于更高磁场梯度的情况下，也具有闭轨处磁感应强度不变状态下，独立微调磁场梯度的功能。
因此，采用主次励磁线圈结构的DAQF TYPE II型号的组合作用弯转磁铁，具有独立微调磁场梯度的功能。当该种型号的组合作用弯转磁铁其设计的闭轨处的磁感应强度达到0.4-1.0T时，设计闭轨处邻域的磁场梯度可以达到10-27.5T/m范围内某一值时，磁场梯度的独立微调量可以达到-0.02T/m，且在闭轨处二极磁场保持不变。因此，可根据储存环MBA的结构布局需求，分类进行多种不同规格型号的设计，以取代低发射度储存环中不能独立调变磁场梯度功能的组合作用弯转磁铁。这样，精确设计的储存环，其MBA结构中的组合作用弯转磁铁，在具有轴向聚焦功能的条件下，同时具备了磁场梯度独立微调的功能，而不会改变束流闭轨处的磁感应强度，即储存束流的中心能量不变时，其闭轨处的弯曲半径不变。这样的组合作用的弯转磁铁适合于固定能量运行的电子储存环。
将所述二四极组合弯转磁铁中的主线圈加载励磁电流，次级线圈励磁电流为零，得到所述磁感应强度与所述磁场梯度线性相关的所述二四极组合弯转磁铁。具体参见本发明提供的另一具体实施例，仅给DAQF TYPE I型号的组合作用的弯转磁铁中的主线圈加载励磁电流，主线圈加载的励磁电流变化范围为750AN-9406AN，次级线圈的励磁电流调整为零，计算得到闭轨处的磁感应强度及磁场梯度。参阅图23，图23示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁感应强度随励磁电流的变化而变化的示意图，图23中DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁感应强度与励磁电流之间线性相关，且拟合公式为：y＝9.69741×10-5x+2.14426×10-4，r2＝1，y为磁感应强度，x为励磁线圈安匝数。
图24示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁场梯度随励磁电流的变化而变化的示意图，图24中DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁场梯度与励磁电流之间线性相关，且拟合公式为：y＝0.00247x-3.35806×10-4，r2＝1，y为磁场梯度，x为励磁线圈安匝数。
以及，图25示意性示出了本发明实施例中提供的DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁场梯度随磁感应强度的变化而变化的示意图。由于DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁中磁场强度与励磁电流线性相关，并且磁场梯度与励磁电流线性相关，可以得出图25中DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁在闭轨处的磁感应强度与磁场梯度之间线性相关，且拟合公式为：y＝25.48767x-0.0058，r2＝1，y为磁场梯度，x为磁感应强度。
因此，在DAQF TYPE I型号组合作用弯转磁铁中，仅对主线圈加载励磁电流，次级线圈励磁电流调整为零，其闭轨处的磁感应强度、闭轨邻域中的磁场梯度与主线圈励磁电流安匝数具有线性相关的性质，并且磁场梯度与对应得磁感应强度同时具有线性相关性。因此，此类组合作用弯转磁铁，可用于有一定工作能区范围得电子储存环MBA Lattice的超周期结构，在此超周期结构中可以采用DAQF TYPE I型号的组合作用弯转磁铁；并且，此类组合作用弯转磁铁可以应用于正负电子对撞机，假设弯转半径为14.3m，能量从1.0GeV到3.05GeV的正负电子所处的磁感应强度大致为0.2T-0.8T之间。
本发明还提供了一种弯转磁铁，弯转磁铁包括主线圈、次级线圈、磁轭、磁极以及磁间隙，次级线圈的一段嵌入磁极内部，其中，弯转磁铁磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布的均匀度在±5×10-4范围以内，弯转磁铁的磁感应强度不变而磁场梯度线性可调。在上述弯转磁铁中，主线圈的安匝数的数值为次级线圈安匝数数值的100倍至1000倍。上述磁轭分块制造叠装后以使得上述次级线圈能够嵌入磁极中。
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 (9)

1.一种弯转磁铁的磁场梯度调变的方法，所述弯转磁铁包括：主线圈、次级线圈、磁极以及磁轭，所述次级线圈的一段嵌入所述磁极内部，所述方法包括：
S1、确定所述弯转磁铁的第一极面、第二极面、以及所述第一极面的最小间隙，在所述最小间隙到所述第一极面、所述最小间隙到所述第二极面的区域内确定至少三个节点，所述至少三个节点包括至少两个端节点，以及至少一个中间节点；所述至少两个端节点中的一个端节点到与所述一个端节点相邻的一中间节点之间的极面为所述第一极面；
S2、调整所述第一极面，包括：通过至少一个的拟式双曲函数调整所述第一极面，使得所述弯转磁铁磁中心水平面的磁场梯度径向分布为倒立的马鞍形，使得所述第一极面的一端节点与所述第一极面内除所述一端节点以外的所有节点之间的径向距离不变，使得磁中心水平面分布的磁场梯度径向分布的轴向高差减小至预设值；
S3、将所述主线圈励磁电流设置为零，调节所述次级线圈励磁电流；或者改变所述磁极形状，得到磁感应强度不变而磁场梯度可调的弯转磁铁。
2.根据权利要求1所述的方法，所述拟式双曲函数为x·y1-δ＝C，其中，δ为所述拟式双曲函数的指数1-δ的调变量，C为所述拟式双曲函数的常数，所述通过拟式双曲函数调整所述第一极面，包括：
根据所述磁中心水平面的好场区范围对所述第一极面设置所述调变量δ，通过所述调变量δ、所述至少两个端节点的坐标得到所述常数C；
在一预设范围内改变所述调变量δ，针对每一所述调变量δ以及每一所述调变量δ得到的所述常数C得到的所述第一极面至少一个的节点坐标；
选取呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布，所述呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布中存在至少三个极值点，根据所述至少三个极值点的坐标对所述第一极面进行调整。
3.根据权利要求1所述的方法，所述拟式双曲函数为x·y1-δ＝C，其中，δ为所述拟式双曲函数的指数1-δ的调变量，C为所述拟式双曲函数的常数，所述通过拟式双曲函数调整所述第一极面，包括：
设置调变量δ1，在一预设范围内改变所述调变量δ1，获得所述第一极面上呈倒立马鞍形的磁场梯度径向分布的极大值点PMAX的径向坐标xMAX与纵坐标y1，极小值点PMIN径向坐标xMIN与纵坐标y2；
根据所述拟式双曲函数、所述调变量δ1、径向坐标xMAx和xMIN、纵坐标y1和y2得到常数C；
设置调变量δ2，在一预设范围内改变所述调变量δ2，根据所述拟式双曲函数、所述调变量δ2、所述常数C以及所述径向坐标xMAX和xMIN，得到所述极大值点PMAX和所述极小值点PMIN的纵坐标yMAX和yMIN，调整所述第一极面。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：调整所述磁极的开孔位置与形状，得到磁感应强度不变而磁场梯度可调的弯转磁铁。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述次级线圈的励磁电流设置为零，所述主线圈设置一预设范围的励磁电流，得到所述磁感应强度与所述磁场梯度线性相关的弯转磁铁。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述次级线圈的励磁电流可为正向或者反向。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述第一极面，将磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布的均匀度调整到等于或者小于±5×10-4这一范围。
8.一种弯转磁铁，所述弯转磁铁包括主线圈、次级线圈、磁轭、磁极以及磁间隙，所述次级线圈的一段嵌入所述磁极内部，其中，所述弯转磁铁磁间隙中心水平面的磁场梯度径向分布的均匀度在±5×10-4范围以内，所述弯转磁铁的磁感应强度不变而磁场梯度线性可调，使得所述弯转磁铁实现根据权利要求1～7中任一项所述的方法。
9.根据权利要求8所述的弯转磁铁，其中，所述主线圈的安匝数的数值为所述次级线圈安匝数数值的100倍至1000倍。
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