CN111710490A - 一种内置陶瓷真空室的c型非线性冲击磁铁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，包括：陶瓷真空室、形状和尺寸相同的C型铁氧体铁芯、C型屏蔽铜块，两块励磁电流板，铝合金外壳，多个绝缘固定板；所述两块励磁电流板分别位于C型铁氧体铁芯内外两侧，其中一块励磁电流板通过绝缘固定板固定于铁氧体磁芯外侧，另一块通过绝缘固定板固定于铁氧体磁芯的内侧与陶瓷真空室的外侧之间，所述陶瓷真空室包括陶瓷室，可伐，法兰，圆头螺钉，弧形屏蔽电极；陶瓷真空室与法兰之间使用钎焊连接；整个非线性冲击磁铁放置于铝合金外壳内部。

Description

一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁
技术领域
本发明涉及电子储存环的束流注入，尤其是低发射度储存环的注入问题。
背景技术
第四代衍射极限储存环动力学孔径很小，传统的凸轨注入法不再适用，非线性磁铁的磁场场型对注入束流有偏转作用而对储存束流没有影响，可以实现粒子的注入。在传统凸轨注入法中，电子在直线加速器加速后，经过切割磁铁的偏转进入冲击磁铁形成的凸轨，同时冲击磁铁按一定的时间规律逐渐减小，使凸轨向平衡轨道靠拢，入射粒子经过数圈以后将再次回到初始注入点位置处，而此时凸轨的收缩量已经足够大，注入粒子可以躲开切割板而被储存环捕获，从而实现束流注入。由于衍射极限储存环的动力学孔径变小，通常在10mm以下，使用凸轨注入法将无法接受注入束流，因此德国亥姆霍兹研究中心在Bessy储存环上提出了一种使用非线性磁铁的注入方法。这种注入方法使用非线性磁铁代替四块冲击磁铁，注入束流在偏离该非线性磁铁中心轴处会受到磁场力偏转，而储存束流在中心处不会受到磁场力的作用。对于非线性冲击磁铁注入方法，国际上已有一些实验室提出并且设计了可用于储存环注入的非线性冲击磁铁，如BESSY II，SOLEIL，MAX IV等。
相比现有方案，该方案的磁铁含有铁芯，因此可以提供的磁场力更大，可以使束流获得更大的偏移量。未来的第四代衍射极限储存环光源由于其动力学孔径的限制无法使用常规冲击磁铁注入时，该磁铁可以适用。
目前国外设计的非线性磁铁由8根电流条以及陶瓷腔室组成，其非线性磁场由对称分布的8根电流条励磁后产生，需要施加的电流很大，且没有铁氧体磁芯，励磁效率较低，并且，其8根电流条的固定位置必须非常精确，通常需要在外面的陶瓷腔中打出固定的孔才能安装，加工难度较大。
发明内容
为了解决由于衍射极限储存环动力学孔径过小而导致的注入困难的问题，本发明提出一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，在相同的电流大小情况下，本发明提供的磁场作用力更大，磁场主要通过铁芯的磁回路产生，场型的改变由屏蔽板控制，因此电流板的安装位置不需要那么精确。
本发明的技术方案为：一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，包括：陶瓷真空室、形状和尺寸相同的C型铁氧体铁芯、C型屏蔽铜块，两块励磁电流板，铝合金外壳，多个绝缘固定板；所述两块励磁电流板分别位于C型铁氧体铁芯内外两侧，其中一块励磁电流板通过绝缘固定板固定于铁氧体磁芯外侧，另一块通过绝缘固定板固定于铁氧体磁芯的内侧与陶瓷真空室的外侧之间，所述陶瓷真空室包括陶瓷室，可伐，法兰，圆头螺钉，弧形屏蔽电极；陶瓷室与法兰之间使用钎焊连接；整个非线性冲击磁铁放置于铝合金外壳内部。
进一步的，每侧的绝缘固定板分两层，将每侧的电流板夹在两层固定板中间。
进一步的，C型屏蔽铜块内外两侧也放置固定板，但是不放置电流板，与用于固定铁氧体磁芯内侧的电流板的绝缘固定板形成对称结构。
进一步的，陶瓷真空室位于C型铁氧体铁芯和C型屏蔽铜块围成的内孔正中，两侧与法兰使用钎焊可伐进行连接，两块弧形屏蔽电极穿过C型铁氧体铁芯，位于陶瓷真空室中，两块弧形屏蔽电极的上下端各自固定在两侧法兰上。
进一步的，该非线性冲击磁铁通过在铁氧体铁芯两侧的电流板上施加脉冲电流产生磁回路，磁回路穿过铁芯在内孔产生磁通。
进一步的，内孔中间部分的弧形屏蔽电极的材料为铜，用于屏蔽掉部分磁场，使得靠近内孔中间区域的磁场值形成一个平台，磁感应强度与0的差值在预定范围内。
进一步的，该非线性冲击磁铁用于电子储存环的注入系统，在使用时需要处于真空环境，由于屏蔽电极固定于两端法兰而非铁芯上，因此陶瓷真空室只需要将屏蔽电极包含进去即可，不需要将C型铁氧体铁芯和C型屏蔽铜块8一起放入真空室。
进一步的，陶瓷室本身的材料为95％三氧化二铝，内部需要镀膜。
有益效果：
本发明的非线性冲击磁铁，与已有的非线性冲击磁铁相比，该磁铁使用了C型铁芯结构，相比较BESSY II，SOLIEL和MAX IV的八根电流条励磁效果而言，该磁铁的励磁效率比现有的非线性冲击磁铁要高。同时，该磁铁由于使用了屏蔽电极来达到改变场型的效果，因此对励磁电流板的安装精度要求也比较低。附图6为该磁铁模拟场型，励磁电流强度2328A，脉宽1.3us，其+-1mm处的磁场峰值在50Gauss内，磁场梯度在20Gs/mm左右，对储存束流影响很小。
附图说明
图1是带有陶瓷真空室的非线性冲击磁铁三维模型图；
图2是该装置上视剖面图；
图3是该装置侧视剖面图；
图4(a)是陶瓷真空室侧视图；
图4(b)是陶瓷真空室正视图
图4(c)是图4(b)中陶瓷真空室A-A剖面视图；
图5是非线性冲击磁铁正视图及真空室位置图；
图6是该装置通过励磁电流时产生的磁场场型；
图7是励磁电流波形；
图8是该磁铁应用于束流注入的示意图；
图9(a)是凸轨注入时elegant模拟的储存束流相空间；
图9(b)是凸轨注入时elegant模拟的储存束流横向尺寸；
图10(a)是使用非线性冲击磁铁注入时elegant模拟的储存束流相空间；
图10(b)是使用非线性冲击磁铁注入时elegant模拟的储存束流横向尺寸。
其中：陶瓷室1，可伐2，CF63法兰3，圆头螺钉4，弧形屏蔽电极5，钎焊6，C型铁氧体铁芯7、C型屏蔽铜块8、励磁电流板9、铝合金外壳10、绝缘固定板11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1-5所示，本发明提出一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，以及用于该非线性冲击磁铁的陶瓷真空室。图1是带有陶瓷真空室的非线性冲击磁铁的三维模型图，所述的非线性冲击磁铁包括两块形状、尺寸完全相同的C型铁氧体铁芯7和C型屏蔽铜块8，两块励磁电流板9，弧形屏蔽电极5，铝合金外壳10，多个绝缘固定板11，绝缘材料可以是环氧、聚四氟、尼龙等；
参见图5，非线性冲击磁铁包括一块C型铁氧体铁芯7和一块C型屏蔽铜块8，两块励磁电流板9置于C型铁氧体铁芯7两侧，其中一块电流板9通过固定板11固定于C型铁氧体铁芯7外侧，另一块通过固定板11固定于C型铁氧体铁芯7的内侧，真空室的外侧，使用绝缘固定板11固定，每一侧的绝缘固定板11都分两层，将电流板9夹在两层固定板11中间，同时，没有电流板的C型屏蔽铜块8内外两侧也可以放置固定板11，形成对称结构，整个磁铁放置于铝合金外壳10内部。
参见图4(a)-(c)，陶瓷真空室包括陶瓷室1，可伐2，CF63法兰3，圆头螺钉4，弧形屏蔽电极5。陶瓷室与法兰3之间使用可伐2通过钎焊的方式连接。
陶瓷真空室位于C型铁氧体铁芯7和C型屏蔽铜块8围成的内孔(内孔由C型铁氧体磁芯7和C型屏蔽铜块8组合在中间形成)正中，两侧与法兰3使用钎焊6可伐2进行连接，两块弧形屏蔽电极5穿过C型铁氧体铁芯7，位于陶瓷真空室中，上下端各自固定在两侧法兰3上。
该非线性冲击磁铁通过在C型铁氧体铁芯7两侧的电流板9上施加脉冲电流产生磁回路，磁回路穿过C型铁氧体铁芯7在内孔产生磁通，铁芯的磁导率很高，因此脉冲磁场几乎都落在内孔中。内孔中间部分的弧形屏蔽电极5的材料为铜，可以屏蔽掉大部分磁场，因此靠近中间区域的磁场会形成一个平台，磁感应强度几乎为0(图6)。该非线性冲击磁铁用于电子储存环的注入系统，在使用时需要处于真空环境，由于屏蔽电极5固定于两端法兰3而非铁芯上(图4b)，因此陶瓷真空室只需要将屏蔽电极5包含进去即可，不需要将C型铁氧体铁芯7和C型屏蔽铜块8一起放入真空室，减小了抽真空的难度。陶瓷真空室本身的材料为95％三氧化二铝，对磁场几乎无影响，但其在使用时内部需要镀膜，膜的厚度与方阻可能会对磁场有一定的影响，而这需要根据自身应用的实际情况来确定。
本发明试验阶段应用于合肥先进光源(HALF)的预研项目，用于HALF储存环注入系统。HALF非线性冲击磁铁设计参数如表1所示。
表1.HALF非线性冲击磁铁设计参数
最大偏转角度 5mrad
峰值磁感应强度 1222Gauss
磁铁物理长度 300mm
内孔径尺寸 48mm*32mm
中心磁场 +-1mm内小于50Gauss
励磁电流波形 半正弦波，底宽1.3us
如图8所示，对束流注入来说，该图可简单表示储存环注入系统，该系统包含切割磁铁、非线性冲击磁铁以及若干脉冲电源。本发明中的磁铁通过两端的法兰连接到储存环真空管道中，安装于切割磁铁下游的直线段某处，注入束流通过切割磁铁偏转后进入非线性冲击磁铁，同时脉冲电源提供高压产生励磁电流，注入束流在非线性冲击磁铁中进一步偏转至循环束流轨道，达到束流注入的目的。其中，非线性冲击磁铁及其陶瓷真空室为本发明涉及的部分，用于实现粒子的注入，是注入系统的关键装置。
图5是非线性冲击磁铁正视图，励磁电流板9位于铁氧体磁芯两侧，使用半正弦波单向电流激励，脉冲底宽1.3us，电流波形如图7所示，改变励磁电流大小可以得到不同的磁场峰值，励磁电流的大小与使用的脉冲电源有关。
图6为峰值磁场1222Gauss时的磁场场型，峰值场强位置在左侧约6mm处，并且其+-1mm处的磁场大小分别为8.096Gs和20.227Gs，差值在50Gs内，满足中心磁场的梯度要求。通过计算得到磁铁总电感约0.28uH，基本满足设计要求。
另外，该磁铁还可应用于中国科学技术大学国家同步辐射实验室目前的合肥光源(HLS)的注入，光源参数见表2。
表2.HLS各系统主要参数表
电子能量 800MeV
电荷量 1nC
高频频率 204MHz
谐波数 45
辐射能量损失 16.73keV
自然束流发射度 <40nm·rad
注入流强 300mA
自然能散 4.7e-4
束流寿命 >5hours
自然束团长度 14.8mm
若使用该非线性冲击磁铁代替HLS目前产生凸轨的四块冲击磁铁，使用elegant软件进行模拟，经过计算有多个位置满足要求，注入点位置为切割磁铁不变，在elegant模拟中，选择距注入点9.9m的下游直线节作为非线性冲击磁铁的放置位置，此时βx＝3.42，
Figure BDA0002547221380000051
图9(a)是凸轨注入时储存束流相空间，图9(b)是凸轨注入时储存束流横向尺寸(横坐标是粒子在储存环中行进距离，纵坐标是运动过程中粒子偏离轨道中心的距离)，图10(a)是使用非线性冲击磁铁注入时储存束流相空间(横坐标为粒子横向位置坐标，纵坐标为归一化发射度)，图10(b)是使用非线性冲击磁铁注入时储存束流横向尺寸。因此该非线性冲击磁铁对储存束流的影响很小，可以用于束流注入。
对于其他不同设计要求的情况，可以适当改变两块屏蔽电极的尺寸及间距，以满足不同情况下的需要。
以上是本发明的一种实施方式，但本发明并不限于以上具体实施方式的范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明测量原理的前提下，还可做出若干改进和调整，这些改进和调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，包括：陶瓷真空室、形状和尺寸相同的C型铁氧体铁芯、C型屏蔽铜块，两块励磁电流板，铝合金外壳，多个绝缘固定板；所述两块励磁电流板分别位于C型铁氧体铁芯内外两侧，其中一块励磁电流板通过绝缘固定板固定于铁氧体磁芯外侧，另一块通过绝缘固定板固定于铁氧体磁芯的内侧与陶瓷真空室的外侧之间，所述陶瓷真空室包括陶瓷室，可伐，法兰，圆头螺钉，弧形屏蔽电极；陶瓷室与法兰之间使用钎焊连接；整个非线性冲击磁铁放置于铝合金外壳内部。
2.根据权利要求1所述的一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，每侧的绝缘固定板分两层，将每侧的电流板夹在两层固定板中间。
3.根据权利要求1所述的一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，C型屏蔽铜块内外两侧也放置固定板，但是空槽内不放置电流板，可作为备用，与用于固定铁氧体磁芯内侧的电流板的绝缘固定板形成对称结构。
4.根据权利要求1所述的一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，陶瓷真空室位于C型铁氧体铁芯和C型屏蔽铜块围成的内孔正中，两侧与法兰使用钎焊可伐进行连接，两块弧形屏蔽电极穿过C型铁氧体铁芯，位于陶瓷真空室中，两块弧形屏蔽电极的上下端各自固定在两侧法兰上。
5.根据权利要求1所述的一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，该非线性冲击磁铁通过在铁氧体铁芯两侧的电流板上施加脉冲电流产生磁回路，磁回路穿过铁芯在内孔产生磁通。
6.根据权利要求1所述的一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，内孔中间部分的弧形屏蔽电极的材料为铜，用于屏蔽掉部分磁场，使得靠近内孔中间区域的磁场值形成一个平台，磁感应强度与0的差值在预定范围内。
7.根据权利要求1所述的一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，该非线性冲击磁铁用于电子储存环的注入系统，在使用时需要处于真空环境，由于屏蔽电极固定于两端法兰而非铁芯上，因此陶瓷真空室只需要将屏蔽电极包含进去即可，不需要将C型铁氧体铁芯和C型屏蔽铜块一起放入真空室。
8.根据权利要求1所述的一种内置陶瓷真空室的C型非线性冲击磁铁，其特征在于，陶瓷室本身的材料为95％三氧化二铝，内部需要镀膜。
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