CN111741590A - 偏转磁铁及具有其的偏转装置 - Google Patents

Abstract

一种偏转磁铁及具有其的偏转装置，偏转磁铁包括：第一磁极、第二磁极、主励磁线圈和磁轭，所述主励磁线圈缠绕在所述第一磁极和第二磁极上；所述第一磁极和所述第二磁极分别与所述磁轭连接，当所述主励磁线圈中有电流通过时，所述第一磁极和所述第二磁极之间产生使带电粒子以一定路线通过的第一磁场空间；所述磁轭包括第一端面磁轭、第二端面磁轭和侧面磁轭，所述侧面磁轭的两端分别连接所述第一端面磁轭和所述第二端面磁轭，所述第一端面磁轭连接所述第一磁极，所述第二端面磁轭连接所述第二磁极，所述侧面磁轭上具有用于所述带电粒子出射的开口。本发明可以同时用于束流偏转和束流诊断，使粒子在需要束流诊断时从偏转磁铁的开口处直接引出。

Description

偏转磁铁及具有其的偏转装置

技术领域

本发明的实施例涉及粒子加速器技术领域，尤其涉及一种偏转磁铁及具有其的偏转装置。

背景技术

带电粒子加速器通常用于放射治疗、辐照加工等技术领域，在使用带电粒子进行治疗或者应用之前，通常需要通过束流诊断获取束流强度、束斑形状等束流品质参数，但是将束流从粒子加速器中引出至束流诊断系统的过程并不能通过带电粒子加速器的偏转磁铁实现，而需要借助于其他的偏转磁铁将束流偏转一定角度再引出到偏转装置。这种束流引出的方式需要占用一定的空间安装束流引出偏转磁铁，同时也增加了束流诊断的引出难度。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种偏转磁铁及具有其的偏转装置，以解决上述现有技术中存在的问题的至少一个方面。

根据本发明的一个方面提供了一种偏转磁铁，包括：第一磁极、第二磁极、主励磁线圈和磁轭，所述主励磁线圈缠绕在所述第一磁极和第二磁极上；所述第一磁极和所述第二磁极分别于所述磁轭连接，当所述主励磁线圈中有电流通过时，所述第一磁极和所述第二磁极之间产生使带电粒子以一定路线通过的第一磁场空间；所述磁轭包括第一端面磁轭、第二端面磁轭和侧面磁轭，所述侧面磁轭的两端分别连接所述第一端面磁轭和所述第二端面磁轭，所述第一端面磁轭连接所述第一磁极，所述第二端面磁轭连接所述第二磁极，所述侧面磁轭上具有用于所述带电粒子出射的开口。

可选地，所述侧面磁轭还具有另一开口，所述另一开口与所述开口关于所述侧面磁轭的中线对称设置。

可选地，所述侧面磁轭在所述开口处的磁通量小于磁饱和状态。

可选地，所述带电粒子的入射方向垂直于所述侧面磁轭所在平面。

可选地，当所述励磁线圈中无电流时，所述带电粒子沿所述入射方向从所述开口离开所述第一磁场空间。

可选地，所述偏转磁铁还包括：第三磁极，与所述第一端面磁轭连接，设置在所述第一磁极远离所述侧面磁轭的一侧；第四磁极，与所述第二端面磁轭连接，设置在所述第二磁极远离所述侧面磁轭的一侧；反向励磁线圈，缠绕在所述第三磁极和第四磁极上，当所述反向励磁线圈通入电流时，使所述第三磁极和所述第四磁极之间产生与所述第一磁场空间的磁场方向相反的第二磁场空间。

可选地，所述反向励磁线圈与所述主励磁线圈连接同一励磁电源。

可选地，所述主励磁线圈和所述反向励磁线圈共用导线。

可选地，所述励磁电源的电流可调节。

可选地，所述主励磁线圈和所述反向励磁线圈被配置为调节所述第一磁场空间和所述第二磁场空间的磁感应强度比例。

可选地，所述第一磁场空间的磁场强度大于所述第二磁场空间的磁场强度。

根据本发明的另一方面，提供了一种偏转装置，包括：上述任意一种偏转磁铁；真空室本体，设置在所述偏转磁铁产生的磁场空间中，所述真空室本体内限定有真空室，所述真空室本体包括：入口，用于所述带电粒子进入所述真空室；第一出口，用于所述偏转磁铁产生磁场时所述带电粒子离开所述真空室；第二出口，用于所述偏转磁铁无磁场时所述带电粒子离开所述真空室；以及，所述真空室本体沿在第二出口出沿所述带电粒子出射方向延伸形成的真空管，所述真空管从所述侧面磁轭的所述开口穿出。

根据本发明的实施例具有以下有益效果：通过在侧面磁轭上设置开口，使束流在励磁线圈有电流通过时偏转回加速器，在励磁线圈无电流时可以从侧面磁轭的开口处直接引出至束流诊断装置；侧面磁轭的关于中线对称设置的开口使束流经过的磁场空间分布更加平衡；通过控制开口的处的磁通量密度小于磁饱和状态，确保磁场强度可调节；第三磁极和第四磁极通过产生与第一磁场空间完全相反的第二磁场空间对束流进行横向聚焦，减小了偏转磁铁整体体积；共用一根导线的主励磁线圈和反向励磁线圈实现了第一磁场空间和第二磁场空间的同步开启以及磁场强度的同步调节；可调节的电流强度有利于适应不同速度的粒子的需求，将其限定在偏转磁铁的覆盖范围内。

附图说明

现将参考附图以非限制性示例的方式更加详细地描述本发明的实施例，附图仅仅是示意性的，并且其中相同的附图标记始终指代相同部分，在附图中：

图1为现有技术的脊型腔加速器的原理示意图；

图2为本发明一个实施例的偏转磁铁的结构示意图；

图3为图2所示偏转磁铁的另一角度结构示意图；

图4为本发明一个实施例的偏转磁铁内带电粒子的运动轨迹原理图；

图5为侧面磁轭开口前后的磁感应强度一维分布示意图；

图6为本发明的一个实施例偏转磁铁磁感应强度一维分布示意图。

附图标记说明：

1、脊型腔加速器；11、粒子源；12、加速腔；13、偏转装置；14、束流诊断装置；100、偏转磁铁；101、第一磁场空间；102、第二磁场空间；110、第一磁极；120、第二磁极；130、主励磁线圈；140、磁轭；141、第一端面磁轭；142、第二端面磁轭；143、侧面磁轭；144、开口；145、另一开口；150、第三磁极；160、第四磁极；170、反向励磁线圈；201、第一曲线；202、第二曲线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。

如图1所示为现有技术的脊型腔加速器1的原理示意图，包括粒子源11、加速腔12、偏转装置13，其中粒子源11与加速腔12连接，加速腔12连接多个偏转装置13。粒子源11用于提供带电粒子束，带电粒子进入加速腔12进行加速，并依次通过加速腔12连接的偏转装置13进行180°偏转使带电粒子往复通过加速腔12进行加速。为了解束流品质参数需要利用束流诊断装置进行束流诊断，现有技术的束流诊断过程通常需要借助于特殊设计的引出装置将束流引出至束流诊断装置。本发明提供了一种偏转磁铁，以替代现有技术中的偏转装置13，使束流可以从偏转装置13直接引出到束流诊断装置14，而不需要借助于特殊设计的引出装置。

如图2、图3所示，本发明的一个实施例提供了一种偏转磁铁100，包括：第一磁极110、第二磁极120、主励磁线圈130和磁轭140，主励磁线圈130缠绕在第一磁极110和第二磁极120上；第一磁极110和第二磁极120分别与磁轭140连接，当主励磁线圈130中有电流通过时，第一磁极110和第二磁极120之间产生使带电粒子以一定路线通过的第一磁场空间101；磁轭140包括第一端面磁轭141、第二端面磁轭142和侧面磁轭143，侧面磁轭143的两端分别连接第一端面磁轭141和第二端面磁轭142，第一端面磁轭141连接第一磁极110，第二端面磁轭142连接第二磁极120，侧面磁轭143上具有用于带电粒子出射的开口144。

如图2所示，主励磁线圈130连接励磁电源，当接通励磁电源时，主励磁线圈130内部有电流通过并使得第一磁极110和第二磁极120之间的第一磁场空间101内产生磁场，第一磁场空间101内的磁场可以进入偏转磁铁100的带电粒子发生偏转并以预设的轨迹运动。

磁轭140用于传导磁感线以及屏蔽作用，在本实施例中，第一端面磁轭141和第二端面磁轭142分别对称设置在侧面磁轭143的上下两端，第一端面磁轭141和第二端面磁轭142相向的一侧分别连接第一磁极110和第二磁极120，且第一磁极110和第二磁极120之间具有使带电粒子经过的空间，即第一磁场空间101。

侧面磁轭143的一侧具有开口144，开口144的延伸方向平行于第一端面磁轭141和第二端面磁轭142，开口144开设在侧面磁轭143对应第一磁场空间101的高度处，当主励磁线圈130内的无电流通过时，进入偏转磁铁100的带电粒子的速度方向将不发生偏转，而是维持入射的方向穿过第一磁场空间101从侧面磁轭143的开口144处离开偏转磁铁100。

本实施例中，偏转磁铁100，其可以用于如图1所示的脊型腔加速器的偏转装置13中，用于使从加速腔12进入偏转装置13的带电粒子在偏转磁铁100产生的磁场中进行180°偏转，然后回到加速腔12继续加速，或者使带电粒子经过未产生磁场的偏转磁铁100后直接进入束流诊断装置。通过偏转磁铁100的开口144处连接束流诊断装置，避免了束流诊断过程中通过增加特殊设计的偏转和引出装置的连接和安装，提高束流诊断效率，减小了加速器的体积。

如图3所示，侧面磁轭143还具有另一开口145，另一开口145与开口144关于侧面磁轭143的中线对称设置。

在其他的实施例中，侧面磁轭143包括关于中线对称开设的开口144和另一开口145，开口144和另一开口145分别开设在侧面磁轭143的两侧，开口方向相反，且具有相同的宽度和高度，且开口144和另一开口145的延伸方向平行与第一端面磁轭141和第二端面磁轭142。侧面磁轭143通过对称开设的开口144和另一开口145有利于磁场的均匀分布，即当主励磁线圈130内由电流通过时，使第一磁场空间101内的磁场均匀分布。

侧面磁轭143在开口144处的磁通量小于磁饱和状态。

本领域技术人员可以理解的，通过控制侧面磁轭143的开口144的宽度和高度使的开口144处的磁通量密度小于磁饱和状态，当通过主励磁线圈130和反向励磁线圈170中的电流时，第一磁极110和第二磁极120产生的磁场强度，以及第三磁极150和第四磁极160产生的磁场强度将会同步发生变化，通过控制开口144的大小可以维持磁场强度的可调节。同理，另一开口145保持和开口144相同的宽度和高度，以实现磁场的均匀分布。

带电粒子的入射方向垂直于侧面磁轭143所在平面。

如图1所示，通过脊型腔加速器1进行加速的带电粒子在进行循环加速的过程中，需要通过偏转装置13进行180°的偏转，使其可以往复通过加速腔12。在本实施例中，带电粒子以垂直于侧面磁轭143的方向入射，当偏转磁铁100内有磁场产生时，带电粒子经过第一磁场空间101的偏转作用返回加速腔12。

主励磁线圈130中无电流时，带电粒子沿入射方向从开口144离开第一磁场空间101。

在本实施例中，当主励磁线圈130中无电流时，带电粒子进入偏转磁铁100时没有外力作用，在第一磁场空间101内沿入射方向做直线运动，并从侧面磁轭143的开口144处离开偏转磁铁100，直接进入与偏转装置13连接的束流诊断装置14。

如图2和图3所示，偏转磁铁100还可以包括：第三磁极150、第四磁极160和反向励磁线圈170。

第三磁极150与第一端面磁轭141连接，设置在第一磁极110远离侧面磁轭143的一侧；第四磁极160与第二端面磁轭142连接，设置在第二磁极120远离侧面磁轭143的一侧；反向励磁线圈170缠绕在第三磁极150和第四磁极160上，当反向励磁线圈170通入电流时，使第三磁极150和第四磁极160之间产生与第一磁场空间101的磁场方向相反的第二磁场空间102。

第三磁极150和第四磁极160分别缠绕有反向励磁线圈170，反向励磁线圈170与电源连接，当接通电源时，其内有电流通过，且反向励磁线圈170内的电流方向与主励磁线圈130的电流方向相反。第三磁极150和第四磁极160分别与第一端面磁轭141和第二端面磁轭142相向的侧面连接。第三磁极150与第一端面磁轭141连接，第三磁极150设置在第一磁极110远离侧面磁轭143的一侧，第四磁极160和第二端面磁轭142连接，第四磁极160设置在第二磁极120远离侧面磁轭143的一侧，使第三磁极150和第四磁极160之间具有第二磁场空间102，且第二磁场空间102与第一磁场空间101连通，当反向励磁线圈170内有电流通过时，在第二磁场空间102内产生与第一磁场空间101内的磁感线方向相反的磁场。

第三磁极150和第四磁极160通过反向励磁线圈170内的反向电流使带电粒子在第二磁场空间102内产生反向磁场，使带电粒子在第二磁场空间102内的与第一磁场空间101内的偏转方向相反，以实现横向聚焦的目的，即通过第二磁场空间102缩小带电粒子在经过偏转磁铁时的运动轨迹，以控制偏转磁铁100的体积。

第一磁场空间101的磁场强度大于第二磁场空间102的磁场强度。

本领域技术人员可以理解的，带电粒子在均匀分布的磁场中受到垂直于速度方向的作用力，使带电粒子做圆周运动，通过控制磁感应强度的大小可以控制带电粒子的偏转半径，且其偏转半径与磁感应强度成反比。使第一磁场空间101的磁场强度大于第二磁场空间102的磁场强度可以使带电粒子仅通过小角度的偏转实现在横向的聚焦。

如图4所示为当带电粒子所带电荷为负电荷时其在本实施例的偏转磁铁100中的运动轨迹原理示意图。当主励磁线圈130和反向励磁线圈170内有电流通过时，带电粒子沿预设轨迹第一曲线201运动，带电粒子依次经过第三磁极150和第四磁极160之间的第二磁场空间102进行小角度偏转后，进入第一磁极110和第二磁极120之间的第一磁场空间101，并在第一磁场空间101的磁场作用下偏转回第二磁场空间102，然后经第二磁场空间102的作用使其出射方向相对于入射方向想完成180°偏转回到加速腔12。

主励磁线圈130和反向励磁线圈170内无电流时，如图4所示，带电粒子沿轨迹第二曲线202作直线运动，带电粒子依次通过第二磁场空间102和第一磁场空间101沿入射方向从开口144离开偏转磁铁100。

反向励磁线圈170与主励磁线圈130连接同一励磁电源。

在本实施例中，反向励磁线圈170和主励磁线圈130与同一励磁电源连接，以实现对第一磁场空间101和第二磁场空间102的磁场产生和消失的同步控制。

励磁电源的电流可调节。

本实施例中，为适应不同速度的带电粒子，可以通过调节电流强度实现第一磁场空间101和第二磁场空间102内的磁感应强度的调节，以控制带电粒子在偏转磁铁100内的偏转半径，使其运动轨迹始终被磁场覆盖。通过调节电流强度，可以使偏转磁铁100适应处于不同加速阶段的带电粒子，避免了通过设计偏转磁铁100的大小实现对不同能量带电粒子的需求。

主励磁线圈130和反向励磁线圈170共用导线。

本领域技术人员可以理解的是，主励磁线圈130和反向励磁线圈170可以共用一根导线缠绕，通过缠绕方向的不同使第一磁场空间101和第二磁场空间102的磁感线方向相反。通过共用导线可以实现电流强度的同步调节，有利于控制第一磁场空间101和第二磁场空间102内的相对磁感应强度变化，并进一步的控制带电粒子的运动轨迹。

本实施例中，主励磁线圈130和反向励磁线圈170被配置为调节第一磁场空间101和第二磁场空间102的磁感应强度比例。

如图5和图6所示的第一磁场空间101和第二磁场空间102内的磁感应强度一维分布图，当在侧面磁轭143开设开口144和另一开口145之后，相对于未开设时的磁感应强度分布，第一磁场空间101的磁感应强度增强，第二磁场空间102的磁感应强度降低。当调节主励磁线圈130和反向励磁线圈170的匝数比例后，第一磁场空间101和第二磁场空间102内的磁感应强度分布曲线逐渐趋于未开口时对应的磁感应强度分布情况。本领域技术人员可以理解的是，在侧面磁轭143上设置开口将会影响偏转磁铁100内的磁感应强度和磁场分布，因此为维持磁场的稳定，本发明的实施例通过调节主励磁线圈130和反向励磁线圈170的匝数比例解决了侧面磁轭143的开口144对磁感应强度和磁场分布的影响，克服了上述问题。

本实施例还提供了一种偏转装置13，包括：采用上述任意一种偏转磁铁100；真空室本体，设置在偏转磁铁100产生的磁场空间中，真空室本体内限定有真空室，真空室本体包括：入口，用于带电粒子进入真空室；第一出口，用于偏转磁铁100产生磁场时带电粒子离开真空室；第二出口，用于偏转磁铁100无磁场时带电粒子离开真空室；以及，真空室本体在第二出口处沿带电粒子出射方向延伸形成的真空管，真空管从侧面磁轭143的开口144穿出。

偏转装置13包括偏转磁铁100和真空室本体，其中真空室本体设置在偏转磁铁100的第一端面磁轭141和第二端面磁轭142之间，并且第一磁场空间101和第二磁场空间102覆盖真空室本体，使的偏转磁铁100的磁感线可以垂直穿过真空室本体。真空室本体内限定有本体腔，本体腔远离侧面磁轭143的一侧具有入口和第一出口，当偏转磁铁100内有磁场产生时，带电粒子从入口进入真空室，并在磁场作用下偏转后从第一出口穿出；本体腔的第二出口与侧面磁轭143的开口144对应，当偏转磁铁100无磁场时，从入口进入真空室的带电粒子沿直线从第二出口离开真空室，并从开口144离开偏转磁铁100。真空室本体开可以包括用于带电粒子的传输通道的真空管，真空管由真空室本体在第二出口处向粒子出射的方向延伸形成，且真空管从开口144穿出偏转磁铁，偏转装置13通过真空管与束流诊断装置直接连接。

本实施例的偏转装置，通过侧面磁轭的开口处实现与束流诊断装置的连接，使得进入的带电粒子从本体腔可以偏转加速或者直接引出至诊断装置，减少了辅助设备的使用，提高了束流诊断效率，简化了整体结构，减小了加速器的体积。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种偏转磁铁(100)，包括：第一磁极(110)、第二磁极(120)、主励磁线圈(130)和磁轭(140)，其中，所述主励磁线圈(130)缠绕在所述第一磁极(110)和第二磁极(120)上；

所述第一磁极(110)和所述第二磁极(120)分别与所述磁轭(140)连接，当所述主励磁线圈(130)中有电流通过时，所述第一磁极(110)和所述第二磁极(120)之间产生使带电粒子以一定路线通过的第一磁场空间(101)；

所述磁轭(140)包括第一端面磁轭(141)、第二端面磁轭(142)和侧面磁轭(143)，所述侧面磁轭(143)的两端分别连接所述第一端面磁轭(141)和所述第二端面磁轭(142)，所述第一端面磁轭(141)连接所述第一磁极(110)，所述第二端面磁轭(142)连接所述第二磁极(120)，所述侧面磁轭(143)上具有用于所述带电粒子出射的开口(144)。

2.根据权利要求1所述的磁铁(100)，其中，所述侧面磁轭(143)还具有另一开口(145)，所述另一开口(145)与所述开口(144)关于所述侧面磁轭(143)的中线对称设置。

3.根据权利要求2所述的磁铁(100)，其中，所述侧面磁轭(143)在所述开口(144)处的磁通量小于磁饱和状态。

4.根据权利要求1所述的磁铁(100)，其中，所述带电粒子的入射方向垂直于所述侧面磁轭(143)所在平面。

5.根据权利要求4所述的磁铁(100)，其中，当所述主励磁线圈(130)中无电流时，所述带电粒子沿所述入射方向从所述开口(144)离开所述第一磁场空间(101)。

6.根据权利要求1所述的磁铁(100)，其中，还包括：

第三磁极(150)，与所述第一端面磁轭(141)连接，设置在所述第一磁极(110)远离所述侧面磁轭(143)的一侧；

第四磁极(160)，与所述第二端面磁轭(142)连接，设置在所述第二磁极(120)远离所述侧面磁轭(143)的一侧；

反向励磁线圈(170)，缠绕在所述第三磁极(150)和第四磁极(160)上，当所述反向励磁线圈(170)通入电流时，使所述第三磁极(150)和所述第四磁极(160)之间产生与所述第一磁场空间(101)的磁场方向相反的第二磁场空间(102)。

7.根据权利要求6所述的磁铁(100)，其中，所述反向励磁线圈(170)与所述主励磁线圈(130)连接同一励磁电源。

8.根据权利要求7所述的磁铁(100)，其中，所述主励磁线圈(130)和所述反向励磁线圈(170)共用导线。

9.根据权利要求7所述的磁铁(100)，其中，所述励磁电源的电流可调节。

10.根据权利要求7所述的磁铁(100)，其中，所述主励磁线圈(130)和所述反向励磁线圈(170)被配置为调节所述第一磁场空间(101)和所述第二磁场空间(102)的磁感应强度比例。

11.根据权利要求6所述的磁铁，其中，所述第一磁场空间(101)的磁场强度大于所述第二磁场空间(102)的磁感应强度。

12.一种偏转装置(13)，其中，包括：

偏转磁铁(13)，采用如权利要求1-11中所述任意一种；

真空室本体，设置在所述偏转磁铁(100)产生的磁场空间中，所述真空室本体内限定有真空室，所述真空室本体包括：

入口，用于所述带电粒子进入所述真空室；

第一出口，用于所述偏转磁铁(100)产生磁场时所述带电粒子离开所述真空室；

第二出口，用于所述偏转磁铁(100)无磁场时所述带电粒子离开所述真空室；以及，

所述真空室本体在第二出口处沿所述带电粒子出射方向延伸形成的真空管，所述真空管从所述侧面磁轭(143)的所述开口(144)穿出。

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