CN111954363A - 一种小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，铁芯主体设计成两个磁轭和四件磁极；对制造磁轭的电工纯铁坯料和制造磁极的铁钴钒合金胚料进行提高材料磁性能的锻制和热处理；加工磁轭毛坯和磁极毛坯，用磁轭半成品和磁极半成品组成两个1/2铁芯后；再装成预装配四极透镜铁芯，加工，拆解，发黑处理加工后磁极半成品，得磁极；用无氧铜空心导线绕制4套初线圈后环氧真空浇注，得线圈；磁轭上两个装有线圈的磁极，组成四极透镜铁芯；将四极透镜铁芯和所需的其它设施安装在磁铁支座上，制得小孔径高梯度磁场四极透镜。该制造方法使用两种不同磁性能材料制作磁轭和磁极，提高四极透镜工作时的磁感应强度，防止磁铁处于磁场饱和状态。
Description
技术领域
本发明属于加速器用电磁透镜技术领域，涉及一种粒子加速器用电磁透镜—小孔径高梯度磁场四极透镜的制造新工艺，尤其涉及一种小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法。
背景技术
四极透镜是粒子加速器磁铁系统中广泛采用的一种磁铁结构。利用四极透镜完成离子束聚焦或散焦功能，它的作用是使粒子运动以轨道心为轴线聚焦，聚焦力的大小与磁场梯度成正比，磁场梯度越高产生的磁场值越高，磁场对粒子的约束力越强。
对于加速器磁铁的制造方法来讲，现有技术中利用普通的电工材料对于常规四极透镜的制造很有成效，但针对小孔径高梯度磁场的四极透镜，尤其是要求四极透镜工作在高场状态，常规磁性材料的磁感应强度较低，磁场容易处于饱和状态，严重影响磁场的性能指标，不能满足工作要求，需要通过特殊方法提高四极透镜的磁场梯度。因此，探索一种新型的制造方法，对于保证小孔径高梯度磁场四极透镜的磁场值和磁场稳定性相当重要，对提高小孔径高梯度磁场四极透镜的制造水平也显得非常有意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够防止磁铁处于磁场饱和状态的小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，解决了现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，具体按以下步骤进行：
1）将小孔径高梯度磁场四极透镜中的铁芯主体分解设计成上磁轭、下磁轭以及与上磁轭相对应的两件磁极和与下磁轭相对应的两件磁极；上磁轭与下磁轭的结构和尺寸完全相同，该四件磁极的结构和尺寸完全相同；
按设计图纸中要求的尺寸和材质，取用于制造磁轭的电工纯铁坯料，取用于制造磁极的铁钴钒合金胚料；
对所取坯料进行能够提高材料磁性能的锻制和热处理工艺，得磁轭毛坯和磁极毛坯；
2）在数控机床上分别加工两件磁轭毛坯，保证厚度方向、外轮廓、两磁轭间的装配面及磁轭与磁极装配面的加工精度符合图纸设计要求，其余内轮廓尺寸均预留后期精密加工裕量，得上磁轭半成品和下磁轭半成品；
在数控机床上分别加工四件磁极毛坯，保证厚度方向及磁极与磁轭装配面的加工精度符合设计要求，得四件磁极半成品；
3）在上磁轭半成品上装配两件磁极半成品，用磁轭与磁极连接螺钉连接上磁轭半成品和磁极半成品，并打圆锥形磁轭与磁极定位销，组成透镜的1/2铁芯；
在下磁轭半成品上装配两件磁极半成品，用另外的磁轭与磁极连接螺钉连接下磁轭半成品和该两件磁极半成品，并打另外的圆锥形磁轭与磁极定位销，组成透镜的另一个1/2铁芯；
4）用上下磁轭连接螺栓将该两个1/2铁芯连接成一个整体，并用圆柱形的磁轭定位销固定，组成预装配四极透镜铁芯；
5）在线切割机床上精密加工组成预装配四极透镜铁芯的部件内轮廓面上预留的精密加工裕量，保证加工精度符合设计要求，保证加工后磁极半成品上圆弧面的圆弧度≤0.02mm；之后，检测加工后预装配四极透镜铁芯的孔径尺寸和四个加工后磁极半成品之间间隙的尺寸精度；
6）检测合格后，拆解加工后预装配四极透镜铁芯，对拆下的四件加工后磁极半成品进行发黑处理，得四件磁极；拆下的两件加工后磁轭半成品分别为上磁轭和下磁轭；
7）取外形为正方体形且中心带圆形水冷孔的TU1无氧铜空心导线；清理导线内孔和导线表面；
8）绕制4套初线圈；并检验初线圈的绕制尺寸、绝缘性能以及初线圈的水流量符合要求；
9）环氧真空浇注检验符合要求的初线圈，得线圈；
10）每个磁极上装配一套线圈，然后在上磁轭和下磁轭上分别装配装有线圈的磁极，对线圈采取相应的固定措施，并利用磁轭与磁极定位销的定位功能保证磁极的装配精度，组装成四极透镜铁芯；
11）将四极透镜铁芯和所需的其它设施安装在磁铁支座上，制得小孔径高梯度磁场四极透镜。
本发明制造方法采用一台铁芯使用两种不同磁性能材料的新工艺。高导磁率的磁性材料提高四极透镜工作时的磁感应强度，防止磁铁处于磁场饱和状态。另外，从经济的角度来讲，仅磁极部分采用价格昂贵的高导磁率材料，达到降低成本的目的。该制造方法制得的小孔径高梯度磁场四极透镜，磁场梯度高、磁场不易饱和、磁场指标好、磁场性能稳定，改善和提高了小孔径高梯度磁场四极透镜的性能，而且制造成本低，而且，铁芯尺寸控制的很好、结构稳定性佳、装配简单、便捷、加工精度高、外形尺寸及形状误差小，而且工艺相对简单，成本较低，便于实现，改善和提高了小孔径高梯度磁场四极透镜的工作性能。
附图说明
图1是小孔径高梯度磁场四极透镜的外形结构示意图。
图2是本发明制造方法制得的四极透镜中上磁轭的结构示意图。
图3是本发明制造方法制得的四极透镜中下磁轭的结构示意图。
图4是本发明制造方法制得的四极透镜中单个磁极的结构示意图。
图5是本发明制造方法制得的四极透镜铁芯的结构示意图。
图6是本发明制造方法制得的装有线圈的小孔径高梯度线圈的结构示意图。
图中：1.四极透镜铁芯，2.线圈，3.磁铁支座，4.上磁轭半成品，5.第一配合面，6.第二配合面，7.第三配合面，8.下磁轭半成品，9.第四配合面，10.第五配合面，11.第六配合面，12.磁极半成品，13.第七配合面，14.磁轭与磁极连接螺钉，15.磁轭与磁极定位销，16.上下磁轭连接螺栓，17.磁轭定位销，18.圆弧面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，制造完成图1所示的小孔径高梯度磁场四极透镜，该小孔径高梯度磁场四极透镜工作时具有较高的磁感应强度，防止磁铁处于磁场饱和状态；保证四极透镜的磁场值和磁场稳定性。该制造方法具体按以下步骤进行：
1）将小孔径高梯度磁场四极透镜中的铁芯主体分解设计成上磁轭、下磁轭以及与上磁轭相对应的两件磁极和与下磁轭相对应的两件磁极；上磁轭与下磁轭的结构和尺寸完全相同，该四件磁极的结构和尺寸完全相同；
磁轭和磁极设计采用不同导磁率的磁性材料，制造磁轭的材料采用软磁性材料—电工纯铁；制造磁极的材料采用高导磁性材料—铁钴钒合金；按设计图纸中要求的尺寸和材质，取相应材质的坯料；
磁极采用1J22型铁钴钒合金材料，饱和磁感应强度BS≥2.2T。
对所取坯料进行能够提高材料磁性能的锻制和热处理工艺（通过锻造工艺提高材料的致密性，消除疏松缺陷，优化微观组织结构，改善导磁性能，锻制后进行去应力退火热处理，消除残余内应力，提高机械加工性能），获得磁轭毛坯和磁极毛坯；
2）在数控机床上分别加工两件磁轭毛坯，保证厚度方向、外轮廓、两磁轭间的装配结合面及磁轭与磁极装配面的加工精度符合图纸设计要求，装配面的平面度≤0.02mm；其余内轮廓尺寸均预留+2mm的后期精密加工裕量，得图2所示的上磁轭半成品4和图3所示的下磁轭半成品8；
上磁轭半成品4为拱形，其内壁上加工有两个用于安装磁极的第三配合面7，该两个第三配合面7之间的夹角为锐角，上磁轭半成品4的底面为第一配合面5和第二配合面6；
下磁轭半成品8为拱形，其内壁上加工有两个用于安装磁极的平面为第五配合面10，下磁轭半成品8的底面为第四配合面9和第六配合面11；
在数控机床上分别加工四件磁极毛坯，保证厚度方向及磁极与磁轭装配面的加工精度符合设计要求，加工后所有装配面的平面度≤0.02mm，其余外轮廓尺寸均预留+2mm的后期精密加工裕量，得四件图4所示的磁极半成品12；磁极半成品12上有第七配合面13；
3）在上磁轭半成品4的两个第三配合面7上分别安装一件磁极半成品12，磁极半成品12上的第七配合面13与第三配合面7相接触，用磁轭与磁极连接螺钉14连接上磁轭半成品4和磁极半成品12，并打圆锥形磁轭与磁极定位销15，保证装配复位精度，组成透镜的1/2铁芯；
在下磁轭半成品8的两个第五配合面10上分别安装一件磁极半成品12，磁极半成品12上的第七配合面13与第五配合面10相接触，用另外的磁轭与磁极连接螺钉14连接下磁轭半成品8和该两件磁极12半成品，并打另外的圆锥形磁轭与磁极定位销15，保证装配复位精度，组成透镜的另一个1/2铁芯；
磁轭与磁极采用螺钉连接，圆锥销定位，保证二次拆卸后的装配精度。
4）组装两个1/2铁芯，即第二配合面6与第四配合面9相接触，第一配合面5与第六配合面11相接触，利用磁轭半成品上预留的螺孔，用上下磁轭连接螺栓16将该两个1/2铁芯连接成一个整体，并用圆柱形的磁轭定位销17固定两个1/2铁芯，完成四极透镜铁芯精密加工前的预装配，组成图5所示的完整的预装配四极透镜铁芯；
5）在线切割机床上精密加工预装配四极透镜铁芯中上磁轭半成品4内轮廓面上预留的精密加工裕量、下磁轭半成品8内轮廓面上预留的精密加工裕量以及磁极半成品12上预留的精密加工裕量，保证加工精度符合设计要求，保证加工后磁极半成品上圆弧面18的圆弧度≤0.02mm；之后，检测加工后预装配四极透镜铁芯的孔径尺寸和四个加工后磁极半成品之间间隙的尺寸精度；
6）检测合格后，拆解加工后预装配四极透镜铁芯，对拆下的四件加工后磁极半成品进行发黑处理，防止生锈，得四件磁极；拆下的两件加工后磁轭半成品分别为上磁轭和下磁轭；
7）取外形为正方体形且中心带圆形水冷孔的TU1无氧铜空心导线；检查导线内孔的通畅性：即，先将压缩空气通入导线的内孔，吹干净铜导线内孔中存在的杂物等；再对铜导线做钢球通过实验，取直径为导线内径90%的钢球，将钢球从导线一端送入导线内孔，用压缩空气将钢球从导线另一端吹出；
8）清理铜导线表面可能影响线圈绝缘性能的毛刺等；用工业酒精擦洗铜导线表面的油污、粉末等残留物；
9）按照规定的绕制方法在线圈绕线模具上绕制4套初线圈；并检验初线圈的绕制尺寸、绝缘性能以及初线圈的水流量等参数符合要求；
10）按照规定的程序环氧真空浇注初线圈，保证初线圈绝缘性能良好，得图6所示的线圈2；
11）每个磁极上装配一套线圈2，然后在上磁轭和下磁轭上分别装配装有线圈2的磁极，对线圈2采取相应的固定措施，并利用定位销的定位功能保证磁极的装配精度，组装成四极透镜铁芯1；
12）将四极透镜铁芯1和所需的其它设施安装在磁铁支座3上，制得小孔径高梯度磁场四极透镜。
本发明制造方法制得的四极透镜的孔径＜50mm，磁场梯度达到40T/m，超过采用普通电工纯铁制造的常规四极透镜的磁场梯度。采用本身具有高导磁性能的铁钴钒材料作为四极透镜的磁极，饱和磁感应强度提高，在高磁场下使得磁极部位的导磁性能大大提高，在四极透镜的孔径＜50mm的情况下，磁场梯度值可达40T/m，与使用普通磁性材料相比，磁场梯度值高出50%以上，因此，该四极透镜具有小孔径高梯度的特性。
本发明制造方法中，磁轭与磁极采用两种不同导磁率的磁性材料，仅磁极部分采用价格昂贵的具有高导磁性能的铁钴钒合金材料，磁轭部分仍采用现有技术中普遍使用的价格低廉的电工纯铁软磁材料，大大降低了整台四极透镜的制造成本。
Claims (4)
1.一种小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，其特征在于，该制造方法具体按以下步骤进行：
1）将小孔径高梯度磁场四极透镜中的铁芯主体分解设计成上磁轭、下磁轭以及与上磁轭相对应的两件磁极和与下磁轭相对应的两件磁极；上磁轭与下磁轭的结构和尺寸完全相同，该四件磁极的结构和尺寸完全相同；
按设计图纸中要求的尺寸和材质，取用于制造磁轭的电工纯铁坯料，取用于制造磁极的铁钴钒合金胚料；
对所取坯料进行能够提高材料磁性能的锻制和热处理工艺，得磁轭毛坯和磁极毛坯；
2）在数控机床上分别加工两件磁轭毛坯，保证厚度方向、外轮廓、两磁轭间的装配面及磁轭与磁极装配面的加工精度符合图纸设计要求，其余内轮廓尺寸均预留后期精密加工裕量，得上磁轭半成品（4）和下磁轭半成品（8）；
在数控机床上分别加工四件磁极毛坯，保证厚度方向及磁极与磁轭装配面的加工精度符合设计要求，得四件磁极半成品（12）；
3）在上磁轭半成品（4）的上装配两件磁极半成品（12），用磁轭与磁极连接螺钉（14）连接上磁轭半成品（4）和磁极半成品（12），并打圆锥形磁轭与磁极定位销（15），组成透镜的1/2铁芯；
在下磁轭半成品（8）上装配两件磁极半成品（12），用另外的磁轭与磁极连接螺钉（14）连接下磁轭半成品（8）和该两件磁极（12）半成品，并打另外的圆锥形磁轭与磁极定位销（15），组成透镜的另一个1/2铁芯；
4）用上下磁轭连接螺栓（16）将该两个1/2铁芯连接成一个整体，并用圆柱形的磁轭定位销（17）固定，组成预装配四极透镜铁芯；
5）在线切割机床上精密加工组成预装配四极透镜铁芯的部件内轮廓面上预留的精密加工裕量，保证加工精度符合设计要求，保证加工后磁极半成品上圆弧面（18）的圆弧度≤0.02mm；之后，检测加工后预装配四极透镜铁芯的孔径尺寸和四个加工后磁极半成品之间间隙的尺寸精度；
6）检测合格后，拆解加工后预装配四极透镜铁芯，对拆下的四件加工后磁极半成品进行发黑处理，得四件磁极；拆下的两件加工后磁轭半成品分别为上磁轭和下磁轭；
7）取外形为正方体形且中心带圆形水冷孔的TU1无氧铜空心导线；清理导线内孔和导线表面；
8）绕制4套初线圈；并检验初线圈的绕制尺寸、绝缘性能以及初线圈的水流量符合要求；
9）环氧真空浇注检验符合要求的初线圈，得线圈（2）；
10）每个磁极上装配一套线圈（2），然后在上磁轭和下磁轭上分别装配装有线圈（2）的磁极，对线圈（2）采取相应的固定措施，并利用磁轭与磁极定位销（15）的定位功能保证磁极的装配精度，组装成四极透镜铁芯（1）；
11）将四极透镜铁芯（1）和所需的其它设施安装在磁铁支座（3）上，制得小孔径高梯度磁场四极透镜。
2.如权利要求1所述的小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，其特征在于，所述步骤2）中，上磁轭半成品（4）上各装配面的平面度≤0.02mm；其余内轮廓尺寸均预留后期精密加工裕量。
3.如权利要求1所述的小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，其特征在于，所述步骤2）中，下磁轭半成品（8）上各装配面的平面度≤0.02mm；其余内轮廓尺寸均预留的后期精密加工裕量。
4.如权利要求1所述的小孔径高梯度磁场四极透镜的制造方法，其特征在于，所述步骤7）中，取得导线后，先检查导线内孔的通畅性：将压缩空气通入导线的内孔，吹干净铜导线内孔；再对导线做钢球通过实验。
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