CN113993269A - 磁极气隙对称一体式270°偏转系统及其制作方法 - Google Patents
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- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Abstract
本发明公开了磁极气隙对称一体式270°偏转系统及其制作方法，系统包括左右对称设置的两个偏转模组，每个偏转模组均包括一个电磁铁；每个电磁铁包括一组偏转铁芯和励磁线包；每个偏转铁芯内设置有基座、梯度固定块和凹槽结构；其中每个凹槽结构均包括围绕在基座外围的环形凹槽和设置在基座上表面的条形凹槽，条形凹槽的一端穿出基座的侧面，条形凹槽的另一端设置有梯度固定块；偏转铁芯在条形凹槽穿出基座所指向的位置设置有缺口；偏转铁芯的背面也设置有缺口；每个励磁线包设置在一个环形凹槽内部；两个励磁线包之间设置有相邻的屏蔽钨合金块和屏蔽铅块。本发明具有好的消除色差功能和好的聚焦性能。
Description
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，具体涉及磁极气隙对称一体式270°偏转系统及其制作方法。
背景技术
医用直线加速器偏转系统的工作特性要求是应整机应用的需要，较大角度的改变束流运动方向为目的。由于中、高能医用电子直线加速器的加速管放置在一个可以绕中心旋转的机架上成水平方向。从加速管引出的水平电子束流必须经偏转系统变成垂直方向的束流去轰击重金属靶或经散色箔散射，从而形成所需的X射线和电子线。由于束流形成中各个电子的能量、动量以及进入偏转系统的入射角存在一定的差别，在偏转系统作用下这些不同的能量的电子产生不同的偏弯半径，使得束流中各个电子的轨迹发生了变化，产生所谓的色散，它将使偏转后的束斑形状产生畸变，影响辐射线的品质、效率及照射野剂量分布的均整性和对称性。因此对电磁偏转系统要求具有良好的消色差和聚焦特性。
中高能电子直线加速器所使用的偏转系统，在加速管偏转盒确定后应具有如下性能：
(1)保证各能量档的高能电子束在偏转盒内旋转270°；
(2)净化输入电子束的能谱；
(3)不改变入射电子束的能量；
(4)保证高能电子束在偏转盒输出口的束斑的直径小于等于2㎜；
(5)在保证能谱较纯净的情况下，电子束流通过率大于等于70％；
(6)在安装空间确定的情况下：
a沿Y轴的束斑调整范围不小于±5㎜；
b沿X轴的束斑调整范围不小于±5㎜；
(7)整体尺寸不超出350mm×310mm×220mm的范围；
(8)在最大励磁电流下连续工作1小时，铁芯和线包的温度不超过45℃。
目前尚无相应技术能提供完全符合上述条件的偏转系统，且已有技术的偏转系统通过分散设置磁体结构来减少色差，但是分开设置的磁体结构容易发生相对位置的变化从而影响磁场分布，容易发生色差增大和聚焦性能差的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的磁极气隙对称一体式270°偏转系统及其制作方法解决了现有技术中消色差和聚焦性能不高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种磁极气隙对称一体式270°偏转系统，其包括左右对称设置的两个偏转模组，每个偏转模组均包括一个电磁铁；每个电磁铁包括一组偏转铁芯和励磁线包；
每个偏转铁芯内设置有基座、梯度固定块和凹槽结构；其中每个凹槽结构均包括围绕在基座外围的环形凹槽和设置在基座上表面的条形凹槽，条形凹槽的一端穿出基座的侧面，条形凹槽的另一端设置有梯度固定块；偏转铁芯在条形凹槽穿出基座所指向的位置设置有缺口；偏转铁芯的背面也设置有缺口；
每个励磁线包设置在一个环形凹槽内部；
两个励磁线包之间设置有相邻的屏蔽钨合金块和屏蔽铅块。
进一步地：偏转铁芯的尺寸为343mm×308mm×219mm。
进一步地：屏蔽钨合金块为半圆形，且屏蔽钨合金块水平且同心设置。
进一步地：励磁线包包括线圈、连接线头、冷却水管和外壳结构；连接线头和冷却水管均通过连接片从外壳结构引出；线圈与连接线头相连。
进一步地：外壳结构为弧形几何体和长方体连接的空心几何体；连接线头和冷却水管均通过连接片从外壳结构的长方体段引出；长方体外设置有限位结构。
进一步地：偏转铁芯的材质为DT4A。
提供一种磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作方法，其包括以下步骤：
S1、选取材料DT4A，并用YB/T 2011标准铸造偏转铁芯，得到矫顽力小于等于72.0A/m、矫顽力时效增值小于等于7.2A/m、最大磁导率大于等于0.088H/m、抗拉强度处理为大于等于265MPa、断后伸长率处理为大于等于25％和维氏硬度处理为小于等于195的偏转铁芯；
S2、对偏转铁芯进行退火处理；
S3、在130℃的温度条件下对偏转铁芯进行50个小时的保温，并出炉空冷；
S4、对偏转铁芯的表面进行镀层处理；
S5、将励磁线包放置在偏转铁芯的环形凹槽内部，并通过励磁线包的限位结构与偏转铁芯相连；
S6、同步骤S1到步骤S5处理另一个偏转铁芯，并将两个偏转铁芯对称组合；
S7、在组合的两个偏转铁芯之间相邻放置屏蔽钨合金块和屏蔽铅块；
S8、将偏转盒放置在屏蔽钨合金块和屏蔽铅块形成的包围空间内，通过基座和梯度固定块提供的磁场进行偏转工作；完成磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作。
进一步地，步骤S2中退火的具体方法为：
S2-1、利用真空或惰性气体保护退火，并逐渐升温到900℃±10℃进行1个小时的保温；
S2-2、通过低于50℃/h的速度将温度冷却到500℃后再自然冷却到室内温度。
进一步地，步骤S4中的镀层为镍-磷镀层。
本发明的有益效果为：
1、同时满足如下性能：
(1)保证各能量档的高能电子束在偏转盒内旋转270°；
(2)净化输入电子束的能谱，更好的筛选电子能量；
(3)不改变入射电子束的能量；
(4)保证高能电子束在偏转盒输出口的束斑的直径小于等于2㎜；
(5)在保证能谱较纯净的情况下，电子束流通过率大于等于70％；
(6)在安装空间确定的情况下：
a沿Y轴的束斑调整范围不小于±5㎜；
b沿X轴的束斑调整范围不小于±5㎜；
(7)整体尺寸不超出350mm×310mm×220mm的范围；
(8)在最大励磁电流下连续工作1小时，铁芯和线包的温度不超过45℃。
2、整体体积尺寸较小，配合组合励磁线圈强度可调节范围广，同电流情况下磁场强度稳定。
3、具有好的消除色差功能和好的聚焦性能。
附图说明
图1为本发明的侧视剖面图；
图2为铁芯局部结构三维图；
图3为励磁线圈三维图；
图4为本发明的正视图；
图5为偏转系统组合结构图；
图6为偏转系统正视剖面图；
图7为磁场分段图；
图8为偏转铁芯角度示意图；
图9为中心轨道平面磁场分布；
图10为电子束包络曲线；
图11为梯度段磁场场区模拟计算值和理论值的分布图；
其中：1、连接线头和冷却水管；2、偏转铁芯；3、屏蔽钨合金块；4、梯度固定块；5、屏蔽铅块；6、励磁线包；7、基座；10、连接线头；11、冷却水管；20、环形凹槽；21、条形凹槽。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2、图3和图4所示，该磁极气隙对称一体式270°偏转系统，包括左右对称设置的两个偏转模组，每个偏转模组均包括一个电磁铁；每个电磁铁包括一组偏转铁芯2和励磁线包6；
每个偏转铁芯2内设置有基座7、梯度固定块4和凹槽结构；其中每个凹槽结构均包括围绕在基座7外围的环形凹槽20和设置在基座7上表面的条形凹槽21，条形凹槽21的一端穿出基座7的侧面，条形凹槽21的另一端设置有梯度固定块4；偏转铁芯2在条形凹槽21穿出基座7所指向的位置设置有缺口；偏转铁芯2的背面也设置有缺口；
每个励磁线包6设置在一个环形凹槽20内部；
两个励磁线包6之间设置有相邻的屏蔽钨合金块3和屏蔽铅块5。
偏转铁芯2的尺寸为343mm×308mm×219mm。
屏蔽钨合金块3为半圆形，且屏蔽钨合金块3水平且同心设置。
励磁线包6包括线圈、连接线头10、冷却水管11和外壳结构；连接线头10和冷却水管11均通过连接片从外壳结构引出；线圈与连接线头10相连。
外壳结构为弧形几何体和长方体连接的空心几何体；连接线头10和冷却水管11均通过连接片从外壳结构的长方体段引出；长方体外设置有限位结构。
偏转铁芯2的材质为DT4A。
该磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作方法，包括以下步骤：
S1、选取材料DT4A，并用YB/T 2011标准铸造偏转铁芯2，得到矫顽力小于等于72.0A/m、矫顽力时效增值小于等于7.2A/m、最大磁导率大于等于0.088H/m、抗拉强度处理为大于等于265MPa、断后伸长率处理为大于等于25％和维氏硬度处理为小于等于195的偏转铁芯2；
S2、对偏转铁芯2进行退火处理；
S3、在130℃的温度条件下对偏转铁芯2进行50个小时的保温，并出炉空冷；
S4、对偏转铁芯2的表面进行镀层处理；
S5、将励磁线包6放置在偏转铁芯2的环形凹槽20内部，并通过励磁线包6的限位结构与偏转铁芯2相连；
S6、同步骤S1到步骤S5处理另一个偏转铁芯2，并将两个偏转铁芯2对称组合；
S7、在组合的两个偏转铁芯2之间相邻放置屏蔽钨合金块3和屏蔽铅块5；
S8、将偏转盒放置在屏蔽钨合金块3和屏蔽铅块5形成的包围空间内，通过基座7和梯度固定块4提供的磁场进行偏转工作；完成磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作。
步骤S2中退火的具体方法为：
S2-1、利用真空或惰性气体保护退火，并逐渐升温到900℃±10℃进行1个小时的保温；
S2-2、通过低于50℃/h的速度将温度冷却到500℃后再自然冷却到室内温度。
步骤S4中的镀层为镍-磷镀层。
如图5、图6和图7所示，偏转系统实质上是一组电磁铁和加速管偏转盒的组合，电磁铁由偏转铁芯、屏蔽钨合金块和励磁线包组成。本发明中加速管偏转盒设置于电磁铁的内部，且与磁场垂直，电子束进入加速管偏转盒进行偏转，根据加速管偏转盒的内外半径可近似取中间值为偏转半径6cm；其中内半径为5.5cm，外半径为6.5cm；加速管偏转盒的宽度为12.4mm(图6中的lc到ld之间的距离)，其在均匀磁场段A段(入射段)的圆弧直径为152mm，从梯度段到均匀磁场段B段的圆弧直径为160mm，与周围间隙合适，且左右可调整约2.5mm，偏转铁芯的整体磁场直径为165mm，保证了最小整体尺寸。
如图6和图8所示，根据本发明所需磁场强度及能量大小，均匀磁场段的磁隙高度取18mm(即偏转铁芯的两个轴对称的不规则凹槽结构之间的间隙，图6中la到lb之间的距离)，磁隙宽度取48.7mm(即偏转铁芯的条形凹槽的宽度)，能够满足电子束总偏转角为270°，电子束的入射角为59°±0.2°(以锐角计算)，电子束的出射角为38°±0.2°(以锐角计算)。
通过TRANSPOR-EM/PC程序优化参数设计，如能量设计为6～10MV，能散电子束控制在±8％时，在初始状态下，电子束的入射角为59°，电子束的出射角为38°。
在本发明的一个实施例中，对发明进行模型仿真：
如图2和图9所示，通过三维软件建立图2的三维图，并导入计算程序MAFA中，利用S模块进行电磁场计算，为了满足低能、中能和高能医用直线加速器的偏转要求，提供图9中的电子能量为6MeV的磁场分布；图9中By为Y方向磁场强度，单位为mT，X为偏转铁芯X方向的矢量，单位为m，Y为偏转铁芯Y方向的矢量，单位为m。
如图10所示，根据加速管出束能量设置的不同，利用通用的TRANSPORT程序，在6MeV(矢量电子束半径R0＝0.5mm)、10MeV(矢量电子束半径R0＝0.7mm)和14MeV(矢量电子束半径R0＝1mm)电子能量状态下，进行束流传输计算，通过调节磁铁系统结构参数，使得在不同初始条件下，不同能量的束流均满足双聚焦、消色散条件，并使靶位置处的束流直径小于2mm，最终计算出统一初始条件下不同能量的电子包络曲线。
将本发明的模拟参数设定如下：偏转半径6cm；均匀磁场段的磁隙高度18mm，均匀磁场段的磁隙宽度48.7mm，其中梯度磁极的间隙高度差为13mm到17.8mm；总偏转角度270°；梯度场区偏转角度48°；梯度场区指数-1.05；电子束的入射角为59°，电子束的出射角为38°；电子束有效轨道尺寸内径55mm，电子束有效轨道尺寸外径65mm；梯度固定块的角度(如图10所示)：磁隙高段为11°(如图7的E段)，磁隙低段为7°(如图7的D段)。
如图11所示，基于模拟参数，根据TRABSPORT-EM/PC程序和二维电磁场POISSON计算程序配合计算，得到出在中心轨道处磁场梯度n＝-0.934；均匀磁极间隙高度约18mm，间隙宽度约为48.7mm；梯度磁极间隙高度是渐变的13mm～17.8mm；满足最初设计方案要求；其中R为磁场半径，单位为cm，Bz为磁场强度，单位为T。
将偏转磁铁安装在加速器上，实测射线偏转角，用三维水箱扫描出对应曲线。将钨门设置为10cm×10cm，然后沿X方向(或Y方向)扫描第一条Profile曲线，将钨门设置为30cm×30cm，然后在水箱软件界面下，然后沿X方向(或Y方向)扫描第二条Profile曲线；取两个曲线的交点，用交点差值除以交点和值，并乘以2得到ΔPX≈0.52％，该值小于1％，即射野大小尺寸对称性的偏差量满足设计标准；同理ΔPY≈0.37％，该值小于1％，即射野大小尺寸对称性的偏差量满足设计标准。
如图7和表1所示，在恒电流源下通电测试电磁参数，并在偏转线包通水循环冷却下测试，测试水压0.4MPa。通过测试工装设备和量具等辅助工具测试均匀段磁场大小和梯度段磁场大小。并对梯度段磁场磁极不同段的位置斜率做拟合计算。梯度段测试距离是由E段往D段到C段依次测试。
表1
表1的数据显示，在ED段时斜率值偏大，磁场由强减弱，此阶段磁场强度由E到D成正比例减强且渐变大于其他阶段，CD段斜率值较小，磁场也是由强变弱，此阶段磁场强度由D到E成正比例减强且渐变小于ED阶段。因此电子能量的筛选段则在ED段和CD段，来改变不同能量电子束流的半径大小。
本发明同时满足如下性能：
(1)保证各能量档的高能电子束在偏转盒内旋转270°；
(2)净化输入电子束的能谱，更好的筛选电子能量；
(3)不改变入射电子束的能量；
(4)保证高能电子束在偏转盒输出口的束斑的直径小于等于2㎜；
(5)在保证能谱较纯净的情况下，电子束流通过率大于等于70％；
(6)在安装空间确定的情况下：
a沿Y轴的束斑调整范围不小于±5㎜；
b沿X轴的束斑调整范围不小于±5㎜；
(7)整体尺寸不超出350mm×310mm×220mm的范围；
(8)在最大励磁电流下连续工作1小时，铁芯和线包的温度不超过45℃。
本发明整体体积尺寸较小，配合组合励磁线圈强度可调节范围广，同电流情况下磁场强度稳定；具有好的消除色差功能和好的聚焦性能。
Claims (9)
1.一种磁极气隙对称一体式270°偏转系统，其特征在于：包括左右对称设置的两个偏转模组，每个偏转模组均包括一个电磁铁；每个电磁铁包括一组偏转铁芯(2)和励磁线包(6)；
每个所述偏转铁芯(2)内设置有基座(7)、梯度固定块(4)和凹槽结构；其中每个凹槽结构均包括围绕在基座(7)外围的环形凹槽(20)和设置在基座(7)上表面的条形凹槽(21)，条形凹槽(21)的一端穿出基座(7)的侧面，条形凹槽(21)的另一端设置有梯度固定块(4)；偏转铁芯(2)在条形凹槽(21)穿出基座(7)所指向的位置设置有缺口；偏转铁芯(2)的背面也设置有缺口；
每个所述励磁线包(6)设置在一个环形凹槽(20)内部；
两个励磁线包(6)之间设置有相邻的屏蔽钨合金块(3)和屏蔽铅块(5)。
2.根据权利要求1所述的磁极气隙对称一体式270°偏转系统，其特征在于：所述偏转铁芯(2)的尺寸为343mm×308mm×219mm。
3.根据权利要求1所述的磁极气隙对称一体式270°偏转系统，其特征在于：所述屏蔽钨合金块(3)为半圆形，且屏蔽钨合金块(3)水平且同心设置。
4.根据权利要求1所述的磁极气隙对称一体式270°偏转系统，其特征在于：所述励磁线包(6)包括线圈、连接线头(10)、冷却水管(11)和外壳结构；所述连接线头(10)和冷却水管(11)均通过连接片从外壳结构引出；所述线圈与连接线头(10)相连。
5.根据权利要求4所述的磁极气隙对称一体式270°偏转系统，其特征在于：所述外壳结构为弧形几何体和长方体连接的空心几何体；所述连接线头(10)和冷却水管(11)均通过连接片从外壳结构的长方体段引出；长方体外设置有限位结构。
6.根据权利要求1所述的磁极气隙对称一体式270°偏转系统，其特征在于：所述偏转铁芯(2)的材质为DT4A。
7.磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取材料DT4A，并用YB/T 2011标准铸造偏转铁芯(2)，得到矫顽力小于等于72.0A/m、矫顽力时效增值小于等于7.2A/m、最大磁导率大于等于0.088H/m、抗拉强度处理为大于等于265MPa、断后伸长率处理为大于等于25％和维氏硬度处理为小于等于195的偏转铁芯(2)；
S2、对偏转铁芯(2)进行退火处理；
S3、在130℃的温度条件下对偏转铁芯(2)进行50个小时的保温，并出炉空冷；
S4、对偏转铁芯(2)的表面进行镀层处理；
S5、将励磁线包(6)放置在偏转铁芯(2)的环形凹槽(20)内部，并通过励磁线包(6)的限位结构与偏转铁芯(2)相连；
S6、同步骤S1到步骤S5处理另一个偏转铁芯(2)，并将两个偏转铁芯(2)对称组合；
S7、在组合的两个偏转铁芯(2)之间相邻放置屏蔽钨合金块(3)和屏蔽铅块(5)；
S8、将偏转盒放置在屏蔽钨合金块(3)和屏蔽铅块(5)形成的包围空间内，通过基座(7)和梯度固定块(4)提供的磁场进行偏转工作；完成磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作。
8.根据权利要求7所述的磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作方法，其特征在于，步骤S2中退火的具体方法为：
S2-1、利用真空或惰性气体保护退火，并逐渐升温到900℃±10℃进行1个小时的保温；
S2-2、通过低于50℃/h的速度将温度冷却到500℃后再自然冷却到室内温度。
9.根据权利要求7所述的磁极气隙对称一体式270°偏转系统的制作方法，其特征在于，步骤S4中的镀层为镍-磷镀层。
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2021
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