CN114300211B - 一种卷绕型纳米晶扫描磁铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卷绕型纳米晶扫描磁铁，包括铁芯，所述铁芯为采用纳米晶带材卷绕而成。一种卷绕型纳米晶扫描磁铁的制备方法，包括步骤：选取纳米晶带材；切除所述纳米晶带材的两侧边缘部分，保留中间部分，以使切除后的纳米晶带材的宽度与所述铁芯的厚度相等；将所述切除后的纳米晶带材卷绕成圆卷；所述圆卷撑开成为所述跑道形；对跑道形的纳米晶带材进行热处理以改善磁性；对跑道形的纳米晶带材进行真空含浸，以使带材层间充胶；充胶后对跑道形纳米晶带材进行烘干，固化成型。

Description

一种卷绕型纳米晶扫描磁铁及其制备方法

技术领域

本发明属于本发明属于粒子加速器终端领域，更为具体地涉及一种卷绕型纳米晶扫描磁铁及其制备方法。

背景技术

扫描磁铁是粒子加速器终端必须的一类磁铁。其主要功能是通过水平和垂直扫描将束流扫描成方形视野(均匀扫描)或者快速扫描成平面内离散的点阵(点扫描)。

传统扫描磁铁铁芯由硅钢片3叠压而成，如图3所示，硅钢片3的厚度一般在0.1mm-0.35mm之间。均匀扫描模式在120Hz-200Hz的三角波模式下运行，其最大磁感应强度常介于0.18T-0.38T之间；点扫描电流曲线不固定，但磁通量的变化速率与均匀扫描相仿或者略低。由于铁芯内部磁通量快速变化，传统扫描磁铁面临以下问题：

涡流热效应：磁通连续快速变化使铁芯感生出涡电流，涡流产生的热量使铁芯持续发热，长期的烘烤使线圈和铁芯的寿命大大降低，甚至出现了短时间内将线圈或者其支撑部件烧毁的案例。

涡流磁效应：涡流产生的磁场在一定程度上抵消主磁场，使得瞬态磁场滞后于主磁场，即滞后效应；涡流产生的磁场与主磁场相互叠加，对主磁场的均匀度产生不利影响，使主场产生畸变；

端部效应：由传统的叠压方式决定，涡流热磁效应在磁铁端部尤其明显。①磁场延迟和畸变在端部更为严重；②端部涡流热比铁芯主体更为显著，使其成为局部热源。由于端部存在沿束流方向的磁场，即使采用更薄的材料进行叠压亦无法解决该问题，是传统叠压方式的固有问题。现有的解决办法为在端部设置梳状槽，但是该方式增加了加工的难度，降低了加工的下效率，同时并不能从根本解决端部效应问题。

巨大的噪音：扫描磁铁的噪音主要来自线圈震动和铁芯的磁滞伸缩噪音。仅对线圈进行固定和一定防震措施可大幅减小噪音，但铁芯磁滞伸缩的噪音仍非常显著。对于医疗用粒子加速器，终端离患者很近，巨大的噪音会对患者产生明显的不利影响。医院往往需要进行复杂大空间的隔音处理，由于设备密集，隔音的空间非常有限，且造价昂贵。

总之，传统扫描磁铁面临诸多难题和瓶颈，铁芯材料和成型工艺亟需改变。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种卷绕型纳米晶扫描磁铁，已解决传统的铁芯采用硅钢片进行叠压形成的方式出现的涡流热效应、涡流磁效应、端部效应以及产生噪音等问题，另一个目的是提供一种卷绕型纳米晶扫描磁铁的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一方面，本发明提供一种卷绕型纳米晶扫描磁铁，包括铁芯，所述铁芯为采用纳米晶带材卷绕而成。

进一步地，所述铁芯为采用纳米晶带材卷绕形成为跑道形。

进一步地，所述铁芯的一侧切割形成有一个开口。

进一步地，所述铁芯包括一对，一对所述铁芯通过固定工装拼接形成为一体。

进一步地，两个所述铁芯对拼的位置均切割形成有开口。

进一步地，所述开口的顶面和底面的平行度＜0.05mm，顶面和底面之间的间隙d，满足关系：d＜D±0.05，其中D为间隙的理论值。

另一方面，本发明还提供一种所述的卷绕型纳米晶扫描磁铁的制备方法，包括步骤：

将纳米晶带材卷绕成圆卷；

将所述圆卷撑开成为所述跑道形；

对跑道形的纳米晶带材进行热处理以改善磁性；

对跑道形的纳米晶带材进行真空含浸，以使带材层间充胶；

充胶后对跑道形纳米晶带材进行烘干，固化成型。

进一步地，还包括步骤：

采用固定工装将两个所述跑道形的纳米晶带材拼接固定形成为一体；

使用线切割加工铁芯，以使两个所述铁芯的拼接部位形成有开口，并对所述开口处进行表面处理，以使所述开口的顶面和底面的平面度＜0.04mm，平行度＜0.025mm。

进一步地，所述真空含浸的压力为0.08Mpa,时间大于2h。

进一步地，烘干的温度为160℃，烘干的时间t＞1h。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、采用纳米晶带材进行铁芯成型，涡流热效应大幅减小，铁芯温度将大大降低，可延长磁铁的使用寿命；

2.采用纳米晶带材进行铁芯成型，涡流的磁效应方面，铁芯主体的磁场延迟和磁场畸变有效减小，增加扫描的精度和降低电源研发难度；

3、硅钢片磁滞伸缩系数为硅钢12ppm，而纳米晶的系数仅为1ppm，可大幅降低磁致伸缩噪音，大大提高加速器用户的使用体验，尤其对医疗用加速器装置；

4、纳米晶带材卷绕形成铁芯，卷绕工艺可以基本消除磁铁端部的涡流效应，从而进一步减小涡流热磁效应。

综上，纳米晶带材卷绕形成的扫描磁铁有高磁场、高频率、抑制涡流和噪音的特点。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的卷绕型纳米晶扫描磁铁的结构示意图；

图2为卷绕型纳米晶扫描磁铁与固定工装和线圈之间的装配图；

图3硅钢叠压与卷绕型纳米晶材料热损与频率的关系对比视图；

图4为现有的采用叠压的方式形成的铁芯的结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的实施例提供一种卷绕型纳米晶扫描磁铁，包括铁芯1，所述铁芯1为采用纳米晶带材卷绕而成。由于所述纳米晶带材非常薄，厚度约0.018mm，仅常用硅钢片的1/20左右，经过测试，纳米晶带材的涡损明显低于硅钢片，且随频率增加，两种材料的差距急剧增加；常用的200Hz下，纳米晶的热损也仅为硅钢的1/3左右。

硅钢片磁滞伸缩系数为硅钢12ppm，而纳米晶的系数仅为1ppm，可大幅降低磁致伸缩噪音。这将大大提高加速器用户的使用体验，尤其对医疗用加速器装置。

如图1所示，所述铁芯1为采用纳米晶带材卷绕形成为跑道形，所述纳米晶带材的一侧切割形成有一个开口，切割后所述铁芯1的截面为C型。纳米晶带材卷绕形成铁芯，卷绕工艺可以基本消除磁铁端部的涡流效应，从而进一步减小涡流热磁效应。

作为本发明的另一个实施方式，所述铁芯1还可以设置为一对，一对所述铁芯1通过固定工装4拼接形成为一体。两个所述铁芯1对拼的位置切割形成有开口2。所述开口2用于为束流提供匀强磁场。所述开口2的顶面的底面的平行度＜0.05mm，顶面和底面之间的间隙d，满足关系：d＜D±0.05，其中D为间隙的理论值。所述紧固装置采用奥氏体不锈钢或者非金属高硬度的材料制成，例如G10等。完成铁芯1装配后，将线圈5与铁芯1进行总装，总装时打孔应在铁芯1四周的固定工装4上进行，纳米晶材料上不应打孔或者进行其他受力支撑。

上述卷绕型纳米晶扫描磁铁的制备方法包括步骤：

S1、选取纳米晶带材，根据尺寸需求选取合适厚度和宽度的纳米晶带材，厚度误差±0.001mm；

S2、切除所述纳米晶带材的两侧边缘部分，保留中间部分，以使切除后的纳米晶带材的宽度与所述铁芯1的厚度相等，宽度误差±0.5mm；

S3、将所述切除后的纳米晶带材卷绕成圆卷，所述圆卷的卷绕可以使用现有的工装，张力控制电流0.03-0.1A；

S4、将所述圆卷撑开成为所述跑道形，所述撑开的操作可以才用现有已知的工装进行操作；

S5、对跑道形的纳米晶带材进行热处理以改善磁性，晶化545℃-555℃，无磁；

S7、对跑道形的纳米晶带材进行真空含浸，以使带材层间充胶，真空负压的压力为0.08Mpa,浸渍的时间t＞2h；

S8、充胶后对跑道形纳米晶带材进行烘干，固化成型，具体烘干的温度优选为160℃，烘干的时间t＞1h；

S9、采用固定工装将两个所述跑道形的纳米晶带材拼接固定形成为一体并对铁芯1表面进行防护处理；

S10、使用线切割加工铁芯1，以使两个所述铁芯1的拼接部位形成有开口2，并对所述开口2处进行表面处理，以使所述开口2的顶面和底面的平面度＜0.04mm，平行度＜0.025mm；

S11、对裸露加工面进行防锈处理，其余面进一步打磨处理。

如图2所示，卷绕型纳米晶带材制备获得的铁芯1与现有采用硅钢叠压制备获得的铁芯1的热损与频率的关系进行对比，硅钢的厚度为0,035mm，其中硅钢叠压500Hz以上可能损坏测量设备，无测量数据，最后得出实验结果，材料的涡损明显低于硅钢片，且随频率增加，两种材料的差距急剧增加；常用的200Hz下，纳米晶的热损也仅为硅钢的1/3左右。

扫描磁铁可在高场和高频下运行，磁场可从0.2T提高到1T左右。维持磁刚度不变的前提下，扫描磁铁有效长度可缩短为1/5左右。这对安装位置有限的加速器非常重要；更为重要的是，通过缩短磁场有效长度，扫描的等效源轴距大大降低，医疗用旋转机架的重量可降低为1/4左右，其控制难度显著降低，治疗精度将显著提高(粒子治疗加速器为了提高治疗体验和精度，扫描终端使用旋转机架(gantry)已经成为趋势，而gantry由于体积和重量非常庞大，其中重离子gantry可达600t左右，其高精度定位非常困难)。扫描频率从200Hz提升至1kHz甚至数千赫兹，可使束流扫描更加均匀(均匀扫描)或者满足快速点扫描的需求。另外，正在预研的强流加速器只有大幅提高扫描频率才能满足需求，低频率下束流固定位置的高能量沉积则会损坏终端探测仪器，而卷绕式纳米晶扫描磁铁可解决这一难题。

为解决端部涡流严重的问题，利用带材轻薄易于弯折的特性，通过卷绕的方式代替传统的叠压方式，这种方式下磁铁端部不再需要梳状槽，从而根本上解决了端部效应，导致的端部涡流严重的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种卷绕型纳米晶扫描磁铁，其特征在于，包括一对铁芯，所述铁芯为采用纳米晶带材卷绕形成为跑道形；

每个所述铁芯的中心形成有空隙，两个所述铁芯的顶部和底部均卷绕为圆弧状，两个所述铁芯的两侧均卷绕为直面；

两个所述铁芯的相对的一侧均切割形成有一个开口，两个所述开口贯通；

所述铁芯的制备方法包括步骤：

将纳米晶带材卷绕成圆卷；

将所述圆卷撑开成为所述跑道形；

对跑道形的纳米晶带材进行热处理以改善磁性；

对跑道形的纳米晶带材进行真空含浸，以使带材层间充胶；

充胶后对跑道形纳米晶带材进行烘干，固化成型。

两个所述铁芯的中心的空隙与所述开口共同形成为H形结构。

2.根据权利要求1所述的纳米晶扫描磁铁，其特征在于，一对所述铁芯通过固定工装拼接形成为一体。

3.根据权利要求1所述的卷绕型纳米晶扫描磁铁，其特征在于，所述开口的顶面和底面的平行度＜0.05mm，顶面和底面之间的间隙d，满足关系：d＜D±0.05，其中D为间隙的理论值。

4.根据权利要求1所述的卷绕型纳米晶扫描磁铁，其特征在于，所述铁芯的制备方法还包括步骤：

采用固定工装将两个所述跑道形的纳米晶带材拼接固定形成为一体；

使用线切割加工铁芯，以使两个所述铁芯的拼接部位形成有开口，并对所述开口处进行表面处理，以使所述开口的顶面和底面的平面度＜0.04mm，平行度＜0.025mm。

5.根据权利要求1所述的卷绕型纳米晶扫描磁铁，其特征在于，所述真空含浸的压力为0.08Mpa,时间大于2h。

6.根据权利要求1所述的卷绕型纳米晶扫描磁铁，其特征在于，烘干的温度为160℃，烘干的时间t＞1h。

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