CN116256676A - 一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置和方法。回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置包括：伺服电机；转轴，伺服电机带动转轴转动；转盘，转轴连接在转盘和伺服电机之间，转盘能够围绕转轴的轴线转动；测量轨道，测量轨道沿着垂直于转轴的方向水平地设置在转盘的上表面上；滑动支架，滑动支架能够在测量轨道上滑动，在滑动支架上设置有霍尔阵列和PCB(印制电路板)线圈阵列。通过在旋转机构上设计了霍尔阵列和PCB线圈阵列，测试结果相互校验，提升了测试效率和准确性。

Description

一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置及方法
技术领域
本发明涉及回旋加速器领域，具体地涉及一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置及方法。
背景技术
回旋加速器的设计和研制以商用化、小型化为目标，多采用紧凑型结构。其主体是回旋加速器磁铁，磁场为等时性磁场，磁场设计及测试精度要求高，往往需要经过多次削斜和测试才能够达到物理指标。而且由于回旋加速器磁铁束流区域位于磁铁内部，空间狭小、且相对封闭，从而导致回旋加速器磁铁磁场测量系统复杂、测试方式较为单一。
回旋加速器磁铁在等时性磁场测量时，通常采用霍尔片点测量法。传统的测量方法通过两个旋转电机及特定的旋转机构驱动单个霍尔片来实现径向和角向运动，从而完成整个好场区范围内的磁场分布测量。传统的测量方法，在电机带动齿轮调整霍尔片角向位置时，会引入一定的角向位置误差，而每旋转一周后往径向移动时又会引入径向位置误差，多次位置误差累加将进一步增大霍尔片定位误差，从而造成测试结果精度降低。同时，传统的回旋加速器磁铁磁场测量采用的是单个霍尔片点测量方法，测试过程中每个测试点停顿测试，当回旋加速器磁铁测试半径较大时，需要的测试周期将大大延长，不仅降低了磁场测试效率，而且长时间的测试环境变化将增加磁场和磁场测量系统的不稳定性，从而造成磁场测量精度下降。好的束流指标，要求在高性能的等时性磁场环境下运行。因此回旋加速器磁铁等时性磁场测量要求高精度和高效率，特别是针对超导回旋磁铁，高的测试效率可以极大地缩短低温励磁时间、降低环境变化带来的影响以及减少测试成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是针对回旋等时性磁场测量精度和效率的提高，旨在解决传统回旋加速器磁场测量方法周期长、精度低等问题，为紧凑型医用回旋加速器的稳定运行提供保障。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，包括：
伺服电机；
转轴，伺服电机带动转轴转动；
转盘，转轴连接在转盘和伺服电机之间，转盘能够围绕转轴的轴线转动；
测量轨道，测量轨道沿着垂直于转轴的方向水平地设置在转盘的上表面上；和
滑动支架，滑动支架能够在测量轨道上滑动，在滑动支架上设置有霍尔阵列和PCB线圈阵列。
还包括：支撑盘，支撑盘固定在产生回旋等时性磁场的磁铁的极面，转盘能够在支撑盘的上表面上转动。
在测量轨道设置有底板滑槽，滑动支架在底板滑槽中滑动；在滑动支架设置有阵列支架，在阵列支架上放置有霍尔阵列和PCB线圈阵列，并带动霍尔阵列和PCB线圈阵列在支撑盘上匀速旋转。
霍尔阵列沿转盘的半径方向等间距地分布，用于测试不同半径的等时性磁场分布。
PCB线圈阵列沿转盘的半径方向等间距分布，布满整个等时性磁场区域，用于测试不同半径等时性磁场的相对变化量。
还包括：托盘滚珠，托盘滚珠设置在支撑盘上，使得转盘能够平滑旋转。
还包括：
径向摩擦盘，径向摩擦盘设置在转盘的上表面上；
径向齿轮，径向齿轮设置在转轴的末端处，并且穿过转盘的中心孔；
弹簧压片，弹簧压片设置在径向摩擦盘和径向齿轮之间，在角向转动模式，弹簧压片对径向齿轮起到固定作用，径向齿轮不与径向摩擦盘接触，使得径向齿轮不旋转；在径向转动模式，弹簧压片对径向齿轮起到压紧作用，使得径向摩擦盘转动，使得径向齿轮旋转；
齿条，设置在滑动支架上，径向齿轮的旋转使得齿条做径向运动，带动霍尔阵列和PCB线圈阵列在径向上移动。
还包括：光栅读数头，光栅读数头位于滑动支架上，在滑动支架径向移动时，可读得位于测量轨道上的玻璃光栅尺的位置读数，用于位置触发及精确定位。
一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量方法，采用以上回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，包括：
在测试回旋加速器磁铁的回旋等时性磁场前，采用核磁共振仪对霍尔阵列进行标定；
使用核磁共振仪和霍尔传感器对PCB线圈阵列进行系数标定，以得到标定数据；
对标定数据处理以后，开始回旋加速器的回旋等时性磁场测试。
霍尔阵列的数据实时获取采用On fly测试模式。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
提出一种在旋转机构上设计霍尔阵列，并结合用于磁场标定的核磁共振仪NMR(Nuclear Magnetic Resonance)。不仅提高了测试效率，缩短了低温励磁时间，降低了测试成本，而且也降低了回旋加速器磁铁长期运行带来的环境变化影响，间接提高了测试精度。
提出了一种在旋转机构上设计印制电路板PCB(Printed Circuit Board)线圈阵列，结合用于PCB线圈信号获取的高精度高速数字积分器FDI(Fast Digital Integrator)，通过磁通法测量等时性磁场的新方法。阵列的使用提升了测试效率，两种测试结果相互校验，提升了测试准确性。
在运动机构上，采用了单个电机双模式运行，减小了电机数量，简化了测试装置结构、降低了装置成本。
在数据获取上，采用的On fly(实时测试)方法，有效的提高了回旋加速器磁铁等时性磁场的测量效率。
通过本发明专利的设计，为后续小型化回旋加速的产业化提供了坚实的基础。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是根据本申请的实施例的驱动系统的结构示意图；
图2是根据本申请的实施例的测量系统的结构示意图；
图3是根据本申请的实施例的单电机双模式的结构示意图；
图4是根据本申请的实施例的回旋等时场测磁前流程示意图；和
图5是根据本申请的实施例的回旋等时场测磁流程示意图。
附图中各标记表示如下：
1、伺服电机；2、联轴器；3、编码器；4、电机固定工装；5、转轴；6、支撑盘；7、转盘；8、测量轨道；9、滑动支架A；10、滑动支架B；11、底板滑槽；12、阵列支撑板；13、齿条；14、光栅读数头；15、玻璃光栅尺；16、阵列支架；17、托盘滚珠；18；径向摩擦盘；19；弹簧压片；20；主动杆转动轴承；21；径向轴；22；径向齿轮；23；弹簧压片卡槽；24、霍尔阵列；25、PCB线圈阵列；26、回旋加速器；27、FDI；28、高斯计；29、串口服务器；30、交换机；31、上位机；32、电机驱动器；33、电机控制器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发 明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明涉及一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置和方法，通过在旋转机构上设计了霍尔阵列和PCB(Printed Circuit Board)(印制电路板)线圈阵列，测试结果相互校验，提升了测试效率和准确性。设置了单个电机双模式运行，减小了电机数量，降低了装置成本。结合用于磁场标定的核磁共振仪、高精度高速数字积分器FDI(Fast DigitalIntegrator)，以及在数据的实时获取上采用的On fly(实时测试)方法，能够有效提高回旋加速器磁铁等时性磁场的测量精度和效率。
本发明涉及一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置和方法。提出了在旋转机构上设计了霍尔阵列，结合用于磁场标定的核磁共振仪NMR(Nuclear Magnetic Resonance)保证了等时性磁场测试精度并提高了测试效率。同时提出了在旋转机构上设计了印制电路板PCB(Printed Circuit Board)线圈阵列，结合用于PCB线圈信号获取的高精度高速数字积分器FDI(Fast Digital Integrator)，通过磁通法测量等时性磁场的新方法。两种测试结果相互校验，提升了测试效率和准确性。在运动机构上，设置了单个电机双模式运行，减小了电机数量，简化了测试装置、降低了装置成本。在数据的实时获取上采用的On fly(实时测试)方法，有效的提高了回旋加速器磁铁等时性磁场的测量效率。
本发明在旋转机构的基础上设计了霍尔阵列和PCB线圈阵列配合测试，极大地缩短了测试时间，并减小了环境变化对测试精度的影响。
测试前，使用核磁共振仪NMR对霍尔阵列场值标定，进而使用标准磁场对PCB线圈阵列进行系数标定，以获得较高的测试精度。测试阶段，在使用霍尔阵列测量的基础上，增加了阵列线圈相对测量，数据采集使用多通道高精度快速数字积分器FDI，相对于单个霍尔片的绝对测量，相对测量可以获得更高的测试精度。霍尔阵列测试过程中，数据的实时获取采用On fly模式，相对于传统点测量方式，能够实现不间断测试，大幅提升测磁效率。
根据本申请的一些实施例，提供一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，包括：
1)驱动系统
如图1所示，通过伺服电机1驱动转轴5带动整个转盘7转动，转盘7可实现支撑和调节工作支架高度的功能，其中联轴器2用于连接伺服电机1和转轴5，编码器3用于记录电机转动位置，电机固定工装4用于连接及固定伺服电机1、联轴器2、编码器3。
2)测量系统
如图1和图2所示，转盘7与转轴5连接，并在支撑盘6上表面转动，支撑盘6固定在磁铁极面上。
测量轨道8为滑动支架A 9和滑动支架B10提供底板滑槽11。滑动支架上有用于固定阵列支架16的阵列支撑板12，阵列支架16可安放和调节霍尔阵列和PCB线圈阵列，并带动霍尔阵列和PCB线圈阵列在支撑盘6上匀速旋转，从而测试不同位置磁场值。
霍尔阵列沿半径等间距分布，用于测试不同半径的等时性磁场分布。
PCB线圈阵列沿半径等间距分布，布满整个等时性磁场区域，用于测试不同半径等时性磁场的相对变化量。
3)单电机双模式
第一种模式是伺服电机1直接带动支撑盘6旋转，即驱动工作支架沿角度方向匀速旋转，同时记录旋转过程的位置和速度信息。
第二种模式通过压下径向齿轮22，如图3所示，使得弹簧压片19向下凹，压紧径向摩擦盘18，可以使用伺服电机1带动径向齿轮22旋转，然后通过带动齿条13使得滑动支架A9和滑动支架B10径向运动，使得霍尔阵列或者PCB线圈阵列可以测得更大范围的磁场值。
其中，在支撑盘6上设置托盘滚珠17，为确保整个转盘7平滑旋转。
弹簧压片卡槽23为弹簧压片19留出一定的活动区间以及支撑作用。
当径向齿轮22在旋转测试时提起，弹簧压片19对径向齿轮22起到了固定作用，使它不再接触摩擦盘即不再旋转运动，在压下时对径向齿轮22起到了压紧作用，使得径向摩擦盘18进行传动即实现径向齿轮22旋转运动，这样就可以使得单个电机实现角向转动和径向转动双模式。
4)光栅定位
光栅读数头14位于滑动支架B10上，在滑动支架B10径向移动时，可读得位于测量轨道8上的玻璃光栅尺15位置读数，用于位置触发及精确定位。
5)On fly测试系统
在整个回旋加速器磁场测试过程中，鉴于点动的每个点有数秒停顿，累计较多点时，测试效率大大降低。
本发明，基于Labview程序，编写了通过控制界面实现对角向旋转速度的控制和径向位置的控制以及实时数据的读取，能够实现连续不间断地On fly测试方式。
6)标定系统
如图4所示，在测试前采用基于核磁共振仪(NMR，Nuclear Magnetic Resonance)对霍尔阵列进行标定，得到标定系数，后续测试可得到更加准确的数据。
在霍尔阵列后设置PCB阵列，以得到标定数据，对数据处理以后，开始回旋加速器磁场测试。
如图5所示，电机采用单电机双模式，在第一种模式中，电机控制器控制电机驱动器，驱动器驱动电机直接带动转盘旋转，使得支架沿角度方向匀速旋转，同时记录旋转过程的位置和速度信息；在第二种模式中，电机带动摩擦盘实现径向控制，使得霍尔阵列或者线圈阵列可以测得更大范围的磁场值。
PCB线圈阵列采集电压信号，并将此信号传输给测磁设备FDI积分器。测磁设备FDI积分器通过交换机传输数据，交换机与上位机之间联通。
交换机的一端还与串口服务器联通，该串口服务器接收来自高斯计的数据。霍尔阵列的实时数据获取使用On fly模式，能够实现连续不间断测试，使得测磁效率大幅提升。
霍尔阵列或者PCB线圈阵列还通过编码器连接到高斯计和FDI积分器，用于位置触发采集数据。
相对于绝对测量，相对测量可以获得更高的测试精度。
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 (10)

1.一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，包括：
伺服电机；
转轴，所述伺服电机带动所述转轴转动；
转盘，所述转轴连接在所述转盘和所述伺服电机之间，所述转盘能够围绕所述转轴的轴线转动；
测量轨道，所述测量轨道沿着垂直于所述转轴的方向水平地设置在所述转盘的上表面；和
滑动支架，所述滑动支架能够在所述测量轨道上滑动，在所述滑动支架上设置有霍尔阵列和PCB线圈阵列。
2.根据权利要求1所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，还包括：支撑盘，所述支撑盘固定在产生回旋等时性磁场的磁铁的极面，所述转盘能够在所述支撑盘的上表面上转动。
3.根据权利要求2所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，在所述测量轨道设置有底板滑槽，滑动支架在所述底板滑槽中滑动；在所述滑动支架设置有阵列支架，在所述阵列支架上放置有霍尔阵列和PCB线圈阵列，支架受到齿轮带动，霍尔阵列和PCB线圈阵列能够在所述支撑盘上匀速旋转和径向移动。
4.根据权利要求1所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，所述霍尔阵列沿所述转盘的半径方向等间距地分布，用于测试不同半径的等时性磁场分布。
5.根据权利要求1所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，所述PCB线圈阵列沿所述转盘的半径方向等间距分布，布满整个等时性磁场区域，用于测试不同半径等时性磁场的相对变化量。
6.根据权利要求2所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，包括：托盘滚珠，所述托盘滚珠设置在所述支撑盘上，使得所述转盘能够平滑旋转。
7.根据权利要求1所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，包括：
径向摩擦盘，所述径向摩擦盘设置在所述转盘的上表面上；
径向齿轮，所述径向齿轮设置在所述转轴的末端处，并且穿过转盘的中心孔；
弹簧压片，所述弹簧压片设置在所述径向摩擦盘和所述径向齿轮之间，在角向转动模式，所述弹簧压片对径向齿轮起到固定作用，径向齿轮不与径向摩擦盘接触，使得径向齿轮不旋转；在径向转动模式，所述弹簧压片对径向齿轮起到压紧作用，使得径向摩擦盘转动，使得径向齿轮旋转；
齿条，设置在所述滑动支架上，径向齿轮的旋转使得齿条做径向运动，带动所述霍尔阵列和所述PCB线圈阵列在径向上移动。
8.根据权利要求1所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，还包括：光栅读数头，光栅读数头位于滑动支架上，在滑动支架径向移动时，可读得位于测量轨道上的玻璃光栅尺的位置读数，用于位置触发及精确定位。
9.一种回旋加速器磁铁等时性磁场测量方法，采用权利要求1-8任意一项所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量装置，其特征在于，包括：
在测试回旋加速器磁铁的回旋等时性磁场前，采用核磁共振仪对霍尔阵列进行标定；
使用核磁共振仪和霍尔传感器对PCB线圈阵列进行系数标定，以得到标定数据；
对所述标定数据处理以后，开始回旋加速器的回旋等时性磁场测试。
10.根据权利要求9所述的回旋加速器磁铁等时性磁场测量方法，其特征在于，霍尔阵列的数据实时获取采用On fly测试模式。
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王飞;吕银龙;李明;王川;朱鹏飞;刘杰;王振辉;崔柏跃;张德志;: "230MeV超导回旋加速器磁场测量装置", 中国原子能科学研究院年报, no. 00, pages 174 - 175 *

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