CN117116595A - 一种磁场可调的永磁四极磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场可调的永磁四极磁铁，包括以45度斜角均匀布设的四块四极磁铁极头、以90度直角均匀布设并与四极磁铁极头间隔布设的四块永磁块、在四块四极磁铁极头和四块永磁块的外围还设有一圈内铁轭和一圈外铁轭，内铁轭和外铁轭之间设有无磁支撑骨架；该四块永磁块靠近大半径处分别预留用于磁场调节的长方体空隙、用于布设调场块，该调场块能够在预留的空隙中沿半径方向直线移动，并和调场块一同构成磁力线的短路回路以调节磁场梯度；本发明相比于电磁铁，不需要电源，以及附带的水冷冷却，大大降低了加速器的运行功耗与费用，并且该结构类型磁场梯度的可调节范围较大，通过电机驱动的方式实现远程调节。
Description
技术领域
本发明属于质子治疗回旋加速器技术领域，尤其涉及一种磁场可调的永磁四极磁铁。
背景技术
四极磁铁是各类加速器束流线上最常用的磁铁类型之一，可以为加速器束流线提供横向的聚焦作用。目前主要应用的磁铁类型为电磁铁。相比于电磁铁，永磁铁有几个比较主要的优点：1.不需要电源、以及附带的水冷冷却，大大降低了加速器的运行功耗与费用；2.杜绝了由于电源不稳定性、以及水冷管道振动等带来的磁场不稳定性。同时，永磁铁也有相应的缺点，其中比较主要的，即是永磁铁的磁场无法像电磁铁一样，可以通过改变运行电流以方便的调节。这也限制了永磁铁的应用主要是应用于束流参数较为固定的加速器中。对于需要经常变化束流参数，如能量、发射度、束斑大小等参数的加速器，对应变化束流参数时，往往需要一定程度上调节四极磁铁的磁场梯度。现存的一些解决方案，主要包括使用永磁和电磁混合的四极磁铁，通过调节电磁铁的运行电流，再叠加上永磁块形成的不变的磁场实现整体磁场梯度的调节。但是这种方案无法完全消除电源及水冷的影响，也没有完全消除运行功耗。
总之，永磁铁相比电磁铁，虽然有很多优点，但是永磁铁的磁场无法像电磁铁一样，通过改变运行电流以方便的调节磁场。这是现有技术中制约永磁铁在更广泛用途的加速器系统中应用的主要因素。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种磁场可调的永磁四极磁铁，目的在于解决永磁铁的磁场无法像电磁铁一样，通过改变运行电流以方便的调节磁场的问题。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种磁场可调的永磁四极磁铁，包括以45度斜角均匀布设的四块四极磁铁极头、以90度直角均匀布设并与四极磁铁极头间隔布设的四块永磁块、在四块四极磁铁极头和四块永磁块的外围还设有一圈内铁轭和一圈外铁轭，内铁轭和外铁轭之间设有无磁支撑骨架；所述的四极磁铁极头、调场块由软磁材料制成，所述永磁块由永磁材料制成。
其特点是：该四块永磁块靠近大半径处分别预留用于磁场调节的长方体空隙，该长方体空隙内布设调场块，该调场块能够在预留的空隙中沿半径方向直线移动；所述的永磁块用于给四极磁铁极头提供磁场；所述的内铁轭用于和调场块一同构成磁力线的短路回路以调节磁场梯度；所述无磁支撑骨架用于提供整个磁铁的结构强度；所述外铁轭用于整个磁铁的漏磁屏蔽。
进一步地，所述内铁轭由相互垂直且彼此断开的四条直边组成，内铁轭相邻两条直边在90度交接处被预留的永磁块上的长方体空隙断开。
进一步地，所述调场块的径向宽度和内铁轭的厚度相匹配；所述长方体空隙内调场块可移动的直线距离不小于内铁轭的厚度。
进一步地，当调场块处于偏外侧的位置时，通过调场块将调场块两侧的内铁轭相邻的两条直边连到一起，形成磁力线的短路回路。
进一步地，当调场块处于偏内侧的位置时，内铁轭相邻的两条直边通过调场块相连的面积变小；直至调场块处于最内侧时，内铁轭相邻的两条直边断开。
进一步地，所述调场块在预留的空隙内，通过直线电机等驱动结构进行沿半径方向的直线运动，在不同的位置对应中心不同的磁场梯度。
进一步地，所述无磁支撑骨架，由包括铝合金、或铜合金、或环氧树脂等无磁性材料制成，不限于金属或非金属构成。
进一步地，所述外铁轭，由软磁材料构成，外铁轭与内铁轭、永磁块、调场块及四极磁铁极头均断开。
进一步地，所述四极磁铁极头由软磁材料制成，该软磁材料包括电工纯铁、或软磁铁氧体、或铁镍合金等，通过极头极面的形状，能够在工作气隙内得到特定的场梯度分布。
进一步地，所述永磁块由永磁材料制成，该永磁材料包括钕铁硼、或钐钴、或永磁铁氧体等。
本发明的优点效果
1、相比于电磁铁，或者电磁与永磁混合的可调节磁铁，永磁铁不需要电源，以及附带的水冷冷却，大大降低了加速器的运行功耗与费用；杜绝了由于电源不稳定性，以及水冷管道振动等带来的磁场不稳定性。
2、相比于固定磁场梯度的永磁铁，磁场可调的永磁四极铁可以根据不同的束流运行要求，调节不同的磁场梯度的强弱，使用更为灵活，可以满足束流参数经常需要变化的加速器的应用要求。
3、该结构类型磁场梯度的可调节范围较大。在磁场梯度的可调节范围内，磁场梯度的均匀性基本保持不变，可以通过电机驱动的方式等，实现远程调节，可以避免人员在加速器附近等高辐照环境内工作。
4、相比于电磁铁，永磁四极铁由于没有线圈，端部不会出现线圈端部超出铁芯长度的部分，用于调场块的机械传动机构也都位于圆周方向。使得磁铁整体的轴向长度更短，适用于更为紧凑的束流线布置要求。
附图说明
图1为本发明一种磁场可调的永磁四极磁铁结构示意图；
图2a为本发明调场块调节磁场梯度示意图；
图2b为本发明调场块调节磁场梯度的等效电路模型原理图；
图3为本发明磁场梯度的强弱在最大值的57％-100％范围内可调节示意图；
图4为本发明永磁四极磁铁和线圈四极磁铁对比节省空间示意图图；
图中，1：四极磁铁极头；2：永磁块；3为调场块：4：内铁轭；5：无磁支撑骨架；6：外铁轭；7：调场块移动方向；8：调场块偏内侧时靠近中心区的磁场梯度增大；9：调场块偏外侧时远离中心区的磁场梯度增大；
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做出进一步的解释：
调场块设计原理：
①本发明调节磁场梯度的手段就是调节调场块和内铁轭之间的重合度。从图2a看出。重合度越高的时候，调场块就越加偏向外侧，重合度越低的时候，调场块就越加偏向内侧；
②调场块的磁阻和空气的磁阻相比，调场块，即软磁材料的磁阻一般为空气的磁阻的二千分之一至四千分之一。内铁轭相邻两条直边在直角交界处被长方体间隙隔开，被隔开时，内铁轭两条相邻直边之间是空气。由于空气的磁阻远高于调场块磁阻，所以，两条断开的内铁轭之间的空气的磁阻非常大，所能通过的磁力线非常少。
③通过重合度的多少来调节磁场。假设重合度只有50％，则内铁轭截面上一半是空气，一半是调场块，调场块本身是不带磁场的，但是调场块所在区域的永磁块从N极到S极穿过调场块和内铁轭能够形成磁路，在这个磁路中，由于空气的磁阻远大于调场块，所以空气在磁路的截面中所占比例越大，则磁路的磁阻就越大，而调场块在磁路的截面中所占比例越大，则磁路的磁阻就越小。
④通过调场块调节磁场梯度。当调场块越偏向外侧时，调场块和内铁轭之间的重合度就越高，重合度越高时，磁路中的磁阻就越小。磁阻越小，在重合处通过，即从该短路磁路中通过的磁力线就越多，中心工作气隙磁路中通过的磁力线就越少。
⑤将磁路类比于电路，即为等效电路模型，如图2b所示。在等效电路模型中，可以把调场块等效为滑动变阻器，永磁块可以等效为电路中的电源。在等效电路模型中，永磁块为电源，电源在中间，电源内侧为一个工作气隙的回路，外侧为一个短路回路。
⑥当调场块直线运动到内侧一端也就是调场块和内铁轭完全脱离时，调场块外侧的磁路被断开，此时内铁轭相邻两条直边之间是空气，空气的磁阻远高于调场块磁阻，由于磁阻非常大所以此处通过的磁力线非常少。当电源外侧回路的磁力线越少，则内侧回路的磁力线就越多。也就是当调场块偏向最内侧时，靠近中心区的磁力线最多，磁场强度最大，磁场梯度也就最大。此时为最高的磁场梯度，如图3左所示；当调场块直线运动到外侧的一端也就是大半径的一端时，调场块和内铁轭完全重合，此时经过短路磁路的磁力线最多，此时经过中心工作气隙磁路的磁力线最少，磁场梯度最低，可达最高梯度的57％，如图3右所示。
基于以上发明原理，本发明设计了一种磁场可调的永磁四极磁铁，如图1、图2a、图2b所示，包括以45度斜角均匀布设的四块四极磁铁极头1、以90度直角均匀布设并与四极磁铁极头间隔布设的四块永磁块2、在四块四极磁铁极头和四块永磁块的外围还设有一圈内铁轭4和一圈外铁轭6，内铁轭和外铁轭之间设有无磁支撑骨架5；所述的四极磁铁极头1、调场块3由软磁材料制成，所述永磁块2由永磁材料制成。
其特点是：该四块永磁块靠近大半径处分别预留用于磁场调节的长方体空隙，该长方体空隙内布设调场块，该调场块能够在预留的空隙中沿半径方向直线移动；所述的永磁块用于给四极磁铁极头提供磁场；所述的内铁轭用于和调场块一同构成磁力线的短路回路以调节磁场梯度；所述无磁支撑骨架用于提供整个磁铁的结构强度；所述外铁轭用于整个磁铁的漏磁屏蔽。
进一步地，所述内铁轭由相互垂直且彼此断开的四条直边组成，内铁轭相邻两条直边在90度交接处被预留的永磁块上的长方体空隙断开。
进一步地，所述调场块的径向宽度和内铁轭的厚度相匹配；所述长方体空隙内调场块可移动的直线距离不小于内铁轭的厚度，以获得最大的磁场梯度可调范围。
进一步地，当调场块处于偏外侧的位置时，通过调场块将调场块两侧的内铁轭相邻的两条直边连到一起，形成磁力线的短路回路。
进一步地，当调场块处于偏内侧的位置时，内铁轭相邻的两条直边通过调场块相连的面积变小；直至调场块处于最内侧时，内铁轭相邻的两条直边断开。
补充说明：
对上述调场块偏内侧或者偏外侧进一步解释：
1)如图2a所示，左图是调场块偏内侧示意图，右图是调场块偏外侧示意图。以图2a的右图为例，长方体空隙中右侧黑色的方块是调场块，长方体空隙中左侧白色的方块是调场块的移动空间，调场块只能在白色的移动空间移动；所述调场块偏内侧或者偏外侧都是指在长方体移动空间内的移动而不能超出移动空间的范围，由于长方体空隙内移动空间的范围和内铁轭的边宽相匹配，所以调场块的可移动直线距离只是略大于内铁轭的边宽即可。
2)如图2a、2b所示。图2a的两个磁回路等效于电路模型图2b。图2b中的电源相当于永磁块2，当调场块2偏外侧时，偏外侧的磁回路中通过的磁力线多、磁场梯度大；当调场块偏内侧时，偏内侧的磁回路中通过的磁力线多、磁场梯度大。之所以当调场块偏内侧时，偏内侧的磁回路中通过的磁力线多、磁场梯度大，是因为当调场块偏内侧时，调场块向左移动完全脱离了与内铁轭的重合，此时偏外侧磁回路相当于断路，所以此时偏外侧磁回路通过的磁力线很少，而偏左侧的磁回路中的磁力线就很多。当调场块偏外侧时，调场块向右移动与内铁轭完全重合，此时偏外侧磁回路的磁阻最小，由于此时偏外侧磁回路磁阻最小，所以偏外侧磁回路通过的磁力线最多，而偏左侧的磁回路中的磁力线就很少。
进一步地，所述调场块在预留的空隙内，通过直线电机等驱动结构进行沿半径方向的直线运动，在不同的位置对应中心不同的磁场梯度。
进一步地，所述无磁支撑骨架，由包括铝合金、或铜合金、或环氧树脂等无磁性材料制成，不限于金属或非金属构成。
进一步地，所述外铁轭，由软磁材料构成，外铁轭与内铁轭、永磁块、调场块及四极磁铁极头均断开。
进一步地，所述四极磁铁极头由软磁材料制成，该软磁材料包括电工纯铁、或软磁铁氧体、或铁镍合金等，通过极头极面的形状，能够在工作气隙内得到特定的场梯度分布。
进一步地，所述永磁块由永磁材料制成，该永磁材料包括钕铁硼、或钐钴、或永磁铁氧体等。
需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种磁场可调的永磁四极磁铁，包括以45度斜角均匀布设的四块四极磁铁极头、以90度直角均匀布设并与四极磁铁极头间隔布设的四块永磁块、在四块四极磁铁极头和四块永磁块的外围还设有一圈内铁轭和一圈外铁轭，内铁轭和外铁轭之间设有无磁支撑骨架；所述的四极磁铁极头、调场块由软磁材料制成，所述永磁块由永磁材料制成。
其特征在于：该四块永磁块靠近大半径处分别预留用于磁场调节的长方体空隙，该长方体空隙内布设调场块，该调场块能够在预留的空隙中沿半径方向直线移动；所述的永磁块用于给四极磁铁极头提供磁场；所述的内铁轭用于和调场块一同构成磁力线的短路回路以调节磁场梯度；所述无磁支撑骨架用于提供整个磁铁的结构强度；所述外铁轭用于整个磁铁的漏磁屏蔽。
2.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：所述内铁轭由相互垂直且彼此断开的四条直边组成，内铁轭相邻两条直边在90度交接处被预留的永磁块上的长方体空隙断开。
3.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：所述调场块的径向宽度和内铁轭的厚度相匹配；所述长方体空隙内调场块可移动的直线距离不小于内铁轭的厚度。
4.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：当调场块处于偏外侧的位置时，通过调场块将调场块两侧的内铁轭相邻的两条直边连到一起，形成磁力线的短路回路。
5.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：当调场块处于偏内侧的位置时，内铁轭相邻的两条直边通过调场块相连的面积变小；直至调场块处于最内侧时，内铁轭相邻的两条直边断开。
6.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：所述调场块在预留的空隙内，通过直线电机等驱动结构进行沿半径方向的直线运动，在不同的位置对应中心不同的磁场梯度。
7.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：所述无磁支撑骨架，由包括铝合金、或铜合金、或环氧树脂等无磁性材料制成，不限于金属或非金属构成。
8.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：所述外铁轭，由软磁材料构成，外铁轭与内铁轭、永磁块、调场块及四极磁铁极头均断开。
9.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：所述四极磁铁极头由软磁材料制成，该软磁材料包括电工纯铁、或软磁铁氧体、或铁镍合金等，通过极头极面的形状，能够在工作气隙内得到特定的场梯度分布。
10.根据权利要求1所述一种磁场可调的永磁四极磁铁，其特征在于：所述永磁块由永磁材料制成，该永磁材料包括钕铁硼、或钐钴、或永磁铁氧体等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: Room 7501, Floor 5, Building 1, Yard 6, Dijin Road, Haidian District, Beijing 100089 Applicant after: Guodian Investment Nuclear Power Tongchuang (Beijing) Technology Co.,Ltd. Address before: Room 7501, Floor 5, Building 1, Yard 6, Dijin Road, Haidian District, Beijing 100089 Applicant before: Beijing nuclear Tongchuang Technology Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| GR01 | Patent grant | ||
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