CN117355023A - 一种偏转磁体及偏转装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于粒子加速器领域，具体涉及一种偏转磁铁及偏转装置。包括外铁轭、励磁结构和极头；所述外铁轭上设置有束流出入口，两个极头对称设置在所述外铁轭内，两个极头外设置励磁结构，两个极头的极面之间形成工作气隙；所述极面包括入射区域、消色散区域和出射区域，所述入射区域的两个极头之间的距离与所述出射区域的两个极头之间的距离相等，所述入射区域的两个极头之间的距离大于所述消色散区域两个极头之间的距离。

Description

一种偏转磁体及偏转装置

技术领域

本发明属于粒子加速器领域，具体涉及一种偏转磁铁及偏转装置。

背景技术

粒子加速器中的束流需要偏转，当偏转角度大，束流能散宽时，在偏转后会产生较大的色散，不利于后续的传输或应用。为了减小偏转产生的色散，一般需要多块偏转磁铁元件组合来实现消色散的效果。

偏转磁铁是应用于工业，起到改变粒子传输方向以满足加工需求的作用，如：工业应用的辐照加工、辐照灭菌、工业检测与成像等。

在一个没有消色散设计的偏转磁铁中，不同能量的粒子经过后会在轨迹，偏转角度上区分开，即偏转磁铁给束流带来的色散。同时，偏转角度越大，这种色散越为明显。为了实现消色散，已有技术一般是通过多块偏转磁铁元件组合，使得单个偏转磁铁给束流带来的色散前后抵消，多块组合总的偏转角度等于系统所需的偏转角度。这类多块偏转磁铁元件组合构成的消色散偏转系统，一般会占用较大的尺寸空间。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种偏转磁铁及偏转装置，本发明提出的偏转磁铁结构可以在单个偏转磁铁元件上实现较大角度的消色散偏转，尺寸更为紧凑，在加速器输运线上的布置更灵活，建造与运行成本较低。

本发明包括如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种偏转磁铁，包括外铁轭、励磁结构和极头；所述外铁轭上设置有束流出入口，两个极头对称设置在所述外铁轭内，两个极头外设置励磁结构，两个极头的极面之间形成工作气隙；所述极面包括入射区域、消色散区域和出射区域，所述入射区域的两个极头之间的距离与所述出射区域的两个极头之间的距离相等，所述入射区域的两个极头之间的距离大于所述消色散区域两个极头之间的距离。

进一步地，所述入射区域与所述消色散区域的交界线为曲线；和/或所述出射区域与所述消色散区域的交界线为曲线。

进一步地，所述极面为轴对称结构。

进一步地，所述励磁结构为励磁线圈或永磁铁。

进一步地，在所述消色散区域束流偏转角度为45°～90°。

进一步地，所述入射区域两个极头之间的距离与消色散区域两个极头之间的距离之比为4：3～2：1。

进一步地，位于两个极头的消色散区域之间设置有能量狭缝，所述能量狭缝用于控制通过的束流的能量。

进一步地，所述能量狭缝由第一限束结构和第二限束结构组成，所述第一限束结构和第二限束结构之间的间隙为能量狭缝。

进一步地，所述能量狭缝的大小可以调节。

进一步地，所述第一限束结构由铜、铝和/或钨构成；所述第二限束结构由铜、铝和/或钨构成。

本发明第二方面提供了一种偏转装置，包括:

偏转磁铁，采用上述所述的偏转磁铁；

真空室本体，设置在所述偏转磁铁产生的磁场空间中。

采用上述技术方案，本发明包括如下优点：

1、本发明对于一小于180°的需求的特定偏转角度，在单个磁铁内使之总的偏转角度大于180°，整个磁铁的偏转角度仍然为需求的特定偏转角度；偏转磁铁在极头极面上划分三区域，包括一个消色散区域，补偿由于能量不同导致的偏转轨迹不同，从而实现了在该单个偏转磁铁元件上实现较大角度的消色散偏转，使得偏转系统尺寸变得更为紧凑。

2、在工业生产中，可以通过调节能量狭缝的大小以使用不同能量要求的束流，使同一生产线能够满足不同生产需求，提高了工业加速器的使用范围，降低了生产成本。

3、相比于多组偏转磁铁和能量狭缝组合形成的能量选择系统，本发明提出的能量狭缝位于本发明所述偏转磁铁的消色散区域处，不需要布置在偏转磁铁外部，或引入额外的消色散的元件，从而在紧凑的空间内实现能量选择的功能。

4、相比与入射区域和/或出射区域与消色散区域的边界为直线或其他线性，本发明所述入射区域与所述消色散区域的交界线为曲线；和/或所述出射区域与所述消色散区域的交界线为曲线；具有更好的消色散效果。

5、相比与消色散区域的中心能量偏转角度为90°及以上范围的其他设计，本发明所述消色散区域的中心能量偏转角度为45°～90°；便于实现更紧凑的极头设计，以及提供了更为宽松的真空盒空间。

6、相比于所述入射区域两个极头之间的距离与消色散区域两个极头之间的距离之比较大的设计，本发明所述入射区域两个极头之间的距离与消色散区域两个极头之间的距离之比为4：3～2：1；对于励磁模块的要求更低，便于降低整个磁铁的重量及功耗。

7、本发明适用的应用范围可包括工业应用的辐照加工、辐照灭菌、工业检测与成像，医疗应用的放射性核素制药打靶、医学影像、放射治疗的固定束或旋转机架等。

8、本发明尤其适用于工业应用，在工业应用中由于偏转后的束流还需要通过束流线传输，偏转后的束流的色散程度非常影响后续束流线传输，本发明的偏转磁铁偏转后发出的束流能够满足束流线传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种偏转磁铁的结构示意图一；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为本发明实施例中一种偏转磁铁的局部结构示意图；

图4为图3的局部示意图；

图5为本发明实施例中极头的结构示意图一；

图6为本发明实施例中极头的结构示意图二；

图7为本发明实施例中束流的偏转轨迹示意图；

图8为本发明实施例中束流的中心能量轨迹示意图一；

图9为本发明实施例中束流的中心能量轨迹示意图二；

图中：10-外铁轭，11-上铁轭，12-下铁轭，101-束流出入口，102-直线驱动结构活动口，103-束流出口；20-励磁结构，30-极头，301-入射区域，302-消色散区域，303-出射区域，40-工作气隙，50-交界线，60-能量狭缝，70-第一限束结构，80-第二限束结构，90-直线驱动结构。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

在本发明的描述中，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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。

本实施例提供了一种偏转磁铁，如图1-图6所示，包括外铁轭10、励磁结构20和极头30；所述外铁轭10上设置有束流出入口101，两个极头30对称设置在所述外铁轭10内，两个极头30外设置励磁结构20，两个极头30的极面之间形成工作气隙40；所述极面包括入射区域301、消色散区域302和出射区域303，所述入射区域301的两个极头30之间的距离与所述出射区域303的两个极头30之间的距离相等，所述入射区域301的两个极头30之间的距离大于所述消色散区域302两个极头30之间的距离。

其中，外铁轭10包括上铁轭11和下铁轭12，在外铁轭10上的束流出入口101既是束流的入口，也是偏转后的束流的出口。

现有技术中，束流的小角度偏转大多为偏转90°，则束流在该偏转磁铁内需要偏转270°，其为一个大角度偏转，大角度偏转存在严重的色散；如图5所示，通过对极头30的极面进行设计，具有消除束流色散的效果。如图7所示，理论轨迹与理论极面示意图如下所示：

图中，极头30极面根据束流穿越的顺序，划分为Region1(入射区域301)、Region2(消色散区域302)、Region3(出射区域303)三个区域。其中Region1和Region3关于对称平面Symmetry对称，机械上为同一平面。Beam in和Beam out分别为束流注入和引出的方向，在消色散偏转磁铁内束流偏转270°。

偏转磁铁一般为二极磁铁结构，在一对平行布置的线圈与极头之间，形成于垂直于束流输运方向的二极磁场，运动的带电粒子会受到洛伦兹力：

F＝qvB

其中，F为洛伦兹力的大小，q为粒子所带的电荷量，v为粒子的速度，B为磁场强度。粒子受洛伦兹力从而偏转。偏转半径为：

其中，R为偏转半径，W为粒子的动能，ε₀为粒子的静止能量，c为光速。所以，能量不同时偏转半径也不同。具有较宽的能散的束流经过同一个偏转磁铁时，不同能量的粒子经过的偏转轨迹是不同的。

此例中做如下设定：

设定Region2的气隙是Region1和Region3的2/3；由此，Region2的磁场强度是Region1和Region3的1.5倍。根据

则某一粒子在Region2中偏转半径是Region1和Region3的2/3。

设定磁铁适用于中心能量2MeV，能散±10％的束流。图中示意的参考束流的能量为，E0为中心能量，2MeV；EH为偏高的能量上限，2.2MeV；EL为偏低的能量下限，1.8MeV。

中心能量在Region1&3中偏转角度为105°，Region2中偏转角度为270°-105°-105°＝60°。即加和为270°。该角度为人为设计时设定，每一个特定角度对应一个极头的设计例。

接下来可以根据如上假设求解一个特例。首先根据上述公式，如上假设已列出了能量与各个区域的磁场强度，可以求出各个能量对应的各个区域的偏转半径如下：

考虑消色散条件对应的几何条件：

(1)理想轨迹以45度轴为对称面对称，所以针对一270°的偏转磁铁，求解135°即可。在一半的轨迹中，入射为一条过原点的垂直边界，出射为一条过原点的斜45°边界。入射角与出射角分别与入射垂直边界和出射的对称轴边界垂直，即为总偏转角度为135°。

(2)束流是连续的，在理论中认为束流经过Region1和Region2的交界处时，磁场是突变的，所以偏转半径也是突变的。所以同一能量的两段圆弧相切。

(3)圆弧上任意切线与半径垂直，所以两端圆弧的相切点P1，第一段圆弧的圆心C1m和第二段圆弧C2m三点共线。

第一步画出中心能量的轨迹。如图8所示：

C1m的坐标在该坐标系下，根据三角函数计算。偏转半径：

R1m＝300mm，R2m＝200mm；偏转角度：θ1m＝105°，θ2m＝135°-105°＝30°。C1m的坐标为：

x1m＝0 (mm)

y1m＝(R1m-R2m)*[sin(θ1m)+cos(θ1m)]

＝100*(0.9659-0.2588)＝70.71 (mm)

该坐标系下，入射点的y坐标为R1m-y1m。

接下来逐一画出其他能量的轨迹。以能量上限EH为例，前面已经求出其偏转半径分别为R1h＝314.44mm，R2h＝209.63mm；由于各个能量均从同一点入射，所以入射点依旧为刚才求出的(0,R1m-y1m)。

EH能量的轨迹同样需要满足几何条件(1)、(2)、(3)。

θ1h求解如下：

根据几何关系，列出方程为：

(R1h-R2h)*[cos(θ1h-90°)-sin(θ1h-90°)]

＝[R1h-(R1m-y1m)]

此例中：104.81*[cos(θ1h-90°)-sin(θ1h-90°)]＝85.15解方程可求解得到θ1h＝99.94°。θ2h即为θ2h＝135°-θ1h＝35.06°。如图9所示。

逐条求出各个能量对应的偏转角度，如下表所示。

求出偏转角度后，确定每个能量对应的两段曲线的相切点，将所有相切点连接在一起，即为理论的极面交界线50。通过上述方式参数进行计算，获得的理论的极面交界线50均为曲线；据此可以得出，在一些实施例中，在使消色散效果好的基础上，如图5、图6所示，所述入射区域301与所述消色散区域302的交界线50为曲线；所述出射区域303与所述消色散区域302的交界线50为曲线。

在一些实施例中，如图5、图6所示，所述极面为轴对称结构。此结构，能够使束流偏转90°。优选的，所述极头为轴对称结构，此结构的极头具有易于制造的优点。

在一些实施例中，所述励磁结构20为励磁线圈或永磁铁。

在一些实施例中，在所述消色散区域302束流偏转角度为45°～90°。需要说明的是，所述束流偏转角度45°～90°应该包括端点45°和90°。

在一些实施例中，所述入射区域301两个极头之间的距离与消色散区域302两个极头之间的距离之比为4：3～2：1。需要说明的是，范围4：3～2：1应该包括端点4：3和2：1。

在一些实施例中，位于两个极头30的消色散区域302之间设置有能量狭缝60，所述能量狭缝60用于控制通过的束流的能量。从而在紧凑的空间内实现能量的选择。

在一些实施例中，如图5所示，所述能量狭缝60由第一限束结构70和第二限束结构80组成，所述第一限束结构70和第二限束结构80之间的间隙为能量狭缝60。需要说明的是，当然其他结构形式的能量狭缝60也应该在本发明的保护范围内

在一些实施例中，所述能量狭缝60的大小可以调节。

能量狭缝60的大小的调节可以根据工业生产需求进行调节，即根据需要的束流的能量来调节能量狭缝60的大小。

在一些实施例中，如图3、图4所示，所述第一限束结构70和第二限束结构80均连接有直线驱动结构90，所述第一限束结构70上设置有限束窗口，所述限束窗口可作为能量狭缝60；此种结构中，通过第二限束结构80对所述限束窗口配合使达到调节能量狭缝60大小的目的。需要说明的是，该所述的具体调节能量狭缝60的具体结构为一实施例的具体举例，其他形式的调节结构也应该在本发明的保护范围内。

在一些实施例中，直线驱动结构90为机械传动结构，直线驱动结构90的驱动部设置在所述外铁轭10外，如图3、图4所示，同时在外铁轭10上设置有用于供直线驱动结构90的驱动轴活动的直线驱动结构活动口102；这样可以使偏转磁铁的尺寸变得更为紧凑。

在一些实施例中，如图3所示，所述外铁轭10上还设置有束流出口103，在励磁机构关掉的时候，束流就不偏转了，束流通过束流出口103射出；这样可以提高偏转磁铁的适用性。

在一些实施例中，所述第一限束结构70由铜、铝和/或钨构成；所述第二限束结构80由铜、铝和/或钨构成。

本实施例还提供了一种偏转装置，包括:

偏转磁铁，采用如上述所述的偏转磁铁；

真空室本体，设置在所述偏转磁铁产生的磁场空间中。

需要说明的是，本发明所述的束流包括电子束、质子束、重离子束等束流。

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)

1.一种偏转磁铁，其特征在于，包括外铁轭(10)、励磁结构(20)和极头(30)；所述外铁轭(10)上设置有束流出入口(101)，两个极头(30)对称设置在所述外铁轭(10)内，两个极头(30)外设置励磁结构(20)，两个极头(30)的极面之间形成工作气隙(40)；所述极面包括入射区域(301)、消色散区域(302)和出射区域(303)，所述入射区域(301)的两个极头(30)之间的距离与所述出射区域(303)的两个极头(30)之间的距离相等，所述入射区域(301)的两个极头(30)之间的距离大于所述消色散区域(302)两个极头(30)之间的距离。

2.如权利要求1所述的一种偏转磁铁，其特征在于，所述入射区域(301)与所述消色散区域(302)的交界线(50)为曲线；和/或所述出射区域(303)与所述消色散区域(302)的交界线(50)为曲线。

3.如权利要求1或2所述的一种偏转磁铁，其特征在于，所述极面为轴对称结构。

4.如权利要求1或2所述的一种偏转磁铁，其特征在于，在所述消色散区域(302)束流偏转角度为45°～90°。

5.如权利要求1所述的一种偏转磁铁，其特征在于，所述入射区域(301)两个极头之间的距离与消色散区域(302)两个极头之间的距离之比为4：3～2：1。

6.如权利要求1所述的一种偏转磁铁，其特征在于，位于两个极头(30)的消色散区域(302)之间设置有能量狭缝(60)，所述能量狭缝(60)用于控制通过的束流的能量。

7.如权利要求6所述的一种偏转磁铁，其特征在于，所述能量狭缝(60)由第一限束结构(70)和第二限束结构(80)组成，所述第一限束结构(70)和第二限束结构(80)之间的间隙为能量狭缝(60)。

8.如权利要求6所述的一种偏转磁铁，其特征在于，所述能量狭缝(60)的大小可以调节。

9.如权利要求7所述的一种偏转磁铁，其特征在于，所述第一限束结构(70)由铜、铝和/或钨构成；所述第二限束结构(80)由铜、铝和/或钨构成。

10.一种偏转装置，其特征在于，包括:

偏转磁铁，采用如权利要求1-9任意一项所述的偏转磁铁；

真空室本体，设置在所述偏转磁铁产生的磁场空间中。