CN117747240A - 一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系及其应用，属于聚焦磁铁技术领域，包括磁块固定筒和固定于所述磁块固定筒中的若干聚焦永磁铁，所述若干聚焦永磁铁在磁块固定筒内呈圆周均布；所述若干聚焦永磁铁的数量为16；所述若干聚焦永磁铁的材料为钕铁硼稀土永磁材料，所述钕铁硼稀土永磁材料的剩磁独立的＞1.1Tesla。本发明选用剩磁大于1.1Tesla的钕铁硼稀土永磁材料，并优化了聚焦永磁铁的结构，保证了磁铁铁芯外径在不超过130mm，以及不使用水冷和线圈的前提下，达到了600T/m的超高磁场梯度。
Description
技术领域
本发明涉及聚焦磁铁技术领域，尤其涉及一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系及其应用。
背景技术
MeV能区伽玛光子对撞机是一种新型的高能物理实验装置，具有独特的物理目标和重要的科学意义，与其他类型(如强子对撞机、正负电子对撞机等)的对撞机互为补充，具有不可替代的作用。
永磁聚焦磁铁是MeV能区伽玛光子对撞机中最重要的元件之一，该磁铁的设计具有一定的挑战性。为了提高对撞亮度，需要将束斑在对撞之前进行尽可能的聚焦，因此需要一组超高梯度的四极磁铁。根据束流动力学匹配的结果，聚焦磁铁的梯度需要达到600T/m。同时，由于探测器的真空要求，应避免常规聚焦磁铁的水路和电路穿越真空环境。
目前，国内外常用的聚焦磁铁是高梯度电四极磁铁，比如德国电子同步加速器(Deutsches Elektronen Synchrotron，DESY)的高梯度四级磁铁孔径为20mm，磁场梯度可以达到150T/m；上海光源衍射极限环的高梯度四极磁铁孔径为22mm，磁场梯度可达100T/m。
然而，上述高梯度聚焦磁铁并不能满足MeV能区伽玛光子对撞机中的聚焦需求，首先由于其磁场梯度不够，其次，上述磁铁在工作过程中需要线圈和冷却，不能放在真空管道中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系及其应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，包括磁块固定筒和固定于所述磁块固定筒中的若干磁化块，所述若干磁化块在磁块固定筒内呈圆周均布；所述若干磁化块的数量为16；
所述磁化块的材料为钕铁硼稀土永磁材料，所述钕铁硼稀土永磁材料的剩磁＞1.1Tesla；
单个磁化块呈现楔形结构，所述楔形结构包括上端的长方体结构和下端的梯形体结构，所述长方体结构的长度为15～18mm，宽度为8～10mm，所述楔形结构的高度为44～48mm；
所述磁块固定筒包括外圈和面向筒圆心内突出的三角形块，相邻两个三角形块之间形成定位槽，所述定位槽与磁化块的位置一一对应。
作为优选，所述磁块固定筒的材质为铝合金，所述磁块固定筒一体成型。
作为优选，单个磁化块的上端顶部设置有螺纹孔，所述螺纹孔的数量为2。
作为优选，所述定位槽上设置有圆孔，所述圆孔的数量为2，与磁化块上的螺纹孔的位置一一对应。
作为优选，所述磁块固定筒的侧面设置有盖板安装孔，所述安装孔的数量为16。
作为优选，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的孔径为4～6mm，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的机械长度为45～55mm。
作为优选，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场梯度＞600T/m。
作为优选，16个磁化块的充磁方向独立且沿逆时针方向依次递增，所述递增的角度为67.5°。
本发明还提供了上述技术方案所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系在需要超高梯度聚焦的加速器系统中的应用。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采取高剩磁的钕铁硼稀土永磁材料，剩磁越高磁场强度越强，同时采用分体结构的设计，16个磁化块保证了磁铁铁芯直径在不超过130mm的前提下，达到600T/m的超高磁场梯度，因此不需要线圈和水冷，可以放置在真空管道内。
(2)本发明优化了磁化块的形状，采用上端为长方体和下端为梯形体结构的楔形结构，保证了聚焦永磁铁复合磁系在尺寸最小的情况下，达到600T/m的超高磁场梯度。
(3)本发明提供的磁块固定筒的内部设计有定位槽，定位槽与磁化块的位置一一对应，保证了安装精度。
(4)本发明在定位槽上还设置了圆孔，与磁化块的螺纹孔的位置一一对应，可用于调节磁化块的插入深度，且每个磁化块都可以独立的进行调节，此设计还可以在磁场均匀性不满足要求的时候，通过调节磁化块的插入深度来消除磁场的高阶分量。
(5)本发明提供的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系在孔径80％范围内，磁场的一致性达到了±1×10-3。
(6)本发明采用钕铁硼永磁材料(NdFeB，剩磁＞1.1Tesla)，由16瓣磁化块以拼接的方式(充磁方向依次增加67.5°)，保证了磁场分布是一个聚焦四级磁铁的形状。
(7)本发明提供的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系具有通用性，可以应用在所有小尺寸、高梯度的场合。
附图说明
图1为本发明提供的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的充磁方向示意图，
其中，1为定位槽，2为螺纹孔，3为盖板安装孔，4为铁芯直径，5为孔径。
图2为实施例1中单个磁化块的结构图，
其中d1为长方体的长度，d2为长方体的宽度，d3为楔形结构的高度；
图3为本发明磁块固定筒的结构图，
其中，3为盖板安装孔，6为圆孔；
图4为电磁场仿真软件Opera模拟超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场分布图；
图5为电磁场仿真软件Opera模拟超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场强度By沿x轴方向的分布图；
图6为电磁场仿真软件Opera模拟超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的孔径内磁场一致性分布图；
图7为实施例1中超高梯度聚焦永磁铁复合磁系第一次磁场实测结果图；
图8为实施例1中超高梯度聚焦永磁铁复合磁系第二次磁场实测结果图；
图9为实施例1中超高梯度聚焦永磁铁复合磁系第三次磁场实测结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，包括磁块固定筒和固定于所述磁块固定筒中的若干磁化块，所述若干磁化块在磁块固定筒内呈圆周均布；所述若干磁化块的数量为16；
所述聚焦永磁铁的材料为钕铁硼稀土永磁材料，所述钕铁硼稀土永磁材料的剩磁＞1.1Tesla；
单个磁化块呈现楔形结构，所述楔形结构包括上端的长方体结构和下端的梯形体结构，所述长方体结构的长度为15～18mm，宽度为8～10mm，所述楔形结构的高度为44～48mm；
所述磁块固定筒包括外圈和面向筒圆心内突出的三角形块，相邻两个三角形块之间形成定位槽，所述定位槽与磁化块的位置一一对应。
在本发明中，所述定位槽的尺寸根据磁化块的尺寸进行调整，保证磁化块可以放置定位槽中。
在本发明中，所述磁块固定筒的材质优选为铝合金，所述磁块固定筒一体成型，能够保证整个结构的安装精度。
在本发明中，单个磁化块的上端顶部设置有螺纹孔，所述螺纹孔的数量优选为2。
螺纹孔用于磁化块安装过程中的径向调节。
在本发明中，所述定位槽上设置有圆孔，所述圆孔的数量优选为2，与磁化块上的螺纹孔的位置一一对应。
在本发明中，所述磁块固定筒的侧面设置有盖板安装孔，所述安装孔的数量优选为16。
盖板安装孔用于上下盖板的安装。
在本发明中，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的孔径优选为4～6mm，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的机械长度优选为45～55mm。
所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的机械长度为磁化块的径向长度。
在本发明中，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场梯度＞600T/m。
在本发明中，16个磁化块的充磁方向独立且沿逆时针方向依次递增，所述递增的角度优选为67.5°。
在本发明中，1号永磁块(位于正x轴上)充磁方向沿着y轴负向，其余永磁块充磁方向依次转过67.5°，如图1所示。
在本发明中，16分体结构和67.5°的充磁方向是关联的，图1中的箭头代表了充磁方向，只有保证每个磁块的充磁方向，才能保证最终的磁场是一个聚焦四级铁的效果。
本发明还提供了所述聚焦永磁铁复合磁系在需要超高梯度聚焦的加速器系统中的应用。
在本发明中，所述需要超高梯度聚焦的加速器系统优选为MeV能区伽玛光子对撞机。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
取16块剩磁大于1.1Tesla的钕铁硼稀土永磁材料，单个钕铁硼稀土磁化块的结构如图2所示，其中d1为16mm，d2为10mm，d3为47mm，铁芯直径为130mm。
先将16个钕铁硼稀土磁化块依次按照转过67.5°的充磁方向充磁(如图1所示)，然后在磁块固定筒内(磁块固定筒的结构如图3所示)开始安装磁化块。安装过程中需要逐个安装磁化块，先根据图1的定位槽安装第一个磁化块。然后按照逆时针方向依次安装其他磁化块，所有磁化块必须按照图1中磁化块充磁方向的箭头依次安装，即得到超高梯度聚焦永磁铁复合磁系。
采用电磁场仿真软件Opera模拟磁场分布测试，具体结果如图4至图6所示，图4为超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场分布图，从图4可以看出，本发明提供的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系孔径内的磁场分布为四级聚焦磁场。
图5为超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场强度By沿x轴方向的分布图，从图5可以看出，在孔径80％的范围内磁场梯度dBy/dx可达600T/m。
图6为超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的孔径内磁场一致性分布图，磁场一致性用表示，其中/>为中心位置磁场梯度。从图6可以看出，在孔径80％的范围内，磁场一致性达到了±1×10-3。
采用伸展线磁测机进行磁场实测，三次实测结果分别如图7至图9所示，换算结果如表1所示。
表1实施例1得到的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场实测换算结果
| 梯度积分GL(T) | 梯度G(T/m) | |
| 第一次测量 | 16.4016689 | 607.4692 |
| 第二次测量 | 16.3680117 | 606.2227 |
| 第三次测量 | 16.3852375 | 606.8606 |
由表1可以看出，本发明提供的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场梯度均超过了600T/m，具有超高的磁场梯度。
由以上实施例可知，本发明提供了一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，包括磁块固定筒和固定于所述磁块固定筒中的若干聚焦永磁铁，所述若干聚焦永磁铁在磁块固定筒内呈圆周均布；所述若干聚焦永磁铁的数量为16；所述若干聚焦永磁铁的材料为钕铁硼稀土永磁材料，所述钕铁硼稀土永磁材料的剩磁独立的＞1.1Tesla；本发明提供的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系磁场梯度超过了600T/m，同时可以有效消除磁场高阶分量，保证磁场均匀度，在孔径80％的范围内，磁场一致性达到了±1×10-3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，包括磁块固定筒和固定于所述磁块固定筒中的若干磁化块，所述若干磁化块在磁块固定筒内呈圆周均布；所述若干磁化块的数量为16；
所述磁化块的材料为钕铁硼稀土永磁材料，所述钕铁硼稀土永磁材料的剩磁＞1.1Tesla；
单个磁化块呈现楔形结构，所述楔形结构包括上端的长方体结构和下端的梯形体结构，所述长方体结构的长度为15～18mm，宽度为8～10mm，所述楔形结构的高度为44～48mm；
所述磁块固定筒包括外圈和面向筒圆心内突出的三角形块，相邻两个三角形块之间形成定位槽，所述定位槽与磁化块的位置一一对应。
2.如权利要求1所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，所述磁块固定筒的材质为铝合金，所述磁块固定筒一体成型。
3.如权利要求1或2所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，单个磁化块的上端顶部设置有螺纹孔，所述螺纹孔的数量为2。
4.如权利要求3所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，所述定位槽上设置有圆孔，所述圆孔的数量为2，与磁化块上的螺纹孔的位置一一对应。
5.如权利要求4所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，所述磁块固定筒的侧面设置有盖板安装孔，所述安装孔的数量为16。
6.如权利要求4或5所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的孔径为4～6mm，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的机械长度为45～55mm。
7.如权利要求6所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，所述超高梯度聚焦永磁铁复合磁系的磁场梯度＞600T/m。
8.如权利要求7所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系，其特征在于，16个磁化块的充磁方向独立且沿逆时针方向依次递增，所述递增的角度为67.5°。
9.权利要求1～8任一项所述的超高梯度聚焦永磁铁复合磁系在需要超高梯度聚焦的加速器系统中的应用。
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