CN1222958C - 偏转和分裂束的切隔电磁铁、电磁铁、及偏转束的方法 - Google Patents
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Abstract
制备一种由其导体划分成一个第一束偏转磁极空间和一个第二束偏转磁极空间的切隔电磁铁。然后，使电流在包括切隔导体的线圈中流动，并因而在第一束偏转磁极空间和第二束偏转磁极空间中分别产生一个第一磁场和一个第二磁场。第一磁场的方向与第二磁场的方向相反，并且使穿过第一束偏转磁极空间的带电粒子束，在对于穿过第二束偏转磁极空间的带电粒子束的相反方向上偏转一个给定角度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用来偏转和分裂带电粒子束的切隔(septum)电磁铁、用来偏转和分裂带电粒子束的电磁铁、及用来偏转带电粒子束的方法，特别适用于引入或从带电粒子加速器取出。
背景技术
在引入或从带电粒子加速器取出时，按常规，采用切隔电磁铁。图1是横向剖视图，表示一种常规切隔电磁铁，而图2是纵向剖视图，表示常规切隔电磁铁。如图1和2中所示，通过使给定电流流经一个包括一个内导体1和一个切隔导体3的仓库形线圈，一个垂直于该纸的磁场B产生在一个磁轭5内。由于磁场B由切隔导体1屏蔽，所以它不能漏到磁轭5外。
当这样一种切隔电磁铁布置在带电粒子加速器中的给定轨道(引导轨道)上时，要离开的束在穿过加速器时由磁场B偏转一个给定角度T，并因而改变束的轨道。另一方面，由于磁场B由切隔导体3屏蔽，所以穿过超越切隔电磁铁的轨道的束不能由电磁场B偏转。因此，一个给定束通过穿过切隔电磁铁能从带电粒子加速器取出。
然而，在图1和2中所示的切隔电磁铁中，由于一个巨大的电磁力从电磁场B作用在切隔导体2上，所以切隔导体必须牢固地支撑。另一方面，由于在切隔电磁铁中仅有小空间，所以难以为在切隔电磁铁中的切隔导体提供一个支撑件。
如果增大磁场B的强度，则磁轭5可能在导磁率方面饱和，并因而，磁场B可能部分漏过磁轭5，影响束在磁轭5周围轨道上的运动。为了减小漏磁场，一块给定的磁屏蔽板可以相邻切隔导体3提供，但切隔磁铁的性能可能变坏，因为大大地增大切隔导体3的厚度。
发明内容
鉴于这种观点，本发明的一个目的在于，提供一种用来偏转和分裂带电 粒子束的新切隔电磁铁、一种用来偏转和分裂带电粒子束的新电磁铁、及一种使用切隔电磁铁或电磁铁来偏转带电粒子束的方法。
为了实现以上目的，本发明涉及一种用来偏转和分裂带电粒子束的切隔电磁铁，包括一个切隔导体，划分所述切隔电磁铁，并因而定义一个第一束偏转磁极空间和一个第二束偏转磁极空间，其中通过使电流在包括所述切隔导体的线圈中流动，一个第一磁场和一个第二磁场分别产生在所述第一束偏转磁极空间和所述第二束偏转磁极空间中，所述第一磁场的方向与所述第二磁场的方向相反，所述第一磁场的强度的绝对值等于所述第二磁场的强度的绝对值，并且穿过所述第一束偏转磁极空间的带电粒子束，在对于穿过所述第二束偏转磁极的另一带电粒子束的相反方向上偏转一个给定角度。
本发明的切隔电磁铁可以布置在粒子加速器的一个束轨道上。然后，在加速器中的引导轨道上的束穿过切隔电磁铁的第一偏转磁极空间。而且，在加速器中圆轨道上的束穿过切隔电磁铁的第二偏转磁极空间。一个磁场(第一磁场)产生在第一偏转磁极空间处，而另一个磁场(第二磁场)产生在第二偏转磁极空间处。由于第一磁场的方向与第二磁场的方向相反，所以方向不同的电磁力分别作用在引导轨道和圆轨道上，并因而，束在相反方向偏转一个给定角度。因此，改变束引导轨道和束圆轨道，并因而能分裂带电粒子束。结果，一个由带电粒子加速器加速的给定束能容易地从加速器取出。
而且，如果第一束偏转磁极空间和第二束偏转磁极空间的磁场方向相反，如与取出带电粒子束的以上情形相比，一个给定束能引入到带电粒子加速器中。
本发明的切隔磁铁由切隔导体划分以定义第一束偏转磁极空间和第二束偏转磁极空间，并因而第一磁场和第二磁场作用在切隔导体上。由于第一磁场和第二磁场的方向相反，所以在切隔导体处能抵消源于磁场的电磁力。因此，切隔导体能容易地支撑在切隔电磁铁中。
例如，即使第一磁场漏出切隔电磁铁的第一偏转磁极空间，第一磁场的泄漏分量也由超越切隔电磁铁的第二偏转磁极空间的第二磁场的泄漏分量抵消。因此，由于能禁止超越切隔电磁铁的磁场总泄漏，所以不需要磁屏蔽板。
本发明也涉及一种用来偏转和分裂带电粒子束的电磁铁，包括：一个切隔电磁铁，以便由其一个切隔导体划分成一个第一束偏转磁极空间和一个第二束偏转磁极空间；及一个辅助电磁铁，其中通过使电流在包括所述切隔导体的线圈中流动，一个第一磁场和一个第二磁场分别产生在所述第一束偏转磁极空间和所述第二束偏转磁极空间中，所述第一磁场的方向与所述第二磁场的方向相反，所述第一磁场的强度的绝对值等于所述第二磁场的强度的绝对值，并且穿过所述第一束偏转磁极空间的一个第一带电粒子束，在对于穿过所述第二束偏转磁极空间的一个第二带电粒子束的相反方向上偏转一个给定角度，及源于所述第二束偏转磁极空间的所述第二带电粒子束的偏转由源于所述辅助电磁铁的偏转抵消。
在根据本发明用来偏转和分裂带电粒子束的电磁铁中，除上述切隔电磁铁之外提供一个辅助电极。然后，通过切隔电磁铁的第二偏转磁极空间的束的偏转通过穿过辅助电极抵消。因此，在圆轨道上的束最后不偏转，并因而连续地在相同圆轨道上运动。
根据本发明，提供了一种用来偏转带电粒子束的方法，包括步骤：制备一个由其切隔导体划分成一个第一束偏转磁极空间和一个第二束偏转磁极空间的切隔电磁铁，使电流在包括所述切隔电磁铁的线圈中流动，并因而在所述第一束偏转磁极空间和所述第二束偏转磁极空间中分别产生一个第一磁场和一个第二磁场，所述第一磁场的方向与所述第二磁场的方向相反，所述第一磁场的强度的绝对值等于所述第二磁场的强度的绝对值，及使穿过所述第一束偏转磁极空间的带电粒子束，在对于穿过所述第二束偏转磁极空间的带电粒子束的相反方向上偏转一个给定角度。
结果，根据本发明的电磁铁，仅在引导轨道上的束能偏转和分裂，并因而从带电粒子加速器取出而没有对于束在圆轨道上的加速的干扰。下文将描述用来偏转带电粒子束的方法和其它方面。
附图描述
图1是横向剖视图，表示常规切隔电磁铁，
图2是纵向剖视图，表示常规切隔电磁铁，
图3是横向剖视图，表示根据本发明的电磁铁的一个最佳实施例，
图4是纵向剖视图，表示在线I-I上得到的图3的电磁铁，
图5是纵向剖视图，表示在线II-II上得到的图3的电磁铁，
图6是纵向剖视图，表示在线III-III上得到的图3的电磁铁，
图7是解释图，表示通过电磁铁的电流的流动方向，及
图8是解释图，表示通过电磁铁的另一个电流的流动方向。
具体实施方式
参照附图将详细地描述本发明。图3是横向剖视图，表示根据本发明的一种电磁铁的一个最佳实施例；而图4是纵向剖视图，表示在线I-I上得到的图3的电磁铁。图5是纵向剖视图，表示在线II-II上得到的图3的电磁铁；而图6是纵向剖视图，表示在线III-III上得到的图3的电磁铁。
在图3-6中描绘的用来偏转和分裂带电粒子束的电磁铁10包括：一个切隔电磁铁20，根据本发明，用来偏转和分裂提供在中心处的带电粒子束；一个第一辅助电磁铁30，从切隔电磁铁20在带电粒子束传播方向上向前提供；及一个第二辅助电磁铁40，从切隔电磁铁20在带电粒子束传播方向上向后提供。
切隔电磁铁20包括在一个磁轭15内的内导体11和12、及在中心处的一个双结构切隔导体13。第一辅助电磁铁包括在一个磁轭25内的内导体21和22，而第二辅助电磁铁包括在一个磁轭35内的内导体31和32。
然后，一个给定电流在图7所示的方向上，流经在切隔电极20的磁轭15上一道提供的仓库形线圈(未表示)、和包括内导体11和切隔导体13且由区域P限定的线圈。在这种情况下，一个第一磁场B1产生在由内导体11和切隔导体13限定的空间17，即一个第一束偏转磁极空间17中，在垂直于该纸的向上方向上。
然后，一个给定电流在图8所示的方向上，流经在切隔电极20的磁轭15上一道提供的仓库形线圈(未表示)、和包括内导体12和切隔导体13且由区域Q限定的线圈。在这种情况下，一个第二磁场B2产生在由内导体12和切隔导体13限定的空间19，即一个第二束偏转磁极空间19中，在垂直于该纸的向下方向上。
况且，电流在图7中所示的方向上，分别流经在第一和第二辅助电磁铁30和40的磁轭25和35上一道提供的仓库形线圈(未表示)上，并且分别流经内导体21和22及流经内导体31和32。在这种情况下，一个第三磁场B3和一个第四磁场B4在垂直于该纸的向上方向上，分别产生在第一和第二辅助电磁铁30和40的空间中。
这里，等同地设置磁场B1-B4的绝对值。把第一辅助电磁铁30的长度L1设置成等于第二辅助电磁铁40的长度L2。而且，把长度L1和L2基本上设置成切隔电磁铁20的长度L的一半。
图3-6中表示的电磁铁10例如布置在一个带电粒子加速器中，从而把在一个引导轨道上的带电粒子束引入到电磁铁10的上侧。在这种情况下，带电粒子束由在第一辅助电磁铁30中的磁场B3向上偏转T/4的角度。然后，把带电粒子束引入到由切隔电磁铁20的内导体11和切隔导体13限定的第一束偏转磁极空间17中。
由于把切隔电磁铁20的长度L设置为第一辅助电磁铁30的长度L1的两倍，所以是第一辅助电磁铁30中的强度的两倍大的电磁力作用在带电粒子束上，在基本上等于第三磁场B3的强度的第一磁场B1中向上偏转T/2的角度。然后，把带电粒子束引入到设置成长度等于第一辅助电磁铁30的第二辅助电磁铁40中，并因而向上偏转T/4的角度，如在第一辅助电磁铁30中那样。结果，在引导轨道上的带电粒子束完全向上偏转T的角度。
另一方面，在圆轨道上的带电粒子束引入到电磁铁10的下侧。然后，带电粒子束在第一辅助电磁铁30中向上偏转T/4的角度，并且引入到由切隔电磁铁20的内导体12和切隔导体13限定的第二束偏转磁极空间19中。由于在第二束偏转磁极空间19中，产生一个强度的绝对值与第一磁场B1的相等而方向与之相反的第二磁场B2，所以带电粒子束向下偏转T/2的角度。此后，把带电粒子束引入到第二辅助电磁铁40中，并因而向上偏转T/4的角度。
结果，在圆轨道上的带电粒子束由第一和第二辅助电磁铁30和40向上偏转T/4×2＝T/2的角度，并且由切隔电磁铁20向下偏转T/2的角度，并因而不完全偏转，及穿过电磁铁10没有偏转地传播。
因而，在引导轨道上的带电粒子束通过电磁铁10向上偏转T邀请的角度，并且在圆轨道上的带电粒子束不偏转而穿过电磁铁10传播，从而在引导轨道上的带电粒子束能容易地分裂并且从带电粒子加速器取出，及在圆轨道上的带电粒子束能稳定地传播而不偏转。
作用在切隔导体13上的电磁力分别源于在第一和第二束偏转磁极空间17和19中的磁场B1和B3。然而，由于把第一磁场B1的强度设置成等于第二磁场B2的强度，所以电磁力彼此抵消。结果，电磁力几乎不作用在切隔导体13上，并因而，能简化用于切隔导体13的支撑件的结构。
而且，由于抵消作用在切隔导体13的电磁力，所以可以采用脉冲型的激励方法来代替直流型方法。结果，能减小切隔导体13的热量产生，并因而能减薄切隔导体13。
况且，即使第一和第二磁场B1和B2漏过切隔电磁铁20，泄漏分量也彼此抵消，并因而基本上能减小切隔电磁铁20的磁场泄漏。结果，为了减小磁场泄漏，不要求提供一个磁屏蔽板，并因而切隔电磁铁20的性能能足够地呈现。
尽管在以上实施例中，描述了用来偏转和分裂取出带电粒子束的电磁铁10，但它可以用来确定地引入带电粒子束。在这种情况睛，引导轨道变成入射轨道。然后，在入射轨道和圆轨道上的带电粒子束从右侧引入到电磁铁10中，并且从左侧排出。结果，带电粒子束反向穿过电磁铁10传播，并因而引入到带电粒子加速器中。
尽管参照以上例子详细地描述了本发明，但本发明不限于以上公开，并且可以进行各类变更和修改，而不脱离本发明的范围。
例如在以上实施例中，提供第一辅助电磁铁30和第二辅助电磁铁40，并且从切隔电磁铁20向前和向后布置，但可以使用仅一个电磁铁，及从切隔电极20向前或向后布置。
而且，在以上实施例中，第一磁场B1的强度设置成等于第二磁场B2的强度，但可以不同。然而，通过把第一磁场B1的强度设置成等于第二磁场B2的强度，把穿过第一束偏转磁极空间17的带电粒子束的偏转角度设置成等于穿过第二束偏转磁极空间19的带电粒子束的偏转角度，并因而，能简化带电粒子束传播的控制。
况且，把切隔电磁铁20的长度L设置成等于第一辅助电磁铁30的长度L1和第二辅助电磁铁40的长度L2的总长度，但可以不同。然而，如上所述，通过把长度L设置成等于长度L1和L2的总长度并且把磁场B1-B4的强度的绝对值设置成彼此相等，在圆轨道上的带电粒子束不偏转，并且仅偏转在引导轨道上的带电粒子束。
如以上解释的那样，根据本发明，能提供一种用来偏转分裂带电粒子束的切隔电磁铁、一种用来偏转和分裂带电粒子束的电磁铁及一种用来偏转带电粒子束的方法，这能经偏转容易地从带电粒子加速器取出等的带电粒子束，而没有用于切隔电磁铁的复杂支撑结构和磁屏蔽板。
Claims (14)
1.一种用来偏转和分裂带电粒子束的切隔电磁铁，包括一个切隔导体，划分所述切隔电磁铁，并因而定义一个第一束偏转磁极空间和一个第二束偏转磁极空间，其中通过使电流在包括所述切隔导体的线圈中流动，一个第一磁场和一个第二磁场分别产生在所述第一束偏转磁极空间和所述第二束偏转磁极空间中，所述第一磁场的方向与所述第二磁场的方向相反，所述第一磁场的强度的绝对值等于所述第二磁场的强度的绝对值，并且穿过所述第一束偏转磁极空间的带电粒子束，在对于穿过所述第二束偏转磁极的另一带电粒子束的相反方向上偏转一个给定角度。
2.根据权利要求1所述的切隔电磁铁，其中所述第一束偏转磁极空间用于取出带电粒子束。
3.根据权利要求1所述的切隔电磁铁，其中所述第一束偏转磁极空间用于引入带电粒子束。
4.一种用来偏转和分裂带电粒子束的电磁铁，包括：一个切隔电磁铁，以便由其一个切隔导体划分成一个第一束偏转磁极空间和一个第二束偏转磁极空间；及一个辅助电磁铁，其中通过使电流在包括所述切隔导体的线圈中流动，一个第一磁场和一个第二磁场分别产生在所述第一束偏转磁极空间和所述第二束偏转磁极空间中，所述第一磁场的方向与所述第二磁场的方向相反，所述第一磁场的强度的绝对值等于所述第二磁场的强度的绝对值，并且穿过所述第一束偏转磁极空间的一个第一带电粒子束，在对于穿过所述第二束偏转磁极空间的一个第二带电粒子束的相反方向上偏转一个给定角度，及源于所述第二束偏转磁极空间的所述第二带电粒子束的偏转由源于所述辅助电磁铁的偏转抵消。
5.根据权利要求4所述的电磁铁，其中在带电粒子束传播方向上，把所述切隔电磁铁的长度设置成等于所述辅助电磁铁的长度，并且把所述第一磁场、所述第二磁场、及所述辅助电磁铁的磁场的强度的绝对值设置成彼此相等。
6.根据权利要求4所述的电磁铁，其中所述辅助电磁铁包括一个第一辅助电磁铁和一个第二辅助电磁铁，
从所述带电粒子束的传播方向看，所述第一和第二辅助电磁铁位于所述切隔电磁铁的两侧并且在一条直线上。
7.根据权利要求6所述的电磁铁，其中在带电粒子束传播方向上，把所述切隔电磁铁的长度设置成等于所述第一辅助磁铁和所述第二辅助电磁铁的总长度，并且把所述第一磁场、所述第二磁场、及所述第一和所述第二辅助电磁铁的磁场的强度的绝对值设置成彼此相等。
8.根据权利要求7所述的电磁铁，其中在带电粒子束传播方向上，把所述第一辅助磁铁的长度设置等于所述第二辅助电磁铁的长度，并且设置成所述切隔电磁铁的所述长度的一半。
9.根据权利要求4所述的电磁铁，其中所述第一束偏转磁极空间用来取出带电粒子束。
10.根据权利要求4所述的电磁铁，其中所述第一束偏转磁极空间用来引入带电粒子束。
11.一种用来偏转带电粒子束的方法，包括步骤：
制备一个由其切隔导体划分成一个第一束偏转磁极空间和一个第二束偏转磁极空间的切隔电磁铁，
使电流在包括所述切隔导体的线圈中流动，并因而在所述第一束偏转磁极空间和所述第二束偏转磁极空间中分别产生一个第一磁场和一个第二磁场，所述第一磁场的方向与所述第二磁场的方向相反，所述第一磁场的强度的绝对值等于所述第二磁场的强度的绝对值，及
使穿过所述第一束偏转磁极空间的带电粒子束，在对于穿过所述第二束偏转磁极空间的带电粒子束的相反方向上偏转一个给定角度。
12.根据权利要求11所述的偏转方法，进一步包括除所述切隔电磁铁之外制备一个辅助电磁铁的步骤，由此穿过所述第二束偏转磁极空间的所述带电粒子束的偏转由所述辅助电磁铁的偏转抵消。
13.根据权利要求11所述的偏转方法，其中所述第一束偏转磁极空间用来取出带电粒子束。
14.根据权利要求11所述的偏转方法，其中所述第一束偏转磁极空间用来引入带电粒子束。
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