CN211016663U - Ecr离子源超导磁体结构 - Google Patents
Ecr离子源超导磁体结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN211016663U CN211016663U CN201922183657.7U CN201922183657U CN211016663U CN 211016663 U CN211016663 U CN 211016663U CN 201922183657 U CN201922183657 U CN 201922183657U CN 211016663 U CN211016663 U CN 211016663U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coil
- cct
- field
- dct
- framework
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Abstract
本实用新型涉及一种ECR离子源超导磁体结构，其包括CCT线圈、DCT线圈和螺线管；所述CCT线圈和所述DCT线圈嵌套组合在一起，所述螺线管设置在所述CCT线圈和所述DCT线圈的外部；所述CCT线圈能产生六极场和螺线管场的叠加场，所述DCT线圈产生的多极场用于补足所述CCT线圈产生的六极场，所述螺线管用于补足所述CCT线圈产生的螺线管场，进而获得ECR磁体所需场型。本实用新型有效降低超导ECR磁体结构的设计难度，使复杂背景场中超导线上感受到的电磁力不产生累积效应，有效提高结构稳定性。本实用新型可以应用于许多需要复杂矢量磁场的领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种磁体结构，特别是关于一种ECR离子源超导磁体结构。
背景技术
ECR ion source即电子回旋共振离子源，它的关键组成部件是用以约束和产生离子的具有特殊磁场形状的磁体组合，具体场形是包括六极磁场和螺线管场的复合磁场。根据目前在线运行的三代ECR离子源SECRAL和LBNL的VENUS在线运行状态可以看出，ECR离子源具有非常优秀的性能表现及长寿命的特点。三代ECR 离子源因其现有结构的复杂性及制造难度大，在两款NbTi超导ECR离子源(又称第三代ECR离子源)稳定运行的近十年间，相关技术再没有其他的发展或应用扩展。
离子源是各类离子加速器所必须的重要部件，如电子加速器的电子源，它通常是利用热阴极辐射电子，再由电场引出的物理过程；而对于重离子加速器的关键部件离子源，有利用物理加热原理使离子外层电子分离的源，也有利用等离子体内的热电子轰击离子本体，使离子获得高电荷态及较高产额的源。ECR离子源即是后者，磁场强度决定了等离子体的德拜压力，即决定着该源产生高电荷态离子和高强度的截面积，也就是表征了离子源的能力。
如前所述，LBNL的VENUS磁体结构称之为传统结构，它存在的主要问题是，在磁体励磁情况下，六极线圈处于较高的螺线管背景场下，其端部会受到非常复杂的洛伦兹力，给设计团队及加工制造带来很大挑战。IMPCAS的SECRAL结构称之为传统反结构，它的优势在于有效的减小了六极线圈上的电磁力，同时却造成六极线圈的激磁效率大大降低，用线量成倍增加，此两种结构都对六极线圈的加工及最后的集成装配要求具有很高的精度及成熟的工艺支持。LBNL的Dr.D.Xie 还提出一种Closed-Loop Coil(CLC)结构的ECR磁体，该结构新颖高效，但设计及制作难度很大，造成研制经费高、项目风险高等缺点，同时内六方的温孔结构给与其配套的其他部件结构提出新的要求。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种ECR离子源超导磁体结构，其能有效降低超导磁体的复杂性和组装集成难度。降低三代ECR离子源走向民用或其它领域的壁垒。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种ECR离子源超导磁体结构，其包括CCT线圈、DCT线圈和螺线管；所述CCT线圈和所述DCT线圈嵌套组合在一起，所述螺线管设置在所述CCT线圈和所述DCT线圈的外部；所述CCT线圈能产生六极场和螺线管场的叠加场，所述DCT线圈产生的多极场用于补足所述 CCT线圈产生的六极场，所述螺线管用于补足所述CCT线圈产生的螺线管场，进而获得ECR磁体所需场型。
进一步，所述CCT线圈由电磁线和第一圆柱筒状骨架构成；所述第一圆柱筒状骨架表面设置有骨架翅片，相邻所述骨架翅片之间形成凹槽，所述电磁线均匀镶嵌在相邻所述骨架翅片的所述凹槽内。
进一步，所述DCT线圈由电磁线和第二圆柱筒状骨架构成，所述第二圆柱筒状骨架表面设置有骨架翅片，所述电磁线均匀嵌设在相邻所述骨架翅片的所述凹槽内。
进一步，所述骨架翅片是由所述圆柱筒状骨架上开槽后槽间剩余骨架构成，开槽路径是依据物理磁场要求所确定的电流线路路径。
进一步，所述电磁线为NbTi超导线、Nb3Sn、MgB2、YBCO、B2223或B2212 应用级的超导线材、带材或缆。
进一步，所述圆柱筒状骨架材料为玻纤树脂复合材料、碳纤环氧复合材料、不锈钢、铜或铝合金。
进一步，所述CCT线圈和DCT线圈由内而外布置于同一圆柱筒状骨架的不同半径上。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型综合利用了可以产生高质量多极场的两种线圈结构，有效降低超导ECR磁体结构的设计难度，可实现超导线圈的紧凑化及高性价化。2、本实用新型利用了骨架翅片分离相邻导线的结构，使复杂背景场中超导线上感受到的电磁力不产生累积效应，有效提高结构稳定性。综上，本实用新型可以应用于许多需要复杂矢量磁场的领域。
附图说明
图1是本实用新型的新型的ECR超导磁体结构；
图2是本实用新型的CCT线圈模型；
图3是本实用新型的骨架表面开槽形成翅片结构示意图；
图4是本实用新型的DCT线圈模型示意，匝间空隙用线圈骨架翅片隔开；
图5是本实用新型的CCT型线圈产生的磁场及二维空间分解矢量示意；
图6是本实用新型的m＝3，N＝10时，六极线圈第一象限各匝导线的电流方向及角度分布示意图；
图7a是本实用新型的各线圈结构对ECR磁体温孔区磁场Br-θ分布示意图；
图7b是本实用新型的各线圈结构对ECR磁体温孔区磁场Bz-z分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型提供一种ECR离子源超导磁体结构，其包括CCT (Canted-Cosine-Theta，斜螺线管)线圈1、DCT(Discrete-Cosine-Theta，离散型Cosine Theta)线圈2和螺线管3，CCT线圈1和DCT线圈2嵌套组合在一起，螺线管3设置在CCT线圈1和DCT线圈2的外部。CCT线圈1能产生六极场和螺线管场的叠加场，近似ECR磁体的场型；DCT线圈2产生的多极场用于补足CCT线1 圈产生的六极场，螺线管3用于补足CCT线圈1产生的螺线管场，进而获得ECR 磁体所需场型。
其中，如图2所示，CCT线圈1由电磁线和第一圆柱筒状骨架构成，第一圆柱筒状骨架表面设置有骨架翅片，相邻骨架翅片之间形成凹槽，电磁线均匀镶嵌在相邻骨架翅片的凹槽内，可以有效阻隔导线上的应力积累，使磁体更加稳定。其中，骨架翅片是由第一圆柱筒状骨架上开槽后槽间剩余骨架构成(如图3所示)，开槽路径是依据物理磁场要求所确定的电流线路路径，如CCT路径。
如图4所示，DCT线圈2由电磁线和第二圆柱筒状骨架构成，第二圆柱筒状骨架表面设置有骨架翅片，电磁线均匀嵌设在相邻骨架翅片的凹槽内，使磁体更加稳定。骨架翅片是在第二圆柱筒状骨架上开槽后槽间剩余骨架构成(如图3所示)，开槽路径是依据物理磁场要求所确定的电流线路路径，如DCT路径。
上述实施例中，依据CCT线圈1电流密度分布于角度关系(1)可以知，轴向分量 jz(θ)在圆周上呈Cos(mθ)分布，jz(θ)在温孔区产生高质量的2m极场，周向分量jθ(θ) 则为恒定值，产生一纯螺线管场，CCT在温孔区产生的磁场矢量分解图如图5所示；当设定斜螺管的倾斜角后，单层CCT线圈所产生的多极场与螺线管场的峰值之比是常数；m＝3时，CCT线圈可产生六极场和螺线管场的叠加场，这种磁场只要对两种场型分量稍加调制即可得到ECR磁体所需场型。
式中，
表示电流密度；I0表示电磁线通电电流；w表示相邻匝间距；
表示周向单位向量；α表示CCT线圈倾斜角；m表示所需磁场极数；θ表示电流线各点对应的角度；r表示电流线所在圆柱面的半径；
表示轴向单位向量；
上述实施例中，DCT线圈2结构是按产生纯多极场所需的电流密度分布，按一定规律(横截面上载流线的位置角度θ符合公式(2)里的流函数分布，如图6所示，m＝3，N＝10时各匝导线的角度位置分布，方形点代表电流方向流入纸内，圆点表示电流方向流出之外)离散等电流载流导线的位置来获得高质量的多极场。
sin(mθ)＝(i-1/2)/N (2)
式中，N表示单极线圈设置总匝数；i表示第i匝。
上述各实施例中，CCT和DCT两种线圈都是依靠圆柱表面成型，线圈制造宜采用骨架筒表层开槽镶线的工艺，如图3所示，分别为G10材料完成开槽后的效果图。依据同为圆柱外形的特点，CCT和DCT线圈易于实现分层组合，即可实现任意场组合功能的场形。
上述各实施例中，本实用新型电磁线不局限于NbTi超导线，还可以是非超导的铜线等导电线，以及Nb3Sn、MgB2、YBCO、B2223或B2212等应用级的超导线材、带材或缆。
上述各实施例中，本实用新型的骨架材料可以是玻纤树脂复合材料、碳纤环氧复合材料、不锈钢、铜或铝合金等具有一定支撑强度和可加工性能的材料。
上述各实施例中，CCT线圈1和DCT线圈2还可以由内而外布置于同一圆柱筒状骨架的不同半径上，这种分层结构可使磁体系统更加紧凑。
实施例：
ECR磁体的场型由六极场和螺线管场复合而成，CCT线圈可以一次获得近似的场形，但非ECR所需最佳场形，因此用DCT线圈来补足CCT线圈的六极场，用螺线管组补足CCT线圈的螺线管场，线圈组合模型如图1所示。其中内层部分为CCT线圈，中间部分为DCT线圈，外侧层部分为螺线管。以中国科学院近代物理研究所SECRAL 的设计参数为例进行说明，表1为SECRAL磁体的参数要求，其中Brmax@r＝63mm指以磁体中平面上以螺温孔同心，r＝63mm的圆路径上六极磁感应强度峰值，Br-θ分布如图7a所示；Bzinj、Bzmid、Bzext分别指轴线上-210mm、0mm(磁体几何中心)、210mm 三点附近的轴向场Bz极值，Bz-z分布如图7b所示。图7a、图7b为各线圈结构对组合磁体温孔区磁场的贡献。表2即各线圈结果对ECR磁场关键指标的贡献详细。
表1SECRAL磁体的物理要求参数
| 频率 | Brmax@r＝63mm | Bzinj | Bzmid | Bzext |
| 28GHz | 2T | 3.6T | 0.8T | 2.2T |
| 18GHz | 1.4T | 2.6T | 0.5T | 1.4T |
表2 CCT/DCT/Solenoid结构分别对复合场的贡献
上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
Claims (7)
1.一种ECR离子源超导磁体结构，其特征在于：包括CCT线圈、DCT线圈和螺线管；所述CCT线圈和所述DCT线圈嵌套组合在一起，所述螺线管设置在所述CCT线圈和所述DCT线圈的外部；所述CCT线圈能产生六极场和螺线管场的叠加场，所述DCT线圈产生的多极场用于补足所述CCT线圈产生的六极场，所述螺线管用于补足所述CCT线圈产生的螺线管场，进而获得ECR磁体所需场型。
2.如权利要求1所述ECR离子源超导磁体结构，其特征在于：所述CCT线圈由电磁线和第一圆柱筒状骨架构成；所述第一圆柱筒状骨架表面设置有骨架翅片，相邻所述骨架翅片之间形成凹槽，所述电磁线均匀镶嵌在相邻所述骨架翅片的所述凹槽内。
3.如权利要求2所述ECR离子源超导磁体结构，其特征在于：所述DCT线圈由电磁线和第二圆柱筒状骨架构成，所述第二圆柱筒状骨架表面设置有骨架翅片，所述电磁线均匀嵌设在相邻所述骨架翅片的所述凹槽内。
4.如权利要求2或3所述ECR离子源超导磁体结构，其特征在于：所述骨架翅片是由所述圆柱筒状骨架上开槽后槽间剩余骨架构成，开槽路径是依据物理磁场要求所确定的电流线路路径。
5.如权利要求2或3所述ECR离子源超导磁体结构，其特征在于：所述电磁线为NbTi超导线、Nb3Sn、MgB2、YBCO、B2223或B2212应用级的超导线材、带材或缆。
6.如权利要求2或3所述ECR离子源超导磁体结构，其特征在于：所述圆柱筒状骨架材料为玻纤树脂复合材料、碳纤环氧复合材料、不锈钢、铜或铝合金。
7.如权利要求1所述ECR离子源超导磁体结构，其特征在于：所述CCT线圈和DCT线圈由内而外布置于同一圆柱筒状骨架的不同半径上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922183657.7U CN211016663U (zh) | 2019-12-09 | 2019-12-09 | Ecr离子源超导磁体结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922183657.7U CN211016663U (zh) | 2019-12-09 | 2019-12-09 | Ecr离子源超导磁体结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN211016663U true CN211016663U (zh) | 2020-07-14 |
Family
ID=71508255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201922183657.7U Active CN211016663U (zh) | 2019-12-09 | 2019-12-09 | Ecr离子源超导磁体结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN211016663U (zh) |
-
2019
- 2019-12-09 CN CN201922183657.7U patent/CN211016663U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111048277A (zh) | 一种ecr离子源超导磁体结构 | |
| Goodzeit et al. | The double-helix dipole-a novel approach to accelerator magnet design | |
| US11609291B2 (en) | Single-sided fast MRI gradient field coils and applications thereof | |
| Xu et al. | 20-T dipole magnet with common-coil configuration: main characteristics and challenges | |
| Kirby et al. | Hi-Lumi LHC twin-aperture orbit correctors magnet system optimisation | |
| US20230253136A1 (en) | Conductor on Molded Barrel Magnet Assembly and Associated Systems and Methods | |
| US9768652B2 (en) | Superconducting field pole | |
| CN117410058A (zh) | 用于旋转机架的无液氦超导磁体 | |
| CN211016663U (zh) | Ecr离子源超导磁体结构 | |
| US4093817A (en) | Superconductor | |
| CN111477423A (zh) | 一种dct超导磁体结构 | |
| US7872562B2 (en) | Magnetic coil capable of simultaneously providing multiple multipole orders with an improved transfer function | |
| CN103945632B (zh) | 角向速度连续可调的等离子体射流源及该射流源的使用方法 | |
| CN212365636U (zh) | 一种dct超导磁体结构 | |
| CN216487618U (zh) | 空心铁芯 | |
| Shen et al. | Superconducting quadrupole magnet R&D in the interaction region of CEPC | |
| US5027098A (en) | Saddle type dipolar coil eliminating only sextupole components of magnetic field | |
| CN114658626B (zh) | 可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构及设计方法 | |
| JP2015192090A (ja) | リアクトル | |
| CN113421754B (zh) | 变压器和发电系统 | |
| CN113299466A (zh) | 空心铁芯 | |
| CN114464391A (zh) | 一种快脉冲二维扫描磁体 | |
| US20230093623A1 (en) | Systems and methods for creating an electron coil magnet | |
| Ricci et al. | Design of the 16 T bending dipole for the Future Circular Collider | |
| CN106435500B (zh) | 一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |