CN119233513A - 用于消色散偏转磁铁的调节块和消色散偏转磁铁调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于消色散偏转磁铁的调节块和消色散偏转磁铁调节方法，该局部调节块布设在由上极头、下极头、以及中心平面组成的夹角区域内，该区域含有中心平面上的束流入口和束流出口；该局部调节块在不超过消色散偏转磁铁的垂向、横向空间内精确调整消色散偏转磁铁的边缘场；该方法包括：在消色散偏转磁铁的夹角区域内布设局部调节块；采用束流测量装置获得出射束流的角度信息；角度信息不符合要求，则根据测量结果调整局部调节块的y向位置；本发明调节规律较为简单，接近实现束流角度和横向位置的独立调节，而不会引起严重的互相影响。相比在束流出口下游布置多组导向磁铁的方法，结构紧凑，无需额外的磁铁以及其附带的水冷和电源要求。

Description

用于消色散偏转磁铁的调节块和消色散偏转磁铁调节方法

技术领域

本发明属于束流线消色散偏转磁铁技术领域，尤其涉及一种用于消色散偏转磁铁的调节块和消色散偏转磁铁调节方法。

背景技术

束流从粒子加速器引出，束流传输线布设在粒子加速器束流引出口到粒子加速器以外的目标点之间。在粒子加速器的束流传输线中，各类大型偏转磁铁都有可能存在一定误差，消色散偏转磁铁也不例外，如图5所示，该误差包括磁场实际分布与理论分布的误差、以及机械安装的误差等，这些误差会导致偏转后的束流的出射角度与出射位置与理论值有一定的偏差。

如图5所示，常规技术对于束流传输线上偏转磁铁存在的误差，一般采用布设在消色散偏转磁铁以外的导向磁铁进行调节，通过多组导向磁铁的组合，对从消色散偏转磁铁引出的束流进行小角度偏转、或对从消色散偏转磁铁引出的束流进行位置调整。为了在束流线上通过导向磁铁的组合来调节束流的出射位置和出射角度，常规方法将多组导向磁铁布设在消色散偏转磁铁以外的上游进口前或布设在消色散偏转磁铁以外的下游出口后。

用导向磁铁调节束流传输线误差的难点在于：如果将导向磁铁置于消色散偏转磁铁的上游进口前，当下游出射束流的出射角度或位置变化时，通过上游调节下游的方法调节效果不佳。如果将导向磁铁置于消色散偏转磁铁的下游出口后，则将挤占下游束流线高度空间。如图1a所示，当束流是垂直向下出射时，由于束流线下方还设有辐照装置，使得整套设备层高相对比较高，如果再在垂直方向的下游出口后布设偏转磁铁，就势必还要再加高设备，并且厂房也随着加高。为了不再增高厂房，要求下游束流线应能尽可能短，从而使得设备层高不至于过高。

总之，通过已有技术手段调节束流传输线上消色散偏转磁铁存在的误差时，难点在于：一方面，将导向磁铁放在消色散偏转磁铁的上游入口前，误差调节效果差，所以一般在下游出口后布置导向磁铁；另一方面，如果将导向磁铁放在下游出口后会使得设备层高过高。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种用于消色散偏转磁铁的调节块和消色散偏转磁铁调节方法，目的在于解决现有技术在消色散偏转磁铁下游出口前布设偏转磁铁会使得设备层高过高的难题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：

一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，该局部调节块基于一种带有局部调节块的消色散偏转磁铁，该消色散偏转磁铁包括外铁轭、励磁线圈或永磁块、极头、以及局部调节块；外铁轭和极头连接在一起，外铁轭由上铁轭、下铁轭和侧面铁轭组合而成；励磁线圈或永磁块各分为两组，分别安装在上下极头周围，励磁线圈由常导铜线圈、超导线圈等构成；极头分为对称的上极头和下极头，上极头和下极头分别连接在上铁轭和下铁轭上；极头具有极面，两个极面之间为中心平面，励磁线圈或永磁块在上下极头之间的中心平面气隙内激励偏转磁场；

其特点是：该局部调节块布设在由所述上极头、所述下极头、以及上下极头之间的中心平面组成的夹角区域内，该夹角区域含有中心平面上的束流入口和束流出口；该局部调节块在不超过消色散偏转磁铁的垂向空间和横向空间内精确调整消色散偏转磁铁的边缘场，所述边缘场就是中心平面束流入口处和束流出口处的边缘场；该局部调节块由软磁材料组成。

进一步地，该局部调节块近似长方形，其上半部分和左半部分组成直角形磁屏蔽夹层；束流沿着水平方向从直角形磁屏蔽夹层右侧入射消色散偏转磁铁的束流入口，在消色散偏转磁铁内旋转270°以后，再从消色散偏转磁铁的束流出口流出、并沿着垂直方向从直角形磁屏蔽夹层的下边线出射。

进一步地，所述不超过消色散偏转磁铁的垂向空间和横向空间，即为：局部调节块的高度和宽度不超过消色散偏转磁铁外铁轭的高度空间和宽度空间。

进一步地，当消色散偏转磁铁的高度为1400mm、宽度为1400mm时，所述局部调节块的长度为540mm、高度为340mm。

进一步地， 当局部调节块的长度为540mm、高度为340mm时，该局部调节块的直角形磁屏蔽夹层的夹层内气隙宽度为60mm，气隙深度为180mm，夹层两侧的磁屏蔽厚度各为35mm。

进一步地，所述局部调节块的上边线与消色散偏转磁铁束流出口上的束流轨迹点的初始距离为150mm。

进一步地，所述局部调节块的左边线与消色散偏转磁铁束流入口上的束流轨迹点的初始距离为150mm。

一种消色散偏转磁铁边缘场调节方法，其特点是,包括以下步骤：

步骤一、在消色散偏转磁铁的夹角区域内布设局部调节块；

所述夹角区域是由所述上极头、所述下极头、以及所述中心平面组成的夹角区域，该夹角区域含有中心平面上的束流入口和束流出口，该局部调节块的高度和宽度不超过消色散偏转磁铁外铁轭的高度空间和宽度空间；

步骤二、采用束流测量装置获得出射束流的角度信息；

步骤二、角度信息是否符合要求，符合要求转入步骤三，不符合要求，转入步骤七；

步骤三、采用束流测量装置获得出射束流的横向位置信息；

步骤四、横向位置信息是否符合要求，符合要求，结束调整；不符合要求，转入步骤五；

步骤五、根据测量结果调整局部调节块的x向位置；

步骤六、x向位置是否符合要求，不符合，返回步骤五，符合要求，结束调整。

步骤七、根据测量结果调整局部调节块的y向位置；

步骤八、y向位置是否符合要求，不符合，返回步骤七，符合要求，结束调整。

本发明优点效果

1、该调节装置与方法可以实现消色散偏转磁铁出射束流的角度与位置调节，调节范围内调节规律较为简单，接近实现了束流角度和横向位置的独立调节，而不会引起严重的互相影响。调节范围满足加速器的应用要求。

2、相比于在束流出口下游布置多组导向磁铁的方法，本发明提出的调节装置与方法结构紧凑，无需额外的磁铁以及其附带的水冷和电源要求。适用于紧凑的束流线布置，尤其对于垂直向下出射的束流线布置，该调节装置与方法可以大大减少对于设备层高的要求。

3、比于在束流入口上游布置多组导向磁铁的方法，本发明提出的调节装置与方法调节范围更大，且调节变量相对独立，调节范围内规律简单。同样具有结构紧凑，无需额外的磁铁以及其附带的水冷和电源要求的优点。

4、该调节装置与方法具有较大的调节范围，即使消色散偏转磁铁本身与理论值有较大误差，仍在该调节装置与方法的调节能力之内。所以该调节装置与方法还能降低消色散偏转磁铁的设计难度，以及工艺精度要求。

附图说明

图1a为本发明带有局部调节块的消色散偏转磁铁应用效果外形图；

图1b为本发明带有局部调节块的消色散偏转磁铁应用效果剖面图；

图 2a 为本发明带有局部调节块的消色散偏转磁铁外形图第一视角;

图 2b 为本发明带有局部调节块的消色散偏转磁铁外形图第二视角;

图 3 为本发明带有局部调节块的消色散偏转磁铁剖面图;

图4a为本发明局部调节块第一视角；

图4b为本发明局部调节块第二视角；

图5为改进前通过导向磁铁调节束流出射角度与出射位置的示意图；

图6为改进前不带有局部调节块时，理论磁场与实际磁场的示意图;

图7为改进后带有局部调节块时，理论磁场与实际磁场的示意图;

图8为局部调节块沿x方向位置调整的效果;

图 9为局部调节块沿y方向位置调整的效果;

图 10 为局部调节块调节束流出射角度与横向位置流程图。;

图中，1：外铁轭； 2：局部调节块；2-1：直角形磁屏蔽夹层；2-2：夹层两侧的磁屏蔽墙；3：励磁线圈；4：极头；4-1：上极头；:4-2：下极头；5：中心平面；5-1：束流入口；5-2：束流出口。

具体实施方式

本发明设计原理

1、本发明创新点：创新点在于用一个软磁材料的“局部调节块”代替了现有技术的“组合导向磁铁(所述组合导向磁铁就是在上游进口前或者下游出口后分别放二个导向磁铁，上游进口前或者下游出口后的二个导向磁铁组合一起才能调整束流的位置和角度)”。和现有技术的区别在于：第一、本发明“局部调节块”不额外占用空间（所述额外占用空间就是占用消色散偏转磁铁以外的纵向空间和横向空间），只是利用消色散偏转磁铁原有的“夹角区域”并且不超过原有的区域。因此，设备层高不会过高，而现有技术的导向磁铁必须额外占用高度空间：为了调节效果明显，现有技术的导向磁铁布必将设在沿着束流出口的竖直方向，由于导向磁铁的高度为整个消色散偏转磁铁的近三分之一，所以整个设备层高还要增加；第二、本发明的“局部调节块”是软磁材料，而现有技术的导向磁铁是电磁铁。电磁铁主动产生磁场，而软磁材料自身不会产生磁场，只是改变磁场的分布，电磁铁由于本身存在磁场，该磁场和消色散偏转磁铁励磁的磁场互相影响，使得边缘场的调节更加复杂；而本发明的软磁材料自身不产生磁场，只是通过其x方向和y方向的位置就可以调整束流的位置和角度，调节方法要简单很多。

2、本发明的几个关键点：第一、局部调节块夹层的设计，局部调节块夹层用于束流通过，设计间隙为60mm是为了既让有效束流通过、又不使两侧的屏蔽墙距离励磁线圈太近。如果夹层的间隙过窄就会卡掉一部分束流，如果间隙过宽，势必将屏蔽墙向两侧推，使得屏蔽墙距离励磁线圈太近。第二、局部调节块磁屏蔽墙的设计：局部调节块间隙两侧的磁屏蔽墙不能过薄，过薄达不到屏蔽效果，也不能过厚，因为磁屏蔽墙外侧是励磁线圈，如果磁屏蔽墙过厚则距离励磁线圈太近，距离太近，则会影响消色散偏转磁铁的主磁场，所以，屏蔽墙的厚度为35mm。第三、局部调节块的长、宽、上边线距离束流出口的距离、左边线距离束流入口的距离，以及直角夹层间隙的宽度、间隙的深度共同决定了局部调节块对于边缘场的磁场分布的调节效果，也就是决定了对于束流的调节效果。

总之，局部调节块的设计要满足几个条件：布设位置：局部调节块要布设在不超过消色散偏转磁铁的垂直空间和宽度空间内，材料：采用软磁材料；直角夹层间隙的宽度60mm、深度180mm；局部调节块的长、宽、上边线距离束流出口的距离、左边线距离束流入口的距离，必须将以上几个条件都满足要求才能达到理想的效果。缺少其中任何一个条件都不能达到预期效果。

基于以上发明原理，本发明设计了一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，如图1a、图1b、图2a、图2b、图3、图5所示，该局部调节块基于一种带有局部调节块的消色散偏转磁铁，该消色散偏转磁铁包括外铁轭1、励磁线圈3或永磁块、极头4、以及局部调节块2；外铁轭1和极头4连接在一起，外铁轭由上铁轭、下铁轭和侧面铁轭组合而成；励磁线圈3或永磁块各分为两组，分别安装在上下极头周围，励磁线圈3由常导铜线圈、超导线圈构成；极头分为对称的上极头4-1和下极头4-2，上极头4-1和下极头4-2分别连接在上铁轭和下铁轭上；极头具有极面，两个极面之间为中心平面5，励磁线圈3或永磁块在上下极头之间的中心平面气隙内激励偏转磁场；

其特点是：如图3所示，该局部调节块2布设在由所述上极头4-1、所述下极头4-2、以及上下极头之间的中心平面5组成的夹角区域内，该夹角区域含有中心平面5上的束流入口5-1和束流出口5-2；该局部调节块2在不超过消色散偏转磁铁的垂向空间和横向空间内精确调整消色散偏转磁铁的边缘场，所述边缘场就是中心平面5束流入口5-1处和束流出口5-2处的边缘场；该局部调节块2由软磁材料组成。

如图3、图4a、4b所示，该局部调节块近似长方形，其上半部分和左半部分组成直角形磁屏蔽夹层2-1；束流沿着水平方向从直角形磁屏蔽夹层2-1右侧入射消色散偏转磁铁的束流入口5-1，在消色散偏转磁铁内旋转270°以后，再从消色散偏转磁铁的束流出口5-2流出、并沿着垂直方向从直角形磁屏蔽夹层2-1的下边线出射。

如图3所示，所述不超过消色散偏转磁铁的垂向空间和横向空间，即为：局部调节块的高度和宽度不超过消色散偏转磁铁外铁轭的高度空间和宽度空间。

当消色散偏转磁铁的高度为1400mm、宽度为1400mm时，所述局部调节块的长度为540mm、高度为340mm。

当局部调节块的长度为540mm、高度为340mm时，该局部调节块的直角形磁屏蔽夹层的夹层内气隙宽度为60mm，气隙深度为180mm，夹层两侧的磁屏蔽厚度各为35mm。

如图3所示，所述局部调节块2的上边线与消色散偏转磁铁束流出口5-2上的束流轨迹点的初始距离为150mm。

进一步地，所述局部调节块2的左边线与消色散偏转磁铁束流入口5-1上的束流轨迹点的初始距离为为150mm。

补充说明：上述二个初始距离150mm是指局部调节块没有调整以前的距离是150mm，调整过程中，这个距离是变化的，通过该距离的变化调整束流的位置和角度。

一种消色散偏转磁铁边缘场调节方法如图10所示，其特点是,包括以下步骤：

步骤一、在消色散偏转磁铁的夹角区域内布设局部调节块；

所述夹角区域是由所述上极头、所述下极头、以及所述中心平面组成的夹角区域，该夹角区域含有中心平面上的束流入口和束流出口，该局部调节块的高度和宽度不超过消色散偏转磁铁外铁轭的高度空间和宽度空间；

步骤二、采用束流测量装置获得出射束流的角度信息；

步骤二、角度信息是否符合要求，符合要求转入步骤三，不符合要求，转入步骤七；

步骤三、采用束流测量装置获得出射束流的横向位置信息；

步骤四、横向位置信息是否符合要求，符合要求，结束调整；不符合要求，转入步骤五；

步骤五、根据测量结果调整局部调节块的x向位置；

步骤六、x向位置是否符合要求，不符合，返回步骤五，符合要求，结束调整。

步骤七、根据测量结果调整局部调节块的y向位置；

步骤八、y向位置是否符合要求，不符合，返回步骤七，符合要求，结束调整。

实施例一：改进前和改进后的边缘场曲线对比

1、改进前的边缘场曲线：如图6所示，对于该消色散偏转磁铁，其极头边缘为直角。理论上，极头边缘作为磁场的边界，极头内部有磁场，极头外部无磁场。但是现实中，由于实际磁铁的漏场，所以在极头边缘磁场不会在直接从有磁场跨越为无磁场，而是如图6所示有一段过渡区域，该段区域被称为磁铁的边缘场区域。如图6所示，为不带有局部调节块原始设计时，理论磁场与实际磁场的示意图。纵坐标为沿着参考线的磁场值，与束流入射该磁铁的方向一致。

2、改进后的边缘场曲线：如图7所示，接下来考虑有局部调节块的情况。当在沿着参考线方向，在极头外具有一个局部调节块时，束流会先从局部调节块内通过，此时局部调节块具有磁屏蔽效果，使得局部调节块内部接近无磁场，边缘场的形状被改变。通过调整局部调节块与消色散偏转磁铁的相对位置，可以精确地控制边缘场的形状。边缘场同样可以使得束流发生偏转，对于束流入射时，束流在离开局部调节块的范围时，才能感受到磁场开始偏转。也就是说，在束流的入射过程中，调整局部调节块与消色散偏转磁铁的相对位置，可以控制束流开始偏转的位置。

对于束流出射过程，可以控制束流结束偏转的位置。在图7所示的坐标系中，局部调节块的x方向位置决定了入射过程的束流开始偏转的位置，局部调节块的y方向位置决定了出射过程的束流结束偏转的位置

实施例二：调节原理及调节方法

局部调节块沿x方向调节的效果：如图8所示为局部调节块沿x方向（图8中的右图是左图圆圈的放大图），分别为参考位置x=0mm时，x向负方向调整至x=-10mm时，x向正方向调整至x=+10mm时，同样的具有±10%能散的束流的轨迹。图中可以得知，相比于参考位置x=0mm时的束流，x=±10mm的束流可以调整出口束流的横向位置偏移约±4.5mm，角度变化幅度很小，变化量小于0.2°。

局部调节块沿y方向调节的效果：如图9所示为局部调节块沿y方向（图9中的右图是左图圆圈的放大图），分别为参考位置y=0mm时，y向负方向调整至y=-10mm时，y向正方向调整至y=+10mm时，同样的具有±10%能散的束流的轨迹。图中可以得知，相比于参考位置y=0mm时的束流，y=±10mm的束流可以调整出口束流的角度变化约为±1.3°，所有束流基本通过同一个聚焦点，所以其下游的横向位置偏移是由于角度变化附带的。

调节方法总结：如图7-8，局部调节块沿x方向位置调整时，基本只会引起出射束流横向位置的变化，对于角度的影响很小。局部调节块沿y方向位置调整时，基本只会引起出射束流角度的变化，仍能保证其通过同一点，但是在下游，由于束流的角度变化，会附带一定的横向位置变化。

该种调节方法的x和y方向分别调节时，具有较为简单的变化规律，接近实现了束流角度和横向位置的独立调节，而不会引起严重的互相影响，按照本发明调节方法，能够方便的对经过该消色散偏转磁铁的出射束流的角度和横向位置进行调节。

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 (8)

1.一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，该局部调节块基于一种带有局部调节块的消色散偏转磁铁，该消色散偏转磁铁包括外铁轭、励磁线圈或永磁块、极头、以及局部调节块；外铁轭和极头连接在一起，外铁轭由上铁轭、下铁轭和侧面铁轭组合而成；励磁线圈或永磁块各分为两组，分别安装在上下极头周围，励磁线圈由常导铜线圈、超导线圈等构成；极头分为对称的上极头和下极头，上极头和下极头分别连接在上铁轭和下铁轭上；极头具有极面，两个极面之间为中心平面，励磁线圈或永磁块在上下极头之间的中心平面气隙内激励偏转磁场；

其特征在于：该局部调节块布设在由所述上极头、所述下极头、以及所述中心平面组成的夹角区域内，该夹角区域含有中心平面上的束流入口和束流出口；该局部调节块在不超过消色散偏转磁铁的垂向空间和横向空间内精确调整消色散偏转磁铁的边缘场，所述边缘场就是中心平面束流入口处和束流出口处的边缘场；该局部调节块由软磁材料组成。

2.根据权利要求1所述一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，其特征在于：该局部调节块近似长方形，其上半部分和左半部分组成直角形磁屏蔽夹层；束流沿着水平方向从直角形磁屏蔽夹层右侧入射消色散偏转磁铁的束流入口，在消色散偏转磁铁内旋转270°以后，再从消色散偏转磁铁的束流出口流出、并沿着垂直方向从直角形磁屏蔽夹层的下边线出射。

3.根据权利要求1所述一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，其特征在于：所述不超过消色散偏转磁铁的垂向空间和横向空间，即为：局部调节块的高度和宽度不超过消色散偏转磁铁外铁轭的高度空间和宽度空间。

4.根据权利要求3所述一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，其特征在于：当消色散偏转磁铁的高度为1400mm、宽度为1400mm时，所述局部调节块的长度为540mm、高度为340mm。

5.根据权利要求4所述一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，其特征在于：当局部调节块的长度为540mm、高度为340mm时，该局部调节块的直角形磁屏蔽夹层的夹层内气隙宽度为60mm，气隙深度为180mm，夹层两侧的磁屏蔽厚度各为35mm。

6.根据权利要求1所述一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，其特征在于：所述局部调节块的上边线与消色散偏转磁铁束流出口上的束流轨迹点的初始距离为150mm。

7.根据权利要求1所述一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块，其特征在于：所述局部调节块的左边线与消色散偏转磁铁束流入口上的束流轨迹点的初始距离为150mm。

8.一种基于权利要求1-7任意一种用于精确调整消色散偏转磁铁边缘场的局部调节块的消色散偏转磁铁边缘场调节方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤一、在消色散偏转磁铁的夹角区域内布设局部调节块；

所述夹角区域是由所述上极头、所述下极头、以及所述中心平面组成的夹角区域，该夹角区域含有中心平面上的束流入口和束流出口，该局部调节块的高度和宽度不超过消色散偏转磁铁外铁轭的高度空间和宽度空间；

步骤二、采用束流测量装置获得出射束流的角度信息；

步骤二、角度信息是否符合要求，符合要求转入步骤三，不符合要求，转入步骤七；

步骤三、采用束流测量装置获得出射束流的横向位置信息；

步骤四、横向位置信息是否符合要求，符合要求，结束调整；不符合要求，转入步骤五；

步骤五、根据测量结果调整局部调节块的x向位置；

步骤六、x向位置是否符合要求，不符合，返回步骤五，符合要求，结束调整；

步骤七、根据测量结果调整局部调节块的y向位置；

步骤八、y向位置是否符合要求，不符合，返回步骤七，符合要求，结束调整。