用于束流矯正的電磁技術(shù)研究

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 孫世菊 王 雪

1.引言

導(dǎo)向磁鐵是束流調(diào)試的必備元件，為了節(jié)省費(fèi)用，減小束流線的空間，縮短束流線的尺寸，我們?cè)谠袉蜗虺C正束流的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了單磁鐵雙向掃描的導(dǎo)向磁鐵。通過兩個(gè)方向的磁場(chǎng)耦合，可以對(duì)束流進(jìn)行精確地矯正。

2.導(dǎo)向磁鐵磁場(chǎng)計(jì)算

假設(shè)導(dǎo)向磁鐵需要偏移的了離子為質(zhì)子，導(dǎo)向磁鐵與下一個(gè)元件之間的距離為L(zhǎng)，導(dǎo)向磁鐵需要矯正的距離為X或Y，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)向磁鐵掃描示意圖Fig.1 Sketch map of the x-y steering magnet scanner

根據(jù)磁剛度公式：[3]

可以計(jì)算出質(zhì)子在導(dǎo)向磁鐵中的偏轉(zhuǎn)半徑：

其中：

W為離子能量（動(dòng)能），W0為離子靜止能量，對(duì)于質(zhì)子，W0=938.26MeV，B的單位為Gauss。

導(dǎo)向磁鐵磁軛長(zhǎng)度ι為80mm，掃描磁鐵的掃描范圍X或Y，由θ≈tgθ=X/L或Y/L（L為掃描長(zhǎng)度），可以計(jì)算出掃描角度。再由 ，可以得到值ρ，再由公式（2）計(jì)算可得所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)我們實(shí)際的需求，在X方向需要偏移±20mm，Y方向需要偏移±40mm，可以計(jì)算得到：

偏轉(zhuǎn)半徑：

當(dāng)質(zhì)子能量分別為25keV、30keV、35keV時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度如表1所示。

表1 磁場(chǎng)強(qiáng)度

根據(jù)最大能量，XY導(dǎo)向磁鐵所需的最大調(diào)節(jié)磁場(chǎng)為±116.7Gs。

3.導(dǎo)向磁鐵結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)向磁鐵的設(shè)計(jì)過程中，磁軛是一個(gè)正規(guī)的同心圓圓柱，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。該磁軛是由低碳鋼加工而成的一個(gè)圓環(huán)性磁軛，在磁軛上面繞有兩對(duì)線包，內(nèi)層為左右一對(duì)線包，外層為上下一對(duì)線包，在環(huán)的中心形成互相正交的兩個(gè)方向的磁場(chǎng)，改變電流的大小，可以改變這個(gè)合成磁場(chǎng)的大小方向，即可用來校正束流的中心軌道如圖2。

該導(dǎo)向磁鐵是采用ANSYS[4]計(jì)算得到的磁場(chǎng)分布，其結(jié)果如圖3所示。圖中顯示出了左右一對(duì)線包的磁場(chǎng)分布情況，另外一對(duì)線包和圖示相同也是180度對(duì)稱，相對(duì)圖示中的一對(duì)線包旋轉(zhuǎn)90度疊加在一起的。這四個(gè)線包形成兩個(gè)正交磁場(chǎng)，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)方向磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而形成對(duì)束流運(yùn)動(dòng)起360度的導(dǎo)向作用的磁場(chǎng)。勵(lì)磁線圈采用直徑為1.5mm的漆包線繞制，每個(gè)線包的安匝數(shù)為1500，電流為2.5A，電壓約為2.3V，目前該導(dǎo)向磁鐵的供電電源是兩臺(tái)30V/±5A穩(wěn)流電源。在最大電流時(shí)，測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖4所示，圖中以導(dǎo)向磁鐵中心為中心點(diǎn)，沿著半徑方向測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。從圖中可以看出，半徑為5mm處磁場(chǎng)強(qiáng)度大約為160Gs，半徑為30mm處得磁場(chǎng)約為120Gs，可以矯正束流最大偏移。

圖2 導(dǎo)向磁鐵磁軛模型

圖3 圓形導(dǎo)向磁鐵磁場(chǎng)分布Fig.3 Circular steering magnetic field distribution

圖4 徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度

4.磁場(chǎng)測(cè)量

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，完成了導(dǎo)向磁鐵的繞制，如圖5所示。在實(shí)際繞制過程中，為了防止導(dǎo)向磁鐵過熱而破壞導(dǎo)線的絕緣漆，在每層導(dǎo)線之間增加了絕緣層，從而導(dǎo)致繞制導(dǎo)線厚度增加。由于空間有限，在導(dǎo)線厚度增加的情況下減少了導(dǎo)線匝數(shù)，為此需要測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖5。

磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，兩個(gè)方向都小于理論設(shè)計(jì)值，這是由于導(dǎo)線匝數(shù)小于理論值的結(jié)果。而y方向的磁場(chǎng)小于x方向，這是因?yàn)閥方向是外圈，它的繞線匝數(shù)比x方向的內(nèi)圈匝數(shù)少40匝，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)比較小。

圖5 導(dǎo)向磁鐵實(shí)物圖Fig.5 Picture of the x-y steering magnet

圖6 磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

5.結(jié)論

文章給出了導(dǎo)向磁鐵設(shè)計(jì)、繞制、檢測(cè)的全過程，并通過磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與理論設(shè)計(jì)結(jié)果的比較，由于實(shí)際工程原因磁場(chǎng)略低于理論值，但仍在實(shí)用范圍之內(nèi)。目前該磁鐵已經(jīng)安裝在束流線上，使用狀態(tài)良好。由于該磁鐵采用漆包線繞制，僅在最外層增加一層玻璃絲帶來保護(hù)線圈外部漆的脫落，所以這種磁鐵的通氣性好，可以在高真空內(nèi)部使用。另外，在大氣中可采用同樣的方式來繞制、使用這種磁鐵。若是其磁場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，需要采用內(nèi)水冷的導(dǎo)線代替漆包線。

[1]D.George,M.Negrazus.The proscan beam line double steering magnet[J].PSI-Scientific and Technical Report,2003,6:107-108.

[2]M.P.Dehnel etal.A Compact Cost-Effective Beamline for a PET Cyclotron[J],Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B,2007,261(1-2):809-812.

[3]桂偉燮,荷電粒子加速器原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994.Gui WeiXi,Charge Particle Accelerators Theory,Beijing,Tsinghua University Press,1994.

[4]ANSYS Inc,Guide to ANSYS User Programable Features SAS IP[M].Inc,1998.