專利名稱：回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及回旋加速器的磁鐵設(shè)計技術(shù)，具體涉及一種回旋加速器采用連續(xù)曲面
的等時性磁場精密墊補方法。
背景技術(shù)：
回旋加速器是一種利用磁場使帶電粒子作回旋運動，在運動中經(jīng)高頻電場反復(fù)加 速的裝置，其基本結(jié)構(gòu)包括磁鐵系統(tǒng)、離子源、注入系統(tǒng)和引出系統(tǒng)。其中，磁鐵系統(tǒng)包括磁 鐵和調(diào)節(jié)線圈，使回旋加速器能夠獲得等時性磁場。 磁場的墊補是使得回旋加速器中心平面磁場滿足設(shè)計要求的重要手段，特別是對 于回旋加速器來說，磁場的墊補是無法避免的，因為磁鐵材料的不均勻性，磁鐵加工和安裝 等因素將引起中心平面的磁場偏離設(shè)計的磁場分布。對于使用直邊扇形磁極的回旋加速 器，鑲條墊補是主要的等時性磁場墊補方式之一。鑲條一般是由與主磁鐵磁極材料相同的 材料制成的配鐵，通常以可拆卸的方式設(shè)置于主磁鐵磁極的兩邊，鑲條墊補方法主要是利 用鑲條比主磁鐵磁極易于加工的特點，通過改變鑲條的外形尺寸來墊補獲得等時性磁場。 目前國際上比較流行的磁場墊補方式主要有調(diào)諧線圈墊補法和貼片墊補法，其中貼片墊補 法就是一種鑲條墊補的方法。調(diào)諧線圈墊補法需要足夠的空間安放墊補線圈，對于回旋加 速器來說，這就意味著提高了加速器的造價和運行費用；貼片墊補法則需要反復(fù)多次的磁 場測量和貼鐵片的過程，而且這種方法無法獲得好的等時性磁場，這就意味著增加了回旋 加速器的建造周期并犧牲了一定的被加速束流的束流品質(zhì)。因此，需要設(shè)計一種既不受回 旋加速器空間的限制又具有短的墊補周期，并且可以獲得很好的等時性磁場的墊補方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有回旋加速器磁場墊補方法的缺陷，提供一種采用連續(xù)
曲面的等時性磁場精密墊補方法，從而使回旋加速器簡單、高效的獲得等時性磁場。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方
法，包括如下步驟 (1)通過有限元模擬得到回旋加速器磁極兩側(cè)的鑲條在任意半徑位置上的切削量 與磁場變化的關(guān)系式； (2)通過實際測量的回旋加速器中心平面磁場與粒子運動所需的等時性磁場的差 和軸向聚焦力的大小，確定鑲條各個半徑位置所需要的切削量； (3)將各個離散的切削量通過三樣條插值的方式得到一系列連續(xù)的加工曲面；
(4)根據(jù)得到的曲面結(jié)構(gòu)通過數(shù)控機床對鑲條進(jìn)行加工。 進(jìn)一步，如上所述的回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方法，步驟 (1)所述的關(guān)系式為Ad二B(Ri)/AB(Ri)，其中Ad為鑲條各個半徑位置的切削量，B(R》 為磁場的測量數(shù)據(jù)與等時性磁場之間的差，AB(R》為鑲條各個半徑位置上的磁場變化， AB(R》=ARi+C， &為鑲條任意位置的半徑長度，A、 C為由有限元模擬計算擬合得出的常
更進(jìn)一步，如上所述的回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方法，在
步驟(i)中進(jìn)行有限元模擬時，鑲條各個半徑位置上的切削量取沿扇形半徑變化r或者
lcm深度。 本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的鑲條貼片墊補方法的缺陷，通過得 到回旋加速器磁極兩側(cè)的鑲條在任意半徑上的切削量與磁場變化的關(guān)系式，確定鑲條各個 半徑位置所需要的切削量；然后將各個離散的切削量形成一個系列連續(xù)的加工曲面，通過 機床一次加工成型。這種方法簡單、高效，不需要反復(fù)多次的磁場測量和貼片，而且所實現(xiàn) 的等時性磁場的墊補精度更高。


圖1為本發(fā)明的方法流程圖； 圖2為直邊扇形磁鐵的鑲條單位半徑上的切削量示意圖；
圖3為圖2中鑲條單位半徑上的切削量放大示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 本發(fā)明所提供的回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方法是依托現(xiàn) 有的大型精確的有限元模擬軟件來實現(xiàn)的，如三維有限元軟件包DE3D，具體步驟如圖1所 示，包括， (1)通過有限元模擬得到回旋加速器磁極兩側(cè)的鑲條在任意單位半徑位置上的切 削量與磁場變化的關(guān)系式； (2)通過實際測量的回旋加速器中心平面磁場與粒子運動所需的等時性磁場的差 和軸向聚焦力的大小，確定鑲條各個半徑位置所需要的切削量； (3)將各個離散的切削量通過三樣條插值的方式得到一系列連續(xù)的加工曲面；
(4)根據(jù)得到的曲面結(jié)構(gòu)通過數(shù)控機床對鑲條進(jìn)行加工。 在具體實施例中，步驟(1)中通過三維有限元模擬軟件包DE3D進(jìn)行模擬計算時， 如圖2、圖3所示，回旋加速器磁極1兩側(cè)鑲條2上任意半徑長度&位置的切削量的選取可
以采用如下兩種形式，一種形式是沿扇形半徑向內(nèi)側(cè)變化r ，即圖中的e角為r ，根據(jù)
半徑變化了 r以后的端點位置來確定切削的深度；另一種形式是直接在半徑長度Ri位置 切削lcm深度，即圖中的Ad等于lcm。由此變化所帶來的磁場變化為AB(R》。根據(jù)一系 列半徑上的變化值可以得到一個以半徑為自變量的一階方程AB(R》=ARi+C，其中，Ri為 鑲條任意位置的半徑長度，A、 C為由有限元模擬計算擬合得出的常量；根據(jù)磁場測量數(shù)據(jù) 與等時性磁場之間的差值B (Ri)，結(jié)合上述一階方程就可以得到鑲條各個半徑的切削量A d =B (Ri) / A B (Ri)，這就是鑲條在任意半徑位置上的切削量與磁場變化的關(guān)系式。
通過上述關(guān)系式Ad = B(Ri)/AB(R》，便可以在步驟(2)中結(jié)合實際測量的回旋 加速器中心平面磁場與粒子運動所需的等時性磁場的差和軸向聚焦力的大小，確定鑲條各 個半徑位置所需要的切削量Ad，此處所述的鑲條各個半徑位置的取值跨度可以在毫米和 厘米量級之間按實際情況進(jìn)行選取。由于等時性磁場是考慮軸向聚焦力的基礎(chǔ)，通常鑲條角寬度減小有利于提高該半徑位置上的軸向聚焦力，但實際墊補中還需要結(jié)合等時性磁場 根據(jù)具體的束流動力學(xué)計算結(jié)果進(jìn)行鑲條墊補量的優(yōu)化。 由于通常測量得到的加速器中心平面磁場與所需等時性磁場的差是一系列與粒 子軌道半徑相應(yīng)的離散值，因此鑲條切削量也是與半徑相應(yīng)的離散量，但是數(shù)控機床加工 走刀需要連續(xù)曲面，因此需要將離散切削量通過數(shù)值插值方法轉(zhuǎn)變成連續(xù)量，本發(fā)明中所 采用的三樣條插值方法就是數(shù)值插值方法的一種，為本領(lǐng)域的公知技術(shù)，此處不再進(jìn)行過 多描述。在步驟(3)中將鑲條的切削量用三樣條插值的方法得到切削量隨鑲條半徑變化的 一條曲面，然后在步驟(4)中將連續(xù)曲面的值輸入數(shù)控機床進(jìn)行加工，便可以得到一個精 確的連續(xù)曲面的鑲條結(jié)構(gòu)，將這種結(jié)構(gòu)的鑲條安裝在回旋加速器磁極的兩側(cè)，便實現(xiàn)了精 確的磁場墊補。 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
一種回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方法，包括如下步驟(1)通過有限元模擬得到回旋加速器磁極兩側(cè)的鑲條在任意半徑位置上的切削量與磁場變化的關(guān)系式；(2)通過實際測量的回旋加速器中心平面磁場與粒子運動所需的等時性磁場的差和軸向聚焦力的大小，確定鑲條各個半徑位置所需要的切削量；(3)將各個離散的切削量通過三樣條插值的方式得到一系列連續(xù)的加工曲面；(4)根據(jù)得到的曲面結(jié)構(gòu)通過數(shù)控機床對鑲條進(jìn)行加工。
2. 如權(quán)利要求1所述的回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方法，其特征 在于步驟(1)所述的關(guān)系式為Ad二B(Ri)/AB(Ri)，其中Ad為鑲條各個半徑位置的切 削量，B(R》為磁場的測量數(shù)據(jù)與等時性磁場之間的差，AB(R》為鑲條各個半徑位置上的 磁場變化，AB(R》=ARi+C，Ri為鑲條任意位置的半徑長度，A、C為由有限元模擬計算擬合 得出的常量。
3. 如權(quán)利要求2所述的回旋加速器采用連續(xù)曲面的等時性磁場精密墊補方法，其特征 在于在步驟(1)中進(jìn)行有限元模擬時，鑲條各個半徑位置上的切削量取沿扇形半徑變化 1°或者1cm深度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于回旋加速器的等時性磁場的精密墊補方法，該種墊補方法主要是通過有限元模擬得到回旋加速器磁極兩側(cè)的鑲條在任意半徑上的切削量與磁場變化的關(guān)系式，結(jié)合實際測量到的回旋加速器中心平面磁場與粒子運動所需的等時性磁場的差和軸向聚焦力的大小，計算出鑲條各個半徑位置所需要切削量，將各個離散的切削量通過三樣條插值的方式得到一系列連續(xù)的加工曲面，最后利用數(shù)控機床對鑲條進(jìn)行加工。本發(fā)明所提供的連續(xù)曲面墊補方法簡單、高效，與同類技術(shù)相比等時性磁場的墊補精度高。
文檔編號G06F17/50GK101697659SQ20091021115
公開日2010年4月21日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者儲誠節(jié), 呂銀龍, 張?zhí)炀? 樊明武, 殷治國, 鐘俊晴 申請人:中國原子能科學(xué)研究院;