一種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于加速器設(shè)計技術(shù)，具體涉及一種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置。該裝置包括兩個對稱設(shè)置的偏轉(zhuǎn)磁鐵，束流從兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵相對的磁極面之間的空間范圍內(nèi)穿過，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角β2、第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角β3實現(xiàn)消色差功能，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角β1、第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角β4對束流進行橫向聚焦，實現(xiàn)束流的匹配傳輸。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)束流的長距離、多次偏轉(zhuǎn)傳輸，以及大孔徑、大發(fā)射度的束流傳輸與篩選，同時降低系統(tǒng)復(fù)雜度和工程難度。
【專利說明】
-種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于加速器技術(shù)，具體設(shè)及一種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 加速器被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、國防軍事、安保反恐、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護、醫(yī)療 衛(wèi)生、食品安全等領(lǐng)域，是一種高新技術(shù)裝備。加速器的種類很多，其主要功能是帶電粒子 吸收靜電場或電磁場的能量后，形成高能帶電粒子束流，再將其應(yīng)用到各種領(lǐng)域。
[0003] 帶電粒子吸收能量的過程稱之為加速過程，沒有加速的粒子運動過程稱之為傳輸 過程。為了實現(xiàn)對帶電粒子的加速與應(yīng)用，往往需要對帶電粒子束流的運動方向進行偏轉(zhuǎn)。 帶電粒子的加速過程中，不同粒子所感受到的加速電場往往是不同的，使得加速后的粒子 能量不同。不同能量的粒子經(jīng)過同一個偏轉(zhuǎn)磁場時，其運動軌跡是不同的，我們稱運種現(xiàn)象 為色差。色差會導(dǎo)致粒子的加速和應(yīng)用時的束包絡(luò)或束斑擴大，對加速器的穩(wěn)定與高效運 行，W及束流的正常應(yīng)用帶來不利影響。因此，在加速器的設(shè)計與調(diào)試過程中，需要實現(xiàn)束 流偏轉(zhuǎn)的消色差效果。
[0004] 目前，消色差的方法與裝置是比較多的，主要包括對稱系統(tǒng)和非對稱系統(tǒng)兩大類。 對稱系統(tǒng)的消色差裝置是常用的，其種類很多，包括chicane結(jié)構(gòu)、Varian結(jié)構(gòu)、K丄.Brown 結(jié)構(gòu)、a磁鐵等。chicane結(jié)構(gòu)采用=個偏轉(zhuǎn)角度和半徑都相同的均勻場偏轉(zhuǎn)磁鐵，每塊磁鐵 的出入口邊緣角為零，即粒子入射和出射方向垂直于磁鐵邊界，=個磁鐵中，中間的對粒子 的偏轉(zhuǎn)方向與兩邊的相反，兩邊的磁鐵的偏轉(zhuǎn)方向相同。Varian結(jié)構(gòu)也采用S個偏轉(zhuǎn)角度 和半徑都相同的均勻場偏轉(zhuǎn)磁鐵，不同于chicane結(jié)構(gòu)的有兩點，一是S個磁鐵的偏轉(zhuǎn)方向 都相同，二是每塊磁鐵的出入口邊緣角不為零，即粒子入射和出射方向不垂直于磁鐵邊界。 K丄.Brown結(jié)構(gòu)采用二個偏轉(zhuǎn)角度、方向和半徑都相同的均勻場偏轉(zhuǎn)磁鐵，中間夾一個四極 磁鐵，每塊偏轉(zhuǎn)磁鐵的出入口邊緣角可W為零，也可W不為零。帥茲鐵為單個偏轉(zhuǎn)磁鐵，磁場 為非均勻磁場，磁場梯度指數(shù)一般為1，束流偏轉(zhuǎn)角度為固定的278.58°。上述的對稱系統(tǒng)都 是關(guān)于面對稱的，即在X-Z偏轉(zhuǎn)平面上是關(guān)于一條直線對稱的。還有一種反對稱消色差系 統(tǒng)，其在S維空間是關(guān)于一條直線對稱的，而在X-Z偏轉(zhuǎn)平面上是關(guān)于一個點對稱的。由于 反對稱系統(tǒng)要求束斑在對稱點處縮小為一個點，可能對束流品質(zhì)的影響不好，應(yīng)用較少。除 了曰磁鐵，對稱系統(tǒng)和反對稱系統(tǒng)都是由=個及=個W上的磁鐵組成的。如果束流只需要一 次或幾次偏轉(zhuǎn)，消色差系統(tǒng)由=塊W上的磁鐵組成是可W接受的，但是如果需要偏轉(zhuǎn)幾十 次，乃至上百次，希望降低消色差偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的磁鐵數(shù)量，W便減小工程復(fù)雜度和難度。a磁鐵 雖然只有一個磁鐵，但其偏轉(zhuǎn)角度只能在270度左右，另外其能夠接收的束流孔徑不大，對 于大尺寸的束斑難W偏轉(zhuǎn)，并且其對束流的橫向匹配不夠靈活，此外a磁鐵對機械加工和安 裝精度要求很高，工程實施難度很大。非對稱消色差裝置有A(EL偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和陸ilips型偏轉(zhuǎn) 系統(tǒng)。AC化偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由化tcheon發(fā)明，采用2塊偏轉(zhuǎn)磁鐵，主要用于270度偏轉(zhuǎn)，并且需要額 外配置四極透鏡完成光路的匹配傳輸;Philips型偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由3塊偏轉(zhuǎn)磁鐵組成。非對稱系 統(tǒng)雖然也可W采用兩塊偏轉(zhuǎn)磁鐵，但其不能用于束流的多次偏轉(zhuǎn)。
[0005] 在某些科學(xué)實驗或工程應(yīng)用中，需要收集與篩選大散角、大發(fā)射度的粒子，如果采 用=塊及W上的偏轉(zhuǎn)磁鐵，其傳輸空間大，邊緣場效應(yīng)復(fù)雜，并且存在粒子篩選不充分等缺 陷，使得設(shè)計難度極大，乃至難W完成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，從而 實現(xiàn)束流的長距離、多次偏轉(zhuǎn)傳輸，W及大孔徑、大發(fā)射度的束流傳輸與篩選，同時降低系 統(tǒng)復(fù)雜度和工程難度。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，包括兩個對稱設(shè)置的偏轉(zhuǎn) 磁鐵，束流從兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵相對的磁極面之間的空間范圍內(nèi)穿過，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊 緣角阮、第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角03實現(xiàn)消色差功能，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角01、第 二偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角化對束流進行橫向聚焦，實現(xiàn)束流的匹配傳輸。
[0008] 進一步，如上所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其中，所述的兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵形狀相 同，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角&與第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角抗大小相等。
[0009] 進一步，如上所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，為實現(xiàn)光路完全消色差，偏轉(zhuǎn)磁鐵的 邊緣角與束流的偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)滿足如下關(guān)系：
[0010] (COS (Ex(I)-I )ta址 2 = ExSin(ExCI)
[001U 式中，
[0012]
1為偏轉(zhuǎn)磁鐵的場梯度指數(shù)；
[0013] a為偏轉(zhuǎn)磁鐵對束流的偏轉(zhuǎn)角度；
[0014] &為第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角；
[0015] 當(dāng) n = 0 時，
[0016] 02 =日/2-31。
[0017] 進一步，如上所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其中，當(dāng)需要對小發(fā)射度束流進行多 次偏轉(zhuǎn)傳輸時，沿束流傳輸線多次布置所述的兩個對稱設(shè)置的偏轉(zhuǎn)磁鐵。采用多套次雙磁 鐵偏轉(zhuǎn)裝置的光路，每次雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置的傳輸矩陣的色差項可W不為零，即不必完全滿 足上述公式。只要單次雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置的傳輸矩陣色差項小于0.1，經(jīng)過多次偏轉(zhuǎn)后，整個 光路的傳輸矩陣的色差項有減小的作用，偏轉(zhuǎn)次數(shù)越多，減小得越多，即色差效應(yīng)可W忽 略。
[0018] 進一步，如上所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其中，針對大發(fā)射度的束流偏轉(zhuǎn)，通 過增加兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵相對的磁極面之間的距離實現(xiàn)對束流的偏轉(zhuǎn)。
[0019] 本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明所提供的雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置可W實現(xiàn)束流橫向X和Y 方向的同時聚焦，從而可W取消四極磁鐵等其它橫向聚焦元件，減少了磁鐵的數(shù)量，整個偏 轉(zhuǎn)傳輸系統(tǒng)只有偏轉(zhuǎn)磁鐵。該雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置可W實現(xiàn)束流傳輸?shù)南?，或接近消色差?提高了束流的傳輸效率。本發(fā)明采用的兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵可W是對稱的，即兩個磁鐵是完全相 同的，多次偏轉(zhuǎn)的整個傳輸系統(tǒng)僅需要一種偏轉(zhuǎn)磁鐵，大大降低了磁鐵的加工復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0020] 圖1為雙偏轉(zhuǎn)磁鐵消色差原理結(jié)構(gòu)圖；
[0021 ]圖2為偏轉(zhuǎn)磁鐵磁極面與束流運動軌跡的=維空間關(guān)系示意圖；
[0022] 圖3為雙偏轉(zhuǎn)磁鐵束流包絡(luò)圖；
[0023] 圖4為四次偏轉(zhuǎn)束流包絡(luò)圖；
[0024] 圖5為大間隙偏轉(zhuǎn)磁鐵束流包絡(luò)圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0026] 本發(fā)明提出的一種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，采用兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵1對稱放置，兩個偏 轉(zhuǎn)磁鐵1的形狀可W完全相同，束流4從兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵相對的磁極面之間的空間范圍內(nèi)穿 過，利用第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角&和第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角抗實現(xiàn)消色差功能。第 一偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角&、第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角化對束流進行橫向聚焦，實現(xiàn)束流 的匹配傳輸，如圖1所示。偏轉(zhuǎn)磁鐵的邊緣角是指偏轉(zhuǎn)磁鐵邊緣平面的法線與入射束流線之 間的夾角，也既是偏轉(zhuǎn)磁鐵的邊緣平面與出入口處束流半徑之間的夾角。由于兩個偏轉(zhuǎn)磁 鐵形狀相同且對稱放置，所W第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角&與第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角 抗大小相等，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角&與第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角化大小相等。
[0027] 偏轉(zhuǎn)磁鐵的場梯度指數(shù)n可W為零，即為均勻偏轉(zhuǎn)場，也可W不為零，甚至大于1， 由此實現(xiàn)束流的橫向匹配。
[0028] 色差的產(chǎn)生是在其偏轉(zhuǎn)方向上由于動量的彌散造成的，考慮邊緣場后的偏轉(zhuǎn)磁鐵 在=維相空間內(nèi)的傳輸矩陣為：
[00901
[0030] 其中：
F標(biāo)X表示直角坐標(biāo)系的X方向，是束流的偏轉(zhuǎn)方向，P為偏轉(zhuǎn)半 徑，a為偏轉(zhuǎn)磁鐵對束流的偏轉(zhuǎn)角度。如果圖1的光路是對稱性的，只要上述X-X'子相空間傳 輸矩陣Rx的Rx13矩陣元為零即可實現(xiàn)消色差，即（COS(ExQ)-I Ha址2= ExSin(ExQ) "Rx13矩陣元 為零意味著出口粒子的位置坐標(biāo)與入口粒子的能散無關(guān)，運就意味著位置坐標(biāo)的消色差的 實現(xiàn)，角度坐標(biāo)消色差是通過系統(tǒng)的對稱性實現(xiàn)的。當(dāng)n = 0時，邊緣角與偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系滿 足防=a/2-Ji即可實現(xiàn)消色差。
[0031] 對于小發(fā)射度束流，可W實現(xiàn)完全消色差，也可W不完全消色差，只要其總傳輸矩 陣的矩陣元Ri6和R26的絕對值小于0.1即可，因為只要小于0.1，色差對束流包絡(luò)的影響就很 小了。某些應(yīng)用場合需要對小發(fā)射度束流進行多次偏轉(zhuǎn)傳輸，只需要沿束流傳輸線多次布 置消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置即可，不再需要增加聚焦四極磁鐵等其它橫向聚焦元件。
[0032] 某些應(yīng)用場合是首先利用加速器輸出的粒子束轟擊祀材料，產(chǎn)生次級粒子，所需 要收集與傳輸?shù)拇渭壛Ｗ拥陌l(fā)射度很大。大發(fā)射度束流所需要的束流孔道橫向尺寸很大， 由此所需要的偏轉(zhuǎn)磁鐵的磁極間距就很大。采用兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵的消色差系統(tǒng)可W較好地解 決運個問題。
[0033] 實施例1
[0034] 圖1所示的是采用兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵的原理結(jié)構(gòu)二維示意圖，其中a是偏轉(zhuǎn)磁鐵對束流 的偏轉(zhuǎn)角度，&、&、抗和化是偏轉(zhuǎn)磁鐵邊緣角，圖中所示的&和化為正值，&和抗為負值，實際 設(shè)計的邊緣角可正可負，亦可為零。圖2是一個偏轉(zhuǎn)磁鐵的極面與束流運動軌跡的=維空間 關(guān)系圖，束流4從兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵1相對的磁極面之間的空間范圍內(nèi)穿過，勵磁線包5用于磁場 激勵。
[0035] 圖3所示的是設(shè)計計算的偏轉(zhuǎn)磁鐵束流光路的包絡(luò)圖。設(shè)計所采用的偏轉(zhuǎn)角度a為 45度，01和抗為-18.66度瓜和03為20.34度，磁鐵偏轉(zhuǎn)半徑為50mm，偏轉(zhuǎn)磁場場指數(shù)為n = - 0.16。偏轉(zhuǎn)磁鐵極頭間隙為20mm左右。入口和出口束流都是平行束?？偸鱾鬏斁仃囋? = 0.086,化6 = -0.013,即雖然光路不是完全消色差，其色散也是很小的。前文的公式中所計算 的邊緣角小于零，而本設(shè)計的&和03值大于零也可基本上實現(xiàn)消色差。圖中1為偏轉(zhuǎn)磁鐵，2 為X方向束流包絡(luò)，3為Y方向束流包絡(luò)，4為束流中屯、軌跡。圖1中的束流中屯、軌跡為曲線，在 模擬計算時，將其設(shè)為直線。
[0036] 采用4組偏轉(zhuǎn)磁鐵系統(tǒng)的模擬計算光路如圖4所示，該光路可用于電子螺旋加速器 (可參見中國專利申請201410202889.1 )，其束流包絡(luò)的大小得到很好的控制。束流傳輸矩 陣元Ri6 = 0.025,化6 = 0.015,即經(jīng)過多次偏轉(zhuǎn)后，色差項變小。
[0037] 實施例2
[0038] 對于很大發(fā)射度的束流偏轉(zhuǎn)，需要采用大磁極間隙對束流進行偏轉(zhuǎn)，圖5所示的束 流光路包絡(luò)圖采用的磁極間隙為700mm。圖中1為偏轉(zhuǎn)磁鐵，2為束流偏轉(zhuǎn)的X方向包絡(luò)，3為Y 方向束流包絡(luò)，4為束流中屯、軌跡。
[0039] 對于大磁極間隙，其非線性邊緣場的影響突出。由于偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)僅通過邊緣角實現(xiàn) 消色差的功能，如果偏轉(zhuǎn)角度a較小時，所需要的邊緣角很大，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)X方向的消色差 和束流包絡(luò)的控制，但對Y方向產(chǎn)生很大的散焦作用，Y方向束流包絡(luò)擴散非常大。為此，本 實施例采用的偏轉(zhuǎn)角度a為90度，消色差邊緣角阮和抗為-52.07度，01和抗為零，磁鐵偏轉(zhuǎn)半 徑為1.59米，偏轉(zhuǎn)磁場場指數(shù)為n=l.027。束流傳輸矩陣元Ri6和R26為零，即實現(xiàn)了束流的 完全消色差。
[0040] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。運樣，倘若對本發(fā)明的運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)明也意圖包含運些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于:包括兩個對稱設(shè)置的偏轉(zhuǎn)磁鐵，束流從兩 個偏轉(zhuǎn)磁鐵相對的磁極面之間的空間范圍內(nèi)穿過，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角化、第二偏 轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角03實現(xiàn)消色差功能，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角&、第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的出 口邊緣角化對束流進行橫向聚焦，實現(xiàn)束流的匹配傳輸。2. 如權(quán)利要求1所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于:所述的兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵形狀 相同，第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角&與第二偏轉(zhuǎn)磁鐵的入口邊緣角抗大小相等。3. 如權(quán)利要求1所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于:所述的偏轉(zhuǎn)磁鐵的邊緣角 與束流的偏轉(zhuǎn)角度為實現(xiàn)完全消色差應(yīng)滿足如下關(guān)系： (cos(exa)-l)tan02= εχ8?η(εχα) 式中， 怎二Vl - rhn為偏轉(zhuǎn)磁鐵的場梯度指數(shù); α為偏轉(zhuǎn)磁鐵對束流的偏轉(zhuǎn)角度； &為第一偏轉(zhuǎn)磁鐵的出口邊緣角； 當(dāng)η = 0時， 02 =曰/2-31。4. 如權(quán)利要求1或2所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于：當(dāng)需要對小發(fā)射度束 流進行多次偏轉(zhuǎn)傳輸時，沿束流傳輸線多次布置所述的兩個對稱設(shè)置的偏轉(zhuǎn)磁鐵，每組雙 磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置不必實現(xiàn)完全消色差，傳輸矩陣色差項小于0.1即可使整個光路的色散效應(yīng) 忽略。5. 如權(quán)利要求1或2所述的消色差雙磁鐵偏轉(zhuǎn)裝置，其特征在于:針對大發(fā)射度的束流 偏轉(zhuǎn)，通過增加兩個偏轉(zhuǎn)磁鐵相對的磁極面之間的距離實現(xiàn)對束流的偏轉(zhuǎn)。
【文檔編號】H05H7/04GK105939566SQ201610231916
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】李金海, 王思力
【申請人】中國原子能科學(xué)研究院