專利名稱:簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及帶電粒子束輸運(yùn)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
加速器輸出的束流橫向尺寸一般在毫米量級(jí)，其橫向分布一般是不均勻的。為了獲得較好的使用效果，一般對(duì)輸出束流進(jìn)行均勻化操控，低能加速器輸出束流操控技術(shù)多數(shù)采用動(dòng)態(tài)掃描磁場(chǎng)技術(shù)或與準(zhǔn)直器技術(shù)結(jié)合。與準(zhǔn)直器技術(shù)結(jié)合時(shí)，丟失的帶電粒子會(huì)對(duì)環(huán)境造成放射。近幾十年來(lái)，領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)始考慮發(fā)展質(zhì)子束驅(qū)動(dòng)次臨界核反應(yīng)堆，并做了一些研究工作，此方向稱為加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱ADS。因此，ADS是將加速器裝置與核反應(yīng)堆裝置連接在一起的一個(gè)系統(tǒng)。由于ADS系統(tǒng)要求加速器輸出功率在IOMW左右，而加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界反應(yīng)堆可能輸出1000MW的熱功率，人們又稱ADS為能量放大器。 一般的加速器裝置輸出的最大束流功率在IOkW左右，而ADS要求的束流功率在IOMW左右。ADS系統(tǒng)中的加速器輸出束流功率(流密度)極高。為了在反應(yīng)堆中產(chǎn)生的功率有較好的均衡性，通常會(huì)要求驅(qū)動(dòng)質(zhì)子束比較均勻地撞擊重金屬靶。同時(shí)，加速器總是工作在高真空條件下，而核反應(yīng)堆并不要求真空條件，為了滿足束流傳輸?shù)恼婵諚l件必須在重金屬靶前用金屬窗膜(稱為質(zhì)子束窗)將兩個(gè)裝置隔離。為了不使得高功率質(zhì)子束燒蝕質(zhì)子束窗，也必須將加速器輸出的束流進(jìn)行均束化拓展。目前，國(guó)際上通常采用靜態(tài)高階磁場(chǎng)進(jìn)行高功率束流的均束化操控。目前，發(fā)表的反對(duì)稱非線性高階場(chǎng)磁鐵文獻(xiàn)，基本上屬于適用于扁平束的操控，只能夠安裝在扁平束腰處。
高階磁場(chǎng)技術(shù)適用于高功率粒子束流的輸運(yùn)傳輸，可用于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界堆的束流操控變換，也可用于其它低能量加速器輸出束流的操控變換，可降低丟失粒子對(duì)環(huán)境放射劑量率的影響。簡(jiǎn)化高階磁場(chǎng)技術(shù)起源于標(biāo)準(zhǔn)高階場(chǎng)磁場(chǎng)技術(shù)，與其它的簡(jiǎn)化高階場(chǎng)技術(shù)(參見(jiàn)郭湊、王相碁等人A novel structure of multipole field magnets andtheir applications in uniformizing beam spot at target ；NucIear Instruments andMethods in Physics Research A 691 (2012) 97-108)。文中介紹了簡(jiǎn)化高階場(chǎng)技術(shù),形成磁場(chǎng)的可用區(qū)域(即帶電粒子粒子能夠通過(guò)的區(qū)域)為扁長(zhǎng)的矩形區(qū)域。文中介紹的磁鐵只能安裝在實(shí)空間截面非常扁的橢圓束位置。該文介紹的簡(jiǎn)化高階場(chǎng)技術(shù)，當(dāng)水平徑向是聚焦作用時(shí)，交叉垂直的另一方向散焦作用被屏蔽磁體弱化，但是屏蔽磁體也阻擋了該區(qū)域粒子運(yùn)動(dòng)的通道，所以這樣的簡(jiǎn)化高階場(chǎng)技術(shù)不能直接用于圓形束流的束暈粒子操控。該文介紹的簡(jiǎn)化高階場(chǎng)技術(shù)，在橫向的一個(gè)方向是聚焦作用，能夠?qū)⒃摲较虻氖鴷灹Ｗ酉蚴S方向聚束，但在橫向的另一交叉垂直方向是散焦作用。因此，不能夠在束流的同一位置同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向聚焦作用。
標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵，其極面孔徑內(nèi)中心區(qū)域?yàn)闊o(wú)場(chǎng)區(qū)或低場(chǎng)區(qū)，對(duì)束核粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)影響，束核粒子維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變；其極面孔徑內(nèi)其它區(qū)域內(nèi)自然可劃分為十二個(gè)扇區(qū)，這些扇區(qū)的磁場(chǎng)都是反對(duì)稱的，且交錯(cuò)排列分別為聚焦扇區(qū)和散焦扇區(qū)。因此，標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的交叉垂直方向的扇區(qū)，很自然地，其一個(gè)方向扇區(qū)的磁場(chǎng)是聚焦磁場(chǎng)，另一個(gè)方向扇區(qū)的磁場(chǎng)必然是散焦磁場(chǎng)。欲使得十二極場(chǎng)磁鐵在交叉垂直方向?qū)崿F(xiàn)雙向聚焦，唯一的方法是取消其中四個(gè)處于交叉垂直方向的磁極頭，并將其中相隔180度的二對(duì)(四個(gè))磁極的極性進(jìn)行調(diào)變，使得保留的磁極頭極性仍然交錯(cuò)排列。由此，取消四個(gè)磁極頭的磁鐵，稱為簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵(Simplified Dodecapole Field Magnet, SDFM)。
這樣的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵極面孔徑內(nèi)有四個(gè)約30度扇區(qū)的磁場(chǎng)是聚焦磁場(chǎng)，有四個(gè)約60度扇區(qū)的磁場(chǎng)是散焦磁場(chǎng)。部分聚焦扇區(qū)磁場(chǎng)對(duì)束暈粒子聚焦的同時(shí)，部分散焦扇區(qū)磁場(chǎng)對(duì)另一部分束暈粒子散焦。要想操控束暈粒子，使得束流成為無(wú)束暈的均勻化程度比較高的圓形束，必須取消至少弱化此簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵 極面孔徑內(nèi)的散焦磁場(chǎng)。在極面孔徑真空管道外表面敷設(shè)磁體塊對(duì)部分磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽是一項(xiàng)可行的措施。模擬計(jì)算表明，這樣的措施是有效的。在同一直徑的圓周上，散焦扇區(qū)(對(duì)稱軸)的角向磁場(chǎng)與聚焦扇區(qū)(對(duì)稱軸)的角向磁場(chǎng)之比，從0.48降到了0.1(如圖14(&)、14(13)所示)，在散焦扇區(qū)同一圓弧段上角向磁場(chǎng)明顯下降。
另外，必須繼續(xù)調(diào)變簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵的極面形狀、屏蔽磁體形狀與位置，以獲得極面孔徑內(nèi)散焦扇區(qū)角向磁場(chǎng)的整體弱化。在繼續(xù)調(diào)變極面形狀、屏蔽磁體形狀與位置后，同一圓弧段上的歸一化角向磁場(chǎng)降低到O. I O. 33 (如圖15所示)。特別地，沿散焦扇區(qū)對(duì)稱軸上的最高角向磁場(chǎng)從1000高斯下降至約300高斯，有明顯的改善(如圖16(a)、16(b)所示)。
此外，在對(duì)簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵進(jìn)行弱化散焦扇區(qū)角向磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，使得該磁體的聚焦扇區(qū)的角向磁場(chǎng)產(chǎn)生了更高階的磁場(chǎng)分量，這將有利于對(duì)束暈粒子的聚焦操控(如圖17(a)、17(b)所示)?？梢钥闯?，如圖17(b)所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵角向磁場(chǎng)隨位移的變化速率，高于標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的角向磁場(chǎng)隨位移的變化速率。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明的目的在于提供一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置，用于在交叉垂直的兩個(gè)橫向同時(shí)進(jìn)行聚焦操控束暈粒子。
(二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置，該裝置包括準(zhǔn)直靶座，上磁軛、左磁軛、右磁軛、下磁軛，第一勵(lì)磁線包、第二勵(lì)磁線包、第三勵(lì)磁線包、第四勵(lì)磁線包、第五勵(lì)磁線包、第六勵(lì)磁線包、第七勵(lì)磁線包、第八勵(lì)磁線包，真空管道，第一屏蔽磁體、第二屏蔽磁體、第三屏蔽磁體、第四屏蔽磁體，連接導(dǎo)線，以及定位銷釘、連接螺栓和螺母；
其中，所述準(zhǔn)直靶座用于安裝準(zhǔn)直靶；所述上磁軛包括第一上磁軛磁極頭和第二上磁軛磁極頭；所述左磁軛包括第一左磁軛磁極頭和第二左磁軛磁極頭；所述右磁軛包括第一右磁軛磁極頭和第二右磁軛磁極頭；所述下磁軛包括第一下磁軛磁極頭和第二下磁軛磁極頭；所述八個(gè)勵(lì)磁線包用于向所述四個(gè)磁軛上的磁極頭提供勵(lì)磁電流；所述八個(gè)勵(lì)磁線包串聯(lián)供電，使所述四個(gè)磁軛上的磁極頭極性交錯(cuò)排列；所述四個(gè)屏蔽磁體安裝在所述真空管道的外表面上，并且與所述四個(gè)磁軛的磁極頭無(wú)接觸。所述連接導(dǎo)線用于實(shí)現(xiàn)所述第八勵(lì)磁線包與所述第一勵(lì)磁線包的串聯(lián)饋電，所述第二勵(lì)磁線包與所述第三勵(lì)磁線包的串聯(lián)饋電，所述第四勵(lì)磁線包與所述第五勵(lì)磁線包的串聯(lián)饋電，以及實(shí)現(xiàn)所述第六勵(lì)磁線包與第二接頭連接和所述第七勵(lì)磁線包與第一接頭連接；所述第一接頭和第二接頭用作不直接短接的饋電接頭與冷卻水接口 ；所述定位銷釘、連接螺栓和螺母用于所述四個(gè)磁軛之間的連接定位。
優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直靶座包括第一準(zhǔn)直靶座、第二準(zhǔn)直靶座、第三準(zhǔn)直靶座和第四準(zhǔn)直靶座。所述準(zhǔn)直靶座由無(wú)磁不銹鋼材料制成。
優(yōu)選地，所述上磁軛包括準(zhǔn)直靶座支承。所述第一和第二上磁軛磁極頭夾角為30度。所述上磁軛的準(zhǔn)直靶座支承由無(wú)磁不銹鋼材料制成；所述上磁軛的其余部分由磁性材料制成。
優(yōu)選地，所述第一和第二左磁軛磁極頭夾角為30度。所述左磁軛由磁性材料制成。
優(yōu)選地，所述第一和第二右磁軛磁極頭夾角為30度。所述右磁軛由磁性材料制成。
優(yōu)選地，所述下磁軛還包括磁鐵安裝底座。所述第一和第二下磁軛磁極頭夾角為30度。所述磁鐵安裝底座由無(wú)磁不銹鋼材料制成；所述下磁軛的其余部分由磁性材料制成。
優(yōu)選地，所述第一和第二勵(lì)磁線包裝配在所述上磁軛上，所述第一和第二勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第一和第二勵(lì)磁線包在所述上磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。所述第三和第四勵(lì)磁線包裝配在所述左磁軛上，所述第三和第四勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第三和第四勵(lì)磁線包在所述左磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。所述第五和第六勵(lì)磁線包裝配在所述右磁軛上，所述第五和第六勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第五和第六勵(lì)磁線包在所述右磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。所述第七和第八勵(lì)磁線包裝配在所述下磁軛上，所述第七和第八勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第七和第八勵(lì)磁線包在所述下磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。所述八個(gè)勵(lì)磁線包都由可通冷卻水的絕緣銅導(dǎo)線繞制而成。所述絕緣銅導(dǎo)線為中空的銅質(zhì)方形導(dǎo)線，外表面敷有高強(qiáng)度的絕緣涂層，所述八個(gè)勵(lì)磁線包上都裝有通冷卻水的勵(lì)磁線包饋電導(dǎo)線。所述冷卻水為純凈水。
優(yōu)選地，所述第一屏蔽磁體位于所述第一上磁軛磁極頭與所述第二左磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上；所述第二屏蔽磁體位于所述第一左磁軛磁極頭與所述第二下磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上；所述第三屏蔽磁體位于所述第一下磁軛磁極頭與所述第二右磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上；所述第四屏蔽磁體位于所述第一右磁軛磁極頭與所述第二上磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上。所述四個(gè)屏蔽磁體都由磁性材料制成。
優(yōu)選地，所述真空管道為圓筒狀，壁厚為3mm。所述裝置的尺寸為440mmX645mm,磁中心高為335mm。
本發(fā)明還提供了一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置的制造方法，該方法包括根據(jù)欲操控帶電粒子束的全粒子尺寸，確定真空管道的內(nèi)、外孔徑與極面孔徑；在 確定了極面孔徑的標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的基礎(chǔ)上，取消其中位于交叉垂直位置上四個(gè)磁極頭；以真空管道外直徑和極面尺寸為限，以真空管道外表面為屏蔽磁體裝配基礎(chǔ)，以屏蔽磁體不與磁極頭表面有直接接觸為限，選擇磁體形狀，并調(diào)整磁極頭形狀使得散焦扇區(qū)側(cè)變窄。
(三)有益效果
本發(fā)明所提供的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置極面孔徑具有與全粒子尺寸相吻合的孔徑，可以在帶電粒子束流輸運(yùn)線的任何一處位置安裝并且操控；由于其具有一定的平面與中心對(duì)稱性，按一定旋轉(zhuǎn)角度交錯(cuò)排列組合使用，可以獲得較好均勻性的圓斑束；此外，該簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置極面孔徑內(nèi)中心區(qū)域是極低磁場(chǎng)的無(wú)場(chǎng)區(qū)，可以有效地降低采用其它踢除束暈粒子均勻化帶來(lái)的對(duì)環(huán)境輻射劑 量率的影響。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置制造方法的各步驟的示意圖；其中，
圖I (a)是所述制造方法的第一步的示意圖；
圖I (b)是所述制造方法的第二步的示意圖；
圖I (c)是所述制造方法的第三步的示意圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖2所示裝置中準(zhǔn)直靶座的示意圖；
圖4是圖2所示裝置中上磁軛的示意圖；
圖5是圖2所示裝置中左磁軛的示意圖；
圖6是圖2所示裝置中右磁軛的示意圖；
圖7是圖2所示裝置中下磁軛的示意圖；
圖8是圖2所示裝置中第一、二勵(lì)磁線包與上磁軛的裝配示意圖；
圖9是圖2所示裝置中第三、四勵(lì)磁線包與左磁軛的裝配示意圖；
圖10是圖2所示裝置中第五、六勵(lì)磁線包與右磁軛的裝配示意圖；
圖11是圖2所示裝置中第七、八勵(lì)磁線包與下磁軛的裝配示意圖；
圖12是對(duì)本發(fā)明所提供的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置的計(jì)算機(jī)模擬跟蹤的跟蹤系統(tǒng)入口處的粒子束橫向相空間分布與實(shí)空間分布圖；其中，
圖12(a)為入口處相空間χ-f粒子呈高斯分布的歸一化密度相圖；
圖12(b)為入口處相空間y_太粒子呈高斯分布的歸一化密度相圖；
圖12(c)為入口處實(shí)空間χ-y粒子呈高斯分布的歸一化密度相圖；
圖13是對(duì)本發(fā)明所提供的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置的計(jì)算機(jī)模擬跟蹤的跟蹤系統(tǒng)出口處的粒子束橫向相空間分布與實(shí)空間分布圖；其中，
圖13(a)為出口處相空間χ-f粒子的歸一化密度相圖；
圖13(b)為出口處相空間y_太粒子的歸一化密度相圖；
圖13(c)為出口處實(shí)空間χ-y粒子的歸一化密度相圖；
圖14展示了背景技術(shù)中無(wú)屏蔽磁體和有屏蔽磁體的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵，及它們極面孔徑內(nèi)60mm直徑圓周線上歸一化角向磁場(chǎng)分布，其中，
圖14(a)展示了背景技術(shù)中無(wú)屏蔽磁體的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵極面孔徑內(nèi)60mm直徑圓周線上歸一化角向磁場(chǎng)分布；
圖14(b)展示了背景技術(shù)中有屏蔽磁體的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵極面孔徑內(nèi)60mm直徑圓周線上歸一化角向磁場(chǎng)分布；[0049]圖15展示了背景技術(shù)中極面與屏蔽磁體優(yōu)化的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵極面孔徑內(nèi)60mm直徑圓周線上歸一化角向磁場(chǎng)分布；
圖16展示了背景技術(shù)中簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵極面孔徑內(nèi)散焦扇區(qū)角向磁場(chǎng)被屏蔽磁體弱化的數(shù)據(jù)，其中，
圖16(a)展示了背景技術(shù)中無(wú)屏蔽磁體簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵散焦扇區(qū)角向磁場(chǎng)沿對(duì)稱軸分布；
圖16(b)展示了背景技術(shù)中極面與屏蔽磁體優(yōu)化后的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵散焦扇區(qū)角向磁場(chǎng)沿對(duì)稱軸分布；
圖17(a)展示了背景技術(shù)中無(wú)屏蔽磁體簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵聚焦扇區(qū)對(duì)稱軸上角向磁場(chǎng)沿對(duì)稱軸分布，及其與標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的對(duì)比；
圖17(b)展示了背景技術(shù)中極面與屏蔽優(yōu)化后的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵聚焦扇區(qū)對(duì)稱軸上角向磁場(chǎng)沿對(duì)稱軸分布，及其與標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的對(duì)比。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
圖I是根據(jù)本發(fā)明的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置制造方法的各步驟示意圖；其中，圖1(a)是所述制造方法的第一步的示意圖；圖1(b)是所述制造方法的第二步的示意圖；圖1(c)是所述制造方法的第三步的示意圖；
如圖I所示，本發(fā)明提供一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置的制造方法，該方法包括以下步驟
步驟I :根據(jù)欲操控帶電粒子束的全粒子(實(shí)空間)尺寸，確定真空管道的內(nèi)、夕卜孔徑與極面內(nèi)孔徑。圖1(a)展示了步驟1，即根據(jù)帶電粒子束的全粒子空間尺寸確定真空管道內(nèi)、外孔徑和磁極面內(nèi)孔徑。如圖1(a)所示，總實(shí)線為真空管道內(nèi)外直徑圓，虛線為極面孔徑圓，有密剖面線的為十二個(gè)極頭。
步驟2 :在確定了極面孔徑的標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的基礎(chǔ)上，取消其中位于交叉垂直位置上四個(gè)極頭(相互間隔90度角)。圖I (b)展示了步驟2，即取消交叉垂直位置(相互間隔九十度)的四個(gè)極頭，進(jìn)行二維磁場(chǎng)計(jì)算。如圖1(b)所示，假設(shè)最外圈的數(shù)字表示小時(shí)，那么相當(dāng)于取消在I. 5小時(shí)、4. 5小時(shí)、7. 5小時(shí)與10. 5小時(shí)方向的無(wú)剖面線的極頭，然后進(jìn)行二維磁場(chǎng)計(jì)算，了解真空管道內(nèi)的磁場(chǎng)分布；勵(lì)磁電流根據(jù)需要磁場(chǎng)強(qiáng)度確定，其取值以不導(dǎo)致磁場(chǎng)飽和為前提。
步驟3 :以真空管道外直徑和極面形狀尺寸為限，以真空管道外表面為屏蔽磁體裝配基礎(chǔ)，以屏蔽磁體不與磁極頭表面有直接接觸為限，選擇磁體形狀(優(yōu)選以靠近真空管道外表面?zhèn)日h(yuǎn)離真空管道外表面?zhèn)葘?，并調(diào)整磁極頭形狀使得散焦扇區(qū)側(cè)變窄。圖I (c)展示了步驟3，即以真空管道外表面為屏蔽磁體安裝裝配基面，并以屏蔽磁體不與磁極頭表面接觸為限，進(jìn)行二維磁場(chǎng)計(jì)算并調(diào)變屏蔽磁體的形狀與位置，完成弱化散焦扇區(qū)磁場(chǎng)的示意圖。如圖1(c)所示，有剖面線部分為真空管道和屏蔽磁體，八個(gè)勵(lì)磁線包分別裝在八個(gè)極頭上，計(jì)算二維磁場(chǎng)，使得散焦扇區(qū)角向磁場(chǎng)弱化達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。
按照上述制造方法，本發(fā)明提供了一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置。圖2是本發(fā)明的一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖2所示，該裝置包括準(zhǔn)直靶座I ;上磁軛2、左磁軛31、右磁軛32、下磁軛4 ；所述四個(gè)磁軛分別具有兩個(gè)磁極頭；第一勵(lì)磁線包51、第二勵(lì)磁線包52、第三勵(lì)磁線包53、第四勵(lì)磁線包54、第五勵(lì)磁線包55、第六勵(lì)磁線包56、第七勵(lì)磁線包57、第八勵(lì)磁線包58 ；所述八個(gè)勵(lì)磁線包用于向各所述四個(gè)磁軛上的磁極頭提供勵(lì)磁電流，所述八個(gè)勵(lì)磁線包串聯(lián)供電，以確保所述四個(gè)磁軛上的磁極頭極性交錯(cuò)排列；第一屏蔽磁體61、第二屏蔽磁體62、第三屏蔽磁體63、第四屏蔽磁體64 ;所述四個(gè)屏蔽磁體沿真空管道外表面設(shè)置；所述第一屏蔽磁體位于第一上磁軛磁極頭與第二左磁軛磁極頭間對(duì)稱軸上，所述第二屏蔽磁體位于第一左磁軛磁極頭與第二下磁軛磁極頭間對(duì)稱軸上、所述第三屏蔽磁體位于第一下磁軛磁極頭與第二右磁軛磁極頭間對(duì)稱軸上，所述第四屏蔽磁體位于第一右磁軛磁極頭與第二上磁軛磁極頭間對(duì)稱軸上，相鄰的屏蔽磁體的過(guò)中心對(duì)稱軸線之間的夾角為九十度，每個(gè)屏蔽磁體均安裝在真空管道7的外表面上，與所述四個(gè)磁軛的磁極頭均無(wú)接觸。
連接導(dǎo)線80，用于實(shí)現(xiàn)第八勵(lì)磁線包58與第一勵(lì)磁線包51的串聯(lián)饋電，實(shí)現(xiàn)第二勵(lì)磁線包52與第三勵(lì)磁線包53的串聯(lián)饋電，實(shí)現(xiàn)第四勵(lì)磁線包54與第五勵(lì)磁線包55的 串聯(lián)饋電，以及實(shí)現(xiàn)第六勵(lì)磁線包56與第二接頭93連接，第七勵(lì)磁線包57與第一接頭92連接；所述第一接頭92和第二接頭93為不直接短接的一對(duì)饋電接頭與冷卻水接口，冷卻水電阻率大于等于I歐姆平方厘米。如果外接的勵(lì)磁電源正極與第一接頭92連接，外接的勵(lì)磁電源負(fù)極與第二接頭93連接，則八個(gè)勵(lì)磁線包實(shí)現(xiàn)串聯(lián)饋電，本發(fā)明SDFM的八個(gè)磁極頭極性交錯(cuò)排列，分別為N極、S極、N極、S極等。
饋電接頭91，共11對(duì)(每對(duì)2只)，用于相鄰勵(lì)磁線包饋電的串聯(lián)連接與冷卻水接口(除了與第六勵(lì)磁線包56用的第二接頭93和第七勵(lì)磁線包57用的第一接頭92以外，其它的串聯(lián)連接均由饋電接頭91表示)。
勵(lì)磁線包定位箍120和鎖緊螺釘130用于使所述勵(lì)磁線包在所述上磁軛、左磁軛、右磁軛和下磁軛的磁極頭上套裝定位。定位銷釘140、連接螺栓150和螺母160用于所述上磁軛、左磁軛、右磁軛以及下磁軛之間的連接與定位。
下面對(duì)該裝置中各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖3是圖2所示裝置中的準(zhǔn)直靶座的A向視圖。如圖3所示，所述準(zhǔn)直靶座I包括第一準(zhǔn)直靶座11、第二準(zhǔn)直靶座12、第三準(zhǔn)直靶座13和第四準(zhǔn)直靶座14 ;上述四個(gè)準(zhǔn)直靶座均由無(wú)磁不銹鋼制作，用于安裝準(zhǔn)直靶。
圖4是圖2所示裝置中上磁軛的示意圖。如圖4所示,所述上磁軛2包括第一上磁軛磁極頭21、第二上磁軛磁極頭22和準(zhǔn)直靶座支承23。所述第一和第二上磁軛磁極頭夾角為30度的二個(gè)磁極頭。
所述上磁軛上的準(zhǔn)直靶座支承采用無(wú)磁不銹鋼材料制作，優(yōu)選為無(wú)磁不銹鋼；所述上磁軛的其余部分均采用磁性材料制作，優(yōu)選為矽鋼片。
圖5是圖2所示裝置中左磁軛的示意圖。如圖5所示，所述左磁軛31包括第一左磁軛磁極頭311和第二左磁軛磁極頭312，所述第一左磁軛磁極頭311和第二左磁軛磁極頭312夾角為30度。
所述左磁軛由磁性材料制成，優(yōu)選為矽鋼片。
圖6是圖2所示裝置中右磁軛的示意圖。如圖6所示，所述右磁軛32包括第一右磁軛磁極頭321和第二右磁軛磁極頭322，所述第一右磁軛磁極頭321和第二右磁軛磁極頭322夾角為30度。
所述右磁軛由磁性材料制成，優(yōu)選為矽鋼片。
圖7是圖2所示裝置中下磁軛示意圖。如圖7所示，所述下磁軛4包括第一下磁軛磁極頭41、第二下磁軛磁極頭42以及磁鐵安裝底座43。
所述下磁軛的磁鐵安裝底座采用無(wú)磁不銹鋼制作，優(yōu)選為無(wú)磁不銹鋼；所述下磁軛的其余部分均采用磁性材料制作，優(yōu)選為矽鋼片。
圖8是圖2所示裝置的第一勵(lì)磁線包、第二勵(lì)磁線包與上磁軛的裝配示意圖。如圖8所示，第一勵(lì)磁線包51與第二勵(lì)磁線包52裝配在上磁軛2上，第一勵(lì)磁線包與第二勵(lì)磁線包串聯(lián)連接，所述勵(lì)磁線包定位箍120與鎖緊螺釘130用于使所述第一勵(lì)磁線包和第二勵(lì)磁線包在上磁軛的磁極頭上套裝定位。圖9是圖2所示裝置的第三勵(lì)磁線包、第四勵(lì)磁線包與左磁軛的裝配示意圖。如圖9所示，第三勵(lì)磁線包53與第四勵(lì)磁線包54裝配在左磁軛31上，第三勵(lì)磁線包與第四勵(lì)磁線包串聯(lián)連接，所述勵(lì)磁線包定位箍120與鎖緊螺釘130用于使所述第三勵(lì)磁線包和第四勵(lì)磁線包在左磁軛的磁極頭上套裝定位。
圖10是圖2所示裝置的第五勵(lì)磁線包、第六勵(lì)磁線包與右磁軛的裝配示意圖。如圖10所示，第五勵(lì)磁線包55與第六勵(lì)磁線包56裝配在右磁軛32上，第五勵(lì)磁線包與第六勵(lì)磁線包串聯(lián)連接，所述勵(lì)磁線包定位箍120與鎖緊螺釘130用于使所述第五勵(lì)磁線包和第六勵(lì)磁線包在右磁軛的磁極頭上套裝定位。
圖11是圖2所示裝置的第七勵(lì)磁線包、第八勵(lì)磁線包與下磁軛的裝配示意圖。如圖11所示，第七勵(lì)磁線包57與第八勵(lì)磁線包58裝配在下磁軛4上，第七勵(lì)磁線包與第八勵(lì)磁線包串聯(lián)連接，所述勵(lì)磁線包定位箍120與鎖緊螺釘130用于使所述第七勵(lì)磁線包和第八勵(lì)磁線包在下磁軛的磁極頭上套裝定位。
上述八個(gè)勵(lì)磁線包都由可通冷卻水的絕緣銅導(dǎo)線繞制而成。所述絕緣銅導(dǎo)線為中空的銅質(zhì)方形導(dǎo)線，外表面敷有高強(qiáng)度的絕緣涂層，每個(gè)勵(lì)磁線包上裝有通冷卻水的勵(lì)磁線包饋電導(dǎo)線。
所述冷卻水優(yōu)選為純凈水。
所述第一屏蔽磁體、第二屏蔽磁體、第三屏蔽磁體和第四屏蔽磁體均由磁性材料制成，優(yōu)選為純鐵。
所述真空管道呈圓筒狀，壁厚優(yōu)選為3mm，由無(wú)磁不銹鋼制作，起真空隔離作用，同時(shí)用于安裝屏蔽磁體的定位。
所述勵(lì)磁線包定位箍與所述鎖緊螺釘都由非磁性金屬材料制作，優(yōu)選為無(wú)磁不銹鋼。
整塊簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置的外形尺寸優(yōu)選為440mmX645mm,磁中心高335mm。磁鐵的幾何長(zhǎng)度可以根據(jù)需要選取。
安裝準(zhǔn)直基礎(chǔ)由本發(fā)明所提供的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵上部(有圓柱孔)的準(zhǔn)直靶座提供(參見(jiàn)圖3)。本發(fā)明所提供的簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵中心軸線位置經(jīng)準(zhǔn)直儀器可轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直靶座數(shù)據(jù)，供準(zhǔn)直安裝。整塊簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵經(jīng)由下磁軛的磁鐵安裝底座43安裝在支承裝置上。[0087]為了更好地對(duì)本裝置的功能和效果進(jìn)行說(shuō)明，下面是對(duì)本發(fā)明所提供的裝置進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬跟蹤的結(jié)果，跟蹤獲得的入口與出口兩處圓斑質(zhì)子束的橫向相圖，列舉了一個(gè)高斯分布圓斑質(zhì)子束的束暈粒子被兩個(gè)簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵周期的組合磁場(chǎng)操控變換前后的相粒子密度分布。
圖12為跟蹤系統(tǒng)入口處的粒子束橫向相空間分布與實(shí)空間分布，圓圈為全粒子的邊界。圖12(a)為入口處相空間粒子呈高斯分布的歸一化密度相圖，軸心密度為
I，圓周內(nèi)側(cè)密度為零；圖12(b)為入口處相空間γ-!'粒子呈高斯分布的歸一化密度相圖，軸心密度為I，圓周內(nèi)側(cè)密度為零；圖12(c)為入口處實(shí)空間x-y粒子呈高斯分布的歸一化密度相圖，軸心密度為1，直徑60mm圓周內(nèi)側(cè)密度為零(且在此圓周內(nèi)側(cè)約IOmm環(huán)域內(nèi)粒子密度稀薄)。
圖13為跟蹤系統(tǒng)出口處的粒子束橫向相空間分布與實(shí)空間分布，圓圈為全粒子的邊界。圖13(a)為出口處相空間粒子的歸一化密度相圖；圖13(b)為出口處相空間 1-1'粒子的歸一化密度相圖；圖13(C)為出口處實(shí)空間X-y粒子的歸一化密度相圖。對(duì)比圖13(c)與圖12(c)可以看出，直徑40mm圓周至直徑60mm圓周間環(huán)域內(nèi)的粒子已經(jīng)全部操控調(diào)整至直徑40mm圓周以內(nèi)。
由計(jì)算機(jī)模擬跟蹤結(jié)果看，經(jīng)過(guò)兩組簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵(每組三塊磁鐵)的操控變換，能夠?qū)⑷肟谔幍氖鴷灹Ｗ幼儞Q進(jìn)入束核區(qū)域與相鄰的外層圈；出口處的束暈區(qū)域有非常明顯的縮小。外圍束暈區(qū)域的相粒子幾乎均被簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵磁場(chǎng)操控進(jìn)入束核與束核鄰域的相鄰?fù)鈱尤?，表現(xiàn)出歸一化密度均勻性有所改善；束流發(fā)射度略有些增大，為此采用簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵操控束斑形狀時(shí)，宜配合設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵上游段的發(fā)射度調(diào)配變換段與其下游段的發(fā)射度調(diào)配變換段，以使得簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵操控變換段的輸出參數(shù)與束流輸運(yùn)的總體設(shè)計(jì)匹配；簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵的有場(chǎng)可用孔徑，幾乎與圓斑束外圈有相同的形狀(與其它的束斑變換操控磁鐵相比)，在束流輸運(yùn)線的安裝位置選擇上有較大的靈活性；簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵的操控變換，可以直接獲得近似圓形束斑，也可以用來(lái)獲得正方形或非正方矩形束斑，與形成雙向束腰線性束流光學(xué)匹配設(shè)計(jì)，可以用來(lái)獲得目標(biāo)物上大尺寸圓束斑，特別利于高功率密度粒子束的傳輸變換。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置，該裝置包括準(zhǔn)直靶座，上磁軛、左磁軛、右磁軛、下磁軛，第一勵(lì)磁線包、第二勵(lì)磁線包、第三勵(lì)磁線包、第四勵(lì)磁線包、第五勵(lì)磁線包、第六勵(lì)磁線包、第七勵(lì)磁線包、第八勵(lì)磁線包，真空管道，第一屏蔽磁體、第二屏蔽磁體、第三屏蔽磁體、第四屏蔽磁體，連接導(dǎo)線，以及定位銷釘、連接螺栓和螺母；其中， 所述準(zhǔn)直靶座用于安裝準(zhǔn)直靶； 所述上磁軛包括第一上磁軛磁極頭和第二上磁軛磁極頭；所述左磁軛包括第一左磁軛磁極頭和第二左磁軛磁極頭；所述右磁軛包括第一右磁軛磁極頭和第二右磁軛磁極頭；所述下磁軛包括第一下磁軛磁極頭和第二下磁軛磁極頭； 所述八個(gè)勵(lì)磁線包用于向所述四個(gè)磁軛上的磁極頭提供勵(lì)磁電流；所述八個(gè)勵(lì)磁線包串聯(lián)供電，使所述四個(gè)磁軛上的磁極頭極性交錯(cuò)排列； 所述四個(gè)屏蔽磁體安裝在所述真空管道的外表面上，并且與所述四個(gè)磁軛的磁極頭無(wú)接觸。
所述連接導(dǎo)線用于實(shí)現(xiàn)所述第八勵(lì)磁線包與所述第一勵(lì)磁線包的串聯(lián)饋電，所述第二勵(lì)磁線包與所述第三勵(lì)磁線包的串聯(lián)饋電，所述第四勵(lì)磁線包與所述第五勵(lì)磁線包的串聯(lián)饋電，以及實(shí)現(xiàn)所述第六勵(lì)磁線包與第二接頭連接和所述第七勵(lì)磁線包與第一接頭連接； 所述第一接頭和第二接頭用作不直接短接的饋電接頭與冷卻水接口； 所述定位銷釘、連接螺栓和螺母用于所述四個(gè)磁軛之間的連接定位。
2.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述準(zhǔn)直靶座包括第一準(zhǔn)直靶座、第二準(zhǔn)直靶座、第三準(zhǔn)直靶座和第四準(zhǔn)直靶座。
3.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述準(zhǔn)直靶座由無(wú)磁不銹鋼材料制成。
4.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述上磁軛包括準(zhǔn)直靶座支承。
5.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二上磁軛磁極頭夾角為30度。
6.如權(quán)利要求
4所述的裝置，其特征在于，所述上磁軛的準(zhǔn)直靶座支承由無(wú)磁不銹鋼材料制成；所述上磁軛的其余部分由磁性材料制成。
7.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二左磁軛磁極頭夾角為30度。
8.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述左磁軛由磁性材料制成。
9.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二右磁軛磁極頭夾角為30度。
10.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述右磁軛由磁性材料制成。
11.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述下磁軛還包括磁鐵安裝底座。
12.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二下磁軛磁極頭夾角為30度。
13.如權(quán)利要求
11所述的裝置，其特征在于，所述磁鐵安裝底座由無(wú)磁不銹鋼材料制成；所述下磁軛的其余部分由磁性材料制成。
14.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二勵(lì)磁線包裝配在所述上磁軛上，所述第一和第二勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第一和第二勵(lì)磁線包在所述上磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。
15.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第三和第四勵(lì)磁線包裝配在所述左磁軛上，所述第三和第四勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第三和第四勵(lì)磁線包在所述左磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。
16.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第五和第六勵(lì)磁線包裝配在所述右磁軛上，所述第五和第六勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第五和第六勵(lì)磁線包在所述右磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。
17.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第七和第八勵(lì)磁線包裝配在所述下磁軛上，所述第七和第八勵(lì)磁線包串聯(lián)連接；勵(lì)磁線包定位箍與鎖緊螺釘用于使所述第七和第八勵(lì)磁線包在所述下磁軛的兩個(gè)磁極頭上套裝定位。
18.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述八個(gè)勵(lì)磁線包都由可通冷卻水的絕緣銅導(dǎo)線繞制而成。
19.如權(quán)利要求
18所述的裝置，其特征在于，所述絕緣銅導(dǎo)線為中空的銅質(zhì)方形導(dǎo)線，外表面敷有高強(qiáng)度的絕緣涂層，所述八個(gè)勵(lì)磁線包上都裝有通冷卻水的勵(lì)磁線包饋電導(dǎo)線。
20.如權(quán)利要求
18所述的裝置，其特征在于，所述冷卻水為純凈水。
21.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述第一屏蔽磁體位于所述第一上磁軛磁極頭與所述第二左磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上；所述第二屏蔽磁體位于所述第一左磁軛磁極頭與所述第二下磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上；所述第三屏蔽磁體位于所述第一下磁軛磁極頭與所述第二右磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上；所述第四屏蔽磁體位于所述第一右磁軛磁極頭與所述第二上磁軛磁極頭之間的對(duì)稱軸上。
22.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述四個(gè)屏蔽磁體都由磁性材料制成。
23.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述真空管道為圓筒狀，壁厚為3_。
24.如權(quán)利要求
I所述的裝置，其特征在于，所述裝置的尺寸為440mmX645mm,磁中心高為335mm。
25.—種如權(quán)利要求
I所述裝置的制造方法，該方法包括 步驟I :根據(jù)欲操控帶電粒子束的全粒子尺寸，確定真空管道的內(nèi)、外孔徑與極面孔徑; 步驟2 :在確定了極面孔徑的標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的基礎(chǔ)上，取消其中位于交叉垂直位置上四個(gè)磁極頭； 步驟3 :以真空管道外直徑和極面尺寸為限，以真空管道外表面為屏蔽磁體裝配基礎(chǔ)，以屏蔽磁體不與磁極頭表面有直接接觸為限，選擇磁體形狀，并調(diào)整磁極頭形狀使得散焦扇區(qū)側(cè)變窄。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種交叉垂直雙向聚焦簡(jiǎn)化十二極場(chǎng)磁鐵裝置及其制造方法，該裝置包括準(zhǔn)直靶座、上磁軛、左磁軛、右磁軛、下磁軛、八個(gè)勵(lì)磁線包、四個(gè)屏蔽磁體、真空管道、連接導(dǎo)線、第一接頭和第二接頭；該方法包括以下步驟根據(jù)欲操控帶電粒子束的全粒子尺寸，確定真空管道的內(nèi)、外孔徑與極面孔徑；在確定了極面孔徑的標(biāo)準(zhǔn)十二極場(chǎng)磁鐵的基礎(chǔ)上，取消其中位于交叉垂直位置上四個(gè)磁極頭；以真空管道外直徑和極面尺寸為限，以真空管道外表面為屏蔽磁體裝配基礎(chǔ)，以屏蔽磁體不與磁極頭表面有直接接觸為限，選擇磁體形狀，并調(diào)整磁極頭形狀使得散焦扇區(qū)側(cè)變窄。
文檔編號(hào)G21B1/21GKCN102867546SQ201210334199
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月11日
發(fā)明者王相綦, 羅煥麗, 李想 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan