專利名稱：嵌套型磁鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁場(chǎng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種嵌套型磁鐵，用于帶電 粒子束裝置。
背景技術(shù)：
目前，很多加速器束流的應(yīng)用需要在靶上形成均勻化的束流。以 前采用的方法是利用八極磁鐵、十二極磁鐵等高階磁鐵，但這類磁鐵 在孔徑較大時(shí)極面場(chǎng)強(qiáng)很高而幾乎不能應(yīng)用，采用階梯場(chǎng)磁鐵可以很 好的解決這個(gè)問(wèn)題。普通結(jié)構(gòu)的階梯場(chǎng)磁鐵所能提供的磁場(chǎng)分布在臺(tái) 階部分下降緩慢，不能滿足要求，需要采取新的技術(shù)來(lái)提高臺(tái)階部分 的陡峭度并在磁鐵的中心部分形成一個(gè)磁場(chǎng)近似為零的區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于帶電粒子束裝置 中的嵌套型磁鐵，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，產(chǎn)生一個(gè)階梯形的磁 場(chǎng)分布，使在靶上形成均勻化的束流。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種嵌套型磁鐵，該磁鐵包括-兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)的n形主磁鐵，用于提供磁場(chǎng)分布； 分別纏繞在該n形主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈； 兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)的n形內(nèi)磁鐵，用于改善磁場(chǎng)分布，該兩個(gè)內(nèi)磁鐵
分別位于兩n形主磁鐵的空腔內(nèi)，且該兩個(gè)內(nèi)磁鐵各有兩個(gè)線圈，該
兩個(gè)線圈分別位于內(nèi)磁鐵的極頭上。
優(yōu)選地，所述內(nèi)磁鐵的磁力線方向與在主磁鐵中的磁力線方向相
3反，產(chǎn)生階梯形的磁場(chǎng)分布。
優(yōu)選地，所述主磁鐵與位于其空腔內(nèi)的內(nèi)磁鐵組成一組，同一組 內(nèi)的主磁鐵和內(nèi)磁鐵開(kāi)口方向一致， 一組為上部分，另一組為下部分， 各組開(kāi)口向內(nèi)，上下兩部分的開(kāi)口相對(duì)，且有一間隙，使上下兩部分 完全對(duì)稱。
優(yōu)選地，所述纏繞在主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈由同一電源供 電，所述纏繞在內(nèi)磁鐵極頭上的四個(gè)線圈由同一電源供電。
(三)有益效果
本發(fā)明提供的這種新型的嵌套型磁鐵，可以形成類似階梯形的磁 場(chǎng)分布，非常適合于將原始的高斯分布，甚至是很不規(guī)則的束流分布， 在耙上轉(zhuǎn)換為相對(duì)均勻化的束流。
另外，本發(fā)明在高功率質(zhì)子加速器、質(zhì)子/重離子治癌等醫(yī)用加速 器和很多輻照用加速器上有很好的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明提供的嵌套型磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是利用MAFIA程序得到的嵌套型磁鐵在有內(nèi)磁鐵時(shí)磁場(chǎng)沿水
平軸的分布示意圖3是利用MAFIA程序得到的嵌套型磁鐵在無(wú)內(nèi)磁鐵時(shí)磁場(chǎng)沿水
平軸的分布示意圖中，1為上部主磁鐵；l，為下部主磁鐵；2為上部?jī)?nèi)磁鐵；2，為 下部?jī)?nèi)磁鐵；3為上部主線圈；3'為下部主線圈；4為上部?jī)?nèi)線圈；4'
為下部?jī)?nèi)線圈。
具體實(shí)施例方式
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)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
很多加速器束流的應(yīng)用需要在靶上形成均勻化的束流，本發(fā)明提 供的這種新型的嵌套型磁鐵(嵌套型階梯場(chǎng)磁鐵)，可以形成類似階梯形的磁場(chǎng)分布，其結(jié)構(gòu)和場(chǎng)分布見(jiàn)圖1和圖2 (圖1是本發(fā)明提供的嵌
套型磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是利用MAFIA程序得到的嵌套型磁鐵在 有內(nèi)磁鐵時(shí)磁場(chǎng)沿水平軸的分布示意圖)，非常適合于將原始的高斯分 布(甚至是很不規(guī)則的束流分布)在靶上轉(zhuǎn)換為相對(duì)均勻化的束流。 該嵌套型磁鐵在高功率質(zhì)子加速器、質(zhì)子/重離子治癌等醫(yī)用加速器和 很多輻照用加速器上有很好的應(yīng)用前景。
該嵌套型階梯場(chǎng)磁鐵的特點(diǎn)是，將磁鐵的作用區(qū)域限制在扁長(zhǎng)束 流截面的長(zhǎng)軸方向的邊緣部分，從而可以將束流截面的外部粒子折回
到內(nèi)部區(qū)域，進(jìn)而改善束流截面的分布形狀。其核心內(nèi)容有 一是采
用反對(duì)稱的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，即束流截面的兩端分別處在磁場(chǎng)方向相反但強(qiáng)
度相等(也可以不相等)的磁場(chǎng)中；二是采用內(nèi)嵌的磁極和另一組勵(lì) 磁線圈，以明顯改變磁場(chǎng)下降的陡峭度，即形成很明顯的臺(tái)階形磁場(chǎng) 分布。
該嵌套型磁鐵結(jié)構(gòu)還可以作一個(gè)延伸，將內(nèi)外嵌套的磁鐵的磁鐵 結(jié)構(gòu)變?yōu)橄噜彽慕Y(jié)構(gòu)，以應(yīng)用到普通的磁鐵(包括二極磁鐵和四極磁 鐵等)。無(wú)論是二極磁鐵還是四極磁鐵，都可以在端部增加一塊磁鐵芯， 必要時(shí)再增加一組勵(lì)磁線圈(其勵(lì)磁功率很小)，該鐵芯中的磁場(chǎng)分布 與主鐵芯中的磁場(chǎng)分布是相反的，可以將位于主磁鐵邊緣的磁通吸收 到該附加鐵芯中從而顯著地縮短邊緣磁場(chǎng)的延伸距離并改善磁鐵的縱 向分布，形成沿縱向?yàn)橛策吔频拇艌?chǎng)分布，而不是通常的緩慢下降 的磁場(chǎng)分布(軟邊近似)。這樣的磁鐵設(shè)計(jì)對(duì)某些采用很大孔徑的磁鐵 (如較大磁間隙的二極磁鐵和較大孔徑的四極磁鐵)的束流應(yīng)用是很 有用的，能滿足束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的需求。
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的嵌套型磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖，該 嵌套型磁鐵包括上部主磁鐵l;下部主磁鐵l，；上部?jī)?nèi)磁鐵2;下 部?jī)?nèi)磁鐵2，；上部主線圈3;下部主線圈3';上部?jī)?nèi)線圈4;下部?jī)?nèi) 線圈4'。
該嵌套型磁鐵具體包括兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)的n形主磁鐵，用于提供
磁場(chǎng)分布；分別纏繞在該n形主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈；兩個(gè)開(kāi) 口相對(duì)的n形內(nèi)磁鐵，用于改善磁場(chǎng)分布，該兩個(gè)內(nèi)磁鐵分別位于兩n
5形主磁鐵的空腔內(nèi)，且該兩個(gè)內(nèi)磁鐵各有兩個(gè)線圈，該兩個(gè)線圈分別 位于內(nèi)磁鐵的極頭上。
所述內(nèi)磁鐵的磁力線方向與在主磁鐵中的磁力線方向相反，產(chǎn)生 階梯形的磁場(chǎng)分布。
所述主磁鐵與位于其空腔內(nèi)的內(nèi)磁鐵組成一組，同一組內(nèi)的主磁 鐵和內(nèi)磁鐵開(kāi)口方向一致， 一組為上部分，另一組為下部分，各組開(kāi) 口向內(nèi)，上下兩部分的開(kāi)口相對(duì)，且有一間隙，使上下兩部分完全對(duì) 稱。
所述纏繞在主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈由同一電源供電，所述 纏繞在內(nèi)磁鐵極頭上的四個(gè)線圈由同一電源供電。
中間的扁橢圓形為束流橫截面的輪廓，束流方向由紙內(nèi)指向紙外， 束流水平方向的中間部分幾乎不感受磁場(chǎng)的作用，而水平方向的兩端 則受到相反的磁場(chǎng)作用力。
本發(fā)明的嵌套型磁鐵是因?yàn)樵擃愋痛盆F是由兩個(gè)獨(dú)立的、結(jié)構(gòu)上 分為內(nèi)外的磁鐵回路所組成，外磁鐵(即主磁鐵)提供主要的磁場(chǎng)分 布，而內(nèi)磁鐵用來(lái)改善該磁場(chǎng)分布。在沒(méi)有內(nèi)磁鐵的情況下，邊緣場(chǎng) 的下降較緩(如磁鐵間隙的外側(cè))，兩個(gè)主磁間隙的邊緣磁場(chǎng)相互影響，
從而形成如圖3所示的磁場(chǎng)分布，圖3是利用MAFIA程序得到的嵌套 型磁鐵在無(wú)內(nèi)磁鐵時(shí)磁場(chǎng)沿水平軸的分布示意圖。
內(nèi)磁鐵的磁力線方向與在主磁鐵中的磁力線方向相反，主磁隙漏 出的磁通被內(nèi)磁鐵吸走，從而使磁場(chǎng)分布急速下降即具有明顯的臺(tái)階 形分布。調(diào)節(jié)內(nèi)磁鐵獨(dú)立的勵(lì)磁線圈可以進(jìn)一步改善磁場(chǎng)的分布。
本發(fā)明提供的嵌套型磁鐵分為上下完全對(duì)稱的兩個(gè)部分，上部主 磁鐵與下部主磁鐵有一組勵(lì)磁線圈(兩個(gè)，上部主磁鐵與下部主磁鐵 各一個(gè)，分別纏繞在上部主磁鐵與下部主磁鐵的橫梁上)，上部?jī)?nèi)磁鐵 與下部?jī)?nèi)磁鐵也有一組線圈(四個(gè)，上部?jī)?nèi)磁鐵與下部?jī)?nèi)磁鐵各兩個(gè)， 分別纏繞在上部?jī)?nèi)磁鐵與下部?jī)?nèi)磁鐵的極頭上)。所述纏繞在上部主磁 鐵與下部主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈由同一個(gè)電源供電，纏繞在上 部?jī)?nèi)磁鐵與下部?jī)?nèi)磁鐵極頭上的四個(gè)線圈由同一個(gè)電源供電，從而保 證磁場(chǎng)的上下對(duì)稱性。
6因?yàn)檫@類磁鐵所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，通常低于0.5T，磁間隙又 很小，因而只需要較低的勵(lì)磁安匝數(shù)(如下表1所示，表1給出一個(gè) 設(shè)計(jì)例子，是階梯場(chǎng)磁鐵模型的基本參數(shù))。內(nèi)磁鐵線圈不需要水冷而 采用較細(xì)的導(dǎo)線(例如直徑為1 mm的銅導(dǎo)線)，從而可以保證磁鐵結(jié) 構(gòu)的緊湊性。上下磁鐵先獨(dú)立地用環(huán)氧繞濤的方法成形，然后再?gòu)淖?右兩邊用機(jī)械的方法固定在一起，例如采用在磁鐵的兩邊設(shè)計(jì)安裝用 的凸起部分并用螺栓固定。
參數(shù)數(shù)值
鐵芯長(zhǎng)度(mm)150
磁場(chǎng)強(qiáng)度(T)0.2
磁間隙(mm)44
內(nèi)磁軛寬度(mm)8
外磁軛內(nèi)邊距中心距離(mm)26
外磁軛寬度(mm)200
外磁鐵線圈總安匝數(shù)(AT)15600
內(nèi)磁鐵線圈總安匝數(shù)(AT)5600
表1
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，所應(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、一種嵌套型磁鐵，其特征在于，該磁鐵包括兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)的∏形主磁鐵，用于提供磁場(chǎng)分布；分別纏繞在該∏形主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈；兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)的∏形內(nèi)磁鐵，用于改善磁場(chǎng)分布，該兩個(gè)內(nèi)磁鐵分別位于兩∏形主磁鐵的空腔內(nèi)，且該兩個(gè)內(nèi)磁鐵各有兩個(gè)線圈，該兩個(gè)線圈分別位于內(nèi)磁鐵的極頭上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌套型磁鐵，其特征在于，所述內(nèi)磁鐵 的磁力線方向與在主磁鐵中的磁力線方向相反，產(chǎn)生階梯形的磁場(chǎng)分 布。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌套型磁鐵，其特征在于，所述主磁鐵 與位于其空腔內(nèi)的內(nèi)磁鐵組成一組，同一組內(nèi)的主磁鐵和內(nèi)磁鐵開(kāi)口 方向一致， 一組為上部分，另一組為下部分，各組開(kāi)口向內(nèi)，上下兩 部分的開(kāi)口相對(duì)，且有一間隙，使上下兩部分完全對(duì)稱。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌套型磁鐵，其特征在于，所述纏繞在 主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈由同一電源供電，所述纏繞在內(nèi)磁鐵極 頭上的四個(gè)線圈由同一電源供電。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種嵌套型磁鐵，該磁鐵包括兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)的Π形主磁鐵，用于提供磁場(chǎng)分布；分別纏繞在該Π形主磁鐵橫梁上的兩個(gè)勵(lì)磁線圈；兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)的Π形內(nèi)磁鐵，用于改善磁場(chǎng)分布，該兩個(gè)內(nèi)磁鐵分別位于兩Π形主磁鐵的空腔內(nèi)，且該兩個(gè)內(nèi)磁鐵各有兩個(gè)線圈，該兩個(gè)線圈分別位于內(nèi)磁鐵的極頭上。利用本發(fā)明，可以形成類似階梯形的磁場(chǎng)分布，非常適合于將原始的高斯分布，甚至是很不規(guī)則的束流分布，在靶上轉(zhuǎn)換為相對(duì)均勻化的束流。
文檔編號(hào)H01F7/00GK101488390SQ200810056248
公開(kāi)日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者唐靖宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所