[发明专利]回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法

说明书

技术领域

本发明涉及回旋加速器的磁铁设计技术，具体涉及一种回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法。

背景技术

回旋加速器是一种利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，其基本结构包括磁铁系统、离子源、注入系统和引出系统。其中，磁铁系统包括磁铁和调节线圈，使回旋加速器能够获得等时性磁场。

磁场的垫补是使得回旋加速器中心平面磁场满足设计要求的重要手段，特别是对于回旋加速器来说，磁场的垫补是无法避免的，因为磁铁材料的不均匀性，磁铁加工和安装等因素将引起中心平面的磁场偏离设计的磁场分布。对于使用直边扇形磁极的回旋加速器，镶条垫补是主要的等时性磁场垫补方式之一。镶条一般是由与主磁铁磁极材料相同的材料制成的配铁，通常以可拆卸的方式设置于主磁铁磁极的两边，镶条垫补方法主要是利用镶条比主磁铁磁极易于加工的特点，通过改变镶条的外形尺寸来垫补获得等时性磁场。目前国际上比较流行的磁场垫补方式主要有调谐线圈垫补法和贴片垫补法，其中贴片垫补法就是一种镶条垫补的方法。调谐线圈垫补法需要足够的空间安放垫补线圈，对于回旋加速器来说，这就意味着提高了加速器的造价和运行费用；贴片垫补法则需要反复多次的磁场测量和贴铁片的过程，而且这种方法无法获得好的等时性磁场，这就意味着增加了回旋加速器的建造周期并牺牲了一定的被加速束流的束流品质。因此，需要设计一种既不受回旋加速器空间的限制又具有短的垫补周期，并且可以获得很好的等时性磁场的垫补方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有回旋加速器磁场垫补方法的缺陷，提供一种采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，从而使回旋加速器简单、高效的获得等时性磁场。

本发明的技术方案如下：一种回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，包括如下步骤：

(1)通过有限元模拟得到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意半径位置上的切削量与磁场变化的关系式；

(2)通过实际测量的回旋加速器中心平面磁场与粒子运动所需的等时性磁场的差和轴向聚焦力的大小，确定镶条各个半径位置所需要的切削量；

(3)将各个离散的切削量通过三样条插值的方式得到一系列连续的加工曲面；

(4)根据得到的曲面结构通过数控机床对镶条进行加工。

进一步，如上所述的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，步骤(1)所述的关系式为Δd＝B(R_i)/ΔB(R_i)，其中Δd为镶条各个半径位置的切削量，B(R_i)为磁场的测量数据与等时性磁场之间的差，ΔB(R_i)为镶条各个半径位置上的磁场变化，ΔB(R_i)＝AR_i+C，R_i为镶条任意位置的半径长度，A、C为由有限元模拟计算拟合得出的常量。

更进一步，如上所述的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，在步骤(1)中进行有限元模拟时，镶条各个半径位置上的切削量取沿扇形半径变化1°或者1cm深度。

本发明的有益效果如下：本发明克服了传统的镶条贴片垫补方法的缺陷，通过得到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意半径上的切削量与磁场变化的关系式，确定镶条各个半径位置所需要的切削量；然后将各个离散的切削量形成一个系列连续的加工曲面，通过机床一次加工成型。这种方法简单、高效，不需要反复多次的磁场测量和贴片，而且所实现的等时性磁场的垫补精度更高。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为直边扇形磁铁的镶条单位半径上的切削量示意图；

图3为图2中镶条单位半径上的切削量放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法是依托现有的大型精确的有限元模拟软件来实现的，如三维有限元软件包DE3D，具体步骤如图1所示，包括，

(1)通过有限元模拟得到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意单位半径位置上的切削量与磁场变化的关系式；

(2)通过实际测量的回旋加速器中心平面磁场与粒子运动所需的等时性磁场的差和轴向聚焦力的大小，确定镶条各个半径位置所需要的切削量；

(3)将各个离散的切削量通过三样条插值的方式得到一系列连续的加工曲面；

(4)根据得到的曲面结构通过数控机床对镶条进行加工。