[发明专利]一种回旋加速器等时性磁场垫补方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于回旋加速器主磁铁设计与研制技术领域，更具体地，涉及一种回旋加速器等时性磁场垫补方法及系统。

背景技术

回旋加速器是一种利用固定磁场约束带电粒子做回旋运动，同时利用固定频率的高频电场对带电粒子进行逐圈反复加速的装置；主要包括离子源、主磁铁系统、高频系统、引出系统和真空系统。其中，主磁铁系统采用线圈电流激励磁极产生约束带电粒子的磁场，通过垫补线圈，或者磁极形状的设计与垫补修正形成沿半径调变的等时性磁场分布，满足粒子加速过程中回旋频率的稳定。

在回旋加速器的等时性磁场垫补中，主要有两种方法来调整磁场的等时性分布：(1)设计安装多股垫补线圈分布于磁极不同半径处，通过对各组垫补线圈电流进行配置可实现所需要的等时性磁场，这种方法具有较大的灵活性和可配置性，但实现复杂且成本较高，多用于加速多种粒子的回旋加速器或超导回旋加速器。(2)磁极垫补方法，主要是对磁极边缘形状进行垫补修正，可直接在磁极上进行垫补，通常采用对装配于磁极侧边的镶条进行垫补；这种方法在实际操作中需要多次垫补以使磁场满足加速粒子滑相的要求，主要应用于加速单一类型粒子的紧凑型回旋加速器中。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种回旋加速器等时性磁场垫补方法及系统，考虑了垫补过程中径向边缘场效应，同时结合有限元计算与实际测磁结果，具有可预测、高精度特点。由此解决现有技术中针对紧凑型回旋加速器等时性磁场垫补方法在准确度上存在缺陷的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种回旋加速器等时性磁场垫补方法，包括：

(1)对待垫补的回旋加速器主磁铁进行有限元建模，计算得出N组平均磁场差异分布曲线，其中，所述N组平均磁场差异分布曲线表示在回旋加速器的磁极边缘N个不同半径处切削单位面积后，每个半径处的平均磁场相对于切削前相应半径处原始磁场的差异分布曲线；

(2)将所述N组平均磁场差异分布曲线离散化，计算出表征切削向量C同切削后各半径处平均磁场改变ΔB关系的相关矩阵R；

(3)对实际加工后的主磁铁进行测磁，针对测磁数据计算出沿半径的等时性磁场偏差ΔB_iso，如果该偏差ΔB_iso不符合束流聚焦工作点要求，则利用ΔB_iso和相关矩阵R逆向计算出磁极边缘切削向量C_pred；

(4)利用相关矩阵R的磁场改变量预测能力调整C_pred，使得垫补后的磁场满足束流聚焦工作点要求，确定垫补切削向量C_f；

(5)对垫补切削向量C_f进行样条插值，将离散化的坐标输入数控机床进行磁极边缘垫补。

优选地，N个单位面积切削的相邻半径之间的径向间距大于等于1cm。

优选地，根据步骤(4)预测的加工垫补后磁场改变量ΔB_pred＝R·C_f。

按照本发明的另一方面，提供了一种回旋加速器等时性磁场垫补系统，包括：

有限元建模模块，用于对待垫补的回旋加速器主磁铁进行有限元建模，计算得出N组平均磁场差异分布曲线，其中，所述N组平均磁场差异分布曲线表示在回旋加速器的磁极边缘N个不同半径处切削单位面积后，每个半径处的平均磁场相对于切削前相应半径处原始磁场的差异分布曲线；

第一计算模块，用于将所述N组平均磁场差异分布曲线离散化，计算出表征切削向量C同切削后各半径处平均磁场改变ΔB关系的相关矩阵R；

第二计算模块，用于对实际加工后的主磁铁进行测磁，针对测磁数据计算出沿半径的等时性磁场偏差ΔB_iso，如果该偏差ΔB_iso不符合束流聚焦工作点要求，则利用ΔB_iso和相关矩阵R逆向计算出磁极边缘切削向量C_pred；

第三计算模块，用于利用相关矩阵R的磁场改变量预测能力调整C_pred，使得垫补后的磁场满足束流聚焦工作点要求，确定垫补切削向量C_f；

垫补模块，用于对垫补切削向量C_f进行样条插值，将离散化的坐标输入数控机床进行磁极边缘垫补。

优选地，N个单位面积切削的相邻半径之间的径向间距大于等于1cm。