[发明专利]一种强磁场同步回旋加速器及其磁场垫补方法

说明书

本申请公开了一种强磁场同步回旋加速器及其磁场垫补方法，其中加速器的磁极为圆周形结构且磁极表面为连续曲线，方法包括获取实际需要的垫补磁场量；在可以加工的半径范围内，将连续曲线等效为径向宽度固定但高度待求的一系列矩形块，构建连续曲线的形状函数，形状函数表示矩形块对应的磁场变化量；计算每一半径值位置处单位高度的形状函数；离散化实际需要的垫补磁场量，基于计算出的每一半径值位置处单位高度的形状函数以及离散化后的垫补磁场量，利用函数拟合算法，计算出矩形块的高度；根据所求得的矩形块的高度加工磁极表面。本申请采用加工磁极表面曲线的方式实现指定磁场量的修正，最终提高磁场与高频频率曲线的匹配度，减小束流损失。

技术领域

本申请涉一种回旋加速器的磁铁设计技术领域，尤其涉及一种强磁场同步回旋加速器及其磁场垫补方法。

背景技术

同步回旋加速器采用稳相原理进行粒子加速，且为了防止束流损失，其加速器物理设计要求同步回旋加速的磁场和高频频率曲线匹配。超导技术的引入，可以大幅提高磁场，从而减小加速器的尺寸和造价，但同时也增加了频率曲线匹配的难度。更高精度的频率曲线匹配不仅需要高频系统的巧妙设计，也需要改变加速器的磁场分布进行配合。而由于磁铁材料的不均匀性、磁铁加工和安装等因素将引起磁场偏离设计，因此，磁场垫补是磁铁设计的后期一个不可或缺的环节。

发明内容

根据本申请的一个方面，本申请提供一种强磁场同步回旋加速器的磁场垫补方法，所述强磁场同步回旋加速器的磁极为圆周形结构且磁极表面为连续曲线，所述方法包括：实际垫补量获取步骤：获取实际需要的垫补磁场量；形状函数构建步骤：在可以加工的半径范围内，将所述连续曲线等效为径向宽度固定但高度待求的一系列矩形块，构建所述连续曲线的形状函数，其中所述形状函数表示每一所述矩形块对应的磁场变化量，所述半径范围包括多个半径值；形状函数求解步骤：根据强磁场下磁铁完全饱和的特性，计算每一半径值位置处单位高度的形状函数；矩形高度计算步骤：离散化所述实际需要的垫补磁场量，基于计算出的每一半径值位置处单位高度的形状函数以及离散化后的垫补磁场量，利用函数拟合算法，计算出所述一系列矩形块中每一矩形块的高度；加工步骤：根据所求得的每一所述矩形块的高度加工所述磁极表面。

进一步地，在所述矩形高度计算步骤之后、所述加工步骤之前还包括：误差去除步骤：根据所述形状函数求解步骤中涉及的计算公式，以及所述矩形高度计算步骤中所述一系列矩形块对应的高度，求解出所述一系列矩形块对应的磁场变化量，得到所述一系列矩形块的磁场变化量与所述实际需要垫补的磁场量的差值，将所述差值作为新需要的垫补磁场量返回所述矩形高度计算步骤再次进行求解，将求解得到的高度向量累加到已有的高度向量，直至所述新需要的垫补磁场量与所述强磁场同步回旋加速器的理想的磁场曲线之间的误差小于预设误差值。

进一步地，所述形状函数构建步骤具体包括：

将所述连续曲线等效为径向宽度为Δr、高度h不一的所述一系列矩形块，所述一系列矩形块在半径r处产生的磁场变化ΔB(r)为

其中f(r，r_j)为形状函数，表示第j个半径值位置处单位高度的矩形块产生的磁场变化，h_j为第j个半径值位置处的矩形块的高度与单位高度之比，n为所述一系列矩形块的个数加1。

进一步地，所述形状函数求解步骤具体包括：

通过下面的解析公式求解所述形状函数：

其中，B_s为饱和磁场参数，[R₁，R₂]和[Z₁，Z₂]分别为所述矩阵块在径向和高度方向的范围，B_z(r)为半径r处的轴向磁场强度。

进一步地，所述矩形高度计算步骤具体包括：