[实用新型]一种紧凑型中能负氢强流等时性回旋加速器直边扇主磁铁

说明书

本实用新型公开了一种紧凑型中能负氢强流等时性回旋加速器直边扇主磁铁，每个直边扇型磁极两条直边的交点与盖板中心点径向不重合、该交点位于盖板中心区的圆周上；每个直边扇型磁极尾部的圆弧的圆心与盖板中心严格重合，且每个直边扇型磁极的扇形磁极侧半径小于扇形磁极尾部的圆弧的曲率半径；镶条在大半径角宽度的降低足够大于主磁铁磁极在大半径增加的弧长，使得大半径处磁极与镶条总的角宽度比现有结构减小了，即减小了，因此，调变度增加，聚焦力增加；所述为中心平面上磁铁扇形磁极与镶条在圆周方向所占的比例；通过调节扇形磁极半径与扇形磁极尾部的圆弧的曲率半径比例关系，结合调节磁极镶条轮廓等方式，便于引入磁场变梯度聚焦。

技术领域

本实用新型属于强流质子回旋加速器技术领域，具体涉及一种紧凑型中能负氢强流等时性回旋加速器的主磁铁。

背景技术

回旋加速器是利用磁场和电场共同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，是核物理和核技术应用研究的重要一个工具。中能负氢强流等时性回旋加速器是指的加速离子种类为负氢(H^-)，加速的离子最终能量达到100MeV(含100MeV)以上，加速和引出的束流流强达到200μA 以上。中能强流质子回旋加速器，可以产生强流质子束、打靶产生高通量中子和放射性核束(RIB)以用于国防核技术、核物理基础与核技术应用研究，如核数据测量、辐射物理、中子物理、核结构、材料科学与生命科学等，是核科学技术领域开展基础和应用研究的重要平台。

中能负氢强流等时性回旋加速器系统由负氢离子源、轴向注入线、主磁铁、高频腔、剥离引出、真空室等核心组件构成。负氢束从离子源注入轴线进入加速器中心平面后进行圆形的回旋运动，每次经过高频加速间隙时，负氢粒子能量增加，同时粒子回旋半径增大；经过很多圈(通常数百圈)加速至最终能量，然后通过剥离引出的方式连续引出强流质子束。其中，主磁铁提供负氢粒子加速的导向磁场。

主磁铁是紧凑型强流负氢加速器系统加速强流(200μA以上)负氢离子束到100MeV以上能区的基本保证。但现有紧凑型中能负氢强流等时性回旋加速器直边扇主磁铁技术存在如下挑战：

1)采用紧凑型(即上下磁极、上下磁轭成对均匀布置在整体型上下盖板上)的主磁铁结构，导致靠近主磁铁上下磁极之间的中心平面的中心布置的中心区电极、高频Dee板与磁极边缘距离过近，进而导致加速器运行过程中高频打火频繁，影响强流束加速下的加速器运行稳定性；

2)由于回旋加速器中粒子能量稳定增长的过程中，要保证每圈经过加速间隙时的高频相位基本恒定，这就要求约束粒子回旋运动的磁场随磁极半径逐渐增大，且磁场随半径的增长要能够匹配粒子能量的增长，这就是回旋加速器主磁铁磁场分布的等时性条件。这就意味着，磁极弧长随半径的增长带来的磁场增加要能够匹配粒子加速所需要的沿着磁极半径逐渐增大的磁场。在磁铁工程中，实际等时性磁场需要通过磁场垫补手段进行微调，常用的垫补方法如采用修正贴合于磁极侧边、由高饱和磁场的导磁材料(纯铁或低碳钢)加工形成的镶条的侧边轮廓进行磁场垫补。镶条高度方向的一端一般与磁极表面平齐，镶条整体高度远小于磁极高度，镶条高度方向的另一端与盖板的距离较远，因此相同角宽度的磁极在中心平面产生的磁场要大于镶条在中心平面的磁场。现有技术中扇形磁极中心处于盖板中心，为了平衡整个磁极范围内的等时性磁场分布，扇形磁极的角度不能太大。导致大半径处，磁极本体提供的磁场不足，需要镶条在大半径提供更大的磁场垫补量，意味着需要大半径处更大的镶条角宽度。这会带来包括镶条切向力、形变增大，大半径处高频加速间隙不足等一系列问题，最终导致束流损失增加，流强受限。

3)现有紧凑型等时性回旋加速器直边扇主磁铁技术存在聚焦力不足的问题，无法保证加速负氢到≥100MeV能量所需的轴向聚焦力；需要采用螺旋扇型主磁铁或分离扇型主磁铁，但前者会导致高频加速系统、束流诊断系统设计风险、难度显著增加，后者会导致加速器总体规模和造价大幅增加。

实用新型内容