[发明专利]一种跑道型截面线圈主导型超导磁体设计方法及系统

说明书

本发明涉及一种跑道型截面线圈主导型超导磁体设计方法及系统，其包括：采用有限元方法对关键部分进行参数化建模，并设定各关键部分的各自变化范围；所述关键部分包括铁芯结构、截面线圈分布和端部线圈分布；通过组合式优化方法对好场区磁场进行优化，在优化迭代过程中各关键部分在各自变化范围内同时进行变化，以求在大参数空间内寻求可能的最优解，完成磁体设计。本发明能更好地实现跑道型截面磁体的优化设计，实现更小的体积和成本。本发明可以在磁体设计技术领域中应用。

技术领域

本发明涉及一种磁体设计技术领域，特别是关于一种跑道型截面线圈主导型超导磁体设计方法及系统。

背景技术

偏转二极磁铁是低温高密核物质测量谱仪中一种重要部件。对该类型谱仪一般都会选用大接收度、且磁铁内部大空间的超导磁铁。大接受角能充分利用各类探测设备，拓展和提升谱仪的研究范围和能力。大的有效场空间能放入较多探测器，提高各类产物的探测和鉴别能力。

为了实现大张角、大空间的同时保证大范围的磁场均匀度。可以采用跑道型截面的线圈主导型超导磁铁。通过跑道型截面，来实现沿束流方向磁铁具有极大大开口。同时通过线圈分布产生来测量所需的大范围背景磁场。

线圈主要型超导磁体设计主要是通过解析求解空间电流分布来产生特定磁场。对CCTDCT这类圆形截面的线圈主导型超导磁体，其电流分布可以解析给出，因此在线圈优化时，可以通过改变解析式中的各项参数，来重新定义线圈函数进行磁场优化。但对于跑道型截面这种非圆截面的磁体设计，通过感应电流设计磁场的方式，只能数值求解出跑道型截面下线圈电流分布。后续离散化、外加屏蔽铁芯等步骤都会带来部分磁场的变化，需要对线圈分布进行调节，以实现设计目标。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种跑道型截面线圈主导型超导磁体设计方法及系统，其能更好地实现跑道型截面磁体的优化设计，实现更小的体积和成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种跑道型截面线圈主导型超导磁体设计方法，其包括：采用有限元方法对关键部分进行参数化建模，并设定各关键部分的各自变化范围；所述关键部分包括铁芯结构、截面线圈分布和端部线圈分布；通过组合式优化方法对好场区磁场进行优化，在优化迭代过程中各关键部分在各自变化范围内同时进行变化，以求在大参数空间内寻求可能的最优解，完成磁体设计。

进一步，所述铁芯结构的参数化建模是确定铁芯倒角、铁芯内部挖槽和铁芯端部垫补参数，利用铁芯倒角、铁芯内部挖槽、铁芯端部垫补的细致结构精调好场区内各处磁场。

进一步，所述截面线圈分布的参数化建模是指通过跑道型截面中线圈电流的分布进行归一化，然后对电流分布进行多项式拟合，将线圈分布的数值解转化为带参数的解析表达式。

进一步，所述端部线圈分布的参数化建模是指在线圈端部回线位置，对端部引入函数化的偏移量。

进一步，所述通过组合式优化方法对好场区磁场进行优化，以求在大参数空间内寻求可能的最优解，包括：

根据初步计算确定线圈外轮廓分布，通过离散化电流分布确定磁铁线圈截面及端部的电流分布函数中的各项系数；

对各系数进行第一级优化，在大参数空间上顺找预设参数范围的初步最优解作为第一级参数范围；

对第一级优化后的各系数进行第二级优化，将第一级参数范围优化为第二级参数范围；

对第二级参数范围进行第三级优化，将第二级参数范围进一步优化为第三级参数范围。

进一步，所述第一级优化、所述第二级优化都采用遗传算法进行优化，所述第三级优化采用粒子群算法进行优化。

进一步，所述预设参数范围根据磁体结构可行性进行预先设置。

进一步，所述第二级参数范围为第一级优化结果的50％～150％。