用于束流矯正的電磁技術研究

北京電子科技職業學院 孫世菊 王 雪

1.引言

導向磁鐵是束流調試的必備元件，為了節省費用，減小束流線的空間，縮短束流線的尺寸，我們在原有單向矯正束流的基礎上，開發研制了單磁鐵雙向掃描的導向磁鐵。通過兩個方向的磁場耦合，可以對束流進行精確地矯正。

2.導向磁鐵磁場計算

假設導向磁鐵需要偏移的了離子為質子，導向磁鐵與下一個元件之間的距離為L，導向磁鐵需要矯正的距離為X或Y，如圖1所示。

圖1 導向磁鐵掃描示意圖Fig.1 Sketch map of the x-y steering magnet scanner

根據磁剛度公式：[3]

可以計算出質子在導向磁鐵中的偏轉半徑：

其中：

W為離子能量（動能），W0為離子靜止能量，對于質子，W0=938.26MeV，B的單位為Gauss。

導向磁鐵磁軛長度ι為80mm，掃描磁鐵的掃描范圍X或Y，由θ≈tgθ=X/L或Y/L（L為掃描長度），可以計算出掃描角度。再由 ，可以得到值ρ，再由公式（2）計算可得所需的磁場強度。

根據我們實際的需求，在X方向需要偏移±20mm，Y方向需要偏移±40mm，可以計算得到：

偏轉半徑：

當質子能量分別為25keV、30keV、35keV時，對應的磁場強度如表1所示。

表1 磁場強度

根據最大能量，XY導向磁鐵所需的最大調節磁場為±116.7Gs。

3.導向磁鐵結構

在導向磁鐵的設計過程中，磁軛是一個正規的同心圓圓柱，其結構模型如圖2所示。該磁軛是由低碳鋼加工而成的一個圓環性磁軛，在磁軛上面繞有兩對線包，內層為左右一對線包，外層為上下一對線包，在環的中心形成互相正交的兩個方向的磁場，改變電流的大小，可以改變這個合成磁場的大小方向，即可用來校正束流的中心軌道如圖2。

該導向磁鐵是采用ANSYS[4]計算得到的磁場分布，其結果如圖3所示。圖中顯示出了左右一對線包的磁場分布情況，另外一對線包和圖示相同也是180度對稱，相對圖示中的一對線包旋轉90度疊加在一起的。這四個線包形成兩個正交磁場，通過調節兩個方向磁場強度，從而形成對束流運動起360度的導向作用的磁場。勵磁線圈采用直徑為1.5mm的漆包線繞制，每個線包的安匝數為1500，電流為2.5A，電壓約為2.3V，目前該導向磁鐵的供電電源是兩臺30V/±5A穩流電源。在最大電流時，測得磁場強度如圖4所示，圖中以導向磁鐵中心為中心點，沿著半徑方向測量磁場強度。從圖中可以看出，半徑為5mm處磁場強度大約為160Gs，半徑為30mm處得磁場約為120Gs，可以矯正束流最大偏移。

圖2 導向磁鐵磁軛模型

圖3 圓形導向磁鐵磁場分布Fig.3 Circular steering magnetic field distribution

圖4 徑向磁場強度

4.磁場測量

根據以上設計，完成了導向磁鐵的繞制，如圖5所示。在實際繞制過程中，為了防止導向磁鐵過熱而破壞導線的絕緣漆，在每層導線之間增加了絕緣層，從而導致繞制導線厚度增加。由于空間有限，在導線厚度增加的情況下減少了導線匝數，為此需要測量磁場強度如圖5。

磁場測量結果如圖6所示，從圖中可以看出，兩個方向都小于理論設計值，這是由于導線匝數小于理論值的結果。而y方向的磁場小于x方向，這是因為y方向是外圈，它的繞線匝數比x方向的內圈匝數少40匝，從而導致磁場比較小。

圖5 導向磁鐵實物圖Fig.5 Picture of the x-y steering magnet

圖6 磁場測量結果

5.結論

文章給出了導向磁鐵設計、繞制、檢測的全過程，并通過磁場測量結果與理論設計結果的比較，由于實際工程原因磁場略低于理論值，但仍在實用范圍之內。目前該磁鐵已經安裝在束流線上，使用狀態良好。由于該磁鐵采用漆包線繞制，僅在最外層增加一層玻璃絲帶來保護線圈外部漆的脫落，所以這種磁鐵的通氣性好，可以在高真空內部使用。另外，在大氣中可采用同樣的方式來繞制、使用這種磁鐵。若是其磁場強度較高時，需要采用內水冷的導線代替漆包線。

[1]D.George,M.Negrazus.The proscan beam line double steering magnet[J].PSI-Scientific and Technical Report,2003,6:107-108.

[2]M.P.Dehnel etal.A Compact Cost-Effective Beamline for a PET Cyclotron[J],Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B,2007,261(1-2):809-812.

[3]桂偉燮,荷電粒子加速器原理[M].北京:清華大學出版社,1994.Gui WeiXi,Charge Particle Accelerators Theory,Beijing,Tsinghua University Press,1994.

[4]ANSYS Inc,Guide to ANSYS User Programable Features SAS IP[M].Inc,1998.