高質量分辨率分析磁鐵磁場測量及墊補

唐 兵，馬瑞剛，崔保群，陳立華，馬鷹俊，黃青華，馬 燮，蔣渭生

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

串列加速器升級工程（BRIF）是以中國原子能科學研究院已有的HI-13串列加速器為基礎，在其前端新建一臺100 MeV、200μA 緊湊型回旋加速器和一臺產生放射性核束的在線同位素分離器（BRISOL），在其后端新建一臺能量增益為2 MeV／q的重離子超導直線增能器。BRISOL 裝置可提供一百余種能量為0.5～15 MeV／q、強 度 為106～1011s-1的 放 射 性 核束。BRISOL 譜儀質量分辨率設計指標是20 000，要求分析磁鐵磁場均勻性好于5×10-5，對于本裝置的大型二極鐵，欲達到如此高的磁場均勻性非常困難。加工廠家在設計、加工及后期墊補中采用了多種工藝及手段，最終大分析磁鐵的磁場均勻性達到3×10-4的合同驗收指標，但該磁場均勻性較BRISOL 分析磁鐵的設計指標低1個量級，還需對磁鐵進行后期的磁場墊補。本文將介紹該大分析磁鐵的磁場測量及墊補。

1 BRISOL譜儀布局

BRISOL譜儀由4 塊分析磁鐵及四、六極透鏡組成，如圖1所示。為達到20 000的質量分辨率，該譜儀采用異能大小鐵結構消除能量色散［1］，小鐵系統(tǒng)（即預分析系統(tǒng)）由兩塊偏轉半徑550mm、偏轉角度90°的二極鐵反對稱組成，該系統(tǒng)處于300kV 高壓平臺上。束流經加速管加速至最高300keV 后進入大鐵系統(tǒng)，大鐵系統(tǒng)（即主分析系統(tǒng)）由兩塊偏轉半徑2 500mm、偏轉角度100°的二極鐵反對稱組成，主分析磁鐵的基本參數(shù)列于表1。

圖1 BRISOL布局圖Fig.1 Layout of BRISOL

2 磁場測量

磁場測量采用一臺四維運動測磁機，行程為1.5m×0.8m×0.2m（長×寬×高），水平旋轉角度180°。采用大理石平臺，由光柵尺定位，定位精度好于0.01 mm。磁場獲取采用GROUP3公司帶有溫度補償?shù)幕魻柛咚褂嫞捎肗MR 核磁共振高斯計對該霍爾高斯計進行標定。測量前需對磁鐵電源及高斯計進行預熱，圖2為預熱5h后，霍爾探頭對一恒定磁場的測量結果隨時間的變化關系，測量間隔為30s，11h內磁場波動好于2×10-5。

表1 BRISOL主分析磁鐵基本參數(shù)Table 1 Parameter of analysis magnet for BRISOL

圖2 霍爾探頭測量磁場隨時間的關系Fig.2 Measured field by Hall probe vs time

為獲取磁鐵整個好場區(qū)范圍內的磁場分布，采用點測法進行磁場測量，測量步長為20mm。但由于該分析磁鐵氣隙小，磁極面范圍較大，中心軌跡長4.5 m，且該磁鐵為H 型磁鐵，受內、外磁軛的限制，所以不能一次完成整個磁極面的測量。磁場測量中，借助激光跟蹤儀，在勵磁條件不變的條件下，將測量桿從磁鐵入口和出口進入磁鐵進行分區(qū)域測量，然后再將測量數(shù)據(jù)進行合并。將整個磁極面分為5個區(qū)域，減小測磁機行程。測量桿長3m，選用高強度的碳纖維管減小由于測量桿的重量造成的形變及運動過程中的顫動。測量桿內徑為23mm，外徑為25mm?；魻柼筋^通過1個探頭固定塊固定在碳纖維測量桿上。探頭固定塊上安裝了2 個激光跟蹤儀靶標，如圖3 所示?；魻柼筋^與這兩個激光跟蹤儀靶標固定在一條直線上，且預先測量出探頭與兩個激光跟蹤儀靶標的位置關系，當霍爾探頭進入磁鐵后，通過測量兩個激光跟蹤儀靶標相對磁鐵的空間位置便可確定霍爾探頭的位置。磁場測量中，保持磁鐵位置不變，將測磁平臺從磁鐵的入口端移到磁鐵的出口端，再采用激光跟蹤儀測量探頭固定塊上兩個靶標的位置就可得到霍爾探頭相對磁鐵的空間位置，實現(xiàn)5個區(qū)域測量數(shù)據(jù)的合并。

圖3 霍爾探頭固定塊Fig.3 Holder of Hall probe

由于測量桿較長，故探頭的顫動是造成測量誤差的主要原因。測量過程中盡可能避免探頭橫向的遠距離移動，并緩慢加、減速，當探頭到達測量位置后，停留2s后再進行磁場獲取，完成1次測量需約10h。

3 磁場墊補

提高二極鐵磁場均勻性的常用方法有：1）在磁極邊沿加鐵墊補，為墊補積分場，還可在磁鐵出、入口位置加各種不同尺寸的墊片［2］；2）Halbach［3］提出在磁極內設置墊補導線；3）磁極內加均勻氣隙［4］；4）通過對磁極面進行反復的測磁再加工，從而得到滿意的磁場分布。本文采用表面線圈［5］對磁鐵磁場進行墊補。采用表面線圈的方法具有很多優(yōu)點，它可在磁鐵加工完成后進行，簡化了磁鐵的設計和制造工藝，對現(xiàn)有的磁鐵也可使用這種方法對磁場進行優(yōu)化。同時，該方法還具有設計簡單、相對費用較低、占用磁鐵軸向空間小等優(yōu)點。表面線圈是在磁極的表面設置一定分布的電流導線，使之在氣隙內產生與原磁場的不均勻量分布相同、方向相反的磁場，該磁場與原磁場疊加后，達到均勻磁場的效果。表面線圈的關鍵是確定導線的分布。表面線圈的方法巧妙地采用了原磁場分布的等勢線，即沿原磁場的等勢線設置電流導線，便可在磁鐵氣隙內產生與原磁場不均勻部分ΔB 分布相同的磁場分布。對表面線圈施加與主磁場相反方向的電流，即可得到與主磁場不均勻部分分布相同、方向相反的附加場，與主磁場疊加后達到墊補的效果。

因為每兩根等勢線對應的磁場變化量相等，所以每根等勢線上的導線所需的電流大小相同。將這些導線全部串聯(lián)起來，便只需1個電源即可為每根等勢線上的導線供電。該電流取決于相鄰磁場等勢線的磁場差值。設δB 為相鄰兩條等勢線磁感應強度的差值，流過相鄰兩個等場區(qū)分界線的電流強度即表面線圈的電流強度I≈GδB／μ0，其中，G 為磁鐵氣隙，μ0 為真空磁導率。

表面線圈的制造采用了電路板蝕刻工藝，絕緣基板厚1mm，銅箔厚0.15mm，雙面板使電流連續(xù)分布，正面是奇數(shù)根等勢線連接的導線，反面是偶數(shù)根等勢線連接的導線，每根導線代表5×10-6T磁場變化量，即δB＝5×10-6T。將正、反面的導線連接起來，整個墊補線圈僅需1臺電源供電。因為該線路板尺寸太大，無法一次加工成形，加工中將該電路板分成4塊分別加工后再進行拼接，每塊寬400mm、長1 200mm。

圖4為磁鐵中平面墊補前和墊補后磁場的二維分布，可看出，當表面線圈通以0.06A 電流時，磁場均勻性得到明顯的改善。圖5為墊補前、后中平面積分場均勻性的比較，墊補后積分場均勻性在好場區(qū)范圍內好于3.5×10-5。

4 結論

BRISOL是HI-13串列加速器升級工程三大主工藝之一，是產生放射性核束的核心裝置，其主要指標是產生放射性核束及實現(xiàn)20 000的質量分辨率，分析磁鐵是達到高質量分辨率的關鍵設備。本工作解決了BRISOL 主分析磁鐵測量范圍大、氣隙小、測量精度高等技術難點，完成了磁鐵好場區(qū)范圍內的磁場測量，獲得了磁場分布情況。同時，采用表面線圈的方法對磁鐵進行了磁場墊補，好場區(qū)范圍內積分場均勻性由3×10-4提高到了3.5×10-5，達到了5×10-5的設計指標。該譜儀所有磁鐵的磁場測量和墊補已完成，并已現(xiàn)場安裝就位，正在開展束流調試。

圖4 墊補前、后磁場均勻性分布Fig.4 Field uniformity distribution without and with surface coil

圖5 墊補前、后積分場均勻性徑向分布Fig.5 Integral field uniformity radial distribution without and with surface coil

感謝中國科學院蘭州近代物理研究所及蘭州科近泰基新技術有限責任公司在磁鐵設計和磁場測量中給予的幫助。

［1］ 彭朝華，關遐齡，崔保群.HI-13串列加速器升級工程在線同位素分離器高質量分辨譜儀物理設計［J］.原子能科學技術，2006，40（2）：133-138.PENG Zhaohua，GUAN Xialing，CUI Baoqun.Physical design of high mass resolution spectrometer for ISOL［J］.Atomic Energy Science and Technology，2006，40（2）：133-138（in Chinese）.

［2］ WSXANDERER P，JACKSON J，JAIN A.The SNS ring dipole magnetic field quality［C］∥Proceedings of EPAC 2002.Paris：［s.n.］，2002：1 317.

［3］ HALBACH K.Field correction windings for iron magnets［J］.Nucl Instrum Methods，1973，107：515-528.

［4］ OKUMA Y.Measurements of inhomogeneities of magnetic fields in a model beam-analyzing magnet［J］.Nucl Instrum Methods，1972，102：317-325.

［5］ CZOK U，MORITZ G，WOLLLNIK H.Surface coils to improve the homogeneity of a given magnet［J］.Nucl Instrum Methods，1977，140：39-45.