谐波垫补原理及其在加速器常规磁铁设计与磁场垫补中的应用

加速器常规磁铁磁场质量评估通常表示为工作气隙好场区内高阶磁场占主磁场的相对含量,它通常要求在10^-4量级内。这些高阶磁场来源于磁极的有限长度与宽度和极面设计参数选择产生的若干过大的系统高阶磁场偏差及加工与材料的不理想等因素产生的若干过大的随机高阶磁场偏差。这些偏差均会导致磁场质量变坏。谐波垫补法针对每个过大的高阶磁场利用磁极形位改变对磁场的扰动效应产生一与现存过大高阶磁场大小相当但符号相反的高阶磁场,用来抵消现存的过大的高阶磁场,达到根本改善磁场质量的目的。本文分析了谐波垫补原理,并具体分析了它们在二极磁铁和四极磁铁设计与磁场垫补中的应用。     

四极磁铁比较测量

为了提供35块四极磁铁在800 MeV电子储存环上的编组排列的数据,研制了一台称为“四极铁比较测量”的测量系统。文章描写了该系统的测量原理和方法,并且给出了测量结果,最后对测量结果的误差进行了讨论。     

脉冲四极磁铁峰值梯度测量

一、测量原理质子直线加速器中的漂移管四极透镜是由近似半正弦波的脉冲电流励磁的。脉冲底宽约为3.5毫秒,重复频率为每秒10次。四极透镜孔径内的磁场,若只考虑其空间分布,它是中心为零的梯度场,如图1所示。图中B_y、B_x分别表示磁场在y和x方向的分量。     

19 100MeV紧凑型回旋加速器主磁铁的磁场测量系统方案设计

紧凑型的回旋加速器的磁场分布范围跨度较大，且对磁场测量的精度要求较高，磁场的测量误差直接影响到后续主磁铁的镶条垫补。磁场测量系统主要用于主磁铁中心平面上磁场分布的测量，对主磁场的测量精度及测量点相对位置精度要求极高，磁场偏离理想场的微小误差对粒子束流的运动有相当大的影响。磁场测量点的选取采用极坐标，最后给出磁场值的极坐标点分布结果。     

CSNS/RCS四极磁铁样机磁场仿真计算和谐波分析

中国散裂中子源快循环同步加速器(CSNS/RCS)的四极磁铁共48台,分为4种孔径,每种孔径磁铁制作1台样机。目前4台样机磁铁已完成加工制造并进行了直流旋转线圈磁场测量。初步直流磁场测量结果显示,3台样机的部分磁场谐波分量超过了设计要求,需进行补偿。采用三维仿真软件OPERA进行建模,并进行磁场计算,分析了谐波超差的原因,确定了磁场补偿方案,最终样机磁铁的磁场质量满足设计要求。     

用于质子治疗的Kicker磁铁动态磁场测量

华中科技大学在研的质子治疗装置(Huazhong University of Science and Technology Proton Therapy Facility,HUST-PTF)中,一套位于降能器上游的Kicker磁铁被用于点扫描过程及治疗安全的快速束流开启/关断。为测量该Kicker磁铁的积分场均匀度及磁场动态特性,设计并研制了一套基于电磁感应法的Kicker磁铁测磁系统。测磁系统分别采用长线圈和印制电路板(Printed Circuit Boards,PCB)线圈两种方法获取感应电压,通过模拟/数字积分器对感应电压进行积分处理。经过实验对比,采用几何精度更高的PCB线圈和受零漂影响较小的模拟积分器作为最终方案进行测试;磁场上升/下降时间小于100μs,积分场大于0.025 2 T·m,均匀度好于1%,均匀度最大标准差0.006%,测磁系统整体误差小于0.1%,表明Kicker磁铁及其测磁系统均满足设计指标。     

直通道磁元件磁场测量

为使重离子束从注入器（ＳＦＣ）不经主加速器（ＳＳＣ）直接传输到实验终端。最近在兰州重离子研究装置（ＨＩＲＦＬ）上新建了直通管道系统。在该系统中有３台偏转磁铁和３台四极透镜。本文叙述了它们的测磁内容和方法，给出了激磁曲线、径向和轴向场分布、磁场梯度、等效长度等结果。结果表明：全部符合原设计要求，并有一定的余量。     

BRIF—ISOL二极铁磁场三阶梯度指数修正研究

串列加速器升级工程在线同位素分离器（ISOL）要求质量分辨率20000，分析磁铁场均匀性要求好于0．001％。采用所谓的垫补线圈可以有效地在磁场径向产生各阶梯度场，对二极铁引起的高阶像差进行修正。使用垫补线圈的优点在于可以方便地改变磁场梯度，而不受磁铁主场强的影响，同时可以节省系统的空间。改变一阶、二阶以及三阶梯度场的垫补线圈分别叫α、β和修正线圈。     

微秒脉冲磁场自动测量系统及误差分析

简要介绍冲击磁铁在加速器在应用以及微秒脉冲磁场的测量原理，并对整个测量系统的误差加以分析说明。     

CTFEL装置磁铁设计和测量

中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置CTFEL(China Academy of Engineering Physics Terahertz Free Electron Laser,CAEP THz FEL)是国内首台可为用户提供高功率和宽谱太赫兹波的科学设施,CTFEL作为基于加速器的辐射源,磁铁是电子束团的传输、测量和操纵的重要部件之一。根据CTFEL装置磁铁的指标参数设计了磁铁,针对设计中遇到的问题,阐述了解决思路,测量了磁场分布、积分场分布、横向场分布和磁轴等,测试结果表明:所有磁铁都满足了指标要求。目前磁铁已经全部完成了安装和调试,保障了CTFEL装置的顺利出光。     

18 CYCIAE-100回旋加速器主磁铁电磁力和形变的数值模拟

在CYCIAE-100回旋加速器的整体设计中，满足各种束流动力学要求的磁场分布的实现是最为关键的环节之一。在紧凑型回旋加速器中，磁铁的形变将严重影响中心平面及其附近的磁场分布。导致磁铁变形的主要因素有磁铁自身的重力、电磁力和外界的大气压力。其中对于重力和电磁力引起的磁铁形变，如果变形足够小，可留待磁场测量和垫补阶段处理；如果变形较大，则需在设计阶段对气隙的结构尺寸加以补偿。而对于大气压力引起的磁铁变形，由于磁场测量是在非真空条件下进行，因此需详细分析这样的变形对磁场的影响，为大气下测磁数据的真空校正处理提供依据。总之，主磁铁的结构力学研究对于CYCIAE-100最终磁场达到高的精度有重要意义。     

极尖断面为折线的四极透镜磁性能研究

对传统双曲线极尖的四极透镜进行了磁性能分析。在此基础上，提出了极尖断面为折线的四极透镜结构。磁场的数值分析以及测量结果表明：该结构产生的场梯度均匀，且具有磁场集中、磁场梯度高、便于加工和安装的对称性控制等优点。该结构的四极透镜已用于ＣＹＣＩＡＥ－３０回旋加速器和ＨＩ－１３串列加速器束流输运线之中     

双消色散270°偏转磁铁的物理设计

介绍了１４ＭｅＶ医用电子驻波直线加速器上所需用的２７０°双消色散偏转系统的物理设计过程与设计结果。系统的光路设计用ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ程序计算，并且应用传输理论推导了双消色散满足的条件，两者结果一致；磁场计算利用ＰＯＩＳＳＯＮ程序完成，验证了磁铁中心磁感强度、好场区范围的场分布满足设计要求。此外，还研究了磁铁尺寸误差及安装误差对束流的影响，为工程设计和系统安装提供了依据。     

散裂中子源Quadrupole-D漂移管磁铁的研制

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)漂移管直线加速器(Drift Tube Linac,DTL)高能段由9 m长的腔和27台Quadrupole-D型漂移管构成,负责把H~-由60 MeV加速到80 MeV。漂移管Quadrupole-D磁铁采用国际先进的SAKAE结构,结构紧凑,孔径小,最大励磁电流396 A,漂移管外壳采用全无氧铜电子束焊接,加工和磁测精度要求高。按物理要求仿真设计了Quadrupole-D四极磁铁,给出了磁铁基本参数模拟数值。对磁铁进行霍尔测量,计算了Quadrupole-D磁铁的有效长度为71.8 mm,测量值偏差2.6%,积分场0.966 T,测量值偏差2.2%,中心位置横向磁场梯度测量值偏差0.4%,平整度优于0.003,满足物理要求。在漂移管机械加工过程中,利用自主研制的高精度旋转测量系统测量,27台Quadrupole-D磁铁的高次谐波均小于3.5×10~(-3),24台漂移管磁中心加工偏差达到小于0.03 mm,三台磁中心加工偏差在0.03～0.05 mm,满足要求。对一台磁铁进行额定电流运行测试,线圈表面温升约12℃,9 h运行稳定。     

15 100MeV强流质子回旋加速器束流输运线上旋转扫描磁铁设计

加速器引出束流分布一般都是高斯分布，而在很多束流应用中都需要均匀分布的束流，为此目的设计了旋转扫描磁铁。旋转扫描磁铁形成一垂直于束流传输轴向均匀旋转磁场，在该磁场作用下，通过旋转扫描磁铁的束流也会随磁场的旋转而旋转，从而提高束流的均匀度。其旋转过程如图1所示。     

电子储存环扭摆磁铁效应的一种补偿方法

本文介绍BEPC储存环插入一块高场水平扭摆磁铁情况下一种可能的补偿方法。利用位于扭摆磁铁附近消失差区域中的由独立电源供电的四块四极磁铁,按Twiss参量重新匹配的要求改变其强度,在扭摆磁铁和四块四极磁铁所在区域及其以外区域,均可获得Twiss参量补偿的满意结果。     

大功率辐照加速器磁场系统研制

针对10MeV大功率辐照加速器研制的需求,对其磁场系统进行研制,此磁场系统由聚焦系统和扫描系统组成。根据束流加速输运的磁场要求,进行了磁场设计、模拟计算。聚焦系统由6个聚焦线圈组成,每个线圈约束磁场的径向均匀区为4cm,为加速管聚束段提供横向约束磁场,实测磁场分布与束流要求计算曲线分布基本吻合。扫描磁铁采用分体结构,扫描宽度为±334mm,最大扫描频率为15s^-1,通过优化磁极结构,使扫描均匀度达到92%。磁场系统各项性能均满足10MeV电子直线辐照加速器的技术要求并稳定运行至今。     

中国加速器驱动次临界系统常规磁铁的磁场测量

为了延长靶的使用寿命以及提高质子束流的利用效率,中国拟建造加速器驱动次临界系统(ADS)。质子直线加速器的中能束流输运线共分为MEBT1和MEBT2两部分。这两部分共计20块常规磁铁,其中,MEBT1含6块四极磁铁,MEBT2含6块四极磁铁、4块阶梯场磁铁、3块校正磁铁和1块二极磁铁。霍尔测量平台目前已完成MEBT1四极磁铁和MEBT2四极磁铁和校正磁铁的测量。本文通过对这些磁铁的积分场分布、积分励磁分布、横向场分布、励磁效率等测量结果的分析,验证了常规磁铁的各项指标,所有常规磁铁的测量结果均达到了设计要求。     

智能化回旋加速器主磁铁CAE系统的研制及应用

阐述了一种回旋加速器主磁铁的CAE方法,基于该方法在VAX—11/780上所形成的CAE系统,具有可移植性好的特点,目前已成功地移植到PC—386微机上。智能化的CAD工作,在专家经验知识库的帮助下,使一般的设计者,也能得到高水平的磁铁结构;磁场分析基于多次考验过的磁场数值计算程序,束流动力计算经过实际考验;CAM工作是根据现有数控车床的具体要求,将设计结果转换成必要的加工数控数据,并能根据实际测磁结果,以形成等时性磁场为目标,计算出叶片修改量并输出数控数据,指导整个磁铁加工过程。应用该CAE系统设计的回旋加速器主磁铁,结构与目前国际上回旋加速器的结构十分接近,运行功耗有所下降。     

径向非均匀场分析磁铁出入射界面机械边界的确定

文章介绍了采用锥形极面且具有园弧形入射磁场边界的径向非均匀场分析磁铁出入射界面机械边界的确定方法。用一系列二维磁场计算来近似边界面附近的三维场计算,求得磁场等效边界与磁铁机械边界之间的关系,据此计算出与要求的场分布对应的机械边界的形状,并用合适的圆形弧边界代替所求得的曲线边界,确定出机械边界的实际参数。对于计算中采用的近似方法可能导致的偏差及其对系统光学性能的影响进行了详细的分析,并选用有效的修正措施保证了系统的光学参数满足设计要求。