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。     

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。     

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。     

HLS储存环注入系统冲击磁铁微秒脉冲磁场设计计算

介绍了合肥光源(HLS)新注入系统中铁氧体磁芯冲击磁铁的脉冲磁场形态的设计与计算。首先根据注入过程跟踪计算,给出了冲击磁铁脉冲磁场的设计要求。然后对脉冲磁场的产生进行了定性分析和数值计算,讨论了在不同条件下磁芯中产生的涡流对脉冲磁场均匀性的影响,最后根据物理设计要求确定了磁铁设计参数。     

表面线圈垫补二极铁磁场均匀性

高分辨率的离子质谱计要求分析磁铁具有很高的磁场均匀性。串列加速器升级工程ISOL要求质量分辨率20000,分析磁铁均匀性好于1×10^-5。现有的机加工和装配水平磁铁均匀性只能做到±1．5×10^-4,磁铁加工完成后还需对磁铁进行垫补。本文采用表面线圈（图1）的方法对现有的1块C型二极铁进行垫补。     

重离子扫描磁铁系统的研制

文章给出了重离子扫描磁铁物理设计的实用公式，指出这种磁铁系统工艺设计中应考虑的事项，并给出扫描磁铁系统的研制和实测结果。该磁铁最大可产生０．５０Ｔ的交流磁场，重复频率为５０Ｈｚ，通过３ｍ的漂移管道可将１６５ＭｅＶ＾７９Ｂｒ＾１４＾＋的离子扫宽０．４ｍ，满足了在ＨＩ－１３串列加速器上辐照ＰＥＴ一类膜材的要求，为生产核微孔膜高级滤材提供基本保证。     

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。     

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。     

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。     

一种基于伸展线法的小孔径四极磁铁测量方法

针对目前多极磁铁孔径越来越小的发展趋势，搭建了一种基于单根伸展线法(Single Stretched Wire Method,SSWM)的磁测系统，该系统的主要优势是测量域所需空间小且运动模式灵活。基于该系统的优势及四极磁铁磁场分布的特点，尝试使用双曲线轨迹对四极磁铁靠近其四个极头的区域进行了扫描测量，并根据矢势在测量点分布的特性，提出了一种全新的数据分析方法，用以分析四极磁铁的梯度积分和高阶场误差。用该系统对一孔半径为11 mm、梯度大于100 T·m^-1的四极磁铁进行测量，测量结果表明高阶场误差测量重复性好于±1.5×10^-4，能满足小孔径高梯度四极磁铁的磁场测量要求。     

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。     

用于脉宽压缩的Mobley磁铁均匀场和边缘场的测量及均匀度的提高

Mobley磁铁是2.5MV质子静电加速器毫微秒束流脉冲化研制中一个很关键的装置。它的作用是将加速器头部切割出的10—15ns脉冲束流经过加速后在尾部压缩成1—2ns脉冲束。Mobley磁铁的性能对脉冲束在靶上的脉宽及斑点大小起着重要的作用。要求磁场有±5×10~(-4)的均匀度。该磁铁采用了积木式等结构。通过测磁发现,磁场的均匀度只有±7×10~(-4),不     

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。     

SSRF磁铁数据库系统的开发

上海同步辐射装置(SSRF)磁铁数据库系统的开发过程包括数据库的设计、数据库的实现和功能。SSRF磁铁数据库由一系列的用于存储磁铁物理设计参数、磁场测量数据、准直测量数据和电源数据等的数据表组成。它对于确保磁铁质量、分析磁场误差和准直偏差对装置性能的影响、帮助磁铁的安装准直以及装置的调试和运行等具有十分重要的作用。     

兰州放射性核束流线的磁铁与电源

描述了兰州重离子加速器国家实验室最近建成的兰州放射性核束流线（ＲＩＢＬＬ）的磁铁和电源系统的物理设计和性能特点。考虑高阶分量的影响,二级偏转磁铁的入口和出口极面采用二次曲面形状,除使磁铁起偏转作用外,还有聚焦和发散的功能。ＲＩＢＬＬ中首次采用大功率开关电源,并获得成功。     

合肥光源储存环铁氧体冲击磁铁涡流模型与分析

铁氧体冲击磁铁是国家同步辐射实验室二期工程注入系统改造课题中关键注入部件之一 ,其主要功能是产生微秒量级均匀的脉冲磁场。文章介绍了铁氧体冲击磁铁设计过程中建立的涡流问题的数学模型及关于涡流问题分析。数值计算结果表明 :选择合理的铁氧体电导率和磁芯结构参数 ,可以基本消除磁芯中涡流对脉冲磁场分布的影响。冲击磁铁脉冲磁场测量结果表明 ,合肥光源储存环铁氧体冲击磁铁设计是合理的     

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。     

50 MeV负氢回旋加速器主磁铁设计研究

本文介绍了50 MeV负氢回旋加速器（CYCIAE-50）的总体设计考虑和主磁铁系统的优化设计过程及结果。确定了CYCIAE-50主磁铁的主要尺寸参数,建模计算出满足等时性的主磁铁中心平面磁场。通过调整参数,优化了主磁铁的峰值磁场、局部饱和等,以控制建造及运行成本。优化了磁极张角与磁气隙高度等参数,使负氢离子满足轴向和径向的聚焦要求,避免穿越有害共振。最后对主磁铁的结构进行形变校核,并估计了形变对束流动力学的影响。设计结果表明,CYCIAE-50的主磁铁设计符合要求,可为后续其他系统的设计和建造提供重要参考。     

100MeV回旋加速器主磁铁的施工设计和工程进展

CYCIAE一100主磁铁成品重量约为416t，所用钢水量约1000t，关键部件精加工精度要求达到0．05mm，磁场垫补加工精度要求好于0．02mrn，属重型大型精密磁铁，技术要求极具挑战性。2008年是主磁铁工程取得重要进展的一年，磁极毛坯件运抵院内；盖板和磁轭浇铸成功，粗加工完成；冷加工施工设计完成，招标并签订了冷加工合同。     

基于台阶垫补的磁场优化算法研究

在回旋加速器磁铁设计过程中,磁场优化是非常重要的一个环节。由于加速器磁铁的磁场响应随着磁极台阶高度变化呈现非线性的特点,使得在优化复杂的磁场时,计算过程复杂、时间成本高且需要手动迭代。以1台圆形轴对称磁铁垫补为例,发展了磁场优化算法。利用三维电磁场仿真软件CST和数据分析软件MATLAB,研究了单个台阶垫补块对中心平面上不同半径处磁场幅值的影响,实现了一种自动优化磁场的算法,并以磁场降落指数为0.2的磁场为优化模拟实例,最终求得了对应的磁极台阶高度,证明了本算法的可行性和便捷性。