一种磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁

摘要

本公开提供了一种磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁，包括：磁轭、一对磁极、补偿磁块、主励磁线圈和次励磁线圈；对于每个所述磁极，其根部装配有所述次励磁线圈，其头部装配有所述主励磁线圈，在所述主励磁线圈的外围设置有所述补偿磁块。本公开的磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁，具有较宽范围的均匀的磁场梯度，甚至是均匀磁场梯度变化率不为零的磁场梯度，并且具有就地校正色品性能。

说明书

技术领域

本公开涉及加速器领域及带电粒子输运领域，尤其涉及一种磁场梯度可调变的二四极组合场弯转磁铁。

背景技术

圆形带电粒子加速器问世以来，就提出了粒子横向运动的弱聚焦理论。描述径向x和轴向z的横向运动轨道方程为：

其中，s为轨道坐标，ρ为圆弧轨道半径，p为粒子动量，B_z为使得粒子沿圆弧轨道旋转的磁场，n称为磁场降落指数。为了使得粒子能够稳定地加速，要求磁场降落指数满足的条件为：

0＜n＜1

从上世纪五十年代美国学者库兰特教授提出交变梯度聚焦理论之后，提出磁场降落指数可以远离0＜n＜1区域的强聚焦概念，现代圆形加速器大多采用强聚焦概念。此理论中，引入了磁场梯度的概念，即

磁场梯度的单位为T/m。并且引入了聚焦强度的概念，单位为m^-2(在米千克秒制中)，

或(在混合单位制中)

此式中，Bρ称为磁刚度，单位为Tm。当k＞0，即K＞0时，磁场对径向运动有聚焦作用，对轴向运动有散焦作用；当k＜0，即K＜0时，磁场对径向运动有散焦作用，对轴向运动有聚焦作用。库兰特教授的论文阐述了，当k＞0和k＜0的两种磁铁排列合适时，对加速器的束流横向运动有很强的聚焦作用，被加速束流的包络可以很小，储存束流的真空管道尺寸可以降低一至二个量级，磁场的孔径大为降低。这样，建造同样能量的加速器的费用大为降低。当时，为了获得高磁场梯度，将引导粒子做回旋运动的二极磁场与有聚焦作用的四极磁场分离开来，实行分离作用的磁聚焦结构。

近十年，各地先进同步辐射光源储存环建造，为了降低束流的包络，开始利用k＜0，即K＜0时磁场对轴向运动有聚焦作用的概念，在弯转磁铁中添入k＜0的四极磁场的成分。这样做，有利于降低束流的发射度(束流包络)。近几年在先进光源储存环中，开始使用具有二四极组合磁场的弯转磁铁，以降低束流发射度。但是，现有的具有二四极组合磁场的弯转磁铁的四极磁场分量不可调变，即弯转磁铁的磁场梯度往往不具有可调变性能。

公开内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述技术问题，本公开提供了一种磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁。

(二)技术方案

本公开提供了一种磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁，包括：磁轭、一对磁极、补偿磁块、主励磁线圈和次励磁线圈；对于每个所述磁极，其根部装配有所述次励磁线圈，其头部装配有所述主励磁线圈，在所述主励磁线圈的外围设置有所述补偿磁块。

在本公开的一些实施例中，对于每个所述磁极，其内侧磁面为斜面，其外侧磁面为拟式双曲线面。

在本公开的一些实施例中，对于每个所述磁极，其内侧磁面为斜面，其外侧磁面为平滑连接的多段拟式双曲线面。

在本公开的一些实施例中，所述拟式双曲线符合公式(1)所示的函数：

其中，|δ₁|＜1，|δ₂|＜1，x、y分别是径向坐标和轴向坐标，C是常数。

在本公开的一些实施例中，其磁场梯度变化率随每个所述磁极磁面的形状参数变化而变化。

在本公开的一些实施例中，所述次励磁线圈通有反向或正向辅助励磁电流。

在本公开的一些实施例中，所述主励磁线圈和次励磁线圈的电流安匝数可调节。

本公开提供了一种二四极组合磁场弯转磁铁的磁场梯度调变方法，包括：步骤S1：在二四极组合磁场弯转磁铁的磁极根部装配次励磁线圈，在其头部装配主励磁线圈；步骤S2：在主励磁线圈的外围设置补偿磁块；步骤S3：调节二四极组合磁场弯转磁铁的外侧磁面，使其外侧磁面为拟式双曲线面；或者，步骤S3’：调节二四极组合磁场弯转磁铁的外侧磁面，使其外侧磁面为平滑连接的多段拟式双曲线面；步骤S4：微调二四极组合磁场弯转磁铁的极面形状参数，从而调节磁场梯度变化率。

在本公开的一些实施例中，在步骤S4中，调节二四极组合磁场弯转磁铁的次励磁线圈安匝数，从而调节磁场梯度；和/或，向次励磁线圈通入反向或正向辅助励磁电流，调节二四极组合磁场弯转磁铁反向的次励磁线圈安匝数，拓展磁场梯度的调整范围。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

本公开的磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁，具有较宽范围的均匀的磁场梯度，甚至是均匀磁场梯度变化率不为零的磁场梯度，并且具有就地校正色品性能。

附图说明

图1(a)、图1(b)分别为本发明实施例磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁的结构示意图与其下半部分的剖视图。

图2为组合磁场弯转磁铁的二维模型。

图3为拥有双曲线极面的组合二四极磁场弯转磁铁的磁场梯度图。

图4为多个δ值拟式双曲线函数平滑连接组合磁场弯转磁铁的磁间隙右侧极面数据与纯双曲线组合磁场弯转磁铁的磁间隙右侧极面数据的比值随径向坐标的变化曲线。

图5(a)为17-19T/m型号组合磁场弯转磁铁的二维磁力线分布图；图 5(b)为17-19T/m型号组合磁场弯转磁铁的磁间隙范围中心水平面磁场分布；图5(c)为17-19T/m型号组合磁场弯转磁铁的磁场梯度k＜0径向区域分布示意图；图5(d)为17-19T/m型号组合磁场弯转磁铁的±5.0×10^-4均匀磁场梯度分布区域图。

图6拥有次励磁线圈可调变磁场梯度的组合磁场弯转磁铁，其磁场梯度随次级励磁线圈安匝数的变化：由图6(a)到图6(f)，安匝数为0～500AN，调变跨度0.907T/m，其中，

图6(a)和图6(b)分别为在-6.57～-5.56cm区域磁场梯度变化范围 -19.367～-19.387T/m，-6.10cm处磁场为0.1935T的中心水平面磁场梯度随径向分布和中心水平面均匀磁场梯度区域磁场的线性分布；

图6(c)和图6(d)分别为在-6.58～-5.57cm区域磁场梯度变化范围 -19.186～-19.206T/m，在-6.10cm处磁场为1.0830T的中心水平面磁场梯度随径向分布和中心水平面均匀磁场梯度区域磁场的线性分布。

图6(e)和图6(f)分别为在-6.58～-5.58cm区域磁场梯度变化范围 -19.025～-19.005T/m，在-6.10cm处磁场为1.0728T的中心水平面磁场梯度随径向分布和中心水平面均匀磁场梯度区域磁场的线性分布。

图6(g)和图6(h)分别为在-6.59～-5.59cm区域磁场梯度变化范围 -18.843～-18.823T/m，在-6.10cm处磁场为1.0624T的中心水平面磁场梯度随径向分布和中心水平面均匀磁场梯度区域磁场的线性分布。

图6(i)和图6(j)分别为在-6.59～-5.50cm区域磁场梯度变化范围 -18.642～-18.662T/m，在-6.10cm处磁场为1.0520T的中心水平面磁场梯度随径向分布和中心水平面均匀磁场梯度区域磁场的线性分布。

图6(k)和图6(l)分别为在-6.60～-5.61cm区域磁场梯度变化范围-18.480～-18.460T/m，在-6.10cm处磁场为1.0416T的中心水平面磁场梯度随径向分布和中心水平面均匀磁场梯度区域磁场的线性分布。

图6(m)和图6(n)分别为在-6.50～-5.70cm区域磁场梯度在-1938.40 T/m邻域有径向坐标增长有增大的波动，在-5.832cm处磁场为1.0416T 的中心水平面磁场梯度随径向分布和中心水平面均匀磁场梯度区域磁场的线性分布。

图7(a)为磁场梯度变化率为非零常数的磁场梯度随径向分布图，图7(b) 为磁场梯度分布为左图梯度分布曲线底部放大示意图。

图8(a)为组合磁场弯转磁铁可以具有随径向坐标有线性关系的磁场梯度分布，图8(b)为磁场梯度分布为左图梯度分布曲线底部的放大示意图。

图9为在7mm范围内随径向坐标有线性关系磁场梯度分布对应的磁场分布图。

图10显示了磁场梯度随径向分布曲线，图10(a)为梯度分布曲线全图，梯度为-17.4685T/m，图10(b)显示了在-5.6～-6.61cm区域内梯度均匀性为±4.9·10^-4，图10(c)为主励磁线圈9371AN，次励磁线圈0AN，-6.1cm>

图11显示了主励磁线圈励磁电流安匝数5406AN，次励磁线圈励磁电流安匝数为零，随径向的磁场分布与磁场梯度分布，图11(a)为中心水平面磁场梯度随径向分布曲线图，图11(b)为局部示意图，其中，在-6.65 cm～-5.57cm区域的磁场梯度为-10.089T·m^-1，均匀性达到±5.0·10^-4，图11(c)显示了均匀磁场梯度区域的磁场随径向是线性变化的：在-6.1cm>

图12显示了主励磁线圈励磁电流安匝数5406AN，辅助励磁电流安匝数-250AN的磁场与磁场梯度随径向分布，图12(a)为中心水平面磁场梯度随径向分布曲线，图12(b)为局部示意图，其中，在-6.64cm～-5.58cm 区域的磁场梯度为-10.555T·m^-1，均匀性达到±4.7·10^-4，图12(c)显示了均匀磁场梯度范围的磁场随径向线性分布：在-6.10cm处磁场为0.5950>

图13为主励磁线圈励磁电流安匝数5406AN，辅助励磁电流安匝数为-1000AN的磁场与磁场梯度随径向分布，图13(a)为中心水平面磁场梯度随径向分布曲线，图13(b)为局部示意图，在-6.64cm～-5.57cm区域的磁场梯度为-11.9495T·m^-1，均匀性达到±4.6·10^-4，图13(c)显示了均匀磁场梯度范围的磁场分布：6750T/5406AN～-1000AN。

图14为二四极组合磁场弯转磁铁的磁场梯度调变方法流程图。

符号说明

1-磁轭；2-磁极；3-补偿磁块；4-主励磁线圈；5-次励磁线圈；6-内侧磁面；7-外侧磁面。

具体实施方式

本申请在组合二四极磁场弯转磁铁的探索研究中发现，有可能基于此种弯转磁铁的二极磁场B_z基本不变状态下，可单独调变磁场梯度值。如果二四极组合磁场弯转磁铁具有可调变磁场梯度的功能，且具有较宽范围的～5.0×10^-4均匀性的磁场梯度，则此种弯转磁铁在低发射度高亮度储存环磁聚焦结构中具有较高的使用价值。同时如果此种弯转磁铁，具有合适的六极磁场分量，则同时具有了就地校正色品的性能。

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供了一种磁场梯度可调变的二四极组合磁场弯转磁铁，如图1所示，该二四极组合磁场弯转磁铁为C型弯转磁铁，包括：磁轭1、一对磁极2、补偿磁块3、主励磁线圈4和次励磁线圈5。

对于每个磁极2，其根部装配有次励磁线圈5，其头部装配有主励磁线圈4，在主励磁线圈4的外围设置有补偿磁块3。所谓根部是指磁极2 靠近磁轭1的部分，头部是指磁极2远离磁轭1的部分。

现有的二四极组合磁场弯转磁铁，如图2所示，其磁间隙外侧为双曲线面，其磁间隙内侧为斜面。对极间隙外侧进行优化调整后，可以获得磁场梯度好于～5.0×10^-4均匀高磁场梯度的组合磁场。基于C型弯转磁铁，对极面进行了削斜与双曲线面优化处理，以及调零处理，在双曲线面形状之间的磁间隙部分，也获得了磁场梯度±5.0×10^-4均匀性度，但其均匀磁场梯度的好场区大体上只能拓宽至4mm左右，如图3所示。因此，现有的基于弯转磁铁的组合磁场弯转磁铁，均匀磁场梯度超过4mm是很困难的，现有技术存在均匀磁场梯度的好场区过小的问题。

在本实施例的一个示例中，二四极组合磁场弯转磁铁磁间隙右侧的双曲线面替换为拟式双曲线面。申请人对纯粹双曲线极面的四极磁铁进行了研究，发现了纯双曲线极面的四极磁铁，其5.0×10^-4均匀性的磁场梯度，其有效孔径内的好场区也是有限的。申请人定义类似双曲线的一种函数：

其中，|δ₁|＜1，|δ₂|＜1，x、y分别是图2中的径向坐标和轴向坐标，>

本实施例以函数

xy^1-δ＝c(2)

为例予以说明。求其一阶导数得到

在|δ|＜1条件下，此一阶导数均为负数。

在本示例中，对于每个磁极2，其内侧磁面6为斜面，其外侧磁面7 为拟式双曲线面，即二四极组合磁场弯转磁铁的径向与轴向形成一平面，其外侧磁面7在该平面上的轮廓线为拟式双曲线，所述拟式双曲线符合公式(1)所示的函数。所谓内侧是指朝向径向坐标值减小的一侧，所谓外侧是指朝向径向坐标值增大的一侧。

申请人进行了磁场梯度为-10～-25T/m之间的若干型号的组合磁场的弯转磁铁的二维计算。当外侧极面的拟式双曲线采用单值δ与xy^1-δ＝C₁的拟式双曲函数时，可以获得±5.0×10^-4均匀性的磁场梯度范围，中心水平面的径向范围从4.0mm拓展至8～10mm，均匀磁场梯度的好场区的宽度有了明显的改善。

本示例采用拟式双曲线函数取代双曲线函数修改组合磁场弯转磁铁的极面形状，得到较宽范围的均匀的磁场梯度，甚至是均匀磁场梯度变化率不为零的磁场梯度。相对于人为地逐点调整双曲线面间隙的尺寸，速度快，耗费时间少。

在本实施例的另一个示例中，考虑到磁场梯度与磁极间隙有直接关联，采用多段微调δ值的拟式双曲线函数平滑连接组合弯转磁铁的弧线极面，以进一步拓展均匀磁场梯度±5.0×10^-4的范围，以降低高阶磁场对束流动力学孔径的影响。

本示例中，二四极组合磁场弯转磁铁外侧磁面7为平滑连接的多段拟式双曲线面，即二四极组合场弯转磁铁的径向与轴向形成一平面，其外侧磁面7在该平面上的轮廓线为多段平滑连接的拟式双曲线，拟式双曲线符合公式(1)所示的函数且每段拟式双曲线对应一个δ值，即每段拟式双曲线对应一个δ₁值或和δ₂值。当采用单值δ时，每段拟式双曲线对应一个δ值。

本示例采用多个δ的拟式双曲线函数平滑连接，如图4所示，不难看出极面间隙变化斜率有很大的区别，构成的组合磁场弯转磁铁二维磁铁模型、磁力线分布、磁间隙范围磁场分布、磁间隙磁场梯度(k＜0)分布、±5.0％均匀磁场梯度区域(-6.56cm～-5.56cm)分布示于图5。

在低发射度圆型同步加速器中，采用高磁场梯度的组合磁场弯转磁铁有利于强化弯转磁铁的轴向聚焦作用。这是毫无疑问的。本实施例可以将磁场梯度±5.0％％均匀性范围，从径向4.0mm拓展至10.0mm。为了获得磁场梯度可调性能，本实施例将传统的一组励磁线圈分割为两组励磁线圈：主励磁线圈4，次励磁线圈5，主励磁线圈和次励磁线圈的电流安匝数的调变范围以在磁轭内磁场远离磁性材料的饱和磁场为限。对于每个磁极，其根部装配有次励磁线圈，其头部装配有主励磁线圈，如图1所示。图6 显示了次励磁线图安匝数分别为0.0、100、200、300、400、500等6个数据对应磁场梯度分布。

由图6(a)至图6(n)不难看出，主励磁线圈安匝数调变范围从零调至500 AN数，磁场梯度调变范围为从-19.377T/m～-18.47T/m，跨度为0.907 T/m，均匀磁场梯度范围基本上没有变化。由图6(m)与图6(a)可以看出，主次励磁线圈不改变励磁线圈安匝数条件下，坐标点x＝-5.832cm与 x＝-6.10cm的磁场梯度值仅相差±0.5％％。因此，可以借助常规的闭轨校正技术与次励磁线圈励磁电流安匝数调整技术配合使用，闭轨处的磁场基本维持不变，而此组合磁场弯转磁铁的磁场梯度得以调变。

在本实施例的另一个示例中，二四极组合磁场弯转磁铁具有就地校正色品性能，即二四极组合磁场弯转磁铁的磁场梯度随径向是线性变化的。图7显示的二四极组合磁场弯转磁铁的磁场梯度，在原均匀磁场梯度的组合磁场弯转磁铁的磁间隙范围内，出现了磁场梯度变化率，的区域。这说明，通过微调极面形状参数可调变磁场梯度变化率，g₀≠0的状态，这通过调节个别极面坐标来实现。图7中，在>-1。

由图8和图9可以看出，当束流的闭轨位置选择在x＝-6.05cm处，在±3.5mm范围内，具有就地色品校正性能。

在本实施例的另一个示例中，二四极组合磁场弯转磁铁采用反向的次励磁线圈安匝数可以拓展磁场梯度的调整范围。

不改变极面几何参数情况下，可以借助调整主励磁线圈安匝数的措施，将主励磁线圈的安匝数下调至9371AN，磁场为0.985T，磁场梯度为 -17.4685T/m，且不改变好于±5％％均匀磁场梯度的指标。如：图10是改变主励磁线圈励磁电流安匝数为9371AN，次励磁线圈励磁电流安匝数为零时磁场与磁场梯度分布，均匀磁场梯度范围基本没有变化。

将主励磁线圈励磁电流安匝数从9371AN调至5406AN，磁场梯度从图10中的-1746.85Gauss·cm^-1降低至图11中的-1008.9Gauss·cm^-1，而均匀磁场梯度范围基本没有变化。根据前面的论述，工作磁场可以借助闭轨校正技术基本维持不变。

当主励磁线圈励磁电流安匝数5406AN维持不变，而次励磁线圈采用反向辅助励磁电流安匝数调变时，次励磁线圈的电流安匝数以不降低均匀磁场梯度范围为限，比如-250AN～-1000AN时，磁场梯度可以从-1008.9 Gauss·cm^-1升至-1055.5Gauss·cm^-1，以至于升至-1194.95Gauss·cm^-1，调变量接近20％。详见图11、图12和图13。

本公开另一实施例，还提供了一种二四极组合磁场弯转磁铁的磁场梯度调变方法，如图14所示，包括：

步骤S1：在二四极组合磁场弯转磁铁的磁极根部装配次励磁线圈，在其头部装配主励磁线圈。

步骤S2：在主励磁线圈的外围设置补偿磁块。

还包括：

步骤S3：调节二四极组合磁场弯转磁铁的外侧磁面，使其外侧磁面为拟式双曲线面，即二四极组合磁场弯转磁铁的径向与轴向形成一平面，其外侧磁面在该平面上的轮廓线为拟式双曲线，所述拟式双曲线符合公式(1) 所示的函数。

或者，

步骤S3’：调节二四极组合磁场弯转磁铁的外侧磁面，使其外侧磁面为平滑连接的多段拟式双曲线面，即二四极组合磁场弯转磁铁的径向与轴向形成一平面，其外侧磁面在该平面上的轮廓线为多段平滑连接的拟式双曲线，拟式双曲线符合公式(1)所示的函数且每段拟式双曲线对应一个δ值，即每段拟式双曲线对应一个δ₁值和δ₂值。当采用单值δ时，每段拟式双曲线对应一个δ值。

步骤S4：微调二四极组合磁场弯转磁铁的极面形状参数，从而调节磁场梯度变化率。

在步骤S4中，调节二四极组合磁场弯转磁铁的次励磁线圈安匝数，从而调节磁场梯度；或者，向次励磁线圈通入反向辅助励磁电流，调节二四极组合磁场弯转磁铁反向的次励磁线圈安匝数，拓展磁场梯度的调整范围。

至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。