用于束流矫正的电磁技术研究

北京电子科技职业学院 孙世菊 王 雪

1.引言

导向磁铁是束流调试的必备元件，为了节省费用，减小束流线的空间，缩短束流线的尺寸，我们在原有单向矫正束流的基础上，开发研制了单磁铁双向扫描的导向磁铁。通过两个方向的磁场耦合，可以对束流进行精确地矫正。

2.导向磁铁磁场计算

假设导向磁铁需要偏移的了离子为质子，导向磁铁与下一个元件之间的距离为L，导向磁铁需要矫正的距离为X或Y，如图1所示。

图1 导向磁铁扫描示意图Fig.1 Sketch map of the x-y steering magnet scanner

根据磁刚度公式：[3]

可以计算出质子在导向磁铁中的偏转半径：

其中：

W为离子能量（动能），W0为离子静止能量，对于质子，W0=938.26MeV，B的单位为Gauss。

导向磁铁磁轭长度ι为80mm，扫描磁铁的扫描范围X或Y，由θ≈tgθ=X/L或Y/L（L为扫描长度），可以计算出扫描角度。再由 ，可以得到值ρ，再由公式（2）计算可得所需的磁场强度。

根据我们实际的需求，在X方向需要偏移±20mm，Y方向需要偏移±40mm，可以计算得到：

偏转半径：

当质子能量分别为25keV、30keV、35keV时，对应的磁场强度如表1所示。

表1 磁场强度

根据最大能量，XY导向磁铁所需的最大调节磁场为±116.7Gs。

3.导向磁铁结构

在导向磁铁的设计过程中，磁轭是一个正规的同心圆圆柱，其结构模型如图2所示。该磁轭是由低碳钢加工而成的一个圆环性磁轭，在磁轭上面绕有两对线包，内层为左右一对线包，外层为上下一对线包，在环的中心形成互相正交的两个方向的磁场，改变电流的大小，可以改变这个合成磁场的大小方向，即可用来校正束流的中心轨道如图2。

该导向磁铁是采用ANSYS[4]计算得到的磁场分布，其结果如图3所示。图中显示出了左右一对线包的磁场分布情况，另外一对线包和图示相同也是180度对称，相对图示中的一对线包旋转90度叠加在一起的。这四个线包形成两个正交磁场，通过调节两个方向磁场强度，从而形成对束流运动起360度的导向作用的磁场。励磁线圈采用直径为1.5mm的漆包线绕制，每个线包的安匝数为1500，电流为2.5A，电压约为2.3V，目前该导向磁铁的供电电源是两台30V/±5A稳流电源。在最大电流时，测得磁场强度如图4所示，图中以导向磁铁中心为中心点，沿着半径方向测量磁场强度。从图中可以看出，半径为5mm处磁场强度大约为160Gs，半径为30mm处得磁场约为120Gs，可以矫正束流最大偏移。

图2 导向磁铁磁轭模型

图3 圆形导向磁铁磁场分布Fig.3 Circular steering magnetic field distribution

图4 径向磁场强度

4.磁场测量

根据以上设计，完成了导向磁铁的绕制，如图5所示。在实际绕制过程中，为了防止导向磁铁过热而破坏导线的绝缘漆，在每层导线之间增加了绝缘层，从而导致绕制导线厚度增加。由于空间有限，在导线厚度增加的情况下减少了导线匝数，为此需要测量磁场强度如图5。

磁场测量结果如图6所示，从图中可以看出，两个方向都小于理论设计值，这是由于导线匝数小于理论值的结果。而y方向的磁场小于x方向，这是因为y方向是外圈，它的绕线匝数比x方向的内圈匝数少40匝，从而导致磁场比较小。

图5 导向磁铁实物图Fig.5 Picture of the x-y steering magnet

图6 磁场测量结果

5.结论

文章给出了导向磁铁设计、绕制、检测的全过程，并通过磁场测量结果与理论设计结果的比较，由于实际工程原因磁场略低于理论值，但仍在实用范围之内。目前该磁铁已经安装在束流线上，使用状态良好。由于该磁铁采用漆包线绕制，仅在最外层增加一层玻璃丝带来保护线圈外部漆的脱落，所以这种磁铁的通气性好，可以在高真空内部使用。另外，在大气中可采用同样的方式来绕制、使用这种磁铁。若是其磁场强度较高时，需要采用内水冷的导线代替漆包线。

[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]桂伟燮,荷电粒子加速器原理[M].北京:清华大学出版社,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.