本發明專利技術公開了一種交叉垂直雙向聚焦簡化十二極場磁鐵裝置及其制造方法，該裝置包括：準直靶座、上磁軛、左磁軛、右磁軛、下磁軛、八個勵磁線包、四個屏蔽磁體、真空管道、連接導線、第一接頭和第二接頭；該方法包括以下步驟：根據欲操控帶電粒子束的全粒子尺寸，確定真空管道的內、外孔徑與極面孔徑；在確定了極面孔徑的標準十二極場磁鐵的基礎上，取消其中位于交叉垂直位置上四個磁極頭；以真空管道外直徑和極面尺寸為限，以真空管道外表面為屏蔽磁體裝配基礎，以屏蔽磁體不與磁極頭表面有直接接觸為限，選擇磁體形狀，并調整磁極頭形狀使得散焦扇區側變窄。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及核技術及其應用領域，特別涉及帶電粒子束輸運領域。
技術介紹
加速器輸出的束流橫向尺寸一般在毫米量級，其橫向分布一般是不均勻的。為了獲得較好的使用效果，一般對輸出束流進行均勻化操控，低能加速器輸出束流操控技術多數采用動態掃描磁場技術或與準直器技術結合。與準直器技術結合時，丟失的帶電粒子會對環境造成放射。近幾十年來，領域內開始考慮發展質子束驅動次臨界核反應堆，并做了一些研究工作，此方向稱為加速器驅動的次臨界反應堆，簡稱ADS。因此，ADS是將加速器裝置與核反應堆裝置連接在一起的一個系統。由于ADS系統要求加速器輸出功率在IOMW左右，而加速器驅動的次臨界反應堆可能輸出1000MW的熱功率，人們又稱ADS為能量放大器。 一般的加速器裝置輸出的最大束流功率在IOkW左右，而ADS要求的束流功率在IOMW左右。ADS系統中的加速器輸出束流功率(流密度)極高。為了在反應堆中產生的功率有較好的均衡性，通常會要求驅動質子束比較均勻地撞擊重金屬靶。同時，加速器總是工作在高真空條件下，而核反應堆并不要求真空條件，為了滿足束流傳輸的真空條件必須在重金屬靶前用金屬窗膜(稱為質子束窗)將兩個裝置隔離。為了不使得高功率質子束燒蝕質子束窗，也必須將加速器輸出的束流進行均束化拓展。目前，國際上通常采用靜態高階磁場進行高功率束流的均束化操控。目前，發表的反對稱非線性高階場磁鐵文獻，基本上屬于適用于扁平束的操控，只能夠安裝在扁平束腰處。高階磁場技術適用于高功率粒子束流的輸運傳輸，可用于加速器驅動次臨界堆的束流操控變換，也可用于其它低能量加速器輸出束流的操控變換，可降低丟失粒子對環境放射劑量率的影響。簡化高階磁場技術起源于標準高階場磁場技術，與其它的簡化高階場技術(參見郭湊、王相碁等人A novel structure of multipole field magnets andtheir applications in uniformizing beam spot at target ；NucIear Instruments andMethods in Physics Research A 691 (2012) 97-108)。文中介紹了簡化高階場技術,形成磁場的可用區域(即帶電粒子粒子能夠通過的區域)為扁長的矩形區域。文中介紹的磁鐵只能安裝在實空間截面非常扁的橢圓束位置。該文介紹的簡化高階場技術，當水平徑向是聚焦作用時，交叉垂直的另一方向散焦作用被屏蔽磁體弱化，但是屏蔽磁體也阻擋了該區域粒子運動的通道，所以這樣的簡化高階場技術不能直接用于圓形束流的束暈粒子操控。該文介紹的簡化高階場技術，在橫向的一個方向是聚焦作用，能夠將該方向的束暈粒子向束軸方向聚束，但在橫向的另一交叉垂直方向是散焦作用。因此，不能夠在束流的同一位置同時實現雙向聚焦作用。標準十二極場磁鐵，其極面孔徑內中心區域為無場區或低場區，對束核粒子運動狀態無影響，束核粒子維持運動狀態不變；其極面孔徑內其它區域內自然可劃分為十二個扇區，這些扇區的磁場都是反對稱的，且交錯排列分別為聚焦扇區和散焦扇區。因此，標準十二極場磁鐵的交叉垂直方向的扇區，很自然地，其一個方向扇區的磁場是聚焦磁場，另一個方向扇區的磁場必然是散焦磁場。欲使得十二極場磁鐵在交叉垂直方向實現雙向聚焦，唯一的方法是取消其中四個處于交叉垂直方向的磁極頭，并將其中相隔180度的二對(四個)磁極的極性進行調變，使得保留的磁極頭極性仍然交錯排列。由此，取消四個磁極頭的磁鐵，稱為簡化十二極場磁鐵(Simplified Dodecapole Field Magnet, SDFM)。這樣的簡化十二極場磁鐵極面孔徑內有四個約30度扇區的磁場是聚焦磁場，有四個約60度扇區的磁場是散焦磁場。部分聚焦扇區磁場對束暈粒子聚焦的同時，部分散焦扇區磁場對另一部分束暈粒子散焦。要想操控束暈粒子，使得束流成為無束暈的均勻化程度比較高的圓形束，必須取消至少弱化此簡化十二極場磁鐵 極面孔徑內的散焦磁場。在極面孔徑真空管道外表面敷設磁體塊對部分磁場進行屏蔽是一項可行的措施。模擬計算表明，這樣的措施是有效的。在同一直徑的圓周上，散焦扇區(對稱軸)的角向磁場與聚焦扇區(對稱軸)的角向磁場之比，從0.48降到了0.1(如圖14(&)、14(13)所示)，在散焦扇區同一圓弧段上角向磁場明顯下降。另外，必須繼續調變簡化十二極場磁鐵的極面形狀、屏蔽磁體形狀與位置，以獲得極面孔徑內散焦扇區角向磁場的整體弱化。在繼續調變極面形狀、屏蔽磁體形狀與位置后，同一圓弧段上的歸一化角向磁場降低到O. I O. 33 (如圖15所示)。特別地，沿散焦扇區對稱軸上的最高角向磁場從1000高斯下降至約300高斯，有明顯的改善(如圖16(a)、16(b)所示)。此外，在對簡化十二極場磁鐵進行弱化散焦扇區角向磁場優化設計時，使得該磁體的聚焦扇區的角向磁場產生了更高階的磁場分量，這將有利于對束暈粒子的聚焦操控(如圖17(a)、17(b)所示)。可以看出，如圖17(b)所示，優化設計后的簡化十二極場磁鐵角向磁場隨位移的變化速率，高于標準十二極場磁鐵的角向磁場隨位移的變化速率。
技術實現思路
(一 )要解決的技術問題本專利技術的目的在于提供一種交叉垂直雙向聚焦簡化十二極場磁鐵裝置，用于在交叉垂直的兩個橫向同時進行聚焦操控束暈粒子。(二)技術方案為了解決上述技術問題，本專利技術提供了一種交叉垂直雙向聚焦簡化十二極場磁鐵裝置，該裝置包括準直靶座，上磁軛、左磁軛、右磁軛、下磁軛，第一勵磁線包、第二勵磁線包、第三勵磁線包、第四勵磁線包、第五勵磁線包、第六勵磁線包、第七勵磁線包、第八勵磁線包，真空管道，第一屏蔽磁體、第二屏蔽磁體、第三屏蔽磁體、第四屏蔽磁體，連接導線，以及定位銷釘、連接螺栓和螺母；其中，所述準直靶座用于安裝準直靶；所述上磁軛包括第一上磁軛磁極頭和第二上磁軛磁極頭；所述左磁軛包括第一左磁軛磁極頭和第二左磁軛磁極頭；所述右磁軛包括第一右磁軛磁極頭和第二右磁軛磁極頭；所述下磁軛包括第一下磁軛磁極頭和第二下磁軛磁極頭；所述八個勵磁線包用于向所述四個磁軛上的磁極頭提供勵磁電流；所述八個勵磁線包串聯供電，使所述四個磁軛上的磁極頭極性交錯排列；所述四個屏蔽磁體安裝在所述真空管道的外表面上，并且與所述四個磁軛的磁極頭無接觸。所述連接導線用于實現所述第八勵磁線包與所述第一勵磁線包的串聯饋電，所述第二勵磁線包與所述第三勵磁線包的串聯饋電，所述第四勵磁線包與所述第五勵磁線包的串聯饋電，以及實現所述第六勵磁線包與第二接頭連接和所述第七勵磁線包與第一接頭連接；所述第一接頭和第二接頭用作不直接短接的饋電接頭與冷卻水接口 ；所述定位銷釘、連接螺栓和螺母用于所述四個磁軛之間的連接定位。優選地，所述準直靶座包括第一準直靶座、第二準直靶座、第三準直靶座和第四準直靶座。所述準直靶座由無磁不銹鋼材料制成。優選地，所述上磁軛包括準直靶座支承。所述第一和第二上磁軛磁極頭夾角為30度。所述上磁軛的準直靶座支承由無磁不銹鋼材料制成；所述上磁軛的其余部分由磁性材料制成。優選地，所述第一和第二左磁軛磁極頭夾角為30度。所述左磁軛由磁性材料制成。優選地，所述第一和第二右磁軛磁極頭夾角為30度。所述右磁軛由磁性材料制成。優選地本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種交叉垂直雙向聚焦簡化十二極場磁鐵裝置，該裝置包括：準直靶座，上磁軛、左磁軛、右磁軛、下磁軛，第一勵磁線包、第二勵磁線包、第三勵磁線包、第四勵磁線包、第五勵磁線包、第六勵磁線包、第七勵磁線包、第八勵磁線包，真空管道，第一屏蔽磁體、第二屏蔽磁體、第三屏蔽磁體、第四屏蔽磁體，連接導線，以及定位銷釘、連接螺栓和螺母；其中，所述準直靶座用于安裝準直靶；所述上磁軛包括第一上磁軛磁極頭和第二上磁軛磁極頭；所述左磁軛包括第一左磁軛磁極頭和第二左磁軛磁極頭；所述右磁軛包括第一右磁軛磁極頭和第二右磁軛磁極頭；所述下磁軛包括第一下磁軛磁極頭和第二下磁軛磁極頭；所述八個勵磁線包用于向所述四個磁軛上的磁極頭提供勵磁電流；所述八個勵磁線包串聯供電，使所述四個磁軛上的磁極頭極性交錯排列；所述四個屏蔽磁體安裝在所述真空管道的外表面上，并且與所述四個磁軛的磁極頭無接觸。所述連接導線用于實現所述第八勵磁線包與所述第一勵磁線包的串聯饋電，所述第二勵磁線包與所述第三勵磁線包的串聯饋電，所述第四勵磁線包與所述第五勵磁線包的串聯饋電，以及實現所述第六勵磁線包與第二接頭連接和所述第七勵磁線包與第一接頭連接；所述第一接頭和第二接頭用作不直接短接的饋電接頭與冷卻水接口；所述定位銷釘、連接螺栓和螺母用于所述四個磁軛之間的連接定位。...
【技術特征摘要】
1.一種交叉垂直雙向聚焦簡化十二極場磁鐵裝置，該裝置包括準直靶座，上磁軛、左磁軛、右磁軛、下磁軛，第一勵磁線包、第二勵磁線包、第三勵磁線包、第四勵磁線包、第五勵磁線包、第六勵磁線包、第七勵磁線包、第八勵磁線包，真空管道，第一屏蔽磁體、第二屏蔽磁體、第三屏蔽磁體、第四屏蔽磁體，連接導線，以及定位銷釘、連接螺栓和螺母；其中， 所述準直靶座用于安裝準直靶； 所述上磁軛包括第一上磁軛磁極頭和第二上磁軛磁極頭；所述左磁軛包括第一左磁軛磁極頭和第二左磁軛磁極頭；所述右磁軛包括第一右磁軛磁極頭和第二右磁軛磁極頭；所述下磁軛包括第一下磁軛磁極頭和第二下磁軛磁極頭； 所述八個勵磁線包用于向所述四個磁軛上的磁極頭提供勵磁電流；所述八個勵磁線包串聯供電，使所述四個磁軛上的磁極頭極性交錯排列； 所述四個屏蔽磁體安裝在所述真空管道的外表面上，并且與所述四個磁軛的磁極頭無接觸。所述連接導線用于實現所述第八勵磁線包與所述第一勵磁線包的串聯饋電，所述第二勵磁線包與所述第三勵磁線包的串聯饋電，所述第四勵磁線包與所述第五勵磁線包的串聯饋電，以及實現所述第六勵磁線包與第二接頭連接和所述第七勵磁線包與第一接頭連接； 所述第一接頭和第二接頭用作不直接短接的饋電接頭與冷卻水接口； 所述定位銷釘、連接螺栓和螺母用于所述四個磁軛之間的連接定位。2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述準直靶座包括第一準直靶座、第二準直靶座、第三準直靶座和第四準直靶座。3.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述準直靶座由無磁不銹鋼材料制成。4.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述上磁軛包括準直靶座支承。5.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二上磁軛磁極頭夾角為30度。6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述上磁軛的準直靶座支承由無磁不銹鋼材料制成；所述上磁軛的其余部分由磁性材料制成。7.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二左磁軛磁極頭夾角為30度。8.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述左磁軛由磁性材料制成。9.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二右磁軛磁極頭夾角為30度。10.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述右磁軛由磁性材料制成。11.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述下磁軛還包括磁鐵安裝底座。12.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二下磁軛磁極頭夾角為30度。13.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述磁鐵安裝底座由無磁不銹鋼材料制成；所述下磁軛的其余部分由磁性材料制成。...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王相綦，羅煥麗，李想，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
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