用于圆形离子加速器的磁性结构的制作方法与工艺

本发明大体上涉及圆形离子加速器，更尤其涉及超导同步回旋加速器。更详细地，本发明涉及用于圆形离子加速器的磁体结构，更尤其涉及用于超导同步回旋加速器的磁性结构。

背景技术：
超导同步回旋加速器的典型磁性结构大体上包括冷量结构(coldmassstructure)，所述冷量结构包括至少两个超导磁性线圈(即，包括在标称温度下具有超导性的材料的磁性线圈)、以及与磁性线圈相关联的绕线筒。一低温恒温器大体上包围该冷量结构，并且形成用于将冷量结构保持在真空下的真空腔。冷量结构用一或多个干燥低温制冷机单元在标称温度(磁性线圈在该标称温度具有超导性)下冷却。磁体结构进一步包括磁轭结构，所述磁轭结构环绕低温恒温器。这种磁轭结构大体上包含上部件、下部件、一对极点部件及径向环绕磁性线圈的返回磁轭。美国专利US7,656,258描述了这种用于例如在超导同步回旋加速器中产生磁场的磁性结构。磁体结构包括如被引用专利的图10中所图示的数个干燥低温制冷机单元(用附图标记26表示的单元)，用于在线圈变得具有超导性的温度之下冷却冷量结构21。第一干燥低温制冷机单元26竖直地定位在磁轭36的上部件之上，并且竖直地朝向冷量结构21延伸穿过磁轭结构的上部件中的孔。第二低温制冷机单元26竖直地定位在磁轭结构36的下部件之下，并且竖直地延伸穿过磁轭结构的下部件中的孔。两个额外的干燥低温制冷机单元33安装在磁轭结构的上部件之上，并且配置用于冷却线圈12、14的电流导线37、58。这种干燥低温制冷机单元的竖直定向为达到特定的标称制冷能力所必须的(例如，Gifford-McMahon类型的低温制冷机单元)。其他类型的低温制冷机单元(例如，脉冲类型的低温制冷机单元)仅在竖直位置中操作。虽然US7,656,258所披露的磁性结构设计可以以令人满意的方式工作，但尽管如此它具有一些缺点。US7,656,258所披露的磁性结构的第一个缺点存在于以下事实中：针对分别安装在磁轭结构的上部件、下部件中的各个低温制冷机单元，必须分别在磁轭结构的相对的下部件、相对的上部件中以对称的方式制造相应的孔。磁轭结构中的孔的对称性确实为保证所需的磁场性质所必须的。将理解的是，这些补充的孔在制造磁轭结构时导致了机加工时间增长。磁轭结构中的大数量的孔还导致第二个缺点，即磁轭结构效率的降低以及杂散磁场的增大。第三个缺点是由于以下事实：竖直定位的干燥低温制冷机单元增加了加速器的高度，并因此需要具有足够高的天花板的较大建筑物来容纳回旋加速器。此外，为维护目的，通过移除磁轭结构的上部件来打开这些回旋加速器。因此，在打开回旋加速器之前，必须首先将竖直布置的低温制冷机单元从冷量结构断开连接，这是主要的第四个缺点。当例如为维护目的而必须打开回旋加速器时，所述第四个缺点进一步导致了回旋加速器操作的较长停机时间周期。JOONSUN等人的出版物“DesignStudyofaK22PrototypeSuperconductingCyclotronMagnet”(IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity,IEEEServiceCenterLosAlamitos,CA,US,vol.20,no.3，2010年6月1日，第192-195页)披露了包括三个1.5WGM低温制冷机的低温系统，所述低温制冷机布置在回旋加速器的侧向上安置的分离的重冷凝容器中。用于蒸发并重冷凝的氦的导管穿过返回磁轭的上半部中的径向开口。

技术实现要素：
本发明的目标为提供用于离子加速器(例如，同步回旋加速器)中的磁性结构，所述磁性结构克服或减轻了至少一些现有技术磁性结构的上述问题。分别通过由如下内容所限定的磁性结构、以及包括所述磁性结构的同步回旋加速器来实现所述目标。一种用于圆形离子加速器中的磁体结构，包括：冷量结构，所述冷量结构包括超导磁性线圈；至少一个干燥低温制冷机单元，所述至少一个干燥低温制冷机单元与所述冷量结构耦接以用于冷却所述冷量结构；以及磁轭结构，所述磁轭结构包括返回磁轭，所述返回磁轭构造成径向地环绕所述超导磁性线圈；其中，所述返回磁轭包括开口，所述干燥低温制冷机单元被接纳在所述开口中，以便与所述冷量结构热接触。用在圆形离子加速器中的磁体结构包括：包含超导磁性线圈的冷量结构、至少一个干燥低温制冷机单元及包括返回磁轭的磁轭结构，所述干燥低温制冷机单元与所述冷量结构耦接以用于冷却所述冷量结构，所述返回磁轭配置为径向地环绕线圈。根据本发明的一个方面，返回磁轭包括开口，干燥低温制冷机单元被接纳在所述开口中，以便与所述冷量结构热接触。在优选的实施方式中，干燥低温制冷机单元以基本上垂直于磁性线圈的中心轴线的位置被接纳在开口中。优选地，两个干燥低温制冷机单元被接纳在返回磁轭中的相同开口中，其中所述两个干燥低温制冷机单元在相同的径向位置处叠加。实际上，与在相同的径向位置处使用单个低温制冷机单元相比，通过相对于返回磁轭在相同的径向位置处叠加两个低温制冷机单元，磁场的返回磁通量保持不变，因此，当安装用于增强制冷能力的第二低温制冷机单元时，不需要增大回旋加速器的直径以补偿磁通量能力的损失。在优选的实施方式中，返回磁轭包含两个开口，这两个开口由180°的角隔开，其中，在每一个开口中接纳有至少一个低温制冷机单元。因此，在最少数量开口的情况下保证磁轭结构的对称性。优选地，两个低温制冷机单元在每一个开口中叠加。冷量结构通常包括与超导磁性线圈相关联的绕线筒，其中至少一个低温制冷机单元有利地与绕线筒热接触。超导磁性线圈有利地包括与低温制冷机单元热接触的电流导线，使得低温制冷机单元同时冷却绕线筒和电流导线。因此，不必安装专用的或额外的干燥低温制冷机单元来冷却电流导线，并且因此，不必在磁轭结构中制造额外的开口。低温制冷机单元有利地具有与绕线筒的外翼部热接触的末端冷却阶段构件，并且该外翼部与磁性线圈的径向外部接触。在优选的实施方式中，磁性结构具有中心轴线和垂直于中心轴线的中平面，并且其中，接纳干燥低温制冷机单元的开口关于中平面对称。磁性结构通常包括低温恒温器，所述低温恒温器包围冷量结构，并形成用于将冷量结构保持在真空下的真空腔。所述真空腔有利地包含径向真空腔延伸件，干燥低温制冷机单元的至少一个冷却阶段被容装在所述径向真空腔延伸件中。干燥低温制冷机单元有利地包括头部件，所述头部件突出径向真空腔延伸件之外。具有用于将冷量结构保持在真空之下的真空腔的磁性结构的优选的实施例进一步包括用于支撑冷量结构的拉杆。有利地，拉杆中的每一个被部分地定位于中空管之内，所述中空管使真空腔延伸以穿过磁轭结构。所述中空管中的至少一个有利地耦接到用于在低温恒温器中产生真空的真空泵。附图说明将借助实例并参考附图来更加详细地解释本发明的这些和其它方面，在附图中：图1为包括根据本发明的磁性结构的同步回旋加速器的三维(3D)图；图2为根据本发明的磁性结构的截面示意图，截平面为含有同步回旋加速器的中心轴线的竖直平面；图3为图2的放大细节图，图示出根据本发明的磁性结构中的干燥低温制冷机单元的配置；图4为具有根据本发明的磁性结构的同步回旋加速器的截面示意图，截平面为同步回旋加速器的中平面，其垂直于同步回旋加速器的中心轴线；图5为用于根据本发明的同步回旋加速器的低温恒温器的三维(3D)图；以及图6为在磁轭结构之内的图5的低温恒温器的三维(3D)图。附图未按比例制图。总的来说，附图中的相同元件由相同的附图标记表示。具体实施方式作为本发明的图解，图1图示了包括根据本发明的磁性结构的同步回旋加速器1的优选实施例的三维图。将注意，为了清楚起见，同步回旋加速器1的呈现仅为示意性的，并且并未图示出其所有的部件和细节。磁性结构的从同步回旋加速器之外可见的主要部件为磁轭结构30，所述磁轭结构通常由铁磁性铁制成。同步回旋加速器连同其磁性结构由数个支脚5支撑在地面上。图2为图示出根据本发明的磁性结构的优选实施例的截面示意图。磁性结构包括两个圆形超导磁性线圈20、25。所述线圈具有环形形状，并且关于同步回旋加速器1的中平面对称地叠加。为实现所述想法，将注意的是，图2中图示的磁性结构的线圈例如具有1.370m的外径和1.108m的内径。大体上，这些线圈被分别命名为上线圈20和下线圈25。两个线圈20、25具有公共的中心轴线50，如图2中所示，所述公共的中心轴线50轴向地穿过线圈的中心。所述中心轴线50也形成整个磁性结构的中心轴向轴线。超导线圈20、50在轴向方向上(即，在与中心轴线50平行的方向上)产生线圈磁场。线圈包括例如作为超导材料的NbTi，并且通常在4.5K下操作，电流密度约为55.6A/mm2，以提供约3.33特斯拉的线圈磁场。或者，可使用其他超导导体材料，诸如Nb-3Sn导体之类。如上所述，磁性结构包括由数个部件构成的磁轭结构30。可根据图2区分出磁轭结构的以下主要部件：上磁轭部件31、下磁轭部件32、一对极点部件33、34和所谓的返回磁轭35。返回磁轭35径向地环绕线圈20、25布置。为实现所述想法，将注意，图2的返回磁轭35例如具有约1.590m的内径和约0.455m的径向厚度。超导线圈20、25与磁轭结构一起产生出在磁性结构的两个极点之间的组合磁场。本文中所指的原型例如为具有磁性结构的250MeV质子同步回旋加速器，所述磁性结构经设计用于提供约5.6特斯拉的总磁场，以便在圆形加速过程期间使质子转弯。为了实现所述想法，将注意，所述同步回旋加速器的整个磁性结构例如具有约2.5m的直径和1.56m的高度，并且具有约45.000kg的总重量。图3为图2的截面图解的部分放大图。超导线圈20、25由线圈支撑结构支撑，所述线圈支撑结构包括被称为绕线筒27的机械容装结构27、以及线圈支撑板28、29。绕线筒通常由铝制成。当在操作中时，上线圈20和下线圈25对彼此施加大的轴向吸引力，还产生向外径向力。绕线筒27经设计具有用于抵抗这些力的形状：它基本上具有与两个线圈的径向外部接触的外翼部和在线圈之间用于抵抗轴向引力的内翼部。绕线筒的外翼部和内翼部两者都具有多个孔，用于提供通向同步回旋加速器的各个部件的通路。支撑两个线圈20、25的绕线筒27还与两个线圈20、25热耦接。线圈支撑结构还包含上线圈支撑板28和下线圈支撑板29，这些线圈支撑板具有环形形状，并固定到绕线筒27。所述线圈支撑板28、29优选地由不锈钢制成。所述线圈支撑板28、29和绕线筒27协作以封装线圈并将线圈固定就位。线圈20、25进一步由隔热罩60围绕。所述隔热罩优选地由铝合金制成。具有支撑结构27、28、29的上超导线圈20和下超导线圈25被称为磁体结构的冷量结构，因为这些部件保持在线圈20、25的导体变得具有超导性的温度以下。整个冷量结构优选地封装在低温恒温器70中，该低温恒温器形成用于将冷量结构保持在真空下的真空腔(例如参见图4、图5和图6)。通过使用干燥低温制冷机单元来冷却冷量结构。关于用语“干燥”，理解为线圈维持在干燥条件下，即不将所述线圈浸没在冷却液体(例如，液体氦)中。相反，冷量结构与一个或多个干燥低温制冷机单元热耦接。所述干燥低温制冷机单元可商购。如图2和图3中所图示，在返回磁轭35中制造出沿径向方向的通口以接纳干燥低温制冷机单元10。在该实例中，干燥低温制冷机单元10在以下位置中：其纵轴线基本上垂直于同步回旋加速器1的中心轴线50。换句话说，如图1中所图示，如果同步回旋加速器1经其支脚5位于地面上，干燥低温制冷机10单元基本上在水平位置中。当将干燥低温制冷机单元10垂直于中心轴线50定位时，关于该取向存在一定公差。在所示实例中，低温制冷机单元10优选地相对于中心轴线50成90°+/-5°的角，并且更优选地成90°+/-2°的角。当干燥低温制冷机单元(例如Gifford-McMahon类型的干燥低温制冷机单元)相对于地面处于这种水平位置中时，制冷功率将低于其标称制冷功率，即制冷功率通常降低15％。例如，在竖直位置中具有1.5W的标称制冷功率的干燥低温制冷机在水平位置中将仅具有1.3W的制冷功率。在每个低温制冷机单元具有1.3W的制冷功率以及同步回旋加速器处于操作中(即，产生束)的情况下，需要四个干燥低温制冷机单元来冷却本实例的冷量结构到4.5K的温度。四个低温制冷机10、11、12、13的水平布置图示在图2中。优选地，返回磁轭35中的开口构造成可接纳两个叠加的干燥低温制冷机单元(如图3中更为详细地图示)。两个低温制冷机单元10、11优选地定位成使得它们的纵轴线垂直于中心轴线50，并且更加优选地，两个干燥低温制冷机单元相对于返回磁轭35位于相同的径向位置处。以这种方式，磁场的返回磁通量保持不变，并且不需要增加回旋加速器的直径以补偿由于安装第二干燥低温制冷机单元而造成的磁通量能力的损失。为实现所述想法，将注意，穿过返回磁轭35以接收两个叠加的低温制冷机单元的开口为矩形，并具有约50cm的高度和约29cm的宽度。如图4中所图示，第二对低温制冷机单元12、13有利地以180°的径向角与第一对低温制冷机单元10、11分隔开。与第一对干燥低温制冷机单元相同，第二对干燥低温制冷机单元同样通过返回磁轭中的开口接纳(例如参见图2)，所述开口优选地配置用于在相同的径向位置处接纳叠加的两个低温制冷机单元。通常地，如图3中所图示，干燥低温制冷机单元10、11包括头部件17、第一阶段构件16及第二阶段构件15。头部件17包括用于与冷却流体压缩机例如氦气压缩机(未图示)连接的连接器件。第一阶段构件16处于中间温度(例如，50K)下，并且在第二阶段构件15处达到例如4.2K的最低温度。第二阶段构件15与冷量结构进行热接触，从而将冷量结构冷却至线圈的导体变得具有超导性的温度(例如，4.5K)。更详细地，第二阶段构件15与绕线筒27的外翼部热接触(例如参见图4)。由于在这个优选的磁性结构中使用了两对叠加的干燥低温制冷机单元，每一个干燥低温制冷机单元的每一个第二阶段构件15与两个线圈20、25的绕线筒27的外翼部热接触，如图3和图4中所图示。用于冷却冷量结构的干燥低温制冷机单元也同时配置用于通过与第一阶段构件和第二阶段构件适当地热接触而逐渐地冷却两个线圈20、25的电流导线。以此方式，不需要安装用于冷却电流导线的专用的或额外的干燥低温制冷机单元，且因此，不需要在磁轭结构30中制造额外的开口。如上所论述地，冷量结构由低温恒温器70包围，并且在低温恒温器中产生真空以对冷量结构加以热绝缘。图5图示低温恒温器70的三维图，且图6图示该低温恒温器被整合到磁轭结构中(为清楚起见，仅在图6中图示磁轭32的下部件和仅仅一部分返回磁轭35)。具有中空筒的形状的所述低温恒温器70由不锈钢制成，并且具有例如5mm的壁厚度。借助径向低温恒温器真空腔延伸件75，水平地安装在低温恒温器一侧上的一对干燥低温制冷机单元10、11和水平地安装在低温恒温器的另一侧上的一对干燥低温制冷机单元12、13都耦接到低温恒温器70。所述径向低温恒温器真空腔延伸件75容纳干燥低温制冷机单元对的第一阶段构件15和第二阶段构件16。在图5中，唯独可见干燥低温制冷机10、11、12、13的头部件，所述头部件延伸到返回磁轭35之外或部分地延伸到返回磁轭35之外。具有约4.300kg的重量的重冷量结构必须支撑在低温恒温器70之内。为了这个目的，优选地在径向方向上和在轴向方向上使用张力链80、90。可使用不同类型的张力链。优选的张力链由拉杆形成。如图1和图5所图示，三个径向张力杆80和六个轴向张力杆90作为支撑器件附接到冷量结构。这些拉杆优选地由铬镍铁合金制成。径向拉杆例如具有14mm的直径，而轴向拉杆例如具有8mm的直径。这六个轴向拉杆90中，三个穿过上磁轭部件31并且三个穿过下磁轭部件32。三个径向拉杆80穿过返回磁轭35。为了穿过磁轭结构30的各个部件，轴向拉杆90和径向拉杆80中的每一个被部分地安装在中空管85之内，该中空管固定到低温恒温器70的外部，如图4和图5中所图示。这些中空管85为低温恒温器真空腔的一部分，并因此为真空密闭的，正如同低温恒温器本体一样。如上所述，在低温恒温器70中产生真空。为产生所述真空，管连接件86有利地连接到一个中空管85，如图1中所图示。真空泵可随后连接至所述连接件86以在低温恒温器70之内产生真空。这种配置(其中连接件86连接到包围拉杆80的中空管85)的优点在于不用必须在磁轭结构30中制造额外的特定开口用于安装泵送管，所述泵送管在一端上耦接到低温恒温器70并且在另一端上耦接到安装在磁性结构之外的真空泵。使用这种配置，中空管86同时作为用以支撑冷量结构的拉杆80的壳体，并且作为用以在低温恒温器70之内泵送真空的泵送通道。已关于用于同步回旋加速器中的磁性结构的优选实施例描述了本发明。所描述的实施方式例如能够提供约5.6T的磁场，并经设计用于250MeV质子同步回旋加速器中。通过磁性结构的返回磁轭中的开口安装的干燥低温制冷机单元相对于线圈的中心轴线50定位在基本上垂直的位置中。如上所论述，干燥低温制冷机单元优选地相对于中心轴线50以90°+/-5°的角安装，并且更优选地以90°+/-2°的角安装。然而，该实施例的详细描述仅仅展示本发明，并且不可解释为限制性的。更详细地，在替代实施例中，通过返回磁轭安装在开口中的干燥低温制冷机单元不会具有相对于同步回旋加速器1的中心轴线垂直的取向。因此，干燥低温制冷机单元的纵轴线可限定出与同步回旋加速器1的中心轴线成小于90°的角度，例如80°的角度。当然，本发明也适用于其他类型的圆形加速器(诸如例如回旋加速器之类)和其他磁场强度。更大体上地，本领域技术人员将领会本发明不由在上文中已特别图示和/或描述的内容所限制。本发明具备每一新颖性特征及每一特征的组合。权利要求书中的附图标记不限制其保护范围。动词“包括”、“包含”、“由……组成”或任何其他变体以及各自的变位的使用不排除存在除已陈述部件之外的其他部件。元件前的冠词“一”或“所述”不排除存在多个该元件。附图标记清单01同步回旋加速器05支脚10、11第一对低温制冷机单元12、13第二对低温制冷机单元15第二阶段构件16第一阶段构件17头部件20超导磁性线圈(上线圈)25超导磁性线圈(下线圈)27绕线筒28、29线圈支撑板30磁轭结构31上磁轭部件32下磁轭部件33、34极点部件对35返回磁轭50公共中心轴线60隔热罩70低温恒温器75低温恒温器真空腔延伸件80径向张力杆85中空管86管连接件90轴向张力杆