专利名称：多极磁铁及其谐波垫补方法
技术领域：
本发明涉及粒子加速器磁场测量技术，尤其涉及一种多极磁铁及其谐波垫补方法。
背景技术：
六极磁铁用于修正粒子加速器中束流能量分散(energy dispersion)所造成的色度(chromaticity)效应，以使得束流更加稳定。对于六极磁铁的设计和研制而言，理想的六极磁铁要求既没有系统误差也没有非系统误差(也称为随机误差)。但是，由于磁铁结构的对称性、铁芯尺寸的有限性以及铁芯材料、加工、装配误差等原因，实际生产出的六极磁铁总是存在多种阶数磁场的误差。通常，可以采用端部削斜的方法进行谐波垫补，以消除系统误差；通过改进加工工艺、提高加工精度等方法，抑制随机误差。传统的粒子加速器对六极磁铁的精度要求不高，如除六极磁场之外的其他阶磁场垂直分量和斜分量等随机误差一般要求小于2X 10_3量级即可，因此通过控制磁铁加工工艺和加工质量，生产合乎要求的六极磁铁并不困难。但是，随着第三代同步辐射光源性能的不断提高，对六极磁铁的精度要求也不断提高，例如美国布鲁克海文国家实验室 (Brookhaven National Laboratory,简称 BNL)研制的第三代同步福射光源(National Synchrotron Light Source,简称NSLS-II)、中国台湾的TPS光源等,要求六极磁铁的其他阶场垂直分量和斜分量控制在2 X IO-4量级，相对传统的粒子加速器，六极磁铁的精度要求大约提高了一个数量级。为了研制这种高精度的六极磁铁，仅采用工艺改进手段已不能满足随机误差的抑制要求，例如磁铁关键部位如极面需要采用高精度的线切割工艺来完成加工，理论上极面的加工精度和极头位置的装配精度均要求小于O. 02_。但是，在实际的磁铁生产过程中，达到这样的加工精度和装配精度非常困难，生产出的六极磁铁普遍存在其他阶场误差，特别是靠近六极场的随机误差，如二极场、八极场和十极场等磁场的垂直分量和斜分量通常都超出了设计要求，由此导致六极磁铁的精度无法满足应用要求。
发明内容
本发明提供一种多极磁铁及其谐波垫补方法，用于以较低成本提高多极磁铁随机误差的调节精度。本发明一个方面提供了一种多极磁铁，包括2N极磁铁主体，所述2N极磁铁主体包括2N个磁极铁芯，N为大于或等于2的整数，每个磁极铁芯的极头区域开设有定位孔，所述定位孔可插拔式设置有导磁孔芯。本发明另一方面提供了上述多极磁铁的谐波垫补方法，包括在多极磁铁各磁极铁芯的极头区域开设的各定位孔中均未插有导磁孔芯时，测量所述多极磁铁的磁场谐波参量的初始值；所述多极磁铁为2N极磁铁，N为大于或等于2的整数；所述磁场谐波参量包括垂直2n极磁场强度与垂直2N极磁场强度的比值，以及斜2n极磁场强度与垂直2N极磁场强度的比值，其中，η为大于或等于I且不等于N的整数；如果所述初始值超出预设误差允许范围，则根据所述初始值与预设误差允许范围的差异，在各所述定位孔中确定需要插入所述导磁孔芯的定位孔；在确定的所述定位孔中插入所述导磁孔芯，以将所述磁场谐波参量的当前测量值调整到所述误差允许范围内。 本发明提供的多极磁铁及其谐波垫补方法中，在多极磁铁包括的各磁极铁芯的极头区域开设定位孔，该定位孔支持导磁孔芯的插拔式设置，通过改变定位孔中导磁孔芯的插入状态，即可对多极磁铁的磁场进行谐波垫补，谐波垫补调节方法简单、效率高，可以较低成本达到较高的调节精度，从而满足实际应用的需求。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例一提供的六极磁铁的结构示意图；图2为本发明实施例二提供的多极磁铁的谐波垫补方法流程图；图3为本发明六极磁铁的磁场叠加模型示意图；图4为本发明六极磁铁的定位孔的布局及其编号不例。附图标记11-磁铁本体； 12-磁极铁芯； 13-U型部件；14-定位孔；15-导磁孔芯； 16-磁场空间；131-开口部。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供了一种多极磁铁，包括2Ν极磁铁主体，该2Ν极磁铁主体包括2Ν个磁极铁芯，N为大于或等于2的整数；即，本发明提供的多极磁铁可为四极磁铁、六极磁铁、八极磁铁等，2Ν极磁铁主体相应为四极磁铁主体、六极磁铁主体、八极磁铁主体等。每个磁极铁芯的极头区域开设有定位孔，定位孔可插拔式设置有导磁孔芯。该技术方案中，导磁孔芯可以为但不限于铁销钉、铁钉或铁螺丝等，以提高取材的方便性并降低成本。所述极头区域可为自磁极铁芯的极尖向该磁极铁芯的根部延伸10mm-30mm的区域，以提高谐波垫补过程中局部磁场变化的灵敏度。可选的，每个所述磁极铁芯开设有一对所述定位孔，一对所述定位孔对称开设在每个所述磁极铁芯的两个相对面。在同一所述磁极铁芯的两个相对面的极头区域开设的一对所述定位孔，彼此可不导通，以提高装配加工的方便性。本发明在多极磁铁包括的各磁极铁芯的极头区域开设定位孔，该定位孔支持导磁孔芯的插拔式设置，通过改变定位孔中导磁孔芯的插入状态，即可对多极磁铁的磁场进行谐波垫补，谐波垫补调节方法简单、效率高，可以较低成本达到较高的调节精度，从而满足实际应用的需求。下面以六极磁铁为例，详细说明本发明多极磁铁的技术方案。图I为本发明实施例一提供的六极磁铁的结构示意图。如图I所示的六极磁铁包括六极磁铁主体，所述六极磁铁主体包括磁铁本体11、6个磁极铁芯12和2个U型部件
13。6个磁极铁芯12以磁铁本体11中心对称布置；各磁极铁芯12的根部分别设置在磁铁本体11上，且各磁极铁芯12的极头分别指向磁铁本体11中心，用于形成磁场空间16。2 个U型部件13开口相向且对称设置在磁铁本体11的两侧，每个U型部件13的开口部131 作为如NSLS-II等同步光束的引出通道。可选的，每个磁极铁芯12可采用无取向硅钢片 (J23G50)冲片叠装而成，每个U型部件13采用如DT4等电磁纯铁材料制成。每个磁极铁芯12的极头区域开设有定位孔14，定位孔14内可插拔式设置有导磁孔芯15，也就是说导磁孔芯15在定位孔14内可插拔。在同一磁极铁芯12的两个相对面的极头区域也可对称开设一对定位孔14，该对定位孔14彼此可不导通，以在满足谐波垫补精度要求的基础上，提高装配加工的方便性。本实施例提供的六极磁铁中，导磁孔芯的作用主要有两个。导磁孔芯的作用之一是越靠近磁极铁芯极尖的区域的磁场较强，在极头区域开设定位孔并在定位孔中插入或拔出导磁材料，由此导致局部磁场发生变化，起到对六极磁铁的2n阶磁场进行垫补的作用，使得磁场谐波参量落入预设误差允许范围，从而满足六极磁铁关于磁场谐波参量的随机误差精度调节的要求。其中，磁场谐波参量可包括垂直分量 bn和斜分量an ;垂直分量bn表不垂直2n极磁场强度与垂直2N极磁场强度的比值,斜分量 an表示斜2n极磁场强度与垂直2N极磁场强度的比值；n为大于或等于I且不等于N的整数，N等于3。导磁孔芯的另一作用是由于磁极铁芯的极头较为单薄，当在极头区域开设定位孔并在定位孔中插入导磁孔芯，可对极头起到加固作用。导磁孔芯可为采用导磁材料制成的与定位孔匹配的孔芯即可。为了提高取材的方便性，降低成本，可选的，导磁孔芯可为但不限于铁销钉；铁销钉的孔径可根据定位孔的大小选定，如可选用直径为6mm且长度为30mm的铁销钉等。上述技术方案中，极头区域为磁极铁芯靠近极头的极尖部位的预设区域。为了提高谐波垫补过程中局部磁场变化的灵敏度，可选的，极头区域可为自磁极铁芯的极尖向该磁极铁芯的根部延伸10mm-30mm的区域。为了进一步提高装配加工的方便性，极头区域优选为自磁极铁芯的极尖向该磁极铁芯的根部延伸14mm-18_的区域。图2为本发明实施例二提供的多极磁铁的谐波垫补方法流程图。上述多极磁铁的谐波垫补方法如图2所示，具体包括步骤21 :在多极磁铁各磁极铁芯的极头区域开设的各定位孔中均未插有导磁孔芯时，测量所述多极磁铁的磁场谐波参量的初始值；所述多极磁铁为2N极磁铁,N为大于或等于2的整数；所述磁场谐波参量包括垂直2n极磁场强度与垂直2N极磁场强度的比值， 以及斜2n极磁场强度与垂直2N极磁场强度的比值，其中，η为大于或等于I且不等于N的整数。多极磁铁各磁极铁芯的极头区域开设的各定位孔中均未插有导磁孔芯的情形，是指各定位孔中每个定位孔都没有插入导磁孔芯的情形，具体可包括各定位孔均空着，既没有插入导磁孔芯也没有插入非导磁孔芯的情形；或者，各定位孔均插入非导磁孔芯的情形； 或者，各定位孔中，部分定位孔空着，其他定位孔插入非导磁孔芯。所述导磁孔芯为采用导磁材料制成、可与定位孔匹配的孔芯，可包括但不下限于 铁销钉、铁钉、铁螺丝等。所述非导磁孔芯为采用非导磁材料制成、可与定位孔匹配的孔芯， 可包括但不限于不锈钢销钉、不锈钢钉、不锈钢螺丝等。步骤22 :如果所述初始值超出预设误差允许范围，则根据所述初始值与预设误差允许范围的差异，在各所述定位孔中确定需要插入所述导磁孔芯的定位孔。可选的，可先确定将所述初始值调整到所述误差允许范围内所需的谐波垫补量范围；预先建立定位孔标识和谐波垫补量之间的映射关系，之后根据所述谐波垫补量范围和所述映射关系，确定需要插入所述导磁孔芯的定位孔。建立所述映射关系包括每次在一所述定位孔中插入所述导磁孔芯，并标定所述多极磁铁在当前状态下的谐波垫补量，多次标定直至遍历各所述定位孔，得到各单定位孔的谐波垫补量；建立各定位孔的定位孔标识与其各自对应的谐波垫补量之间的映射关系。 和/或，建立所述映射关系包括对所述各定位孔进行分组，每次在一组定位孔中插入所述导磁孔芯，并标定所述多极磁铁在当前状态下的谐波垫补量，多次标定直至遍历各组定位孔，得到各组定位孔的谐波垫补量；建立各组定位孔的定位孔标识与其对应的谐波垫补量之间的映射关系。步骤23 :在确定的所述定位孔中插入所述导磁孔芯，以将所述磁场谐波参量的当前测量值调整到所述误差允许范围内。本发明可在多极磁铁包括的各磁极铁芯的极头区域开设定位孔，测量多极磁铁的磁场谐波参量的初始值，根据所述初始值与预设误差允许范围的差异，在各定位孔中确定需要插入所述导磁孔芯的定位孔，并在确定的定位孔中插入导磁孔芯，通过导磁孔芯产生的局部磁场进行磁场谐波垫补，以将磁场谐波参量的当前测量值调整到误差允许范围内。 本发明磁场谐波垫补方法简单，调节效率高，成本低，并可达到较高的调节精度。下面以六极磁铁为例，对本发明在定位孔中可插拔式设置导磁孔芯，进行多极磁铁磁场谐波垫补的原理进行说明。理论上，对于一台实际的非理想的垂直六极磁铁而言，磁场空间内任意一点(X，y) 的磁场B沿磁场空间轴线I的积分可以表示如下
权利要求
1.一种多极磁铁，包括2N极磁铁主体，所述2N极磁铁主体包括2N个磁极铁芯，N为大于或等于2的整数，其特征在于，每个磁极铁芯的极头区域开设有定位孔，所述定位孔可插拔式设置有导磁孔芯。
2.根据权利要求I所述的多极磁铁，其特征在于，所述2N极磁铁主体为六极磁铁主体； 所述六极磁铁主体包括磁铁本体、6个磁极铁芯和2个U型部件；所述6个磁极铁芯以所述磁铁本体中心对称布置，各所述磁极铁芯的根部分别设置在所述磁铁本体上，且各所述磁极铁芯的极头分别指向所述磁铁本体中心，用于形成磁场空间；所述2个U型部件开口相向且对称设置在所述磁铁本体的两侧，每个所述U型部件的开口部作为同步光束引出通道。
3.根据权利要求I或2所述的多极磁铁，其特征在于，所述导磁孔芯为铁销钉、铁钉或铁螺丝。
4.根据权利要求I或2所述的多极磁铁，其特征在于，所述极头区域为自所述磁极铁芯的极尖向所述磁极铁芯的根部延伸10mm-30mm的区域。
5.根据权利要求I或2所述的多极磁铁，其特征在于，每个所述磁极铁芯开设有一对所述定位孔，一对所述定位孔对称开设在每个所述磁极铁芯的两个相对面。
6.根据权利要求5所述的多极磁铁，其特征在于，每个所述磁极铁芯开设的一对所述定位孔彼此不导通。
7.—种如权利要求1-6任一所述的多极磁铁的谐波垫补方法，其特征在于，包括在多极磁铁各磁极铁芯的极头区域开设的各定位孔中均未插有导磁孔芯时，测量所述多极磁铁的磁场谐波参量的初始值；所述磁场谐波参量包括垂直2n极磁场强度与垂直2N 极磁场强度的比值，以及斜2n极磁场强度与垂直2N极磁场强度的比值，其中，η为大于或等于I且不等于N的整数；如果所述初始值超出预设误差允许范围，则根据所述初始值与预设误差允许范围的差异，在各所述定位孔中确定需要插入所述导磁孔芯的定位孔；在确定的所述定位孔中插入所述导磁孔芯，以将所述磁场谐波参量的当前测量值调整到所述误差允许范围内。
8.根据权利要求7所述的多极磁铁的谐波垫补方法，其特征在于，所述多极磁铁为六极磁铁；所述磁场谐波参量包括垂直2、8或10极磁场强度与垂直6极磁场强度的比值，以及斜2、8或10极磁场强度与垂直6极磁场强度的比值。
9.根据权利要求7或8所述的多极磁铁的谐波垫补方法，其特征在于，根据所述初始磁场谐波参量与预设误差允许范围的差异，在各所述定位孔中确定需要插入所述导磁孔芯的定位孔，包括确定将所述初始值调整到所述误差允许范围内所需的谐波垫补量范围；预先建立定位孔标识和谐波垫补量之间的映射关系；根据所述谐波垫补量范围和所述映射关系，确定需要插入所述导磁孔芯的定位孔。
10.根据权利要求9所述的多极磁铁的谐波垫补方法，其特征在于，预先建立定位孔标识和谐波垫补量之间的映射关系包括；每次在一所述定位孔中插入所述导磁孔芯，并标定所述多极磁铁在当前状态下的谐波垫补量，多次标定直至遍历各所述定位孔，得到各单定位孔的谐波垫补量；建立各定位孔的定位孔标识与其各自对应的谐波垫补量之间的映射关系；和/或，对所述各定位孔进行分组，每次在一组定位孔中插入所述导磁孔芯，并标定所述多极磁铁在当前状态下的谐波垫补量，多次标定直至遍历各组定位孔，得到各组定位孔的谐波垫补量；建立各组定位孔的定位孔标识与其对应的谐波垫补量之间的映射关系。
全文摘要
本发明公开了一种多极磁铁及其谐波垫补方法。多极磁铁包括2N极磁铁主体，所述2N极磁铁主体包括2N个磁极铁芯，N为大于或等于2的整数，每个磁极铁芯的极头区域开设有定位孔，定位孔可插拔式设置有导磁孔芯。谐波垫补方法包括在多极磁铁各磁极铁芯的极头区域开设的各定位孔中均未插有导磁孔芯时，测量所述多极磁铁的磁场谐波参量的初始值；如果所述初始值超出预设误差允许范围，则根据所述初始值与预设误差允许范围的差异，在各定位孔中确定需要插入导磁孔芯的定位孔；在确定的定位孔中插入所述导磁孔芯，以将所述磁场谐波参量的当前测量值调整到所述误差允许范围内。本发明方法简单、效率高，可以较低成本达到较高的调节精度。
文档编号H05H7/04GK102595762SQ20121007707
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者康文, 戴旭文, 李藜 申请人:中国科学院高能物理研究所