一种三单元磁四极透镜系统及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高能离子束磁透镜聚焦装置，尤其涉及一种三单元磁四极透镜系统及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在加速器的束流输运系统中，四极透镜是一种最常用的聚焦元件。特别是磁四极 透镜，其特点是能产生恒定梯度的磁场，离开中心点越远，聚焦力越强。由于其拥有较强的 聚焦能力，非常适合于对兆伏级加速器产生的高能离子束进行聚焦，所以磁四极透镜几乎 成了束流输运系统中的通用器件。
[0003] 在设计制造磁四极透镜时，为了使产生的四极场中的磁等位面尽可能接近于正交 双曲面，一般要求聚焦磁极面的形状必须为双曲线柱面状。
[0004] 由于过去机械加工双曲线柱面状磁极难度比较大，所以现有加速器束流输运系统 中所用的磁四极透镜，几乎无一例外的选取聚焦磁极面的形状为圆柱面的一部分。由于磁 四极透镜聚焦磁极面为圆柱面的一部分，所以其产生的聚焦磁场通常会发生一定程度的畸 变，使聚焦磁等位面偏离双曲线状。这种导致四极聚焦磁场发生畸变的结果为：在实际使用 中，现在通用的磁四极透镜组系统对离子束的聚焦效果常常不能令人满意，离子束聚焦束 斑时常不能调控到所需的形状，有时甚至出现不规则的形状。
[0005] 另外四极透镜单元的结构为具有中心通孔的密封结构，其中心通孔用作束流输运 管道通过透镜单元的穿行孔，由于束流输运管道的外径的大小与透镜单元中心孔的直径大 小相当，以保证束流输运管道可以穿过透镜单元的中心孔，但管道两端的法兰均远大于透 镜单元的中心孔。如果将穿过透镜中心的束流输运管道加工为一个整体，那么该束流输运 管道将无法放入透镜单元组，所以，为安装及拆卸方便，一般将该输运管道加工为两体结 构。现有技术中穿过四极透镜组中心的两体束流输运管道间的密封轴密封结构，其密封效 果常常难以满足束流输运系统对高真空度或超高真空度的需求。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中通用的二单元磁四极透镜组存在的对离子束聚焦效果不佳以及 穿过透镜组中心的束流输运管道两体轴密封结构对束流输运系统真空度造成的影响，本发 明提出一种三单元磁四极透镜组和穿过透镜中心的束流输运管道两体端密封结构，从而实 现对高能离子束良好的聚焦和满足束流输运系统对高真空度和超高真空度的要求。
[0007] 本发明的一个目的在于提供一种三单元磁四极透镜系统。
[0008] 本发明的三单元磁四极透镜系统包括：由三个透镜单元组成的三单元磁四极透镜 组，以及穿过透镜组中心的束流输运管道；三单元磁四极透镜组中的每一个透镜单元由磁 轭和四个对称的磁极构成，每一个磁极的磁极面形状为双曲线柱面状，每一个磁极上缠绕 有用以产生聚焦磁场的励磁线圈，四个磁极的双曲线柱面状磁极面的顶部构成的圆周称之 为透镜单元的中心通孔，其直径为D;束流输运管道采用端密封结构，包括透镜管道主体、 挡圈法兰、挡圈、0型密封圈和活法兰；其中，透镜管道主体端口处的外侧面设置凹槽；挡圈 法兰将两个半环形的挡圈限定在凹槽里；在活法兰上设置0型密封圈的密封槽，透镜管道 主体的顶端与活法兰之间设置0型密封圈；挡圈法兰中设置有多个通孔，与挡圈法兰中的 多个通孔相对应，活法兰上设置有多个半透内螺纹孔；挡圈法兰的通孔与对应的活法兰上 的半透内螺纹孔同轴，通过螺钉将两者锁定，从而使透镜管道主体与活法兰紧密连接成为 一体，透镜管道主体的顶端面紧压设置在活法兰的密封槽中的0型密封圈形成端密封。
[0009] 透镜管道主体采用无磁不锈钢材料，如304号、310号或316号不锈钢任一种皆可； 挡圈、挡圈法兰以及活法兰均采用和透镜管道主体相同的材料；0型密封圈采用氟橡胶密 封圈，或者采用铝等软金属密封圈。
[0010] 三单元磁四极透镜每个磁极的磁极面形状均为严格的双曲线柱面状，磁铁铁芯 以及磁极材料均选取磁性能良好的DT4电工纯铁。设定透镜单元的中心通孔直径为D， 则双曲线柱面状磁极面加工方程为：
【主权项】
1. 一种三单元磁四极透镜系统，其特征在于，所述透镜系统包括：由三个透镜单元组 成的三单元磁四极透镜组，以及穿过透镜组中心的束流输运管道；所述三单元磁四极透镜 组中的每一个透镜单元由磁轭和四个对称的磁极构成，每一个磁极的磁极面形状为双曲线 柱面状，每一个磁极上缠绕有用以产生聚焦磁场的励磁线圈，四个磁极的双曲线柱面状磁 极面的顶部构成的圆周称之为透镜单元的中心通孔，其直径为D ;所述束流输运管道采用 端密封结构，包括透镜管道主体、挡圈法兰、挡圈、O型密封圈和活法兰；其中，所述透镜管 道主体端口处的外侧面设置凹槽；挡圈法兰将两个半环形的挡圈限定在凹槽里；在活法兰 上设置O型密封圈的密封槽，透镜管道主体的顶端与活法兰之间设置O型密封圈；所述挡 圈法兰中设置有多个通孔，与挡圈法兰中的多个通孔相对应，活法兰上设置有多个半透内 螺纹孔；所述挡圈法兰的通孔与对应的活法兰上的半透内螺纹孔同轴，通过螺钉将两者锁 定，从而使透镜管道主体与活法兰紧密连接成为一体，透镜管道主体的顶端面紧压设置在 活法兰的密封槽中的O型密封圈形成端密封。
2. 如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜管道主体、挡圈、挡圈法兰和 活法兰均采用无磁不锈钢材料。
3. 如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述O型密封圈采用氟橡胶密封圈，或 者采用软金属密封圈。
4. 如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，对所述双曲线柱面状磁极面的磁极进 行加工时的双曲线柱面状磁极面加工方程为：
5. 如权利要求4所述的透镜系统，其特征在于，对于双曲线柱面状磁极面加工方程
，则每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为
：对于 双曲线柱面状磁极面加工方程_
，则每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为
，其中，2Sd为两个相邻磁极面加工断 点间的距离，Sd〈6mm，Sd和D的单位均为mm。
6. 如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述励磁线圈使用的导线为铜导线，导 线截面积的选择由实际使用时需要通过的最大电流Imax和冷却方式决定，选取自然冷却方 式，单位面积电流密度不超过I. 6A/mm2,导线截面积为Imax/1. 6,单位为mm2。
7. -种如权利要求1所述的三单元磁四极透镜系统的制备方法，其特征在于，所述制 备方法包括以下步骤： 1) 双曲线柱面状磁极面加工方程的确定：选择磁极面加工方程
将透镜单元的中心通孔的直径D代入上述方程得到数控机床的磁极面加工方程； 2) 磁极面加工断点的确定：根据双曲线柱面状磁极面加工方程，并按照在透镜单元两 个相邻磁极面加工断点的距离，确定双曲线柱面状磁极面加工断点坐标； 3) 励磁线圈的匝数N及铜导线的截面S的确定：将最大磁场梯度Gmax和透镜单元的中 心通孔的直径D的值分别代入公式： NImax= 〇· OlG maxD2 计算得每个磁极的安匝数，选取最大电流Imax，得到每个磁极的励磁线圈的匝数N，结 合自然冷却条件选择铜导线的截面积S ; 4) 穿过三单元磁四极透镜组中心束流输运管道的加工：完成透镜管道主体、挡圈法 兰、挡圈和活法兰各部件的设计和加工； 5) 完成三单元磁四极透镜组的组装，将束流输运管道穿过三单元磁四极透镜组中心， 挡圈法兰将两个半环形的挡圈限定在透镜管道主体端口处的外侧面的凹槽里；透镜管道主 体的顶端与活法兰之间设置O型密封圈；挡圈法兰的通孔与对应的活法兰上的半透内螺纹 孔同轴，通过螺钉将两者锁定，从而使透镜管道主体与活法兰紧密连接成为一体，透镜管道 主体的顶端面紧压设置在活法兰的密封槽中的O型密封圈形成端密封。
8. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，若双曲线柱面状磁极 面加工方程为
，则每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为
和
;若双曲线柱面状磁极面加工方程为
，则每个双曲线柱面状磁极 面加工断点坐标为
，其中，2Sd为两个 相邻磁极面加工断点间的距离，Sd〈6mm，Sd和D的单位为mm。
9. 如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)，所述励磁线圈使用的导线为 铜导线，导线截面积的选择由实际使用时需要通过的最大电流Imax和冷却方式决定，选取自 然冷却方式，单位面积电流密度不超过I. 6A/mm2,导线截面积为Imax/1. 6,单位为mm2。
【专利摘要】本发明公开了一种三单元磁四极透镜系统及其制备方法。本发明的三单元磁四极透镜系统包括：由三个透镜单元组成的三单元磁四极透镜组，以及穿过透镜组中心的束流输运管道；束流输运管道采用端密封结构，包括透镜管道主体、挡圈法兰、挡圈、O型密封圈和活法兰；采用双曲线柱面状磁极面使得四极磁场的磁等位面更加接近双曲线状，从而使对离子束的调试容易取得良好的聚焦效果；双曲线柱面状磁极面加工方程及磁极面加工断点坐标的给出，使得利用数控机床实现对高精度双曲线柱面状磁极面的加工变得非常容易；采用三单元透镜组使得对束流的调试更对称；透镜管道主体与活法兰之间的真空密封为端密封，使得输运管道的真空密封效果更好。
【IPC分类】G21K1-093
【公开号】CN104851471
【申请号】CN201510251575
【发明人】任晓堂
【申请人】北京大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月18日