一种四极磁铁磁场梯度积分测量方法及装置与流程

本发明涉及粒子加速器中四极磁铁磁场梯度积分的测量方法及装置。

背景技术：

四极磁铁能够对带电粒子束进行聚焦，是粒子加速器领域中的常用磁铁。四极磁铁所形成的四极磁场是一种磁感应强度随位置线性分布的磁场，其磁感应强度在横截面中心处为0，偏离中心越远的位置，磁感应强度越大。对于理想四极磁铁，磁感应强度变化量与距离变化量的比值为常数，该常数称为磁场梯度，磁场梯度沿束流方向的积分为梯度积分。梯度积分参数表征四极磁铁的聚焦效果，梯度积分参数越大，磁铁对带电粒子束的聚焦效果越强。

目前霍尔片点测法是梯度积分测量的一种主要方法。霍尔片是测量磁感应强度的常用传感器，能够直接测量所在空间位置处，垂直于其测量平面的磁感应强度分量。霍尔片点测法通过测量磁感应强度变化计算出梯度，积分后得到梯度积分。

四极磁场并非各向同性，因此测量前需要确定四极磁场的方向，并与霍尔片进行准直，使霍尔片能够测量正确方向的磁场分量。四极磁场绕孔径方向(束流方向)旋转的角度称为滚动角，滚动角表征了四极磁场的方向，只有确定了待测磁场的滚动角后才能进行准确测量。但是，由于四极磁场不可见，给确定滚动角并与霍尔片准直带来困难。对于传统电四极磁铁，常利用光学法进行准直。电四极磁铁有4个机械加工而成的极头，可近似确定四极磁场滚动角，但存在误差，误差的大小因极头的机械加工精度及所供电流强度而异。光学法利用经纬仪对准极头和霍尔片进行准直。对于应用越来越广泛的永磁四极磁铁，并没有明显的4个极头，因而光学法缺乏机械基准可供参考，面临困难。

另一方面，霍尔片实际测得的磁感应强度为垂直于其测量平面的分量，而霍尔片的外部封装可能与测量平面之间存在夹角，依靠外部封装进行光学准直也会带来不可控的误差。

技术实现要素：

为解决现有梯度积分测量方法确定滚动角并与霍尔片准直时存在的问题，本发明提供一种四极磁铁磁场梯度积分测量方法及装置。本发明的方法结合四极磁铁及待测梯度积分参数的特点，使用基于磁场的滚动角准直替代了光学准直。

本发明的技术解决方案如下：

一种四极磁铁磁场梯度积分测量方法，定义空间直角坐标系，其中z轴沿竖直方向，x轴和y轴在水平面内，包括以下步骤：

1)将待测四极磁铁放置于光学平台上，调整待测四极磁铁姿态使其孔径方向沿z轴方向；

2)将霍尔片安装在三维平移台上，调整霍尔片使其测量平面的法线垂直于z轴；

3)调整三维平移台，使霍尔片在磁铁孔径内沿y方向移动，观察并记录霍尔片测量示数变化；

4)调节待测四极磁铁绕z轴的滚动角；

5)重复步骤3)、4)，直到沿y轴方向移动霍尔片时测得的磁场示数不再变化，则表示霍尔片、三维平移台、待测四极磁铁之间的滚动角准直完毕；

6)调整三维平移台，使霍尔片在待测四极磁铁孔径内，沿点(+d，0，-L)至点(+d，0，+L)测量并记录磁感应强度B1；沿点(-d，0，-L)至点(-d，0，+L)测量并记录磁感应强度B2；所述d的选取原则为在好场区范围内尽可能大，L的选取要能够充分覆盖整个磁场范围；

7)按照下式计算梯度积分值GL：

进一步地，为提高测量效率，在所述步骤3)之前先对霍尔片进行粗准直：

首先，将霍尔片移至待测四极磁铁孔径内z方向的中心位置；

其次，待测四极磁铁在y方向中心位置有便于准直的刻线，利用经纬仪准直霍尔片与待测四极磁铁刻线，调节霍尔片至四极磁铁y方向中心；

最后，利用霍尔片测量y方向的磁场，调节霍尔片在x方向的位置，当霍尔片测量示数为0时，则表示霍尔片调至x方向中心。

本发明同时提供了一种实现上述方法的四极磁铁磁场梯度积分测量装置，包括用于承载测量设备的光学平台、用于承载和调节待测四极磁铁的旋转载物台、用于读取霍尔片测量数据的霍尔片主机，以及接收霍尔片主机发送数据的计算机；

其特殊之处在于：

还包括三维平移台、万向调节装置和测量支架；

所述测量支架固定安装在三维平移台上，霍尔片通过所述万向调节装置安装在所述测量支架上；所述万向调节装置可调节霍尔片绕y轴的倾斜角、绕x轴的俯仰角和绕z轴的滚动角；所述三维平移台可带动霍尔片沿x，y，z三个方向运动，三维平移台的运动由所述计算机控制。

进一步地，上述霍尔片为长条状。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明通过磁场准直的方法，实现待测四极磁铁、霍尔片、三维平移台三者之间的角向准直，克服了常规光学法依赖于机械基准的问题，能够适用于无角向机械基准的永磁四极磁铁的测量。

2、本发明的测量方法不依赖外部封装进行角向准直，能够避免霍尔片外部封装带来的角向误差。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2是本发明方法的原理示意图；

图中标号：1-光学平台，2-三维平移台，3-测量支架，4-万向调节装置，5-霍尔片，6-待测四极磁铁，7-旋转载物台，8-霍尔片主机，9-计算机。

具体实施方式

下面以永磁四极磁铁磁场梯度积分测量为例结合附图对本发明进行详细说明。

本发明四极磁铁磁场梯度积分测量装置各部分的功能汇总如下：

光学平台1：承载测量设备；

三维平移台2：带动霍尔片5沿x，y，z三个方向运动；

测量支架3：支撑霍尔片5，使其随三维平移台2共同运动；

万向调节装置4：可以分别调节霍尔片5的倾斜角(绕y轴)、俯仰角(绕x轴)、滚动角(绕z轴)；

霍尔片5：测量y方向的磁感应强度；霍尔片5的有效区域仅为其端部1.5mm×1.5mm的区域，长条状的外形适用于深入到待测四极磁铁6孔径内部；

待测四极磁铁6：四极磁场主要分布于待测四极磁铁6孔径内部区域，四极磁场具有方向性，且不可见。图1中所示为永磁型四极磁铁，呈中空圆柱状；

旋转载物台7：用以承载待测四极磁铁6，并能够调节待测四极磁铁6绕z轴的滚动角，即调节四极磁场的方向；

霍尔片主机8：读取霍尔片5测得数据，并将数据传递给计算机9；

计算机9：控制三维平移台2的运动，并记录霍尔片主机8传递来的霍尔片测量数据。

定义空间直角坐标系，其中z轴沿竖直方向，x轴和y轴在水平面内，本发明四极磁铁磁场梯度积分测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测四极磁铁放置于旋转载物台上，两者保持同轴，并使待测四极磁铁孔径轴线方向沿竖直z方向。

步骤2、使用经纬仪测量，分别调整霍尔片倾斜角(绕y轴)、俯仰角(绕x轴)，使霍尔片竖直(即霍尔片测量平面的法线垂直于z轴)；霍尔片滚动角(绕z轴)无需精细调节，使霍尔片的测量平面在大致在xoz平面内即可，该误差不影响本方法测量精度；

步骤3、使用三维平移台将霍尔片5伸入待测四极磁铁6孔径中央，进行粗准直(粗准直可以减小后续细调的调节量)：

首先，调节霍尔片z方向的位置；利用三维平移台将霍尔片移至待测四极磁铁孔径内z方向的中心位置；

其次，调节霍尔片y方向位置；待测四极磁铁在y方向中心位置有便于准直的刻线，利用经纬仪准直霍尔片与待测四极磁铁刻线，调节霍尔片至四极磁铁y方向中心；

最后，调节霍尔片x方向位置；利用霍尔片测量y方向的磁场，四极磁铁中y方向的磁场与x方向偏离中心的距离成正比，因此调节霍尔片在x方向的位置，当霍尔片测量示数为0时，即表示霍尔片调至x方向的中心。

步骤4、使用三维平移台2使霍尔片5在磁铁孔径内沿y方向移动，观察并记录测量示数变化；

步骤5、使用旋转载物台7对待测磁铁6绕z轴的滚动角进行调整；

步骤6、重复步骤4、5，直到沿y方向移动霍尔片5时测得的磁场示数不再变化，则表示霍尔片、平移台、待测磁铁之间的滚动角准直完毕。

步骤7、测量、记录数据。使用三维平移台2移动霍尔片5，沿点(+d，0，-L)至点(+d，0，+L)测量并记录磁感应强度B1；沿点(-d，0，-L)至点(-d，0，+L)测量并记录磁感应强度B2；其中d的选取原则为在好场区范围内尽可能大，有助于减小测量误差；L的选取要能够充分覆盖整个磁场范围。本实例中d＝3mm；L＝120mm。

步骤8、按照下式计算梯度积分值GL：

本发明的原理：

梯度积分测量中需要待测四极磁铁、霍尔片、三维平移台三者之间的角向精确准直才能保证测量结果的正确性，而其中四极磁铁、霍尔片的正方向不可见，难以直接确定。

本发明通过磁场准直的方法，实现待测四极磁铁、霍尔片、平移台三者之间的角向准直，并提供配套测量方法，现结合图2就其原理分析如下：

根据四极磁铁的磁场分布特征，在四极磁铁坐标系(x＇o＇y＇)中，x＇方向的磁感应强度Bx＇与y＇方向的磁感应强度By＇分别满足：

x'方向的磁感应强度Bx＇与y＇方向位置成正比，比例系数即四极磁铁的梯度G；y＇方向的磁感应强度By＇与x＇方向位置成正比，比例系数同为G。

四极磁铁常用作聚焦元件，粒子通过四极磁铁孔径时，磁场梯度G沿粒子轨迹的积分值即梯度积分GL，表征着聚焦的强弱，需要精确测量。由于四极磁铁坐标系(x＇o＇y＇)不可见，实际霍尔片在磁铁坐标系中的位置难以直接得到，难以根据式(2)使霍尔片沿x＇轴或y＇轴移动测量出G。

实验中可利用的三维平移台坐标系为(xoy)，三维平移台可带动固定于其上的霍尔片沿x，y，z三个方向移动，假设霍尔片测量平面与三维平移台x轴正方向存在误差夹角δ。

四极磁场由四极磁铁激发建立，四极磁铁坐标系(x＇o＇y＇)的滚动角随四极磁铁在测量台上的摆放朝向而变化。假设四极磁铁坐标系(x＇o＇y＇)的原点在三维平移台坐标系(xoy)中的坐标为(x0，y0)，并假设o＇x＇与ox之间存在误差夹角ε，则这两个坐标系之间关系为：

霍尔片测得的磁感应强度为磁场在霍尔片平面法线方向的分量：

B＝By'cos(δ-ε)-Bx'sin(δ-ε) (4)

将式(2)、(3)代入(4)，得到在三维平移台坐标系(xoy)中任一位置(x，y)处，霍尔片法线方向的磁感应强度分量：

B＝G(x-x0)cos(2ε-δ)+G(y-y0)sin(2ε-δ) (5)

本发明步骤5中调整待测磁铁绕z轴的滚动角，实质调整了四极磁铁坐标系(x＇o＇y＇)与三维平移台坐标系(xoy)之间的夹角ε。

由式(5)得，本发明步骤6中提出沿y方向平移霍尔片，测得的磁场示数不再变化的条件被满足时，ε与δ满足关系：

δ＝2ε (6)

此时霍尔片测得的磁场为：

B＝G(x-x0) (7)

即，在步骤6中提出的条件被满足时，霍尔片测得的磁感应强度与霍尔片在平移台坐标系中x方向的位置成正比，比例系数即为G。式(7)建立了霍尔片测量得的磁感应强度，与三维平移台坐标系中x坐标之间关系，便于据此实施测量。

进一步将梯度G表示为：

G＝(B1-B2)/(x1-x2) (8)

其中B1，B2分别为霍尔片在x方向两个位置x1，x2测量得到的磁感应强度。

梯度积分GL的定义为：

GL＝∫Gdz (9)

其中沿z方向的积分应覆盖磁场分布范围。

将式(8)代入式(9)，并将x1，x2选择为偏离四极磁铁孔径中心的+d与–d位置时即可得到式(1)；由于梯度积分GL一般只关心绝对值大小，因此取其绝对值。