专利名称：回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法
技术领域：
本发明涉及回旋加速器的磁铁设计技术，具体涉及一种回旋加速器采用连续曲面
的等时性磁场精密垫补方法。
背景技术：
回旋加速器是一种利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加 速的装置，其基本结构包括磁铁系统、离子源、注入系统和引出系统。其中，磁铁系统包括磁 铁和调节线圈，使回旋加速器能够获得等时性磁场。 磁场的垫补是使得回旋加速器中心平面磁场满足设计要求的重要手段，特别是对 于回旋加速器来说，磁场的垫补是无法避免的，因为磁铁材料的不均匀性，磁铁加工和安装 等因素将引起中心平面的磁场偏离设计的磁场分布。对于使用直边扇形磁极的回旋加速 器，镶条垫补是主要的等时性磁场垫补方式之一。镶条一般是由与主磁铁磁极材料相同的 材料制成的配铁，通常以可拆卸的方式设置于主磁铁磁极的两边，镶条垫补方法主要是利 用镶条比主磁铁磁极易于加工的特点，通过改变镶条的外形尺寸来垫补获得等时性磁场。 目前国际上比较流行的磁场垫补方式主要有调谐线圈垫补法和贴片垫补法，其中贴片垫补 法就是一种镶条垫补的方法。调谐线圈垫补法需要足够的空间安放垫补线圈，对于回旋加 速器来说，这就意味着提高了加速器的造价和运行费用；贴片垫补法则需要反复多次的磁 场测量和贴铁片的过程，而且这种方法无法获得好的等时性磁场，这就意味着增加了回旋 加速器的建造周期并牺牲了一定的被加速束流的束流品质。因此，需要设计一种既不受回 旋加速器空间的限制又具有短的垫补周期，并且可以获得很好的等时性磁场的垫补方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有回旋加速器磁场垫补方法的缺陷，提供一种采用连续
曲面的等时性磁场精密垫补方法，从而使回旋加速器简单、高效的获得等时性磁场。
本发明的技术方案如下一种回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方
法，包括如下步骤 (1)通过有限元模拟得到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意半径位置上的切削量 与磁场变化的关系式； (2)通过实际测量的回旋加速器中心平面磁场与粒子运动所需的等时性磁场的差 和轴向聚焦力的大小，确定镶条各个半径位置所需要的切削量； (3)将各个离散的切削量通过三样条插值的方式得到一系列连续的加工曲面；
(4)根据得到的曲面结构通过数控机床对镶条进行加工。 进一步，如上所述的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，步骤 (1)所述的关系式为Ad二B(Ri)/AB(Ri)，其中Ad为镶条各个半径位置的切削量，B(R》 为磁场的测量数据与等时性磁场之间的差，AB(R》为镶条各个半径位置上的磁场变化， AB(R》=ARi+C， &为镶条任意位置的半径长度，A、 C为由有限元模拟计算拟合得出的常
更进一步，如上所述的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，在
步骤(i)中进行有限元模拟时，镶条各个半径位置上的切削量取沿扇形半径变化r或者
lcm深度。 本发明的有益效果如下本发明克服了传统的镶条贴片垫补方法的缺陷，通过得 到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意半径上的切削量与磁场变化的关系式，确定镶条各个 半径位置所需要的切削量；然后将各个离散的切削量形成一个系列连续的加工曲面，通过 机床一次加工成型。这种方法简单、高效，不需要反复多次的磁场测量和贴片，而且所实现 的等时性磁场的垫补精度更高。
图1为本发明的方法流程图； 图2为直边扇形磁铁的镶条单位半径上的切削量示意图；
图3为图2中镶条单位半径上的切削量放大示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 本发明所提供的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法是依托现 有的大型精确的有限元模拟软件来实现的，如三维有限元软件包DE3D，具体步骤如图1所 示，包括， (1)通过有限元模拟得到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意单位半径位置上的切 削量与磁场变化的关系式； (2)通过实际测量的回旋加速器中心平面磁场与粒子运动所需的等时性磁场的差 和轴向聚焦力的大小，确定镶条各个半径位置所需要的切削量； (3)将各个离散的切削量通过三样条插值的方式得到一系列连续的加工曲面；
(4)根据得到的曲面结构通过数控机床对镶条进行加工。 在具体实施例中，步骤(1)中通过三维有限元模拟软件包DE3D进行模拟计算时， 如图2、图3所示，回旋加速器磁极1两侧镶条2上任意半径长度&位置的切削量的选取可
以采用如下两种形式，一种形式是沿扇形半径向内侧变化r ，即图中的e角为r ，根据
半径变化了 r以后的端点位置来确定切削的深度；另一种形式是直接在半径长度Ri位置 切削lcm深度，即图中的Ad等于lcm。由此变化所带来的磁场变化为AB(R》。根据一系 列半径上的变化值可以得到一个以半径为自变量的一阶方程AB(R》=ARi+C，其中，Ri为 镶条任意位置的半径长度，A、 C为由有限元模拟计算拟合得出的常量；根据磁场测量数据 与等时性磁场之间的差值B (Ri)，结合上述一阶方程就可以得到镶条各个半径的切削量A d =B (Ri) / A B (Ri)，这就是镶条在任意半径位置上的切削量与磁场变化的关系式。
通过上述关系式Ad = B(Ri)/AB(R》，便可以在步骤(2)中结合实际测量的回旋 加速器中心平面磁场与粒子运动所需的等时性磁场的差和轴向聚焦力的大小，确定镶条各 个半径位置所需要的切削量Ad，此处所述的镶条各个半径位置的取值跨度可以在毫米和 厘米量级之间按实际情况进行选取。由于等时性磁场是考虑轴向聚焦力的基础，通常镶条角宽度减小有利于提高该半径位置上的轴向聚焦力，但实际垫补中还需要结合等时性磁场 根据具体的束流动力学计算结果进行镶条垫补量的优化。 由于通常测量得到的加速器中心平面磁场与所需等时性磁场的差是一系列与粒 子轨道半径相应的离散值，因此镶条切削量也是与半径相应的离散量，但是数控机床加工 走刀需要连续曲面，因此需要将离散切削量通过数值插值方法转变成连续量，本发明中所 采用的三样条插值方法就是数值插值方法的一种，为本领域的公知技术，此处不再进行过 多描述。在步骤(3)中将镶条的切削量用三样条插值的方法得到切削量随镶条半径变化的 一条曲面，然后在步骤(4)中将连续曲面的值输入数控机床进行加工，便可以得到一个精 确的连续曲面的镶条结构，将这种结构的镶条安装在回旋加速器磁极的两侧，便实现了精 确的磁场垫补。 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，包括如下步骤(1)通过有限元模拟得到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意半径位置上的切削量与磁场变化的关系式；(2)通过实际测量的回旋加速器中心平面磁场与粒子运动所需的等时性磁场的差和轴向聚焦力的大小，确定镶条各个半径位置所需要的切削量；(3)将各个离散的切削量通过三样条插值的方式得到一系列连续的加工曲面；(4)根据得到的曲面结构通过数控机床对镶条进行加工。
2. 如权利要求1所述的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，其特征 在于步骤(1)所述的关系式为Ad二B(Ri)/AB(Ri)，其中Ad为镶条各个半径位置的切 削量，B(R》为磁场的测量数据与等时性磁场之间的差，AB(R》为镶条各个半径位置上的 磁场变化，AB(R》=ARi+C，Ri为镶条任意位置的半径长度，A、C为由有限元模拟计算拟合 得出的常量。
3. 如权利要求2所述的回旋加速器采用连续曲面的等时性磁场精密垫补方法，其特征 在于在步骤(1)中进行有限元模拟时，镶条各个半径位置上的切削量取沿扇形半径变化 1°或者1cm深度。
全文摘要
本发明公开了一种用于回旋加速器的等时性磁场的精密垫补方法，该种垫补方法主要是通过有限元模拟得到回旋加速器磁极两侧的镶条在任意半径上的切削量与磁场变化的关系式，结合实际测量到的回旋加速器中心平面磁场与粒子运动所需的等时性磁场的差和轴向聚焦力的大小，计算出镶条各个半径位置所需要切削量，将各个离散的切削量通过三样条插值的方式得到一系列连续的加工曲面，最后利用数控机床对镶条进行加工。本发明所提供的连续曲面垫补方法简单、高效，与同类技术相比等时性磁场的垫补精度高。
文档编号G06F17/50GK101697659SQ20091021115
公开日2010年4月21日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者储诚节, 吕银龙, 张天爵, 樊明武, 殷治国, 钟俊晴 申请人:中国原子能科学研究院;