导体组件和导体组件的制造方法
【专利摘要】导体组件和导体组件的制造方法。该类型的导体组件在传导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况下感生电压。在所述组件的一个实施例中，管形的第一层围绕轴形成，该轴包括弯曲部分，可沿该弯曲部分安置导体以限定第一导体路径。第一层也包括弯曲部分，第一层的弯曲部分具有包括沿轴的弯曲部分延伸的弯曲的形状。第一导体围绕第一层的弯曲部分以第一螺旋配置布置，这种配置包括螺旋形的并且围绕轴的弯曲部分形成的弯曲段。该配置能够承受具有沿所述轴的横向取向的多极分量的磁场。
【专利说明】导体组件和导体组件的制造方法
[0001] 本申请是分案申请，其原案申请申请日为2008年10月1日，国际申请号为PCT/ US2008/078391，2010年5月12日进入中国国家阶段，中国申请号为200880115796.8。
[0002] 相关申请
[0003] 本申请要求在2007年10月2日递交的临时专利申请US60/976, 985 ;在2008年6 月5日递交的美国申请US12/133613 ;在2008年6月5日递交的美国申请US12/133,645 ; 在2008年6月5日递交的美国申请US12/133, 676 ;在2008年6月5日递交的12/133, 721 ; 在2008年6月5日递交的美国申请US12/133,739和在2008年6月5日递交的美国申请 US12/133, 760的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
[0004] 关于联邦资助研究和开发的声明
[0005] 根据美国能源部签署的美国政府合同No. DE-FG02-06ER84492,美国政府可以具有 本发明的某些特权。
【技术领域】
[0006] 本发明涉及生成磁场的电磁系统。更具体地，本发明涉及包括导体组件的类型的 系统，该导体组件在传导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况中生成或变换电压。
[0007] 在世界经济的许多部门（例如，研究开发（R&D)和医疗应用）中，在磁导体组件中 实现改进的性能一直具有重要性。新的和改进的商业应用的发展取决于创建大的和均匀的 磁场的能力。还需要许多性能和可靠性因素方面的进步以实现医疗、工业和商业应用中的 商用实施例。例如，所期望的是使荷电粒子疗法的癌症治疗（例如，质子和碳疗法）对于患 者是更加可靠的，但是这些系统需要回旋加速器和非常大的磁体以操纵高能荷电粒子束。 系统尺寸和成本严重地限制了这些应用的可用性。目前，用于质子疗法治疗室的构台可能 在高度上延伸多个楼层并且重量超过一百吨。进一步部署这些和其他荷电粒子束系统的一 个障碍是束加速和聚焦设备的尺寸和成本。
[0008] 长期以来，对于荷电粒子疗法和某些其他高磁场应用，超导磁体很可能将优于电 阻磁体。通常，超导磁体提供非常稳定的和高的场强度并且在尺寸上比电阻磁体小很多。 此外，超导磁体的功率要求是非常低的。然而，由于公知的淬灭现象，可能危及在新的应用 中提供超导磁体的机会。当超导材料经历意外的和迅速的向正常的非超导状态的转变时， 这可能导致高温热点的迅速形成，该高温热点可能破坏磁体。改进可靠性的设计是高成本 的。成本是依赖于鞍形线圈或跑道形线圈的传统的超导磁体技术的大规模商业化的主要制 约。此外，对于给定的操作条件集合，必须投入极大的设计努力以达到场均匀性的要求以及 确保在系统正常使用期间不会发生淬灭。
[0009] 不论未来的系统使用电阻绕组还是超导绕组，仍存在对改进设计效率、可靠性和 场质量的需要。为了部署用于荷电粒子癌症治疗的基于碳的系统，使用超导磁体会是必要 的，以便于满足高能碳束的弯曲需要。用于使束弯曲的线圈段是非常复杂的并且必须是非 常稳定的以便于实现弯曲轨迹。进一步地，非常难以将例如鞍形线圈和跑道形配置的传统 几何结构应用于曲线应用并且仍满足场配置要求。
[0010] 同时，有必要以较低成本提供这些系统以促进有益于社会的更广泛的使用。通过 说明，在存在大的场的情况中确保导体绕组的稳定所需要的机械结构是有效的，但是它们 也是整体重量和系统成本中的重要因素。一直需要建立更高效的、更坚固的和更可靠的磁 体系统。作为示例，对于在连续使用条件下易于磨损的旋转机械，需要提供高成本的维护和 修理。极大地减小这些寿命周期成本和高场系统的整体可承受性的设计改进，可以加速部 署需要生成大磁场的有利的系统。
【发明内容】
[0011] 根据本发明的一系列实施例，提供了一种如下类型的导体组件，该导体组件在传 导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况中感生电压。在组件中，管形的第一层围绕 轴形成。该轴包括弯曲部分，导体可沿该弯曲部分安置以限定第一导体路径。第一层也包 括弯曲部分。第一层的弯曲部分具有包括沿轴的弯曲部分延伸的弯曲的形状。第一导体围 绕第一层的弯曲部分布置为第一螺旋配置，该配置包括螺旋形的并且围绕轴的弯曲部分形 成的弯曲段。该配置围绕层内的弯曲孔区域安置并且能够承受具有在轴的横向方向上取向 的多极分量的磁场。在一个该实施例中，组件包括围绕孔区域安置的另外的层。第一导体 的第一部分围绕第一层布置以形成第一螺旋配置并且第一导体的第二部分形成围绕层中 的第二层的第二螺旋配置。第二螺旋配置包括螺旋形的并且围绕轴的弯曲部分形成的第二 弯曲段。第二螺旋配置在沿轴的弯曲部分的方向上沿第一层延伸。在导体组件的又一实施 例中，轴包括过渡到弯曲轴部分的平直部分。第一层包括围绕平直轴部分的平直部分并且 第一导体包括沿平直和弯曲轴部分的调制。根据下式进行沿第一层的平直部分的至少一部 分的调制。
【权利要求】
1. 一种导体组件，包括围绕曲线轴安置的磁线圈，所述组件属于如下类型：在传导电 流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况中感生电压，所述线圈包括围绕管形区域形成的 一个或更多个线圈排，所述管形区域围绕所述轴安置，每个线圈排包括采取螺旋状配置的 传导材料，当电流流经传导材料时所述配置能够在所述区域中生成场，其中： 螺旋状配置包括形成围绕所述轴的第一连续系列环路的一部分连续导体； 所述轴的第一段以及绕其形成的所述传导材料各具有弧形，沿孔区域周围的第一轴段 的所述环路与沿所述第一轴段的点隔开至少距离R ;以及 当在沿所述第一轴段的横向的并穿过所述第一轴段的平面的方向的电流传导条件下 生成磁场时，距所述第一轴段0. 8R并且沿所述平面的所述场的特征由以下项描述： 具有第一量值的偶极分量； 具有第二量值的四极分量； 具有第三量值的六极分量；以及 具有第四量值的十极分量，其中： 所述第三和第四量值各为所述第一量值的1〇_4或更小。
2. -种导体组件，该类型的导体组件在传导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情 况中感生电压，所述导体组件包括： 螺旋配线式样，沿轴安置并且距该轴的径向距离为R，所述配线式样围绕从所述轴朝所 述配线式样延伸的孔区域形成，沿轴的一部分所述距离R变化。
3. -种导体组件，该类型的导体组件在传导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情 况中感生电压，所述导体组件包括： 螺旋配线式样，其沿轴安置并且围绕孔区域形成，所述孔区域从所述轴向所述配线式 样延伸径向距离R，所述孔区域包括具有距所述轴的可变距离R的扩张口形部分。
4. 一种用于制造导体组件的方法，所述导体组件包括围绕轴的多个线圈排，其中，外侧 线圈排围绕内侧线圈排形成，所述组件属于这样的类型：在传导电流时生成磁场或者在存 在变化磁场的情况中感生电压，所述方法包括： 形成一个或更多个第一线圈排； 确定相对于与所形成的一个或更多个第一线圈排相关联的规范的一个或更多个偏差， 所述一个或更多个偏差各与偏尚场规范的多极场分量的量值相对应； 基于所述一个或更多个偏差，针对围绕所述一个或更多个第一线圈排形成的一个或更 多个第二线圈排，生成一个或更多个配线式样，从而抵消偏离所述场规范的每个多极场分 量的量值；以及 在所述组件中形成所述一个或更多个第二线圈排。
5. -种用于制造完成的导体组件的方法，所述导体组件具有如下类型：在传导电流时 生成磁场或者在存在变化磁场的情况中感生电压，所述方法包括： 在一个或多个完全形成的线圈排中测量相对于多极场规范的多极序偏差；以及 在上面的线圈排的制造期间引入抵消校正，以减少所述完成的组件中的相对于所述多 极场规范的偏差。
6. -种抑制了导体组件中的不需要的多极场序的生成制造方法，所述导体组件包括围 绕轴的多个线圈排，其中，外侧线圈排围绕内侧线圈排生成，以及，所述线圈排中的内侧线 圈排和外侧线圈排包括围绕轴形成为螺旋式样的导体，所述方法包括： 在形成一个或更多个第一内侧线圈排之后，形成一个或更多个外侧线圈排，其中，形成 一个或更多个外侧线圈排的过程包括将调制引入到所述一个或更多个外侧线圈排中，以减 小与主场分量相关的一个或更多个多极场分量的量值。
7. -种根据规范制造沿曲线轴的导体组件的方法，所述组件具有如下类型：在传导电 流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况中感生电压，所述方法包括： 对于可以沿平直轴形成的线圈，指定沿所述平直轴的横向的第一平面的第一磁场式 样，所述场式样包括所述第一平面中的第一序的主磁场分量； 指定围绕所述平直轴的第一配线式样，用于生成所述第一磁场式样，所述第一配线式 样可由围绕所述平直轴的第一系列点表示； 根据所述曲线轴规范围绕曲线轴生成第二系列点以提供源自所述第一系列点的第二 配线式样； 可以根据所述第二配线式样生成的磁场的特征在于，位于所述曲线轴的横向的平面 中，所述第二配线式样围绕所述曲线轴形成； 在所述曲线轴的横向的平面中，识别不同于所述第一序的主磁场分量的第二序的至少 第一量值磁场分量的存在； 部分基于所述第一系列点沿平直轴生成第三系列点，以及，并入导致第三配线式样的 第一调制，从而使： 在所述轴的横向的平面中，所述第三配线式样围绕所述轴形成，根据所述第三配线式 样生成的磁场包括所述第二序的第二多极分量，如果所述第二序的第二多极分量被添加到 所述第二序的第一多极分量，则在所述第二配线式样的所述曲线轴的横向的平面中，将减 小所述曲线轴的横向的平面中的所述第二序的分量的净场强度； 根据所述曲线轴规范围绕轴生成第四系列点以提供源自所述第三系列点的第四配线 式样；以及 基于所述第四配线式样制造根据所述曲线轴规范围绕轴的线圈。
8. -种制造包括磁线圈的导体组件的方法，所述磁线圈围绕曲线轴安置，所述组件具 有如下类型：在传导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况中感生电压，所述方法包 括： 根据沿与所述曲线轴的横向的多个平面中的第一平面平行的方向的预先限定的场特 性，指定三维系统中的围绕平直轴的第一配线路径，所述场特性包括沿所述第一平面的主 场分量； 执行变换，所述变换将所述配线路径映射到能够生成围绕所述平直轴的磁场的第二配 线路径，所述第二配线路径具有相对于所述预先限定的场特性的可确定的场特性； 将一个或更多个调制引入所述第二配线路径中，以减轻所述可确定的场特性和所述预 先限定的场特性之间的差异；以及 根据所述第二配线路径制造所述线圈。
9. 一种用于制造包括沿轴的一个或更多个线圈排的导体组件的方法，所述组件具有如 下类型：在传导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况中感生电压，所述方法包括： 利用具有特性容限的过程，根据如下类型的几何结构形状制造线圈排，对于所述类型， 通过在与所述线圈排相关联的配线式样中引入一个或更多个调制功能，可以实现由非期望 的多极场分量引起的系统误差的减小；以及 将与多极场分量相关联的系统误差减小至一定水平，使得所述组件的场质量受限于所 述特性容限。
10. -种用于制造包括沿轴的一个或更多个线圈排的导体组件的方法，所述组件具 有如下类型：在传导电流时生成磁场或者在存在变化磁场的情况中感生电压，所述方法包 括： 根据一定类型的几何结构形状制造线圈排，对于所述类型的几何结构形状，通过在与 所述线圈排相关联的配线式样中引入一个或更多个调制功能，可以实现由于非期望的多极 场分量引起的系统误差的减小，其中，所述线圈排包括一对相对的第一和第二相对端部，其 中，所述组件包括从所述轴向所述一个或更多个线圈排中的最内侧的线圈排延伸距离R的 孔区域； 在距线圈端部之一小于6R的距离处，将六极分量抑制到比主场分量的量值的ΚΓ2小。
【文档编号】H01F27/28GK104269253SQ201410453305
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2008年10月1日 优先权日:2007年10月2日
【发明者】雷纳·迈因克 申请人:先锋磁体实验室有限公司, 雷纳·迈因克