一种回旋加速器等时性磁场垫补方法及系统与流程

本发明属于回旋加速器主磁铁设计与研制技术领域，更具体地，涉及一种回旋加速器等时性磁场垫补方法及系统。

背景技术：

回旋加速器是一种利用固定磁场约束带电粒子做回旋运动，同时利用固定频率的高频电场对带电粒子进行逐圈反复加速的装置；主要包括离子源、主磁铁系统、高频系统、引出系统和真空系统。其中，主磁铁系统采用线圈电流激励磁极产生约束带电粒子的磁场，通过垫补线圈，或者磁极形状的设计与垫补修正形成沿半径调变的等时性磁场分布，满足粒子加速过程中回旋频率的稳定。

在回旋加速器的等时性磁场垫补中，主要有两种方法来调整磁场的等时性分布：(1)设计安装多股垫补线圈分布于磁极不同半径处，通过对各组垫补线圈电流进行配置可实现所需要的等时性磁场，这种方法具有较大的灵活性和可配置性，但实现复杂且成本较高，多用于加速多种粒子的回旋加速器或超导回旋加速器。(2)磁极垫补方法，主要是对磁极边缘形状进行垫补修正，可直接在磁极上进行垫补，通常采用对装配于磁极侧边的镶条进行垫补；这种方法在实际操作中需要多次垫补以使磁场满足加速粒子滑相的要求，主要应用于加速单一类型粒子的紧凑型回旋加速器中。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种回旋加速器等时性磁场垫补方法及系统，考虑了垫补过程中径向边缘场效应，同时结合有限元计算与实际测磁结果，具有可预测、高精度特点。由此解决现有技术中针对紧凑型回旋加速器等时性磁场垫补方法在准确度上存在缺陷的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种回旋加速器等时性磁场垫补方法，包括：

(1)对待垫补的回旋加速器主磁铁进行有限元建模，计算得出N组平均磁场差异分布曲线，其中，所述N组平均磁场差异分布曲线表示在回旋加速器的磁极边缘N个不同半径处切削单位面积后，每个半径处的平均磁场相对于切削前相应半径处原始磁场的差异分布曲线；

(2)将所述N组平均磁场差异分布曲线离散化，计算出表征切削向量C同切削后各半径处平均磁场改变ΔB关系的相关矩阵R；

(3)对实际加工后的主磁铁进行测磁，针对测磁数据计算出沿半径的等时性磁场偏差ΔB_iso，如果该偏差ΔB_iso不符合束流聚焦工作点要求，则利用ΔB_iso和相关矩阵R逆向计算出磁极边缘切削向量C_pred；

(4)利用相关矩阵R的磁场改变量预测能力调整C_pred，使得垫补后的磁场满足束流聚焦工作点要求，确定垫补切削向量C_f；

(5)对垫补切削向量C_f进行样条插值，将离散化的坐标输入数控机床进行磁极边缘垫补。

优选地，N个单位面积切削的相邻半径之间的径向间距大于等于1cm。

优选地，根据步骤(4)预测的加工垫补后磁场改变量ΔB_pred＝R·C_f。

按照本发明的另一方面，提供了一种回旋加速器等时性磁场垫补系统，包括：

有限元建模模块，用于对待垫补的回旋加速器主磁铁进行有限元建模，计算得出N组平均磁场差异分布曲线，其中，所述N组平均磁场差异分布曲线表示在回旋加速器的磁极边缘N个不同半径处切削单位面积后，每个半径处的平均磁场相对于切削前相应半径处原始磁场的差异分布曲线；

第一计算模块，用于将所述N组平均磁场差异分布曲线离散化，计算出表征切削向量C同切削后各半径处平均磁场改变ΔB关系的相关矩阵R；

第二计算模块，用于对实际加工后的主磁铁进行测磁，针对测磁数据计算出沿半径的等时性磁场偏差ΔB_iso，如果该偏差ΔB_iso不符合束流聚焦工作点要求，则利用ΔB_iso和相关矩阵R逆向计算出磁极边缘切削向量C_pred；

第三计算模块，用于利用相关矩阵R的磁场改变量预测能力调整C_pred，使得垫补后的磁场满足束流聚焦工作点要求，确定垫补切削向量C_f；

垫补模块，用于对垫补切削向量C_f进行样条插值，将离散化的坐标输入数控机床进行磁极边缘垫补。

优选地，N个单位面积切削的相邻半径之间的径向间距大于等于1cm。

优选地，根据第三计算模块预测的加工垫补后磁场改变量ΔB_pred＝R·C_f。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要有以下的技术优点：传统的磁极垫补方法仅考虑垫补半径处局部磁场影响，多采用硬边模型近似模拟垫补效果，垫补精确度不够；本发明克服了传统磁极垫补方法的缺陷，通过三维有限元分析，得出不同半径处单位面积切削后平均磁场改变量沿半径的分布，并进一步得出表征切削向量同整体磁场改变量的相关矩阵。利用相关矩阵可准确计算出需要垫补的边缘形状并预测其垫补效果。通过本发明提出的垫补方法可在1-2次内完成迭代垫补过程。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种回旋加速器等时性磁场垫补方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中用以计算相关矩阵的单位切削模型示意图；

图3为本发明实施例中计算出的不同半径处切削单位面积后平均磁场差异分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为本发明实施例公开的一种回旋加速器等时性磁场垫补方法的流程示意图，在图1所示的方法中包括以下步骤：

(1)对待垫补的回旋加速器主磁铁进行有限元建模，计算得出N组平均磁场差异分布曲线，其中，上述N组平均磁场差异分布曲线表示在回旋加速器的磁极边缘N个不同半径处切削单位面积后，每个半径处的平均磁场相对于切削前相应半径处原始磁场的差异分布曲线；

(2)将上述N组平均磁场差异分布曲线离散化，计算出表征切削向量C同切削后各半径处平均磁场改变ΔB关系的相关矩阵R；

(3)对实际加工后的主磁铁进行测磁，针对测磁数据计算出沿半径的等时性磁场偏差ΔB_iso，如果该偏差ΔB_iso不符合束流聚焦工作点要求，则利用ΔB_iso和相关矩阵R逆向计算出磁极边缘切削向量C_pred；

(4)利用相关矩阵R的磁场改变量预测能力调整C_pred，使得垫补后的磁场满足束流聚焦工作点要求，确定垫补切削向量C_f；

(5)对垫补切削向量C_f进行样条插值，将离散化的坐标输入数控机床进行磁极边缘垫补。

作为一种可选的实施方式，步骤(1)可以采用三维有限元计算软件，如OPERA-3D/TOSCA或ANSYS软件包，首先建立需要垫补的回旋加速器主磁铁三维有限元模型，计算出未进行任何切削的原始模型不同半径处的平均磁场分布B(R)；如图2所示，在磁极边缘半径R₁至R_N处分别切削单位面积三角形块，其中，相邻半径之间的径向间距大于等于1cm，对于每个切削半径R_k，可计算出切削后各半径处对应的平均磁场分布B_k(R)，以及平均磁场分布相对原始磁场分布B(R)的差异ΔB_k(R)＝B(R)-B_k(R)，由此得到N组平均磁场差异分布曲线，如图3所示，该N组平均磁场差异分布曲线覆盖从中心区到引出的区域，表征切削后磁场差异的边缘分布。

作为一种可选的实施方式，在步骤(2)中，将N组平均磁场差异分布曲线离散化，由N组离散化的平均磁场差异分布数据计算出相关矩阵R。由于每组平均磁场差异分布曲线包含了特定半径处切削后径向边缘场的分布，相关矩阵R也表征了切削向量C同切削后各半径处平均磁场改变ΔB的关系，即表征不同半径处切削对径向边缘磁场的影响，可精确估算切削对全局磁场的改变。

作为一种可选的实施方式，在步骤(3)中，对根据设计进行加工后的主磁铁进行磁测，利用束流动力学对测磁数据分析后可得出沿半径的等时场差异ΔB_iso。利用相关矩阵R和等时场差异ΔB_iso，基于最小二乘法，可计算出预测的磁极边缘切削向量C_pred。通常C_pred还不能直接用于工程垫补，在步骤(4)中，需要对C_pred进行调整，利用相关矩阵R的磁场改变量预测能力使得垫补后的磁场满足束流聚焦工作点要求，即满足束流轴向和径向振荡频率的要求，确定垫补切削向量为C_f。在步骤(5)中，将确定的垫补切削向量C_f利用样条插值转化为数控加工中心可接受的加工坐标序列，对磁极边缘或者磁极镶条进行垫补修正。

其中，通过步骤(4)进行预测的加工垫补后磁场改变量ΔB_pred＝R·C_f。采用正确的建模与有限元计算，预测磁场改变量同实测磁场改变量偏差小于5Gs，可以预测垫补效果，进一步增加垫补可靠性。

由于考虑了垫补对径向边缘磁场的影响，利用相关矩阵R可对任意垫补向量进行精确地垫补效果预测，使得本发明中的垫补方法具有很高的垫补精度，通常通过1-2次迭代可实现0.05％以内局部滑相偏差，以及正负6度以内的累积滑向偏差。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。