[發(fā)明專利]一種緊湊型中能負氫強流等時性回旋加速器直邊扇主磁鐵

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011185765.9
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112216468B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張?zhí)炀?/a>;呂銀龍;王川;管鋒平;安世忠;魏素敏;崔濤;李明;王振輝;邢建升;林軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國原子能科學(xué)研究院
• 主分類號: H01F7/20
• 分類號: H01F7/20;H05H13/00
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 卓凡

本發(fā)明公開了一種緊湊型中能負氫強流等時性回旋加速器直邊扇主磁鐵，每個直邊扇型磁極兩條直邊的交點與蓋板中心點徑向不重合、該交點位于蓋板中心區(qū)的圓周上；每個直邊扇型磁極尾部的圓弧的圓心與蓋板中心嚴格重合，且每個直邊扇型磁極的扇形磁極側(cè)半徑小于扇形磁極尾部的圓弧的曲率半徑；鑲條在大半徑角寬度的降低足夠大于主磁鐵磁極在大半徑增加的弧長，使得大半徑處磁極與鑲條總的角寬度比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)減小了，即減小了，因此，調(diào)變度增加，聚焦力增加；所述為中心平面上磁鐵扇形磁極與鑲條在圓周方向所占的比例；通過調(diào)節(jié)扇形磁極半徑與扇形磁極尾部的圓弧的曲率半徑比例關(guān)系，結(jié)合調(diào)節(jié)磁極鑲條輪廓等方式，便于引入磁場變梯度聚焦。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于強流質(zhì)子回旋加速器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種緊湊型中能負氫強流等時性回旋加速器的主磁鐵。

背景技術(shù)

回旋加速器是利用磁場和電場共同使帶電粒子作回旋運動，在運動中經(jīng)高頻電場反復(fù)加速的裝置，是核物理和核技術(shù)應(yīng)用研究的重要一個工具。中能負氫強流等時性回旋加速器是指的加速離子種類為負氫(H^-)，加速的離子最終能量達到100MeV(含100MeV)以上，加速和引出的束流流強達到200μA以上。中能強流質(zhì)子回旋加速器，可以產(chǎn)生強流質(zhì)子束、打靶產(chǎn)生高通量中子和放射性核束(RIB)以用于國防核技術(shù)、核物理基礎(chǔ)與核技術(shù)應(yīng)用研究，如核數(shù)據(jù)測量、輻射物理、中子物理、核結(jié)構(gòu)、材料科學(xué)與生命科學(xué)等，是核科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的重要平臺。

中能負氫強流等時性回旋加速器系統(tǒng)由負氫離子源、軸向注入線、主磁鐵、高頻腔、剝離引出、真空室等核心組件構(gòu)成。負氫束從離子源注入軸線進入加速器中心平面后進行圓形的回旋運動，每次經(jīng)過高頻加速間隙時，負氫粒子能量增加，同時粒子回旋半徑增大；經(jīng)過很多圈(通常數(shù)百圈)加速至最終能量，然后通過剝離引出的方式連續(xù)引出強流質(zhì)子束。其中，主磁鐵提供負氫粒子加速的導(dǎo)向磁場。

主磁鐵是緊湊型強流負氫加速器系統(tǒng)加速強流(200μA以上)負氫離子束到100MeV以上能區(qū)的基本保證。但現(xiàn)有緊湊型中能負氫強流等時性回旋加速器直邊扇主磁鐵技術(shù)存在如下挑戰(zhàn)：

1)采用緊湊型(即上下磁極、上下磁軛成對均勻布置在整體型上下蓋板上)的主磁鐵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致靠近主磁鐵上下磁極之間的中心平面的中心布置的中心區(qū)電極、高頻Dee板與磁極邊緣距離過近，進而導(dǎo)致加速器運行過程中高頻打火頻繁，影響強流束加速下的加速器運行穩(wěn)定性；

2)由于回旋加速器中粒子能量穩(wěn)定增長的過程中，要保證每圈經(jīng)過加速間隙時的高頻相位基本恒定，這就要求約束粒子回旋運動的磁場隨磁極半徑逐漸增大，且磁場隨半徑的增長要能夠匹配粒子能量的增長，這就是回旋加速器主磁鐵磁場分布的等時性條件。這就意味著，磁極弧長隨半徑的增長帶來的磁場增加要能夠匹配粒子加速所需要的沿著磁極半徑逐漸增大的磁場。在磁鐵工程中，實際等時性磁場需要通過磁場墊補手段進行微調(diào)，常用的墊補方法如采用修正貼合于磁極側(cè)邊、由高飽和磁場的導(dǎo)磁材料(純鐵或低碳鋼)加工形成的鑲條的側(cè)邊輪廓進行磁場墊補。鑲條高度方向的一端一般與磁極表面平齊，鑲條整體高度遠小于磁極高度，鑲條高度方向的另一端與蓋板的距離較遠，因此相同角寬度的磁極在中心平面產(chǎn)生的磁場要大于鑲條在中心平面的磁場。現(xiàn)有技術(shù)中扇形磁極中心處于蓋板中心，為了平衡整個磁極范圍內(nèi)的等時性磁場分布，扇形磁極的角度不能太大。導(dǎo)致大半徑處，磁極本體提供的磁場不足，需要鑲條在大半徑提供更大的磁場墊補量，意味著需要大半徑處更大的鑲條角寬度。這會帶來包括鑲條切向力、形變增大，大半徑處高頻加速間隙不足等一系列問題，最終導(dǎo)致束流損失增加，流強受限。

3)現(xiàn)有緊湊型等時性回旋加速器直邊扇主磁鐵技術(shù)存在聚焦力不足的問題，無法保證加速負氫到≥100MeV能量所需的軸向聚焦力；需要采用螺旋扇型主磁鐵或分離扇型主磁鐵，但前者會導(dǎo)致高頻加速系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險、難度顯著增加，后者會導(dǎo)致加速器總體規(guī)模和造價大幅增加。

發(fā)明內(nèi)容