常规磁铁设计

TOC\o"1-2"\h\z\u11361217190EarnestO.Lawrence36000吨耗量达到148MW在使心处变化轨道处变化倍即著名二步加速器中所需的电磁铁进行了初步的设计与讨论。有必要先介绍下弱聚焦原理。粒子束进行聚焦。建立柱坐标系如图，n为磁场降落指数n

r c( z)B cc下标c代表粒子闭轨处，下标z表示轴向方向的磁感应强度。带电粒子沿轴向和和横向方向的运动方程为分别为d(mdtd

)

2nz 0(mx)dt

0对这两个方程求解，其结果表明，当n<1时，沿z方向运动稳定； 当 n>0时，沿 r方向运动稳定。其中习惯称沿 r方向为沿径向方向， 沿z方向为轴向方向。综合起来，只有当0<n<1时，整个横向运动才 满足稳定。为使磁场降落指数满足上述条件，就需要对磁铁进行特殊 处理，如将极面设计为倾斜的状态等。 随着高能物理的发展，对粒子能量的追求也越来越高，弱聚焦原 理越来越不能满足高能加速器的需求，其中磁铁过重 ，耗电过大均是 很难解决的问题。年库兰特提出强聚焦原理，利用将 n<<1 和0的磁铁进行交替排布以实现聚焦，不再拘泥于 ，动加速器的速发展。其中用磁铁极磁铁和极磁铁。两极磁铁均的磁场布，进行交替排，对径向和轴向交替聚 焦；极磁铁强磁场，使粒子。其中加速器的物理设计的要就是设计出磁铁的 排方，以使电粒子稳定的加速。 极磁铁极磁铁的物理原理 对磁进行定磁场中，磁,y满足拉方程如

2x

2 0y2开成项式,y 0

2 4i其中 别为 次项，写出一次项和次项如下ii ax ay2 ax4 20

10 01axy11

ay202

a20- 0220了二极矩与四极矩磁场即分别为匀强磁场和均匀梯度磁场。对于二极矩

B B

10 01在加速器中主环一般是水平放置的我们通常希望只垂直方向的磁场即仅B。此时磁标势就可以为y 即可看出此时磁标势等位线是和水平向平行的即二极磁铁的可以利用两个接近的极面在极面间的间隙中近似产生匀强磁场。对于四极矩B

xay)xB y

10 01

11y)02Bx

2a20

y y 11 ax4 20

-y

axy11、八等因二与相对与其他要重要同时又因横截面进行二维设计。CHCC1 gB80mm50mm1.4T≤0.0001T偏转角度7.5度长度1.0917m曲率半径8.3403m2 g80mm50mmB1.224T≤0.0001偏转角度7.5度长度1.2488m9.5403m。首先计算路由学FF

f好场区高斯；g气隙高度，单位cmf=1.1，可得安匝数F=61600安培由于的横截面是部分即可，即取安匝数的一。采用截面内通冷却水的线材，横截面20mm^2，在冷却水正常冷却情况下，允许通过的最大电流密度100A/mm^2，即每根导线允许通过的最大电流200A。一般要求实际电流要小于最大电流。取设计电流为170A，则由上文所求安匝数可求得需要的线匝数N为N I

30800170

180匝101802mm0.5mm的安装空间。最终可得到线圈横截面的尺寸大小，尺寸设计为130X75mm^2.面应在好建造加速半经验公式，我们可估计所需极面要伸a g2

(0.75

B0.36))BB其中B0

0即为磁均匀为磁间隙高应70mm140+80=220mm大小和极面，我们可以设计出磁铁轮廓如下磁铁B-H物理性质，当磁感应强很强时，将会达到饱和状态。如下图、安匝、硅钢片B-H线据写入程序输入文件进行算程序值算方法有限差分法网格划分三网格。输入文件运行后查看是否有超过值，未则对极面进行垫补理最后调整安匝使次第一次算有分区域进行调整半60mm左右经多次调整最终确定安匝数A，0.5mm。间隙应强度数据51cm-59cm80mm。参数即基本达到设计25310外其他参数与环相同。eKF0.87251510.1879T/m≤0.0001长度0.6mKD-0.846984≤0.0001长度0.6m0.8407949.8174T/m≤0.0001长度0.6m-0.817091-9.5407T/m≤0.0001长度0.6mW)0W)01.022c 。首先对安匝进行算由路理求得单个安匝数NI

1.1

/2算过修正系。I用此公式算出安匝还需要进步微调才能圈6层10排共60匝单导电流约180A。依然述导。则圈尺寸即60mmX36mm。接来圈尺寸先由孔径大小50mm 确心内接圆大小取内接圆半径为100mm。Bx~5aBCCD平CD可减少两端顶端效应类似于二极磁铁垫补。长取部分进算结果微调几何结构过多次调整长度及安匝数最终四极磁铁几何尺寸如图软件算结果如图出四种四极磁铁磁感应强度梯度图线如图x=00下越靠像越均匀可见0~25mm内均匀达到了万之一标准。减少设计成本四个四极铁采用同一几何结构调整线圈电流改变安匝即可别达到个铁小要。、最终设计结果二极磁铁内环弯转磁铁安匝数30002A内环弯转磁铁安匝数166.67A25310A140.61A10930A182.17A10608A176.80A10535A175.58A10235A170.58A1.2002.场值计算与［M2、裴元吉王相綦.2012.加速器物理学.合肥：中国科学技术大学课程讲义，63-94.二极铁®kprob=0, !PoissonorPandiraproblemmode=0, !Somematerialshavevariablepermeabilityxreg1=4.5,kreg1=2,xreg2=26.5, kreg2=58,xreg3=29,kreg3=68,xreg4=42, kreg4=124,xreg5=44.5, xreg6=66.5, kmax=200,yreg1=3, lreg1=20,yreg2=11,lreg2=54,yreg3=14, lreg3=74,yreg4=35.5, lmax=140&&pox=0,y=0&&pox=87,y=0&&pox=87,y=43&&pox=0,y=43&&pox=0,y=0&®mat=1,cur=30002&&pox=29,y=3.5&&pox=29,y=11&&pox=42,y=11&&pox=42,y=3.5&pox=29,y=3.5&®mat=1,cur=-30002&&pox=66,y=3.5&&pox=66,y=11&&pox=79,y=11&&pox=79,y=3.5&&pox=66,y=3.5&®mat=2,mtid=1,mshape=0&&pox=5,y=0&&pox=27,y=0&&pox=27,y=7&&pont=2,x0=33,y0=7,x=0,y=6&&pox=38,y=13&&pont=2,x0=38,y0=7,x=6,y=0&&pox=44,y=4.5&&pont=2,x0=46,y0=4.5,x=0,y=-2&&pox=47,y=2.5&&pox=47,y=2.45&pox=48,y=2.45&pox=48,y=2.5&&pox=62,y=2.5&&pox=62,y=2.45&pox=63,y=2.45&pox=63,y=2.5&&pox=64, y=2.5&&pont=2,x0=64,y0=4.5,x=2,y=0&&pox=66, y=35&&pox=5, &pox=5, y=0&&mtmtid=1bgam=0.00000 0.00175131359000.0017470799500.00174174210000.00173549810500.00172830911000.0017201411500.00171096312000.00170075312500.00168949413000.00167717413500.00166378628000.00108069428500.00106805129000.00105614229500.00104491230000.0010343093050030500.00102428931000.00101480931500.00100582832000.00099731232500.00098922633000.00098153933500.00097422240000.00090495245000.00085679850000.00081849355000.00078808560000.00076420265000.00074586370000.00073237675000.00072326180000.00071820985000.00071705490000.00071975895000.000726411100000.000737231105000.000752594105780.0007562580113190.0007951022119400.0008375209124510.0008834703129120.0009293680133130.0009764671136540.0010253255139350.0010764263142160.0011254924144470.0011767475146180.0012313603147890.0012846865150200.0013315579151310.0013879251152520.0014423770154320.0014912019155940.0015389351157050.0015918497161800.0018542555168400.0023752969171500.0029154519173600.0034566194176200.0039729837178300.0044863167178300.0044863167182000.0054945055189500.0079176564195000.0102564103202000.0148588410206500.0193798450209500.0238663484216000.0370370370219000.0456621005230000.0869565217233860.1002810000238500.1181630000244080.1387420000250790.1622460000258850.1888580000268540.2186950000280190.2517840000&四极铁®kprob=0, ;PoissonorPandiraproblemmode=-1 ;Materialshavefixedpermeabilitydx=.05,dy=.05, ;Meshintervalsyminf=0,ymaxf=15 ;FixedYforfieldxminf=0,xmaxf=15 ;Xrangeforfieldinterpolation;;Thenext6termsrefertotheharmonicanalysis:ktype=4, ;Quadrupolesymmetrynterm=10, ;Numberofcoefficientsnptc=10, ;Numberofarcpointsforinterpolationrint=7.0, ;Radiusofthearcforinterpolationangle=45, ;Angularextentofarc(defaultstart=0)rnorm=1.0& ;Apertureradiusfor&pox=0.0,y=0.0&&pox=34,y=0.0&&pox=34,y=34&&pox=0.0,y=0.0&®mat=3,mtid=3&&pox=3.5355,y=3.5355&&pont=3,r=5,x=7,y=1.7857&&pox=8.049,y=1.627&&pox=10.355,y=1.627&&pox=19.137,y=5.146&&pont=2,x0=20.253,y0=2.362,x=3,y=0&&pox=23.253,y=0.0&&pox=32.253,y=0&&pox=32.253,y=12.362&&pox=22.375,y=22.375&&pox=3.5355,y=3.5355&®mat=1,cur=10930&&pox=15.819,y=3.6&&pox=21.819,y=3.6&&pox=21.819,y=0&&pox=15.819,y=0&&pox=15.819,y=3.6&®ibound=0&&pox=34,y=34&&pox=3.5355,y=3.5355&&pox=0.0,y=0.0&&mtmtid=3bgam=0.00000E+00 0.0017513135!StartofB,Gammadata0.11420E+040.00175131350.29530E+040.00101595040.51140E+040.00078216660.84760E+040.00070786440.96670E+040.00072411300.10578E+050.00075625800.11319E+050.00079510220.11940E+050.00083752090.12451E+050.00088347030.12912E+050.00092936800.13313E+050.00097646710.13