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用于束流矫正电磁技术研究 　　【摘要】在通用的离子束流输运过程中，通常会用到导向磁铁来矫正束流的运动方向，但是常用的导向磁铁只能够矫正一个方向，而束流方向的矫正都是需要两个方向同时矫正，这就需要两台导向磁铁[1,2]。为了节省费用和管道空间，我们设计了一种新型的xy导向磁铁，该磁铁能够采用一个铁芯实现两个方向的矫正。本文给出了这种磁铁的设计过程及磁场强度。 　　【关键词】导向磁铁；磁场；线圈 　　 　　 1.引言 　　 导向磁铁是束流调试的必备元件，为了节省费用，减小束流线的空间，缩短束流线的尺寸，我们在原有单向矫正束流的基础上，开发研制了单磁铁双向扫描的导向磁铁。通过两个方向的磁场耦合，可以对束流进行精确地矫正。 　　 2.导向磁铁磁场计算 　　 假设导向磁铁需要偏移的了离子为质子，导向磁铁与下一个元件之间的距离为L，导向磁铁需要矫正的距离为X或Y，如图1所示。 　　 　　 　　图1 导向磁铁扫描示意图 　　Fig.1 Sketch map of the x-y steering magnet scanner 　　 根据磁刚度公式：[3] 　　 （1） 　　 　　 可以计算出质子在导向磁铁中的偏转半径： 　　 （2） 　　 　　其中： 　　 　　 　　 　　 W为离子能量（动能），W0为离子静止能量，对于质子，W0=938.26MeV，B的单位为Gauss。 　　 导向磁铁磁轭长度ι为80mm，扫描磁铁的扫描范围X或Y，由θ≈tgθ=X/L或Y/L（L为扫描长度），可以计算出扫描角度。再由，可以得到值ρ，再由公式（2）计算可得所需的磁场强度。 　　 根据我们实际的需求，在X方向需要偏移±20mm，Y方向需要偏移±40mm，可以计算得到： 　　 　　 　　 　　 偏转半径： 　　 　　 　　 当质子能量分别为25keV、30keV、35keV时，对应的磁场强度如表1所示。 　　表1 磁场强度 　　E(keV) 25 30 35 　　B(Gs) Bx ±41.7 ±50 ±58.3 　　 By ±83.3 ±100 ±116.7 　　 　　 根据最大能量，XY导向磁铁所需的最大调节磁场为±116.7Gs。 　　 3.导向磁铁结构 　　 在导向磁铁的设计过程中，磁轭是一个正规的同心圆圆柱，其结构模型如图2所示。该磁轭是由低碳钢加工而成的一个圆环性磁轭，在磁轭上面绕有两对线包，内层为左右一对线包，外层为上下一对线包，在环的中心形成互相正交的两个方向的磁场，改变电流的大小，可以改变这个合成磁场的大小方向，即可用来校正束流的中心轨道如图2。 　　 该导向磁铁是采用ANSYS[4]计算得到的磁场分布，其结果如图3所示。图中显示出了左右一对线包的磁场分布情况，另外一对线包和图示相同也是180度对称，相对图示中的一对线包旋转90度叠加在一起的。这四个线包形成两个正交磁场，通过调节两个方向磁场强度，从而形成对束流运动起360度的导向作用的磁场。励磁线圈采用直径为1.5mm的漆包线绕制，每个线包的安匝数为1500，电流为2.5A，电压约为2.3V，目前该导向磁铁的供电电源是两台30V/5A稳流电源。在最大电流时，测得磁场强度如图4所示，图中以导向磁铁中心为中心点，沿着半径方向测量磁场强度。从图中可以看出，半径为5mm处磁场强度大约为160Gs，半径为30mm处得磁场约为120Gs，可以矫正束流最大偏移。 　　 　　图2 导向磁铁磁轭模型 　　 　　 　　图3 圆形导向磁铁磁场分布 　　Fig.3 Circular steering magnetic field distribution 　　 　　图4 径向磁场强度 　　 4.磁场测量 　　 根据以上设计，完成了导向磁铁的绕制，如图5所示。在实际绕制过程中，为了防止导向磁铁过热而破坏导线的绝缘漆，在每层导线之间增加了绝缘层，从而导致绕制导线厚度增加。由于空间有限，在导线厚度增加的情况下减少了导线匝数，为此需要测量磁场强度如图5。 　　 磁场测量结果如图6所示，从图中可以看出，两个方向都小于理论设计值，这是由于导线匝数小于理论值的结果。而y方向的磁场小于x方向，这是因为y方向是外圈，它的绕线匝数比x方向的内圈匝数少40匝，从而导致磁场比较小。 　　 　　图5 导向磁铁实物图 　　Fig.5 Picture of the x-y 　　steering magnet 　　 　　图6 磁场测量结果 　　 5.结论 　　 文章给出了导向磁铁设计、绕制、检测的全过程，并通过磁场测量结果与理论设计结果的比较，由于实际工程原因磁场略低于理论值，但仍在实用范围之内。目前该磁铁已经安装在束流线上，