一種超導線圈一次諧波的磁場測量裝置及其測量方法與流程

本發明屬于超導回旋加速器技術領域，具體涉及一種超導線圈一次諧波的磁場測量裝置及其測量方法。

背景技術：

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，在運動中經高頻電場反復加速的裝置，是高能物理中的重要儀器，其中超導回旋加速器是目前醫用質子治療加速器的核心設備。醫用質子治療加速器能夠實現用微觀世界中的質子、重離子射線治療腫瘤，是當今世界最尖端的放射治療技術，僅有個別發達國家掌握并應用該技術。國內已經展開、但暫時還沒有完成超導回旋加速器的研制工作。

超導回旋加速器磁場主要由常溫主磁鐵和超導線圈提供，為了驗證超導回旋加速器中的超導線圈的加工質量，需要分析超導線圈的一次諧波磁場性能，因此需要設計磁場測量系統對超導線圈的Br方向、Bz方向的磁場進行測量(Bz方向根據所測位置在Br方向上的不同距離，又可分為Bz1、Bz2、Bz3等多個)；同時，測磁過程中可以對超導線圈位置調節功能進行測試，初步研究線圈調平和對中的調節方式，為主磁鐵到場后與超導線圈的裝配打下基礎。已有的針對常溫回旋加速器線圈的磁場測量裝置無法應用于超導線圈的一次諧波的磁場測量。因此需要針對超導回旋加速器的超導線圈設計相應的一次諧波磁場測量裝置和測量方法。

技術實現要素：

為了對超導回旋加速器的超導線圈進行一次諧波磁場性能分析，本發明的目的是提供一種磁場測量裝置，能夠通過簡單的操作完成對超導線圈的一次諧波磁場測量(包括徑向方向和軸向方向)，且測量迅速，造價低廉。

為達到以上目的，本發明采用的技術方案是一種超導線圈一次諧波的磁場測量裝置，用于超導回旋加速器的超導線圈的一次諧波的磁場測量，所述超導線圈設置在圓環形的低溫恒溫器中，其中，包括上部的周向驅動部分、中部的定位與測量部分、下部的徑向與軸向驅動部分，所述定位與測量部分設有測磁霍爾片，所述定位與測量部分能夠在所述周向驅動部分及所述徑向與軸向驅動部分的帶動下使所述測磁霍爾片完成對所述超導線圈的徑向磁場分布以及軸向磁場分布的測量。

進一步，中部的所述定位與測量部分包括：

能夠放置在圓環形的所述低溫恒溫器的圓形中空位置的直徑上的支撐臂；

設置在所述支撐臂下方的測量臂，所述測量臂能夠沿所述低溫恒溫器的圓形中空位置的軸向旋轉；

設置在所述支撐臂兩端的可調支撐桿，所述可調支撐桿用于將將所述測量臂調節到所述超導線圈的中心平面上；

設置在所述測量臂兩端的一對水平同步帶輪、設置在所述水平同步帶輪上的水平同步帶；

設置在所述測量臂的中心位置的一個中心同步帶輪，所述中心同步帶輪能夠帶動所述水平同步帶在所述低溫恒溫器的圓形中空位置做徑向滾動；

設置在所述測量臂的中心的上、下位置的一對軸向同步帶輪；

設置在所述測量臂的中心一側的上、下位置的一對第一豎直同步帶輪；

設置在所述測量臂的中心另一側的上、下位置的一對第二豎直同步帶輪；

還包括能夠分別設置在所述軸向同步帶輪、第一豎直同步帶輪、第二豎直同步帶輪上的豎直同步帶，所述豎直同步帶能夠分別在所述軸向同步帶輪、第一豎直同步帶輪、第二豎直同步帶輪的帶動下在所述低溫恒溫器的圓形中空位置做軸向滾動。

進一步，所述測磁霍爾片能夠安裝在所述水平同步帶上在所述低溫恒溫器的圓形中空位置做徑向移動；所述測磁霍爾片能夠安裝在所述豎直同步帶上在所述低溫恒溫器的圓形中空位置做軸向移動。

進一步，上部的所述周向驅動部分包括連接有驅動軸的上步進電機，所述驅動軸一端連接所述上步進電機，另一端連接所述測量臂的上端面，所述上步進電機通過所述驅動軸帶動所述測量臂沿所述低溫恒溫器的圓形中空位置的軸向旋轉。

更進一步，所述上步進電機與所述超導線圈之間的距離能夠保證所述上步進電機不受所述超導線圈的磁場的影響。

進一步，下部的所述徑向與軸向驅動部分包括設置有連接同步帶的下步進電機，通過所述連接同步帶分別與所述中心同步帶輪、軸向同步帶輪、第一豎直同步帶輪、第二豎直同步帶輪的連接，所述下步進電機能夠帶動所述中心同步帶輪、軸向同步帶輪、第一豎直同步帶輪、第二豎直同步帶輪轉動。

更進一步，所述下步進電機與所述超導線圈之間的距離能夠保證所述下步進電機不受所述超導線圈的磁場的影響。

為了實現以上目的，本發明還提供了采用所述的超導線圈一次諧波的磁場測量裝置的一種超導線圈一次諧波的磁場測量方法，包括如下步驟：

步驟(S1)，將所述超導線圈一次諧波的磁場測量裝置設置在所述低溫恒溫器的圓形中空位置上，通過調整所述可調支撐桿，使所述測量臂位于所述超導線圈的中心平面上，將所述測磁霍爾片設置在所述水平同步帶上，將連接所述下步進電機的連接同步帶連接在所述中心同步帶輪上；

步驟(S2)，通過控制所述下步進電機驅動所述水平同步帶帶動所述測磁霍爾片沿所述低溫恒溫器的徑向運動到某一位置后，記錄該位置坐標并記錄所述測磁霍爾片測量的該位置的磁場強度，將所述位置坐標和所述位置坐標的磁場強度對應保存；

步驟(S3)，通過控制所述上步進電機帶動所述測量臂沿所述低溫恒溫器的軸向旋轉360度，每間隔5度記錄所在位置坐標，并記錄所述測磁霍爾片測量的所在位置的磁場強度，將所述位置坐標和所述位置坐標的磁場強度對應保存；360度旋轉后，完成一個徑向位置的周向測磁；

步驟(S4)，將所述測磁霍爾片調整到所述測量臂上的下一個位置，調整距離為50毫米，重復步驟(S2)、步驟(S3)，完成對所述超導線圈的下一個徑向位置的周向測磁；

步驟(S5)，多次重復步驟(S4)，從而獲得位于所述低溫恒溫器中的所述超導線圈的Br方向的磁場分布數據，所述Br方向為所述超導線圈的中心平面方向。

為了實現以上目的，本發明還提供了采用所述的超導線圈一次諧波的磁場測量裝置的一種超導線圈一次諧波的磁場測量方法，包括如下步驟：

步驟(S1)，將所述超導線圈一次諧波的磁場測量裝置設置在所述低溫恒溫器的圓形中空位置上，通過調整所述可調支撐桿，使所述測量臂位于所述超導線圈的中心平面上，將所述測磁霍爾片設置在所述豎直同步帶上，將所述豎直同步帶設置在所述軸向同步帶輪或者所述第一豎直同步帶輪或者所述第二豎直同步帶輪上，將連接所述下步進電機的連接同步帶連接在所述軸向同步帶輪或者所述第一豎直同步帶輪或者所述第二豎直同步帶輪上；

步驟(S2)，通過控制所述下步進電機驅動所述豎直同步帶帶動所述測磁霍爾片沿所述低溫恒溫器的軸向運動到某一位置后，記錄該位置坐標并記錄所述測磁霍爾片測量的該位置的磁場強度，將所述位置坐標和所述位置坐標的磁場強度對應保存；

步驟(S3)，通過控制所述下步進電機驅動所述豎直同步帶帶動所述測磁霍爾片沿所述低溫恒溫器的軸向運動到下一位置，調整距離為1mm，記錄該位置坐標并記錄所述測磁霍爾片測量的該位置的磁場強度，將所述位置坐標和所述位置坐標的磁場強度對應保存；

步驟(S4)，多次重復步驟(S3)，從而獲得位于所述低溫恒溫器中的所述超導線圈的Bz方向的磁場分布數據，所述Bz方向為所述超導線圈的軸線方向；其中，根據所述軸向同步帶輪、第一豎直同步帶輪、第二豎直同步帶輪在所述超導線圈的中心平面上的不同徑向位置，分別得到Bz1、Bz2、Bz3方向的磁場分布數據。

本發明的有益效果在于：

采用兩個步進電機與多個同步帶輪、同步帶的不同組合應用實現周向運動、徑向運動、軸向運動三種運動形式。中心同步帶輪同時作為徑向運動、軸向運動三種運動形式的驅動部件。下步進電機同時作為徑向運動、軸向運動兩種運動形式的驅動部件。以上措施在保證磁場測量精度的同時，簡化了一次諧波磁場測量裝置的結構，具有操作方便、測量速度快、造價低廉等優點，能夠滿足對超導線圈進行磁場性能分析的精度要求。

附圖說明

圖1是本發明具體實施方式中所述低溫恒溫器的示意圖；

圖2是本發明具體實施方式中設置在所述低溫恒溫器上的所述超導線圈一次諧波的磁場測量裝置的側視圖；

圖中：1-上步進電機，2-驅動軸，3-支撐臂，4-可調支撐桿，5-低溫恒溫器，6-水平同步帶輪，7-水平同步帶，8-測量臂，9-軸向同步帶輪，10-中心同步帶輪，11-連接同步帶，12-下步進電機，13-豎直同步帶，14-第一豎直同步帶輪，15-測磁霍爾片，16-第二豎直同步帶輪，17-臺階圓。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。

本發明提供的一種超導線圈一次諧波的磁場測量裝置，用于超導回旋加速器的超導線圈的一次諧波的磁場測量，超導線圈設置在圓環形的低溫恒溫器5中(低溫恒溫器5如圖1所示)，其中，包括上部的周向驅動部分、中部的定位與測量部分、下部的徑向與軸向驅動部分，定位與測量部分設有測磁霍爾片15，定位與測量部分能夠在周向驅動部分及徑向與軸向驅動部分的帶動下使測磁霍爾片15完成對超導線圈的徑向磁場分布以及軸向磁場分布的測量。

如圖2所示，中部的定位與測量部分包括：

能夠放置在圓環形的低溫恒溫器5的圓形中空位置的直徑上的支撐臂3；如圖1所示，低溫恒溫器5上端面的內圈設有臺階圓17，支撐臂1通過臺階圓17放置在低溫恒溫器5的圓形中空位置的直徑上；

設置在支撐臂3下方的測量臂8，測量臂8能夠沿低溫恒溫器5的圓形中空位置的軸向旋轉；

設置在支撐臂3兩端的可調支撐桿4，可調支撐桿4用于將將測量臂8調節到超導線圈的中心平面上；

設置在測量臂8兩端的一對水平同步帶輪6、設置在水平同步帶輪6上的水平同步帶7；

設置在測量臂8的中心位置的一個中心同步帶輪10，中心同步帶輪10能夠帶動水平同步帶7在低溫恒溫器5的圓形中空位置做徑向滾動；

設置在測量臂8的中心的上、下位置的一對軸向同步帶輪9；

設置在測量臂8的中心一側的上、下位置的一對第一豎直同步帶輪14；

設置在測量臂8的中心另一側的上、下位置的一對第二豎直同步帶輪16；

還包括能夠分別設置在軸向同步帶輪9、第一豎直同步帶輪14、第二豎直同步帶輪16上的豎直同步帶13，豎直同步帶13能夠分別在軸向同步帶輪9、第一豎直同步帶輪14、第二豎直同步帶輪16的帶動下在低溫恒溫器5的圓形中空位置做軸向滾動。

測磁霍爾片15能夠安裝在水平同步帶7上在低溫恒溫器5的圓形中空位置做徑向移動；測磁霍爾片15能夠安裝在豎直同步帶13上在低溫恒溫器5的圓形中空位置做軸向移動。

如圖2所示，上部的周向驅動部分包括連接有驅動軸2的上步進電機1，驅動軸2一端連接上步進電機1，另一端連接測量臂8的上端面，上步進電機1通過驅動軸2帶動測量臂8沿低溫恒溫器5的圓形中空位置的軸向旋轉。

如圖2所示，下部的徑向與軸向驅動部分包括設置有連接同步帶11的下步進電機12，通過連接同步帶11分別與中心同步帶輪10、軸向同步帶輪9、第一豎直同步帶輪14、第二豎直同步帶輪16的連接，下步進電機12能夠帶動中心同步帶輪10、軸向同步帶輪9、第一豎直同步帶輪14、第二豎直同步帶輪16轉動。

上步進電機1與超導線圈之間的距離能夠保證上步進電機1不受超導線圈的磁場的影響。下步進電機12與超導線圈之間的距離能夠保證下步進電機12不受超導線圈的磁場的影響。

本發明還提供了采用上述的磁場測量裝置的一種超導線圈一次諧波的磁場測量方法，用于測量位于低溫恒溫器5中的超導線圈的Br方向(圖2中水平的徑向方向)的磁場分布數據，包括如下步驟：

步驟S1，將超導線圈一次諧波的磁場測量裝置設置在低溫恒溫器5的圓形中空位置上，通過調整可調支撐桿4，使測量臂8位于超導線圈的中心平面上，將測磁霍爾片15設置在水平同步帶7上，將連接下步進電機12的連接同步帶11連接在中心同步帶輪10上；

步驟S2，通過控制下步進電機12驅動水平同步帶7帶動測磁霍爾片15沿低溫恒溫器5的徑向運動到某一位置后，記錄該位置坐標并記錄測磁霍爾片15測量的該位置的磁場強度，將位置坐標和位置坐標的磁場強度對應保存(在位置坐標和位置坐標的磁場強度均被傳送至控制計算機，在控制計算機中將這兩個數據對應起來并保存)中；

步驟S3，通過控制上步進電機1帶動測量臂8沿低溫恒溫器5的軸向旋轉360度，每間隔5度記錄所在位置坐標，并記錄測磁霍爾片15測量的所在位置的磁場強度，將位置坐標和位置坐標的磁場強度對應保存(在位置坐標和位置坐標的磁場強度均被傳送至控制計算機，在控制計算機中將這兩個數據對應起來并保存)中；360度旋轉后，完成一個徑向位置的周向測磁；

步驟S4，將測磁霍爾片15調整到測量臂8上的下一個位置，調整距離為50毫米，重復步驟S2、步驟S3，完成對超導線圈的下一個徑向位置的周向測磁；

步驟S5，多次重復步驟S4，從而獲得位于低溫恒溫器5中的超導線圈的Br方向的磁場分布數據，Br方向為超導線圈的中心平面方向。

本發明還提供了采用上述的磁場測量裝置的一種超導線圈一次諧波的磁場測量方法，用于測量位于低溫恒溫器5中的超導線圈的Bz方向(圖2中豎直的軸向方向)的磁場分布數據，包括如下步驟：

步驟S1，將超導線圈一次諧波的磁場測量裝置設置在低溫恒溫器5的圓形中空位置上，通過調整可調支撐桿4，使測量臂8位于超導線圈的中心平面上，將測磁霍爾片15設置在豎直同步帶13上，將豎直同步帶13設置在軸向同步帶輪9或者第一豎直同步帶輪14或者第二豎直同步帶輪16上，將連接下步進電機12的連接同步帶11連接在軸向同步帶輪9或者第一豎直同步帶輪14或者第二豎直同步帶輪16上(都是連接在位于靠下位置的帶輪上)；

步驟S2，通過控制下步進電機12驅動豎直同步帶13帶動測磁霍爾片15沿低溫恒溫器5的軸向運動到某一位置后，記錄該位置坐標并記錄測磁霍爾片15測量的該位置的磁場強度，將位置坐標和位置坐標的磁場強度對應保存(在位置坐標和位置坐標的磁場強度均被傳送至控制計算機，在控制計算機中將這兩個數據對應起來并保存)中；

步驟S3，通過控制下步進電機12驅動豎直同步帶13帶動測磁霍爾片15沿低溫恒溫器5的軸向運動到下一位置，調整距離為1mm，記錄該位置坐標并記錄測磁霍爾片15測量的該位置的磁場強度，將位置坐標和位置坐標的磁場強度對應保存(在位置坐標和位置坐標的磁場強度均被傳送至控制計算機，在控制計算機中將這兩個數據對應起來并保存)中；

步驟S4，多次重復步驟S3，從而獲得位于低溫恒溫器5中的超導線圈的Bz方向的磁場分布數據，Bz方向為超導線圈的軸線方向；其中，根據軸向同步帶輪9、第一豎直同步帶輪14、第二豎直同步帶輪16在超導線圈的中心平面上的不同徑向位置，分別得到Bz1、Bz2、Bz3方向的磁場分布數據。

本實施例中只需要對“軸向同步帶輪9”、“第一豎直同步帶輪14”、“第二豎直同步帶輪16”所處的徑向位置的軸線方向做磁場測量，因此只要簡單的把下步進電機12分別連接到“軸向同步帶輪9”、“第一豎直同步帶輪14”、“第二豎直同步帶輪16”上即可實現。此外如果還需要對超導線圈的中心平面的徑向上其他位置做軸向的磁場測量，可以對“軸向同步帶輪9”、“第一豎直同步帶輪14”、“第二豎直同步帶輪16”在測量臂8上的位置進行調整，實現對超導線圈的中心平面的徑向上其他位置的軸向磁場測量。

本發明所述的裝置并不限于具體實施方式中所述的實施例，本領域技術人員根據本發明的技術方案得出其他的實施方式，同樣屬于本發明的技術創新范圍。