專利名稱：多極磁鐵及其諧波墊補方法
技術領域：
本發明涉及粒子加速器磁場測量技術，尤其涉及一種多極磁鐵及其諧波墊補方法。
背景技術：
六極磁鐵用于修正粒子加速器中束流能量分散(energy dispersion)所造成的色度(chromaticity)效應，以使得束流更加穩定。對于六極磁鐵的設計和研制而言，理想的六極磁鐵要求既沒有系統誤差也沒有非系統誤差(也稱為隨機誤差)。但是，由于磁鐵結構的對稱性、鐵芯尺寸的有限性以及鐵芯材料、加工、裝配誤差等原因，實際生產出的六極磁鐵總是存在多種階數磁場的誤差。通常，可以采用端部削斜的方法進行諧波墊補，以消除系統誤差；通過改進加工工藝、提高加工精度等方法，抑制隨機誤差。傳統的粒子加速器對六極磁鐵的精度要求不高，如除六極磁場之外的其他階磁場垂直分量和斜分量等隨機誤差一般要求小于2X 10_3量級即可，因此通過控制磁鐵加工工藝和加工質量，生產合乎要求的六極磁鐵并不困難。但是，隨著第三代同步輻射光源性能的不斷提高，對六極磁鐵的精度要求也不斷提高，例如美國布魯克海文國家實驗室 (Brookhaven National Laboratory,簡稱 BNL)研制的第三代同步福射光源(National Synchrotron Light Source,簡稱NSLS-II)、中國臺灣的TPS光源等,要求六極磁鐵的其他階場垂直分量和斜分量控制在2 X IO-4量級，相對傳統的粒子加速器，六極磁鐵的精度要求大約提高了一個數量級。為了研制這種高精度的六極磁鐵，僅采用工藝改進手段已不能滿足隨機誤差的抑制要求，例如磁鐵關鍵部位如極面需要采用高精度的線切割工藝來完成加工，理論上極面的加工精度和極頭位置的裝配精度均要求小于O. 02_。但是，在實際的磁鐵生產過程中，達到這樣的加工精度和裝配精度非常困難，生產出的六極磁鐵普遍存在其他階場誤差，特別是靠近六極場的隨機誤差，如二極場、八極場和十極場等磁場的垂直分量和斜分量通常都超出了設計要求，由此導致六極磁鐵的精度無法滿足應用要求。
發明內容
本發明提供一種多極磁鐵及其諧波墊補方法，用于以較低成本提高多極磁鐵隨機誤差的調節精度。本發明一個方面提供了一種多極磁鐵，包括2N極磁鐵主體，所述2N極磁鐵主體包括2N個磁極鐵芯，N為大于或等于2的整數，每個磁極鐵芯的極頭區域開設有定位孔，所述定位孔可插拔式設置有導磁孔芯。本發明另一方面提供了上述多極磁鐵的諧波墊補方法，包括在多極磁鐵各磁極鐵芯的極頭區域開設的各定位孔中均未插有導磁孔芯時，測量所述多極磁鐵的磁場諧波參量的初始值；所述多極磁鐵為2N極磁鐵，N為大于或等于2的整數；所述磁場諧波參量包括垂直2n極磁場強度與垂直2N極磁場強度的比值，以及斜2n極磁場強度與垂直2N極磁場強度的比值，其中，η為大于或等于I且不等于N的整數；如果所述初始值超出預設誤差允許范圍，則根據所述初始值與預設誤差允許范圍的差異，在各所述定位孔中確定需要插入所述導磁孔芯的定位孔；在確定的所述定位孔中插入所述導磁孔芯，以將所述磁場諧波參量的當前測量值調整到所述誤差允許范圍內。 本發明提供的多極磁鐵及其諧波墊補方法中，在多極磁鐵包括的各磁極鐵芯的極頭區域開設定位孔，該定位孔支持導磁孔芯的插拔式設置，通過改變定位孔中導磁孔芯的插入狀態，即可對多極磁鐵的磁場進行諧波墊補，諧波墊補調節方法簡單、效率高，可以較低成本達到較高的調節精度，從而滿足實際應用的需求。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發明實施例一提供的六極磁鐵的結構示意圖；圖2為本發明實施例二提供的多極磁鐵的諧波墊補方法流程圖；圖3為本發明六極磁鐵的磁場疊加模型示意圖；圖4為本發明六極磁鐵的定位孔的布局及其編號不例。附圖標記11-磁鐵本體； 12-磁極鐵芯； 13-U型部件；14-定位孔；15-導磁孔芯； 16-磁場空間；131-開口部。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。本發明提供了一種多極磁鐵，包括2Ν極磁鐵主體，該2Ν極磁鐵主體包括2Ν個磁極鐵芯，N為大于或等于2的整數；即，本發明提供的多極磁鐵可為四極磁鐵、六極磁鐵、八極磁鐵等，2Ν極磁鐵主體相應為四極磁鐵主體、六極磁鐵主體、八極磁鐵主體等。每個磁極鐵芯的極頭區域開設有定位孔，定位孔可插拔式設置有導磁孔芯。該技術方案中，導磁孔芯可以為但不限于鐵銷釘、鐵釘或鐵螺絲等，以提高取材的方便性并降低成本。所述極頭區域可為自磁極鐵芯的極尖向該磁極鐵芯的根部延伸10mm-30mm的區域，以提高諧波墊補過程中局部磁場變化的靈敏度。可選的，每個所述磁極鐵芯開設有一對所述定位孔，一對所述定位孔對稱開設在每個所述磁極鐵芯的兩個相對面。在同一所述磁極鐵芯的兩個相對面的極頭區域開設的一對所述定位孔，彼此可不導通，以提高裝配加工的方便性。本發明在多極磁鐵包括的各磁極鐵芯的極頭區域開設定位孔，該定位孔支持導磁孔芯的插拔式設置，通過改變定位孔中導磁孔芯的插入狀態，即可對多極磁鐵的磁場進行諧波墊補，諧波墊補調節方法簡單、效率高，可以較低成本達到較高的調節精度，從而滿足實際應用的需求。下面以六極磁鐵為例，詳細說明本發明多極磁鐵的技術方案。圖I為本發明實施例一提供的六極磁鐵的結構示意圖。如圖I所示的六極磁鐵包括六極磁鐵主體，所述六極磁鐵主體包括磁鐵本體11、6個磁極鐵芯12和2個U型部件
13。6個磁極鐵芯12以磁鐵本體11中心對稱布置；各磁極鐵芯12的根部分別設置在磁鐵本體11上，且各磁極鐵芯12的極頭分別指向磁鐵本體11中心，用于形成磁場空間16。2 個U型部件13開口相向且對稱設置在磁鐵本體11的兩側，每個U型部件13的開口部131 作為如NSLS-II等同步光束的引出通道。可選的，每個磁極鐵芯12可采用無取向硅鋼片 (J23G50)沖片疊裝而成，每個U型部件13采用如DT4等電磁純鐵材料制成。每個磁極鐵芯12的極頭區域開設有定位孔14，定位孔14內可插拔式設置有導磁孔芯15，也就是說導磁孔芯15在定位孔14內可插拔。在同一磁極鐵芯12的兩個相對面的極頭區域也可對稱開設一對定位孔14，該對定位孔14彼此可不導通，以在滿足諧波墊補精度要求的基礎上，提高裝配加工的方便性。本實施例提供的六極磁鐵中，導磁孔芯的作用主要有兩個。導磁孔芯的作用之一是越靠近磁極鐵芯極尖的區域的磁場較強，在極頭區域開設定位孔并在定位孔中插入或拔出導磁材料，由此導致局部磁場發生變化，起到對六極磁鐵的2n階磁場進行墊補的作用，使得磁場諧波參量落入預設誤差允許范圍，從而滿足六極磁鐵關于磁場諧波參量的隨機誤差精度調節的要求。其中，磁場諧波參量可包括垂直分量 bn和斜分量an ;垂直分量bn表不垂直2n極磁場強度與垂直2N極磁場強度的比值,斜分量 an表示斜2n極磁場強度與垂直2N極磁場強度的比值；n為大于或等于I且不等于N的整數，N等于3。導磁孔芯的另一作用是由于磁極鐵芯的極頭較為單薄，當在極頭區域開設定位孔并在定位孔中插入導磁孔芯，可對極頭起到加固作用。導磁孔芯可為采用導磁材料制成的與定位孔匹配的孔芯即可。為了提高取材的方便性，降低成本，可選的，導磁孔芯可為但不限于鐵銷釘；鐵銷釘的孔徑可根據定位孔的大小選定，如可選用直徑為6mm且長度為30mm的鐵銷釘等。上述技術方案中，極頭區域為磁極鐵芯靠近極頭的極尖部位的預設區域。為了提高諧波墊補過程中局部磁場變化的靈敏度，可選的，極頭區域可為自磁極鐵芯的極尖向該磁極鐵芯的根部延伸10mm-30mm的區域。為了進一步提高裝配加工的方便性，極頭區域優選為自磁極鐵芯的極尖向該磁極鐵芯的根部延伸14mm-18_的區域。圖2為本發明實施例二提供的多極磁鐵的諧波墊補方法流程圖。上述多極磁鐵的諧波墊補方法如圖2所示，具體包括步驟21 :在多極磁鐵各磁極鐵芯的極頭區域開設的各定位孔中均未插有導磁孔芯時，測量所述多極磁鐵的磁場諧波參量的初始值；所述多極磁鐵為2N極磁鐵,N為大于或等于2的整數；所述磁場諧波參量包括垂直2n極磁場強度與垂直2N極磁場強度的比值， 以及斜2n極磁場強度與垂直2N極磁場強度的比值，其中，η為大于或等于I且不等于N的整數。多極磁鐵各磁極鐵芯的極頭區域開設的各定位孔中均未插有導磁孔芯的情形，是指各定位孔中每個定位孔都沒有插入導磁孔芯的情形，具體可包括各定位孔均空著，既沒有插入導磁孔芯也沒有插入非導磁孔芯的情形；或者，各定位孔均插入非導磁孔芯的情形； 或者，各定位孔中，部分定位孔空著，其他定位孔插入非導磁孔芯。所述導磁孔芯為采用導磁材料制成、可與定位孔匹配的孔芯，可包括但不下限于 鐵銷釘、鐵釘、鐵螺絲等。所述非導磁孔芯為采用非導磁材料制成、可與定位孔匹配的孔芯， 可包括但不限于不銹鋼銷釘、不銹鋼釘、不銹鋼螺絲等。步驟22 :如果所述初始值超出預設誤差允許范圍，則根據所述初始值與預設誤差允許范圍的差異，在各所述定位孔中確定需要插入所述導磁孔芯的定位孔。可選的，可先確定將所述初始值調整到所述誤差允許范圍內所需的諧波墊補量范圍；預先建立定位孔標識和諧波墊補量之間的映射關系，之后根據所述諧波墊補量范圍和所述映射關系，確定需要插入所述導磁孔芯的定位孔。建立所述映射關系包括每次在一所述定位孔中插入所述導磁孔芯，并標定所述多極磁鐵在當前狀態下的諧波墊補量，多次標定直至遍歷各所述定位孔，得到各單定位孔的諧波墊補量；建立各定位孔的定位孔標識與其各自對應的諧波墊補量之間的映射關系。 和/或，建立所述映射關系包括對所述各定位孔進行分組，每次在一組定位孔中插入所述導磁孔芯，并標定所述多極磁鐵在當前狀態下的諧波墊補量，多次標定直至遍歷各組定位孔，得到各組定位孔的諧波墊補量；建立各組定位孔的定位孔標識與其對應的諧波墊補量之間的映射關系。步驟23 :在確定的所述定位孔中插入所述導磁孔芯，以將所述磁場諧波參量的當前測量值調整到所述誤差允許范圍內。本發明可在多極磁鐵包括的各磁極鐵芯的極頭區域開設定位孔，測量多極磁鐵的磁場諧波參量的初始值，根據所述初始值與預設誤差允許范圍的差異，在各定位孔中確定需要插入所述導磁孔芯的定位孔，并在確定的定位孔中插入導磁孔芯，通過導磁孔芯產生的局部磁場進行磁場諧波墊補，以將磁場諧波參量的當前測量值調整到誤差允許范圍內。 本發明磁場諧波墊補方法簡單，調節效率高，成本低，并可達到較高的調節精度。下面以六極磁鐵為例，對本發明在定位孔中可插拔式設置導磁孔芯，進行多極磁鐵磁場諧波墊補的原理進行說明。理論上，對于一臺實際的非理想的垂直六極磁鐵而言，磁場空間內任意一點(X，y) 的磁場B沿磁場空間軸線I的積分可以表示如下
權利要求
1.一種多極磁鐵，包括2N極磁鐵主體，所述2N極磁鐵主體包括2N個磁極鐵芯，N為大于或等于2的整數，其特征在于，每個磁極鐵芯的極頭區域開設有定位孔，所述定位孔可插拔式設置有導磁孔芯。
2.根據權利要求I所述的多極磁鐵，其特征在于，所述2N極磁鐵主體為六極磁鐵主體； 所述六極磁鐵主體包括磁鐵本體、6個磁極鐵芯和2個U型部件；所述6個磁極鐵芯以所述磁鐵本體中心對稱布置，各所述磁極鐵芯的根部分別設置在所述磁鐵本體上，且各所述磁極鐵芯的極頭分別指向所述磁鐵本體中心，用于形成磁場空間；所述2個U型部件開口相向且對稱設置在所述磁鐵本體的兩側，每個所述U型部件的開口部作為同步光束引出通道。
3.根據權利要求I或2所述的多極磁鐵，其特征在于，所述導磁孔芯為鐵銷釘、鐵釘或鐵螺絲。
4.根據權利要求I或2所述的多極磁鐵，其特征在于，所述極頭區域為自所述磁極鐵芯的極尖向所述磁極鐵芯的根部延伸10mm-30mm的區域。
5.根據權利要求I或2所述的多極磁鐵，其特征在于，每個所述磁極鐵芯開設有一對所述定位孔，一對所述定位孔對稱開設在每個所述磁極鐵芯的兩個相對面。
6.根據權利要求5所述的多極磁鐵，其特征在于，每個所述磁極鐵芯開設的一對所述定位孔彼此不導通。
7.—種如權利要求1-6任一所述的多極磁鐵的諧波墊補方法，其特征在于，包括在多極磁鐵各磁極鐵芯的極頭區域開設的各定位孔中均未插有導磁孔芯時，測量所述多極磁鐵的磁場諧波參量的初始值；所述磁場諧波參量包括垂直2n極磁場強度與垂直2N 極磁場強度的比值，以及斜2n極磁場強度與垂直2N極磁場強度的比值，其中，η為大于或等于I且不等于N的整數；如果所述初始值超出預設誤差允許范圍，則根據所述初始值與預設誤差允許范圍的差異，在各所述定位孔中確定需要插入所述導磁孔芯的定位孔；在確定的所述定位孔中插入所述導磁孔芯，以將所述磁場諧波參量的當前測量值調整到所述誤差允許范圍內。
8.根據權利要求7所述的多極磁鐵的諧波墊補方法，其特征在于，所述多極磁鐵為六極磁鐵；所述磁場諧波參量包括垂直2、8或10極磁場強度與垂直6極磁場強度的比值，以及斜2、8或10極磁場強度與垂直6極磁場強度的比值。
9.根據權利要求7或8所述的多極磁鐵的諧波墊補方法，其特征在于，根據所述初始磁場諧波參量與預設誤差允許范圍的差異，在各所述定位孔中確定需要插入所述導磁孔芯的定位孔，包括確定將所述初始值調整到所述誤差允許范圍內所需的諧波墊補量范圍；預先建立定位孔標識和諧波墊補量之間的映射關系；根據所述諧波墊補量范圍和所述映射關系，確定需要插入所述導磁孔芯的定位孔。
10.根據權利要求9所述的多極磁鐵的諧波墊補方法，其特征在于，預先建立定位孔標識和諧波墊補量之間的映射關系包括；每次在一所述定位孔中插入所述導磁孔芯，并標定所述多極磁鐵在當前狀態下的諧波墊補量，多次標定直至遍歷各所述定位孔，得到各單定位孔的諧波墊補量；建立各定位孔的定位孔標識與其各自對應的諧波墊補量之間的映射關系；和/或，對所述各定位孔進行分組，每次在一組定位孔中插入所述導磁孔芯，并標定所述多極磁鐵在當前狀態下的諧波墊補量，多次標定直至遍歷各組定位孔，得到各組定位孔的諧波墊補量；建立各組定位孔的定位孔標識與其對應的諧波墊補量之間的映射關系。
全文摘要
本發明公開了一種多極磁鐵及其諧波墊補方法。多極磁鐵包括2N極磁鐵主體，所述2N極磁鐵主體包括2N個磁極鐵芯，N為大于或等于2的整數，每個磁極鐵芯的極頭區域開設有定位孔，定位孔可插拔式設置有導磁孔芯。諧波墊補方法包括在多極磁鐵各磁極鐵芯的極頭區域開設的各定位孔中均未插有導磁孔芯時，測量所述多極磁鐵的磁場諧波參量的初始值；如果所述初始值超出預設誤差允許范圍，則根據所述初始值與預設誤差允許范圍的差異，在各定位孔中確定需要插入導磁孔芯的定位孔；在確定的定位孔中插入所述導磁孔芯，以將所述磁場諧波參量的當前測量值調整到所述誤差允許范圍內。本發明方法簡單、效率高，可以較低成本達到較高的調節精度。
文檔編號H05H7/04GK102595762SQ20121007707
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者康文, 戴旭文, 李藜 申請人:中國科學院高能物理研究所