[发明专利]多极磁铁及其磁场谐波垫补方法

说明书

本申请公开了一种多极磁铁及其磁场谐波垫补方法，该多极磁铁包括磁铁铁芯，所述磁铁铁芯包括2N个磁铁极头，N为大于或等于2的整数，每个所述磁铁极头都套有一励磁线圈，各个磁铁极头在空间上对称放置，所述磁铁极头的中间设有磁场空间，其特征在于，至少两个所述磁铁极头的端部设有魔术指，两个所述魔术指相对于所述磁铁铁芯的纵向中间截面对称；所述魔术指由导磁性材料制成，其数量、尺寸和空间位置由电磁场仿真软件磁场模拟结合实际磁场测量结果确定。采用本发明能够快速、有效地对磁场谐波超差的多极磁铁进行磁场垫补，使其满足设计要求。

技术领域

本公开涉及粒子加速器磁铁技术领域，具体涉及多极磁铁及其磁场谐波垫补方法。

背景技术

多极磁铁是粒子加速器中的基础和重要部件，主体部分为高导磁材料制成的铁芯和导电材料制成的励磁线圈，高导磁材料通常选用电工纯铁、低碳钢或硅钢片。多极磁铁包括四极磁铁、六极磁铁等，主要作用分别用于束流的聚焦和消除束流色散，分别对应的极头数为4、6。多极磁铁每个极头都套有一个励磁线圈，各个极头在空间上对称放置，中间形成气隙。粒子加速器的束流从多极磁铁气隙中经过，线圈励磁情况下，磁铁气隙中有特定的磁场。

多极磁铁在气隙中除产生主磁场外，同时还会产生其它阶次的磁场，本文中n为阶次(n为大于等于1的整数)。磁场可分解到垂直方向和水平方向，分别为垂直磁场和斜磁场。如B1、B2、B3、B4分别对应垂直二极磁场、垂直四极磁场、垂直六极磁场、垂直八极磁场，A1、A2、A3、A4分别对应斜二极磁场、斜四极磁场、斜六极磁场、斜八极磁场。

一种多极磁铁中通常只希望其产生一种多极磁场，同时要求其它磁场尽可能小。如垂直四极磁铁要求其主要产生垂直四极磁场，而其它磁场越小越好。磁铁气隙中的磁场谐波含量是评价多极磁铁磁场性能的关键指标，定义为各个高阶磁场相对于主磁场的相对比值。如对于垂直四极磁铁，磁场谐波b3为垂直六极磁场相对于主四极磁场的比值，磁场谐波a4为斜八极磁场相对于主四极磁场的比值，磁场谐波b5为垂直十极磁场相对于主四极磁场的比值。

某种多极磁铁产生的磁场还可以按系统磁场谐波或非系统磁场谐波进行分类。系统磁场谐波是由于磁铁整体空间布局的几何对称性产生的，对于2N极磁铁，系统磁场谐波阶次为N(2n+1)，n＝0,1,2,3,4,5等等。对于四极磁铁(N＝2)，系统磁场谐波阶次为2，6，10，14等，分别对应四极磁场、12磁场、20极磁场和28极磁场，其中四极磁场为磁铁的主磁场。除系统磁场谐波之外的其它磁场都可称为非系统磁场谐波。

对于2N极磁铁，阶次大于2N的磁场谐波称为高阶磁场谐波。如对于四极磁铁，六极磁场、八极磁场、十极磁场都是高阶磁场谐波。

实际多极磁铁的高阶磁场大小随着阶次的增加而迅速减小。通常，对于实际制造出来的某2N极磁铁，较大的高阶磁场阶次紧邻主磁场的阶次。如对于四极磁铁，实际较大的高阶磁场谐波主要为六极磁场和八极磁场，其它阶次的高阶磁场含量一般较小。

理想的四极磁铁在气隙中只含有系统磁场谐波，不含非系统磁场谐波，并且可以通过磁铁极面的优化设计和端部削斜等手段使高阶系统磁场谐波足够小。非系统磁场谐波是由于铁芯材料缺陷、铁芯的加工误差和磁铁装配误差产生的，通过改进加工工艺、提高加工和装配精度的方法可减小非系统磁场谐波。

加速器多极磁铁对磁场谐波含量要求很严格，一般要求高阶磁场谐波含量在1×10^-4量。传统粒子加速器多极磁铁的气隙直径较大，如第三代同步辐射光源多极磁铁的气隙直径一般在60mm以上。未来科学技术的发展对同步辐射光源的性能提出了更高的需求，新一代同步辐射光源电子束流水平发射度普遍比第三代同步辐射光源降低1个量级以上，相应地多极磁铁孔径也更小。磁铁孔径的减小给磁铁的精密加工制造和获得高磁场精度带来了困难。与通常的中等以上孔径四极磁铁相比，小孔径四极磁铁的磁场高阶分量，特别是非系统磁场对铁芯的加工精度和装配精度更加敏感。