[科普中國]-加速器磁鐵

主要類型

1、彎轉(zhuǎn)磁鐵和它建立的均勻磁場

均勻磁場是一種在一定空間范圍內(nèi)分布均勻的磁場，用B表示磁場，均勻磁場可以表示為B=常數(shù)，粒子在均勻磁場中的運(yùn)功軌道是一條弧線，因此均勻磁場的作用足使粒子的運(yùn)動軌道彎轉(zhuǎn)，彎轉(zhuǎn)的曲率半徑ρ，與磁場強(qiáng)度B成反比，乘積ρB被稱為磁剛度。

2、聚焦磁鐵和它建立的均勻梯度磁場

均勻梯度磁場即磁場梯度B'=G=常數(shù)，它的作用是使粒子運(yùn)動以軌道心為軸線聚焦，聚熱力的大小與磁場梯度成正比.以K表示磁場聚焦強(qiáng)度，形成這種均勻梯度場的磁場形態(tài)的是一種四極磁鐵。因此，勻勻梯度磁場也稱為四極磁場，按其用途，這種磁鐵也稱為聚焦磁鐵。

3、六極磁鐵和它建立的均勻二階梯度磁場

均勻二階梯度磁場可以表示為磁場的二階梯度B"=G'=常數(shù)，在加速器中，它的作用是消除粒子運(yùn)動的色散，其消除色散的能力與磁場二階梯度成正比。

形成這種磁場形態(tài)的鐵心磁鐵是一種六極磁鐵。因此，均勻梯度磁場也稱為六極磁場，按其用途。這種磁鐵也稱為消色散磁鐵，

4、八極磁鐵和它建立的均勻三階梯度磁場

均勻三階梯度磁場可以表示為磁場的三階梯度B"'=G''=常數(shù)。在加速器中，它用于朗道阻尼。形成這種磁場形態(tài)的鐵心磁鐵是一種八極磁鐵。均勻三階梯度磁場也稱為八極磁場。

5、組合型磁鐵和它所建立的組合磁場

組合磁場是在同一空間上同時(shí)存在兩種或多種給定要求的磁場形態(tài)。在均勻磁場的基礎(chǔ)上再加一個(gè)均勻梯度磁場即B+G，形成這種組合磁場形態(tài)的磁鐵稱為組合磁鐵。這種組合磁鐵可以同時(shí)完成粒子彎轉(zhuǎn)和聚焦兩項(xiàng)作用。組合磁場可有多種形式，如B+B'、Bx+By，等。1

常規(guī)磁鐵的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一塊磁鐵首先要明確對磁鐵的給定要求。這些要求是磁鐵設(shè)計(jì)的依據(jù)和設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)，一般情況下，這些要求包括下列幾項(xiàng)：

1、磁鐵的種類和數(shù)量；

2、工作孔徑，它是指磁極間的工作氣隙，可包括束流清晰區(qū)所需的尺寸和真空室的厚度以及安裝氣隙等。

3、中心磁場強(qiáng)度。例如i極磁鐵的中心磁場強(qiáng)度B0，四極磁鐵的中心磁場梯度G0，六極磁鐵的中心二階磁場梯度等等；

4、磁長度；

5、有用場區(qū)的范圍，它是指磁鐵內(nèi)束流清晰區(qū)所需的空間；

6、單塊磁鐵磁場的質(zhì)量要求；

7、磁鐵間磁場離散性的要求，它指的是各塊同類磁鐵之間積分磁場離散的均方根偏差；

8、磁鐵的運(yùn)行狀態(tài)，磁鐵勵(lì)磁是直流還是脈動狀態(tài)；

9、其他特殊要求。如空間尺寸限制，結(jié)構(gòu)類型限制等。1

加速器磁鐵的磁場測量加速器磁鐵磁場測最的目的是得出磁鐵的實(shí)際磁場質(zhì)量，并且其測量結(jié)果可用于磁鐵生產(chǎn)的質(zhì)量監(jiān)督。磁場測量主要方法包括：磁場精確測量的核磁共振儀法、用于逐點(diǎn)測量的霍爾片法、用于積分磁場分布測量的移動長線圈法和用于磁場諧波含量測量的旋轉(zhuǎn)線圈法等。

加速器磁鐵電源加速器的磁鐵電源是為加速器各種類型的電磁鐵供電的系統(tǒng)。調(diào)節(jié)磁鐵電源的電流，可以改變磁鐵的電磁場，從而控制粒子運(yùn)動的軌道。在加速器技術(shù)領(lǐng)域里，電源技術(shù)與其他學(xué)科的技術(shù)相比，是相對比較獨(dú)立的一門學(xué)科。但是為了適應(yīng)加速器的要求，加速器所用的磁鐵電源又有它自己的特點(diǎn)。1

兩種常用磁鐵介紹1、永磁磁鐵

永磁磁鐵是利用永磁材料來形成所需的磁場形態(tài)，永磁材料大都是硬磁材料，具有較大的剩磁Br和矯頑磁力Hc，其退磁曲線接近為一條直線，磁導(dǎo)率接近于空氣，一經(jīng)磁化成永磁體，其磁性將長期保持。加速器永磁磁鐵是將多個(gè)永磁體按永磁塊預(yù)定的磁化方向排列其空間位置來建立所需的磁場分布，并且永磁體的徑向尺寸和磁化強(qiáng)度來確定所需的磁場強(qiáng)度的大小。

2、超導(dǎo)磁鐵

用于高能加速器的空心線圈磁鐵大多數(shù)是超導(dǎo)磁鐵，超導(dǎo)磁鐵在大型高能加速器建造中得到廣泛地使用，加速器某些特別需要的部位也需要使用超導(dǎo)磁鐵，空心線圈磁鐵是利用載流導(dǎo)體的特定空間排列來建立磁場形態(tài)所特定的磁場分布，由導(dǎo)體電流的大小來建立起所需的磁場強(qiáng)度.由于空心線圈產(chǎn)生磁場時(shí)需要的勵(lì)磁安匝數(shù)非常大，常規(guī)導(dǎo)體的空心線圈會占用龐大空間，大多數(shù)空心線圈導(dǎo)體使用超導(dǎo)材料‘因此，超導(dǎo)的空心線圈被稱為超導(dǎo)磁鐵。

空心線圈導(dǎo)體可允許通過很高的電流密度。但是，超導(dǎo)體正常工作有它的臨界條件，超過臨界條件之一時(shí)，超導(dǎo)體立刻失去超導(dǎo)特性，變成普通導(dǎo)體，超導(dǎo)體一般上作在臨界條件以內(nèi)的合適區(qū)間，因此，超導(dǎo)磁鐵一般需要很龐大的超低溫系統(tǒng)，并且要克服作用在導(dǎo)體上的強(qiáng)大的電磁力。超導(dǎo)磁鐵在失超時(shí)將釋放巨大的能量，還需要采用有失超保護(hù)的電源系統(tǒng)。1