本发明专利技术涉及一种超导回旋加速器中可实现高精度磁场测量的感应线圈探头，包括线圈骨架、细导线和引出电缆，所述的细导线均匀缠绕在骨架下槽内，绕制线匝通过数值模拟确定最佳尺寸，两端与引出电缆一端焊接并浇注加固于骨架上槽内，电缆采用双绞线并外加100％屏蔽层，消除外部电磁场干扰。感应线圈探头可安装在夹具内，引出电缆与积分器相连实现测量，本发明专利技术可用于紧凑型超导回旋加速器中的磁场测量，最高测量磁场强度达到10T以上，测量精度可达到5×10‑5，高于常温磁铁回旋加速器中的霍尔探头测量方法，且成本低廉、结构简单，方便进行安装固定。
【技术实现步骤摘要】
一种超导回旋加速器中高精度磁场测量感应线圈探头
本专利技术属于加速器磁场测量领域，具体涉及一种紧凑型超导回旋加速器中可实现高精度磁场测量的感应线圈探头。
技术介绍
霍尔效应法和磁通量法是加速器中常用的两种磁场测量方法，前者采用霍尔探头进行测量，目前在市面上有较成熟的产品，经过校准后，一般可在-2T～2T的磁场范围内达到10-4的测量精度。而后者采用感应线圈探头，结构简单，测量磁场范围较广，原则上可实现最高的测量精度为10-5；超导回旋加速器结构紧凑，磁场一般大于3T以上，等时性垫补要求的磁场测量精度往往要高于10-4，需要采用结构合适的感应线圈探头；似于“U”型结构形式，左右两个臂位于带状线窄柄介质中以提高探头强度。感应线圈探头在回旋加速器中进行磁场测量的基本原理是，探头从中心点运动到任意一点过程中会产生电动势，通过积分器测量电动势随时间的积分，即两点的磁通量变化ΔФ，已知线圈探头的面积S，可得到两点的磁场差：ΔB＝ΔФ/S。由此可见，该测量方法的测量精度取决于面积和电压的测量精度，具体如下：(1)线圈面积的稳定性；容易受到骨架变形、绕线稳固程度、温度膨胀、机械加工等因素的影响。(2)线圈探头尺寸结构的影响；线圈探头有一定体积，因而测得是体积内的平均磁场，与实际需要测量的探头中心的磁场有一定偏差；为了使偏差最小，需要对结构尺寸进行优化。(3)电压测量的准确性；对电缆接头和电磁屏蔽的设计有较高要求；总之，为了实现高精度，该测量方法对用户的专业性要求较高，往往在不同应用情况下有不同的线圈探头结构，需要单独设计。
技术实现思路
针对超导回旋加速器磁场测量的要求，本专利技术提供一种可实现高精度测量的感应线圈探头，测量最大磁场可达到10T以上，相对测量精度高于5×10-5。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是：一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，包括线圈骨架、细导线和引出电缆，细导线均匀缠绕在线圈骨架上形成线匝，其特征在于：所述线圈骨架上具有骨架上槽和缺口，细导线的两头穿过缺口后于骨架上槽内缠绕两圈，细导线与引出电缆一端焊接并于骨架上槽进行浇注固定，引出电缆另一端与积分器相连。细导线与引出电缆一端焊接并于槽内进行浇注固定，从而避免引出电缆拉拽时细导线腕力。进一步，所述的骨架由中心柱、上挡板、中间挡板和下挡板组成，所述上挡板、中间挡板和下挡板在中心柱竖直方向上从上到下依次设置；骨架上槽为环状槽，骨架上槽位于上挡板与中间挡板之间，骨架下部分槽中间挡板和下挡板之间形成环形的骨架下部分槽。进一步，缺口设置在中间挡板上靠近外圆周位置上。进一步，探头整体可安装于夹具内，采用盖板压紧，下挡板底面与夹具进行对齐定位，下挡板底面的水平度小于0.02mm。进一步，线圈骨架采用硬度高、低热膨胀系数和无导电导磁性的材料，要求热膨胀系数小于10-5/℃，如玻璃陶瓷、环氧复合材料或玻璃纤维增强塑料等。进一步，所述的细导线采用自粘线；细导线直径约为0.03-0.06mm，细导线均匀绕制在槽内。进一步，引出电缆采用双绞线电缆，外层有100％电屏蔽铝箔。进一步，引出电缆通过夹具中5mm深的走线槽引出。进一步，所述的线匝尺寸线匝内半径、线匝外半径和线匝高三个参数确定，在满足结构稳定性的同时，线匝内半径与骨架的中心柱的半径相同，另外两个参数需要根据超导回旋加速器的磁场分布进行优化设计，其方法如下：(1)根据三维有限元模拟软件获得超导回旋加速器中心平面、即z＝0平面，以及z＝±2mm、z＝±4mm平面内极坐标下的磁场分布，角向范围为0-360度，间隔为1度，径向范围为0cm到磁极半径，间隔为1cm。(2)根据磁场分布数据，计算中心平面内每个坐标点沿着轴向的二阶梯度B(2)和四阶梯度B(4)：(3)假定感应线圈探头放置在某一点位置，对探头内的磁场进行泰勒展开后，计算探头感应到的平均磁场为：其中，B、Bm为实际磁场和探头测量得到的磁场。(4)由上式得到每个点的测量误差Bm-B；固定每个半径，对一圈上的测量磁场误差求平均，得到平均磁场误差随半径的变化曲线。(5)调节R2和H两个参数，在保证线圈安匝数足够的情况下，使得上面计算得到的平均磁场误差绝对值在大部分区域都小于0.5Gs。进一步，骨架上的中心柱半径为3mm-5mm。本专利技术的有益效果如下：提供一种感应线圈探头，结构稳定牢固；安装定位简易、方便，根据计划测量磁场设计尺寸；提高测量精度，最终实现最大测量磁场达到10T以上、相对测量精度高于5×10-5。附图说明图1夹具内安装后的感应线圈探头整体结构；图2感应线圈探头骨架结构；图3感应线圈探头测得的平均磁场误差绝对值随半径的变化。图中：1-骨架；2-线匝；3-细导线；4-引出电缆；5-盖板；6-夹具；7-积分器；8-下挡板底面；9-上挡板；10-中挡板；11-下挡板；12-中心柱；13-骨架上槽；14-缺口；15-测量磁场误差；16-测量磁场误差；17-总测量磁场误差；R1-线匝内半径；R2-线匝外半径；H-线匝的高。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的描述，如图1和图2所示，一种超导回旋加速器中可实现高精度磁场测量的感应线圈探头，由骨架1、细导线3、和引出电缆4组成；骨架1由中心柱12、上挡板9、中挡板10和下挡板11组成；中挡板10留有缺口14，用于细导线3从骨架下槽穿过到达骨架上槽13；下挡板底面8平面度误差小于0.02mm，上挡板9受盖板5压力，保证下挡板底面8与夹具6孔槽的底面紧密贴合，实现探头轴向对中和定位。例如，一台230MeV超导质子回旋加速器，磁极半径为85cm，最大磁场约为4T,要求磁场测量精度好于5×10-5，设计适合于该加速器磁场测量的感应线圈探头如下：骨架2材料采用玻璃陶瓷，热膨胀系数约为0.9ppm/K。上挡板9、中挡板10、下挡板11的厚度均为1.5mm；上挡板9的外径为8mm，中挡板10和下挡板11外径为10mm；中挡板10中留有1mm深的缺口14，用于细导线3从骨架下槽穿过到达骨架上槽13。细导线3采用直径为0.04mm的自粘线，细导线3、细导线3均匀绕制在骨架1的下槽内；细导线3出头从中挡板10的缺口14穿过后在骨架上槽13内绕两圈，细导线3与引出电缆4一端进行焊接。为了避免细导线受力，在骨架上槽13内进行浇注对焊接处进行固化。引出电缆4采用BeldenCable公司9501号双绞线电缆，直径为4mm，外层有100％电屏蔽铝箔。引出电缆4通过夹具6中5mm深的走线槽引出，引出电缆4与积分器7连接实现磁场测量。绕制完成后的线匝2内半径R1为3mm，半径R2为8mm，高度H为5mm，绕线匝数约10000匝，有效面积约为0.2m2，满足设计要求。考虑到线圈有一定体积，其感应到的磁场为其体积内的平均场，与实际需要测量的线圈中心的磁场有一定误差，可通过如下方法计算其平均误差：(1)所需测量的超导回旋加速器磁极直径为85cm，通过有限元模拟软件计算加速器中心平面、即z＝0平面，以及z＝±2mm、z＝±4mm平面内极坐标下的磁场分布，角向范围为0-360度，间隔为1度，径向范围为0cm到85cm，间隔为1cm。(2)根据三维有限元模拟软件获得超导回旋加速器中心平面、即z＝0平面，以及z＝±2mm本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，包括线圈骨架(1)、细导线(3)和引出电缆(4)，细导线(3)均匀缠绕在线圈骨架(1)上形成线匝(2)，其特征在于：所述线圈骨架(1)上具有骨架上槽(13)和缺口(14)，细导线(3)的两头穿过缺口(14)后于骨架上槽(13)内缠绕两圈，细导线(3)与引出电缆(4)一端焊接并于骨架上槽(13)进行浇注固定，引出电缆(4)另一端与积分器(7)相连。
【技术特征摘要】
1.一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，包括线圈骨架(1)、细导线(3)和引出电缆(4)，细导线(3)均匀缠绕在线圈骨架(1)上形成线匝(2)，其特征在于：所述线圈骨架(1)上具有骨架上槽(13)和缺口(14)，细导线(3)的两头穿过缺口(14)后于骨架上槽(13)内缠绕两圈，细导线(3)与引出电缆(4)一端焊接并于骨架上槽(13)进行浇注固定，引出电缆(4)另一端与积分器(7)相连。2.如权利要求1所述的一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，其特征在于：所述的骨架(1)由中心柱(12)、上挡板(9)、中间挡板(10)和下挡板(11)组成，所述上挡板(9)、中间挡板(10)和下挡板(11)在中心柱(12)竖直方向上从上到下依次设置；骨架上槽(13)为环状槽，骨架上槽(13)位于上挡板(9)与中间挡板(10)之间，骨架下部分槽(121)中间挡板(10)和下挡板(11)之间形成环形的骨架下部分槽(121)。3.如权利要求1或2所述的一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，其特征在于：缺口(14)设置在中间挡板(10)上靠近外圆周位置上。4.如权利要求3所述的一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，其特征在于：探头整体可安装于夹具(6)内，采用盖板(5)压紧，下挡板(11)底面与夹具(6)进行对齐定位，夹具(6)的下底面的水平度小于0.02mm。5.如权利要求3所述的一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，其特征在于：线圈骨架(1)采用硬度高、低热膨胀系数和无导电导磁性的材料，要求热膨胀系数小于10-5/℃，如玻璃陶瓷、环氧复合材料或玻璃纤维增强塑料等。6.如权利要求1或2所述的一种超导回旋加速器中高精度磁场测量的感应线圈探头，其特征在于：所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李明，王飞，吕银龙，关镭镭，张天爵，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11
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